Effect of additives on the biological properties of titanium oxide silicate materials.pdf Введение Материалы на основе фосфатов кальция, такие как стекло с металлическими уплотнениями, низкотемпературные эмали для металлов, оптические элементы, узлы для радиоактивных отходов и биоматериалы, нашли значительное применение [1-3]. Одной из важных задач в области медицины, поставленных перед наукой, является получение биоматериала -заменителя костной ткани. Спрос на костные имплантаты, способные заменить костную ткань, неуклонно растет. Для того чтобы материалы могли применяться для этой цели, они должны быть биологически совместимыми, т.е. не вызывать отторжения у организма, не производить отравляющее действие. Материалы, полученные на основе силикатных систем, обладают биологической совместимостью, при имплантировании в живой организм не оказывают отрицательного воздействия на ткани, отторжение имплан-тата не происходит. Химическое и морфологическое соответствие биоматериала и костной ткани является одним из основных принципов, лежащих в основе формирования новых материалов. Разработано и изучено много вариантов использования керамических материалов на основе фосфатов кальция в организме [2, 4]. Последние исследования фосфатных материалов показали, что полезный диапазон составов для получения биомедицинских материалов ограничен из-за высокой растворимости, которая наносит ущерб клеточной активности [5]. Биосовместимость тем выше, чем ближе состав материала к минеральной составляющей костной ткани, поэтому благоприятное соотношение Са/Р лежит в диапазоне от 1,0 до 1,67. Франком и др. [6] показано, что материалы с содержанием P2O5 до 30 масс. % показывают высокую биосовместимость как биоматериала. Диоксид титана считается безвредным в контакте с человеческой тканью, но его не должно быть более 10 масс. %. TiO2 используется в качестве заро-дышеобразователя [7, 8] и провоцирует кристаллизацию кальций-фосфатов на поверхности материала. Добавление TiO2 в силикатную систему усиливает химическую стойкость к деионизированной воде и к жидкости организма из-за присутствия Ti-O-P связей, а не Р-О-Р. Основная цель для такого материала в естественных условиях состоит в объединении остеогенной деятельности, в реконструкции костной ткани с возможностью постепенно рассасываться. Так как у таких материалов на первое место выходят биологические и физико-химические свойства, которые существенно зависят от способа получения [9], то наиболее перспективным методом получения является золь-гель технология, обеспечивающая высокую степень гомогенизации исходных компонентов, чистоту продуктов на всех стадиях синтеза и позволяющая снизить энергозатраты. В связи с этим актуальным является создание тонкопленочных материалов на основе малоизученной в тонкопленочном состоянии системы SiO2-Р205-Са0 с добавлением оксида титана. Работа посвящена получению и изучению физико-химических характеристик материалов на основе системы Si02-P205-Са0 и влиянию оксида титана на биоактивность материала. Экспериментальная часть Для получения тонкопленочных материалов на основе системы SiO2-Р205-СаО был приготовлен пленкообразующий раствор с содержанием SiO2 - 52 масс. %; Р205 - 18 масс. %; СаО - 30 масс. %. Для системы SiO2-Р205-СаО-ТЮ2 был приготовлен пленкообразующий раствор с содержанием SiO2 - 52 масс. %; Р205 - 14 масс. %; СаО - 24 масс. %; TiO2 -10 масс. %. В качестве исходных материалов использовали тетроэтоксиси-лан (о.с.ч.), хлорид кальция (ч.д.а.), ортофосфорную кислоту (о.с.ч.), этиловый спирт (96 масс. %) с общей концентрацией 0,4 моль/л и тетрабуток-сититан (о.с.ч.) с концентрацией 0,3 моль/л, предварительно растворенный в бутиловом спирте. Для изучения пленкообразующей способности растворов измеряли их вязкость с помощью стеклянного вискозиметра (диаметр капилляра 0,99 мм, температура 25°С). Пленки получали на кремниевой подложке методом вытягивания со скоростью 5 мм/с. Формирование пленок проводили в два этапа: на воздухе при температуре 60°С и в муфельной печи при температуре 600°С. Термический анализ исходных веществ и порошков высушенных гидролизованных ПОР проведен на дериватографе NETZSCH STA 499 (в интервале температур 25-1000°С, в качестве эталона использовали прокаленный a-Al2O3, атмосфера - воздух). Для установления стадий, протекающих при нагревании пленок, был применен метод инфракрасной спектроскопии. Инфракрасные спектры изучали для пленок на подложках из кремния, отожженных при разных температурах, и регистрировали в области частот 400-4000 см-1 на