Исследование физико-химических свойств композитов, полученных механохимическим синтезом наноразмерного гидроксиапатита и синтетических цеолитов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящей статье исследованы особенности синтеза и физико-химические свойства композиционного материала на основе осажденного гидроксиапатита и синтетических алюмосиликатных цеолитов. С использованием современных методов анализа аттестованы как полученный композиционный материал, так и индивидуальные компоненты, входящие в его состав. Синтез материала осуществляли путем смешения при одновременном измельчении в вибрационной мельнице синтетического цеолита и гидроксиапатит с последующим отжигом полученной смеси. Методом ИК-спектроскопии уточнены характеристики исходных алюмосиликатных цеолитов и гидроксиапатита, оценено их взаимодействие при механохимическом синтезе и последующей термической обработке полученных на их основе композитов. Рентгенофазовый анализ исходных синтетических цеолитов указывает на потерю адсорбированной и кристаллизационной воды и разложение до сложных алюмосиликатных оксидов кальция и натрия при температурной обработке при 1000°С. Так же было установлено, что, хотя осажденный гидроксиапатит является структурно нестабильным, а его фазовый состав зависит от температуры, поведение полученного на его основе композиционного материала значительно отличается при высокотемпературной обработке. Доказано, что термический отжиг полученного посредством механосинтеза композита при термообработке при 1000°С не приводит к химическому модифицированию структуры гидроксиапатита и образованию нового соединения за счет введения цеолита. Дифференциально-термический анализ показал увеличение стабильности композиционного материала относительно отдельных его составляющих. Морфология исходных материалов и подвергнутых термической обработке изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии, показано изменение морфологии при спекании. Наряду с исследованием термической стабильности материалов, была проведена оценка линейной усадки образцов и их микротвердости. Проведенные комплексные исследования позволили рекомендовать композиты на основе осажденного гидроксиапатита, содержащие в своем составе 15 масс.% алюмосиликатных цеолитов в качестве перспективных для дальнейшего изучения материалов, обладающих наилучшими функциональными характеристиками, в том числе прочностными.

Об авторах

Алла Геннадьевна Широкова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов

Светлана Александровна Бибанаева

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

Email: bibanaeva@mail.ru
научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов

Екатерина Анатольевна Богданова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН; АО «Гиредмет»

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»; ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств для водородной энергетики, АО «Гиредмет»

