Как природная костная ткань, так и синтетический КГА, получаемый осаждением из растворов, имеет смешанный АБ-тип замещения, в котором соотношение между А- и Б-составляющими зависит от многих факторов. В частности, при химическом синтезе это соотношение может зависеть от условий проведения реакции.
Было предложено несколько моделей для описания процесса вхождения карбонат-групп в структуру апатита. В ряде моделей предполагается необходимость компенсации различия валентностей РО43- и СО32- групп посредством частичного замещения кальция одновалентным катионом. В моделях второй группы рассматривается образование вакансий по кальцию. В частности, предложена следующая формула для КГА:
Ca10-y+u(PO4)6-y(CO3)y(OH)2-y+2u, (4)
где 0 < y < 2 и 0 < 2u < y. В этой модели предполагается, что при замещении одной фосфатной группы карбонатной образуются по одной кальциевой и гидроксильной вакансии, причем доля u этих вакансий может быть заполнена [114]. Формула (4) может быть модифицирована следующим образом:
Ca10-y+uy-u(PO4)6-y(CO3 )y-u(CO3 OH)u(OH)2-y+2uy-u, (5)
где 0£y£2 и 0 £2u£y; - вакансия.
Обе рассмотренные модели не учитывают экспериментально наблюдаемого замещения по А-типу при низких концентрациях карбонат групп. Авторы работы [115] синтезировали КГА осаждением из раствора ортофосфата аммония, нитрата кальция и карбоната натрия с варьируемой концентрацией последнего и исследовали соотношение Са/Р в продуктах синтеза. Продемонстрировано, что механизм замещения изменяется в зависимости от степени замещения. При малых концентрациях карбонат замещает в примерно равных пропорциях ОН- и PO43- группы с получением кальций-дефицитного продукта:
Ca10-р(PO4)6-р(CO3)р(OH)2-р(CO3)р(6)
где 0 < р < 1.
Однако, происходит смена механизма еще до полного замещения всех позиций, занимаемых ОН--группами, согласно данным ИК-спектроскопии. По достижении р = 1 с увеличением содержания СО32- групп механизм замещения соответствует предложенному в работе [116], то есть описывается формулой:
Са9-y(PO4)5-y(CO3)1+y(OH)1-y (7)
где y< 0,8.
В противоположность этому, исследованиями методом ЯМР-спектроскопии 31Р и 1Н продуктов синтеза КГА в системе хлорид кальция - однозамещенный фосфат аммония - карбонат аммония - аммиак показано, что СО32--группы замещают группы ОН-, а замещения фосфатных групп не происходит [118]. По-видимому, характер замещения зависит не только от условий проведения, но и от реакции синтеза.
Ряд работ [119-122] посвящен изучению анионного замещения фосфатных групп анионами SiO44- . Несмотря на то, что многими исследователями отмечается сильное влияние наличия кремния в структуре ГА на его биоактивность, количественных данных по степени замещения фосфатных групп силикатами в кристаллической решетки ГА нет. Поскольку силикатный ион обладает большим размером ((Si-O) – 1,7 Å, (Р-О) – 1,5 Å) и более высокозарядный, чем фосфатный, не следует ожидать значительной степени замещения без использования приема двойного гетеровалентного замещения. Так при дополнительном введении La3+ возможно получения всего ряда твердых растворов. Если такой прием не использовать, то компенсация избыточного заряда происходит за счет уменьшения числа гидроксильных групп, и такой гидроксиапатит можно представить формулой:
Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-xx (8)
Кремний-замещенный ГА проявляет большое сродство к карбонат-аниону, который компенсирует заряд силикатного аниона; присутствие СО32- -группы наблюдается в Si-ГА даже в случаях, когда синтез проводится в инертной атмосфере аргона. При этом степень СО32--замещения возрастает с увеличением содержания кремния. Учитывая большой размер SiO44- группы, при их введении должно происходить увеличение параметров элементарной ячейки ГА.
Катионные замещения
Существенное влияние на химические и биологические свойства ГА оказывают катионные замещения. Например, известно, что свинец из физиологической среды имеет тенденцию накапливаться в костных тканях и зубной эмали, оказывая отрицательное влияние на их жизнедеятельность. В структуре апатита малое межатомное расстояние связи Pb-Oобусловлено вкладом ковалентной составляющей в межатомное взаимодействие [123]. Содержание ионов магния составляет от 0,5 масс.% в эмали до 1,23 масс.% в дентине. Магний играет важнейшую роль в физиологических процессах. Содержание натрия в костной ткани достигает 0,9 масс.%. Концентрация калия на порядок величины ниже (табл. 1). Для катионных замещений важное значение имеет размерное соответствие ионов. В таблице 6 приведены ионные радиусы некоторых катионов и анионов [124].