спектрофотометре Perkin Elmer FTIR -Spectrometr. Фазовый состав термической деструкции ПОР исследован методом рентгенофазового анализа (РФА), который проведен на дифрактометре XRD-6000 (CuKa-излучении) с использованием баз данных PCPDFWIN. Исследования биологических свойств материалов проводили с использованием моделирующей жидкости тела (SBF) в соответствии с методикой [13]. Образцы погружались в раствор SBF на 2 недели при непрерывном термостатировании при температуре 37°С, после чего морфологию поверхности полученных материалов исследовали на сканирующем электронном микроскопе Hitachi ТМ-3000. Элементный состав определяли методом локального рентгеноспектрального микроанализа на той же установке. Результаты и обсуждение При получении тонких пленок из ПОР особое внимание уделяется выбору пленкообразующих веществ (ПОВ), которые должны отвечать требованиям [10]. Тетраэтоксисилан может быть использован в качестве ПОВ, так как хорошо растворим в 96 масс. % этиловом спирте и имеет склонность к гидролизу в присутствии небольшого количества воды. Одним из критериев оценки пленкообразующей способности растворов является их вязкость (рис. 1). Достижение пленкообразующей способности растворов во времени может идти за счет процессов гидролиза и поликонденсации, которые сопровождаются повышением вязкости систем [11, 12], а также за счет электростатического взаимодействия между растворенными ионами и молекулами растворителя, которые могут приводить к повышению значения вязкости. При достижении значения вязкости 3,7 мм2/с происходит формирование пленок при нанесении ПОР на поверхность подложки. Затем вязкость раствора растет медленнее и на 7-е сутки созревания ПОР для первого состава достигает значения 4,3 мм2/с. Для второго состава стабилизация растворов начинается на 4-е сут при значении вязкости 3,85 мм2/с. Это связано с наличием в системе оксида титана, который ускоряет процесс поликонденсации, формируя молекулярную сетку. После 7 сут созревания раствор уже становится непригодным для получения качественных пленок. Экспериментально установлено, что при вязкости пленкообразующих растворов выше 4,4 мм2/с пленки получаются неравномерными и отслаиваются от поверхности подложки. Рис. 1. Кривые изменения вязкости ПОР во времени: 1 - система SiO2-P2O5-CaO; 2 - система SiO2-P2O5-CaO-TiO2 На рис. 2 приведены данные термического анализа для исследуемых составов. Независимо от содержания оксидов в системе процесс получения тонкопленочных материалов происходит в три стадии. В области температур до 400°С происходит удаление физически связанной и химически связанной воды. Вторая стадия - в области температур 400-600°С - обусловлена сгоранием спирта и продуктов термоокислительной деструкции этокси-групп. Третья стадия развивается при температурах выше 700°С и связана с полиморфными превращениями SiO2. Кинетические параметры процессов рассчитаны методом Метцера-Горовица. Относительно низкие значения энергии активации от 33 до 57 кДж/моль указывают на удаление физически адсорбированной воды и растворителя. Энергия активации последующих стадий от 120 до 150 кДж/моль характерна для химических процессов, связанных с полиморфными превращениями SiO2. Данные ИК-спектроскопии показывают (табл. 1), что в сформированных образцах (60°C) присутствуют адсорбированная вода и органический растворитель. Фиксируются химические связи, характеризующиеся валентными колебаниями Р=О, -РО43- групп, цепочек силоксанов 5 (Si-O-Si), и валентными колебаниями связей кальция с кислородом. Колебания связи титана с кислородом при 601 см-1 фиксируются только при 800°С. 300 400 600 300 1000 Температура. "С б Рис. 2. Кинетические кривые по данным термогравиметрческого анализа: а - система SiO2-P2O5-CaO; б - система SiO2-P2O5-CaO-TiO2 Т а б л и ц а 1 Результаты ИК спектроскопии пленок, полученных из ПОР при различных температурах отжига 200 400 600 BOO 1000 Темшратура. " С а SiO^Oj-СаО SiO2-P2O5-СаO-TiO2 Колебания (тип) Наличие полос в ИК спектрах, см-1 (при различных температурах, °С) Наличие полос в ИК спектрах, см-1 (при различных температурах, °С) 60 150 500 800 60 150 500 800 3458,6 3376,4 3389,2 - - 3731,4 3386,7 3720,0 3413,13 3732,2 3396,1 3732,6 3401,4 Адсорбированная вода (валент. колебания ОН) 2918,7 2849,7 2920,1 2847,5 - - 2874,5 2630,7 2359,0 2855,1 2359.1 2153.2 2852,7 2359,0 2153,4 2359,1 Валентные колебания С-Н 1634,0 1633,8 - - 1628,2 1621,4 1624,8 1636,6 Деформационные колебания воды 1467,9 1427,3 - - 1398,3 1397,8 1392,7 1411,2 Деформационные СН2, СН3 1069,4 947,1 1070,0 947,8 