Владимир Михайлович Скачков

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов

Ольга Васильевна Корякова

Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН

к.х.н., научный сотрудник лаборатории спектральных методов исследования

Список литературы

  1. Mantsopoulos, K. Hydroxyapatite bone cement in the reconstruction of defects of the long process of the incus: Personal experience and literature review / K. Mantsopoulos, V. Thimsen, F. Wohlleben et al. // American Journal of Otolaryngology-Head and Neck Medicine and Surgery. - 2021. - V. 42. - I. 4. - Art. № 103002. - 4 p. doi: 10.1016/j.amjoto.2021.103002.
  2. Kim, H-I. A 3D calcium-deficient hydroxyapatite-based scaffold with gold nanoparticles effective against Micrococcus luteus as an artificial bone substitute / H-I. Kim, N. Raja, J. Kim et al. // Materials & Design. - 2022. - V. 219. - Art. № 110793. - 10 p. doi: 10.1016/j.matdes.2022.110793.
  3. Basirun, W.J. Development of the third generation of bioceramics: Doping hydroxyapatite with s-, p-, d-, and f-blocks cations and their potential applications in bone regeneration and void filling / B. Nasiri-Tabrizi, W.J. Basirun, C.H. Yeong, W.M. Thein // Ceramics International. - 2023. - V. 49. - I. 5. - P. 7142-7179. DOI: 101610/j.ceramint.2022.12.117.
  4. Abere, D.V. Mechanical and morphological characterization of nano-hydroxyapatite (nHA) for bone regeneration: A mini review. / D.V. Abere, S.A. Ojo, G.M. Oyatogun et al. // Biomedical Engineering Advances. - 2022. - V. 4. - Art. № 100056, - 12 p. doi: 10.1016/j.bea.2022.100056.
  5. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. - 5 с.
  6. Zhao, R. Osteoporotic bone recovery by a bamboo-structured bioceramic with controlled release of hydroxyapatite nanoparticles / R. Zhao, T. Shang, B. Yuan et al. // Bioactive Materials. - 2022. - V. 17. - P. 379-393. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.01.007.
  7. Chandran, S. Osseointegration of osteoporotic bone implants: Role of stem cells, silica and strontium - A concise review / S. Chandran, A. John // Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. - 2019. - V. 10. - Suppl. 1. - P. 32-36. doi: 10.1016/j.jcot.2018.08.003.
  8. Pena, P. Effect of graphene on setting and mechanical behaviour of tricalcium phosphate bioactive cements / C. Baudín, T. Benet, P. Pena // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - V. 89. - P. 33-47. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.09.002.
  9. Şimşek, B. Investigation of self-healing ability of hydroxyapatite blended cement paste modified with graphene oxide and silver nanoparticles / B. Şimşek // Construction and Building Materials. - 2022. - V. 320. - I. 5. - Art. № 126250. - 11 p. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.126250.
  10. Karimi, A.Z. Glass ionomer cements with enhanced mechanical and remineralizing properties containing 45S5 bioglass-ceramic particles / A.Z. Karimi, E. Rezabeigi, R.A.L. Drew // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - V. 97. - P. 396-405. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.05.033.
  11. Mabroum, Y. Physicochemical, setting, rheological, and mechanical properties of a novel bio-composite. based on apatite cement, bioactive glass, and alginate hydrogel / Y. Mabroum, H. Noukrati, H. Ben youcef et al. // Ceramics International. - 2021. - V. 47. - I. 17. - P. 23973-23983. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.05.106.
  12. Богданова, Е.А. Получение биокомозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита с оксидами циркония и кремния / Е.А. Богданова, В.М. Скачков, И.М. Гиниятуллин, Д.И. Переверзев, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 655-663. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.655.
  13. Богданова, Е.А. Получение биокомозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита с соединениями титана / Е.А. Богданова, В.М. Скачков, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 521-530. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.521.
  14. Гиниятуллин, И.М. Разработка композиционных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита, упрочненного оксидами алюминия и циркония / И.М. Гиниятуллин, Е.А. Богданова, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 571-579. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.571.
  15. Переверзев, Д.И. Получение биокомпозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита, допированного оксидом циркония и фторидом кальция/ Д.И. Переверзев, Е.А. Богданова, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 697-705. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.697.
  16. Богданова, Е.А. Влияние армирующих добавок на процессы спекания и упрочнения наноразмерного гидроксиапатита / Е.А. Богданова, И.М. Гиниятуллин, Д.И. Переверзев, В.М. Разгуляева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 548-554. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.548.
  17. Бибанаева, С.А. Синтез и исследование функциональных характеристик композиционных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и синтетических цеолитов / С.А. Бибанаева, Е.А. Богданова, В.М. Скачков // Физико-химические аспекты изучения нанокластеров и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 913-923. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.913.
  18. Bacakova, L. Applications of zeolites in biotechnology and medicine - a review / L. Bacakova, M. Vandrovcova, I. Kopova, I. Jirka // Biomaterials Science. - 2018. - V. 6. - I. 5. - P. 974-989. - doi: 10.1039/c8bm00028j.
  19. Iqbal, N. Microwave synthesis, characterization, bioactivity and in vitro biocompatibility of zeolite-hydroxyapatite (Zeo-HA) composite for bone tissue engineering applications / N. Iqbal, M.R.A. Kadir, N.H.B. Mahmood et al. // Ceramics International. - 2014. - V. 40. - I. 10. - P. 16091-16097. doi: 10.1016/j.ceramint.2014.07.038.
  20. Youssef, H.F. Preparation and characterization of novel bio-composites based on functionalized zeolite and nano-hydroxyapatite for a potential application in bone treatment / H.F. Youssef, A.M. El-Kady, M.M. Ahmed, H.H. Abo-almaged // Journal of Porous Materials. - 2021. - V. 28. - I. 6. - P. 1979-1998. doi: 10.1007/s10934-021-01142-9.
  21. Mohandesnezhad, S. In vitro evaluation of Zeolite-nHA blended PCL/PLA nanofibers for dental tissue engineering / S. Mohandesnezhad, Y. Pilehvar-Soltanahmadi, E. Alizadeh et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2020. - V. 252. - Art. № 123152. - 9 p. doi: 10.1016/j.matchemphys.2020.123152.
  22. Бибанаева, С.А. Синтез алюмосиликатных цеолитов в условиях глиноземного производства / С.А. Бибанаева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 747-753. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.747.
  23. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. - 2020. - V. 2. - I. 9. - Art. № 1565. - 7 p. doi: 10.1007/s42452-020-03388-5.
  24. Speyer, R.F. Thermal analysis of materials / R.F. Speyer. - New York: Marcel Dekker Inc., 1994. - 285 p.
  25. Powder Diffraction File JCPDS-ICDD PDF-2 (Set 1-47). (Release, 2016). - Режим доступа: www.url: https://www.icdd.com/pdf-2/. - 15.06.2024).
  26. Prabakaran, K. Development of calcium phosphate-based apatite from hen's eggshell / K. Prabakaran, A. Balamurugan, S. Rajeswari // Bulletin of Materials Science. - 2005. - V. 28 - I. 2. - P. 115-119. doi: 10.1007/BF02704229.
  27. Annunziata, O.A. Hydroxyapatite/MCM-41 and SBA-15 nano-composites: preparation, characterization and applications / O.A. Annunziata, M.L. Martínez, A.R. Beltramone // Materials. - 2009. -V. 2. - I. 4. - P. 1508-1519. doi: 10.3390/ma2041508.
  28. Gibson, I.R. Novel synthesis and characterization of an AB-type carbonate-substituted hydroxyapatite / I.R. Gibson, W. Bonfield // Journal of Biomedical Materials Research. - 2001. -V. 59. - I. 4. - P. 697-707. doi: 10.1002/jbm.10044.
  29. Balonis, M. Phase relations in the calcium carbonate/ammonium phosphate system under aqueous conditions and 25°C / M. Balonis, X. Ma, I. Kakoulli // Journal of the American Ceramic Society. - 2020. - V. 103. - I. 6. - P. 3837-3850. doi: 10.1111/jace.17047.
  30. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. - М.: Наука, 2006. - 204 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».