Наиболее близким к кальцию по эффективному ионному радиусу является натрий, легко входящий в структуру гидроксиапатита при синтезе и присутствующий в естественных твердых тканях в значительных количествах. Магний, имеющий существенно меньший ионный радиус по сравнению с кальцием, дестабилизирует структуру апатита. Вхождение Mg2+ в структуру и-ТКФ происходит со следующими особенностями. В небольших количествах магний стабилизирует структуру-ТКФ и замещение происходит по позициям, смежным катионными вакансиями в ромбоэдрической структуре. При высоких содержаниях магния он стабилизирует структуру ТКФ, замещая кальций в катион-анионных колоннах элементарной ячейки [87].Ионы серебра, меди и цинка входят лишь в малых количествах в структуру апатита, замещая ионы кальция, при синтезе осаждением из растворов.
в случае заполнения катионных позиций, определяющим фактором является характер химической связи, образуемой двухвалентным катионом в определенном положении кристаллической структуры, фактор размерного подобия катиона заместителя с катионами кальция менее значим. Предложены различные механизмы катионных замещений в структуре апатита, например:
M2+ = Ca2+; + 2= Ca2+ + 2OH-; + 2ZO42- = Ca2+ + 2PO43
Для одно- и трехзарядных катионов более характерно заполнение позиции СаII, поскольку в этом случае больше возможностей для зарядовой компенсации при соответствующем гетеровалентном замещении в анионных подрешетках. Предложенные механизмы замещения фосфатных PO43- групп включают [125,126]:
Z1O43- = PO43-; Z2O42- + = PO43- + OH-; Z3O42- + Z4O44- = 2PO43-.
3.Синтезиспеканиепорошковортофосфатовкальция
3.1 Синтезортофосфатовкальция
Существует три основных метода синтеза фосфатов кальция: осаждением из растворов (мокрый метод), твердофазный синтез (сухой метод) и гидротермальный синтез. На практике преобладает синтез фосфатов кальция из водных растворов. Для данного способа характерно множество изменяющихся факторов, которые не всегда дают возможность достичь хорошую воспроизводимость, сохранить стехиометрическое соотношение Са/Р в процессе синтеза, т.е. получить порошок с заданными химическими и физическими свойствами. Среди множества факторов наиболее критичными являются рН раствора, температура реакции и продолжительность процесса. твердофазный синтез ГА является более длительными и энергоемкими. Кроме того, этим методом трудно достичь гомогенности конечного продукта.
В зависимости от метода синтеза, может быть получен порошок с различной морфологией, удельной поверхностью, стехиометрией и степенью кристалличности.
При осаждении ГА из растворов предполагают образование осадка с применением реакции осаждения в результате смешения водных растворов соединений, содержащих ионы Са2+ и РО43ˉ, при сохранении рН ³ 7 и выдерживании осадка в соответствующих условиях. В качестве источника Са2+ изучены СаСl2, Са(NO3)2, Ca(OH)2, CaCO3, CaSO4·2Н2О, (CH3COO)2Caи др. В качестве источника фосфат-ионов могут быть использованы H3PO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4 или K3PO4. Для регулирования рН и введения ОНˉ групп применяют водные растворы аммиака или гидроксидов щелочных металлов. Для мокрых методов характерно образование на начальной стадии осадка, не отвечающего составу ГА. При выдержке первоначального осадка фосфата кальция в соответствующих условиях в нем увеличивается соотношение Са/Р и происходит кристаллизация ГА. На скорость кристаллизации первичного осадка в ГА оказывают влияние многие факторы, такие, как концентрация исходных солей, порядок и скорость перемешивания, рН, температура реакции, время выдерживания и др. [1]. Поэтому для получения воспроизводимых результатов необходимо строго соблюдать все условия синтеза.
Среди множества мокрых методов можно выделить несколько “классических”, которые с теми или иными изменениями приводятся в литературе. Одним из них является метод, использующий нитрат кальция в качестве источника ионов кальция и основанный на реакции [127]:
10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH ÞCa10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6Н2О(9)
Следует отметить работу [128], где также в качестве источника Са также использовался Ca(NO3)2:
10Ca(NO3)2+6KH2PO4+14NaOH Þ
Ca10(PO4)6(OH)2+6KNO3+14NaNO3+12H2O(10)
Рост кристаллов и их выделение из раствора происходит постепенно; отфильтрованный осадок ГА промывают водой и спиртом, затем сушат при температуре 40-50°С.