1040,1 929,4 1078,0 965,5 1063,4 952,0 1061,7 808,8 1028,6 833,6 1020,4 Валентные колебания Р=О, -РО43- группа 789,4 680,7 773.6 680.7 776,4 680,9 788,5 681,3 790,1 - - - S(Si-O-Si) - - 622,3 592,3 619,3 610,2 - - - - [SiO4] - - 584,1 547.7 501.8 566,6 516,2 502,0 527,5 526,8 524,6 524,9 Деформационные SiO-колебания 445,5 445,4 472,9 458,3 472,9 457,8 - - - - [CaO6] - - - - - - - 601,84 Ti-O Характер ИК спектров иллюстрирует процесс последовательного структурирования пленок в результате термообработки при температурах от 150 до 800°C. При этом по данным ДТА в порошке кристаллизационных процессов не происходит до 700°С (рис. 2). По результатам рентгенофазового анализа были определены основные продукты кристаллизации. Для первого образца при комнатной температуре фиксируются фазы CaCl^PO^^O, Ca^PO^'^O, CaHPO^^O, Ca2SiO4-H2O, аморфный SiO2, Б1Р2О7. Пирофосфат кремния не фиксируется при увеличении температуры до 660°С, фаза SiO2 присутствует до 1 000°С. При температуре 200°С в образце обнаруживаются фазы Са2Р2О7 и фиксируются до 1 000°С. При температуре от 440 до 1000°С в образце обнаруживаются Ca5(PO4)3Cl и CaSiO3. Для второго образца достаточно сложно определить фазовый состав продуктов с помощью этого метода. Тем не менее внешний вид наиболее интенсивного пика соответствуюет фазе CaCl2(H2O)4 и Ca(SiO3). При увеличении температурной обработки до 800°С в образце с содержанием оксида титана 10 масс.% фиксируются фазы гидроксиапатита Ca10(PO4)5,52(HPO4)0,15(SiO4)0,33(OH)1,66O0,19, CaSiO3, анатаз TiO2, Ca3(PO4)2, силиката кальция Ca5(PO4)2>85(SiO4)0>15O. Для изучения биоактивных свойств образцы были погружены в раствор SBF на 14 сут. Изменение массы образцов представлены на рис. 3. , % 12 1+ Время, сут Рис. 3. Изменение массы образцов во время погружения в раствор SBF: 1 - система SiO2-P2O5-CaO; 2 - система SiO2-P2O5-CaO-TiO2 В первый день погружения в SBF массы образцов не меняются. По истечении суток начинается уменьшение массы на 1-1,6%, это свидетельствует о растворении покрытия в среде раствора SBF. После 2 сут выдержки в растворе начинается непрерывный рост массы образцов. Для образца, содержащего оксид титана в системе, за 14 сут масса выросла на 29%, а для первого образца - на 16%. На рис. 4 изображены микрофотографии и элементный анализ поверхности образцов после погружения в раствор SBF. Рис. 4. Микрофотографии и микрореттеноспектральный анализ поверхности пленок после погружения в раствор SBF: а - система SiO2-P2O5-CaO; б - система SiO2-P2O5-CaO-TiO2 Для образцов с содержанием оксида титана в системе на поверхности после погружения в раствор SBF образуются большие рыхлые частицы с большим содержанием Са и Р на поверхности. Кальций и фосфор входят в состав костной ткани, приводят к высокой биологической активности, что способствует регенерации костной ткани. Наличие магния и натрия на поверхности образцов после погружения в раствор SBF свидетельствует об осаждении компонентов раствора SBF на поверхность пленки, вследствие чего увеличивается масса образцов, и тем больше, чем длительнее время выдержки образца в растворе. Ион Na способствует ускорению процесса восстановления костной ткани. Ионы Si улучшают процесс восстановления кости, так как кислородные мостики кремния помогают встраиваться ионам с поверхности материалов в межклеточную жидкость, способствуя сцеплению с костной тканью. Заключение Золь-гель методом получены биоактивные тонкопленочные силикатные материалы. Выявлено влияние оксида титана на биосвойства материалов, полученных на основе системы SiO2-P2O5-CaO. При добавлении оксида титана в систему ПОР стабилизируются уже на 5-е сут. По результатам рент-генофазового анализа определены продукты кристаллизации. При добавлении оксида титана в систему фиксируются фазы гидроксиапатита Caio(PO4)5,52(HPO4)o,i5(SiO4)o,33(OH)i,66Oo,i9, CaSiOs, анатаз ТЮ2, Ca3(PO4)2, силиката кальция Ca5(PO4)2,85(SiO4)015O, но необходимо повысить температуру обработки до 800°С для получения более однородного материала с кристаллическими фазами. При изучении биоактивных свойств образцы были погружены в раствор SBF на 14 сут. Для образца, содержащего оксид титана в системе, за 14 суток масса выросла на 29%, а для образца без оксида титана - на 16%. Для образцов с содержанием оксида титана в системе на поверхности после погружения в раствор SBF образуются большие рыхлые частицы с большим содержанием Са, Р, Mg, Na на поверхности. Оксид титана увеличивает биоактивность материала и ускоряет процесс регенерации.

Скачать электронную версию публикации