Нанокомпозитні матеріали на основі високодисперсного гідроксіапатиту та біополімерів як модель кісткової тканини

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ХІМІЇ ПОВЕРХНІ ІМ. О.О. ЧУЙКА

Головань Аліна Петрівна

УДК 544.723 + 577.1 + 544. 4 + 544.18

НАНОКОМПОЗИТНІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО ГІДРОКСІАПАТИТУ ТА БІОПОЛІМЕРІВ ЯК МОДЕЛЬ КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ - 2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор хімічних наук, професор

Туров Володимир Всеволодович,

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України,

завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

Тьортих Валентин Анатолійович,

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України,

головний науковий співробітник

кандидат хімічних наук

Трачевський Володимир Васильович,

Технічний центр НАН України,

провідний науковий співробітник

Захист відбудеться “ 14 ” квітня 2011 р. о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України за адресою: 03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України (03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 17)

Автореферат розісланий “ 11 ” березня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.П. Приходько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка екологічно чистих матеріалів з заданими властивостями є однією з ключових проблем хімії поверхні. Створення штучних кісткових тканин та імплантатів є одним з пріоритетних завдань сучасної відновлювальної хірургії, оскільки в результаті різного роду травм може виникати необхідність заміни як цілих кісток так і їх фрагментів. На сьогодні для заміщення кісткових дефектів вже існує широкий вибір трансплантаційних матеріалів, різноманітних за складом, формою та властивостями. Однак, жоден з них не відповідає всім вимогам сучасної реконструктивної хірургії, що робить необхідним активний пошук нових підходів у створенні штучних кісткових матеріалів. Як найбільш перспективні слід вважати композитні системі, до складу яких входять мінеральна (гідроксіапатит) та біополімерна складова, що можуть з часом, під впливом метаболічних процесів організму перетворюватись або заміщуватись природною кістковою тканиною. Для цього властивості синтезованих біокомпозитів мають бути максимально наближені до властивостей природного матеріалу, що може бути досягнуто шляхом варіювання їх хімічного складу, співвідношення мінеральної та полімерної складових та морфології. Оскільки в губчатій складовій природних кісток здійснюються складні біохімічні перетворення, пов'язані з процесами утворення, росту та диференціації клітин, оновлення мінеральної складової кісткового матеріалу, то стан речовини в нанорозмірних порожнинах внутрішнього простору кісток може сильно відрізнятись від об'ємного за рахунок самоузгоджених процесів міжмолекулярної взаємодії води, біополімерів та мінеральних наночастинок.

Таким чином, актуальною науковою задачею є дослідження стану речовини у внутрішньому нанорозмірному просторі кісткового матеріалу та створення на основі високодисперсного кремнезему (ВДК), гідроксіапатиту (ГАП) і біополімерів (желатину та альбуміну) матеріалу, максимально наближеного до природної кісткової тканини за своїми гідратними характеристиками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України: „Теоретичні дослідження і розробка лікарських композитів з сорбційним механізмом дії і регульованою фармакокінетикою” (№ держ. реєстрації 0199U002299); „Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ держ. реєстрації 0103U006286).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було вивчення процесів самоорганізації та впливу органічних розчинників різної природи на стан води у внутрішніх нанорозмірних порожнинах кісткового матеріалу та створенню на основі нанорозмірного гідроксіапатиту та білків (желатин, альбумін) матеріалу, максимально наближеного до природної кісткової тканини за своїми гідратними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі завдання:

• Методом низькотемпературної ЯМР-спектроскопії порівняти стан води в природних кісткових тканинах здорового організму і при наявності морфологічних патологій.

• Дослідити вплив термічної деградації кісткового матеріалу на його гідратні властивості в повітряному, водному та органічному середовищах та співставити їх з гідратними властивостями модельного об'єкту - високодисперсного кремнезему.

• Для досягнення найбільш повного відтворення гідратних властивостей природної кісткової тканини розробити та оптимізувати склад, одержаних за різними методиками, композитних систем на основі ГАП, ВДК та білків - желатину і сивороткового альбуміну (САЛ).

• Дослідити процеси життєдіяльності і репродукування непатогенних одноклітинних мікроорганізмів всередині твердотільної матриці синтезованих композитних матеріалів.

• Розробити математичну модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту та встановити вплив концентрації вихідних реагентів та температури синтезу на розмір кристалів.

Обґєкти дослідження. Натуральна кісткова тканина; продукти термічної деградації кісткової тканини; нанорозмірний гідроксіапатит; високодисперсні кремнеземи ОХ-50 та А-300, композитні системи на основі ВДК та білкового гідролізату "Геосен", ГАП-"Геосен", ГАП-Желатин, ГАП-САЛ та Гідроксіапатит-Желатин-Альбумін (ГЖА).

Предмет дослідження. Гідратні характеристики кісткової тканини та нанокомпозитів на основі високодисперсного кремнезему, гідроксіапатиту та білків (осеїну, желатину та САЛ) на міжфазних границях з повітрям, водним та органічним середовищами; біосумісність композитних матеріалів.

Методи дослідження. Метод ¹Н ЯМР-спектроскопії; ¹Н ЯМР-кріопорометрії; УФ-спектроскопія; ІЧ-спектроскопія; адсорбційні методи; термогравіметричний аналіз (ТГ); диференційна скануюча калориметрія (ДСК); СЕМ; фотон-кореляційна спектроскопія (ФКС); потенціометричне титрування (визначення о - потенціалу); біометричні дослідження; математичне моделювання; методи чисельного розв'язку систем диференційних рівнянь та методи квантової хімії.

Наукова новизна одержаних результатів. Знайдено та досліджено ефекти самоорганізації водно-органічних систем в природній кістковій тканині та продуктах її термічної деградації, що виявляються в утворенні системи нанорозмірних кластерів, до складу яких входять органічні речовини та молекули сильно- і слабоасоційованої води. Для означених матеріалів вивчено вплив температури та співвідношення концентрацій інгридієнтів на термодинамічні характеристики та розподіл за розмірами кластерів різних форм міжфазної води. Показано наявність впливу органічних розчинників на структурні та енергетичні параметри гідратного шару губчатої складової кісткової тканини людини та продуктів термічної деградації природного кісткового матеріалу.

Оптимізовано умови синтезу нанокомпозиту ГЖА (Гідроксіапатит-Желатин-Альбумін) з водних розчинів солей Ca(NO₃)₂ та (NH₄)₂HPO₄ в присутності білків (альбуміну та желатину) із структурними та енергетичними параметрами гідратного шару, близькими до натуральної кісткової тканини, в яких питома поверхня гідроксіапатиту досягає 100-130 м²/г. Встановлено, що вода, адсорбована частинками нанокомпозиту, при контакті з органічними речовинами проявляє неоднорідну, кластерну структуру, де в залежності від органічного середовища може знаходитись в сильно- чи слабоасоційованому станах.

Розроблено математичну модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту, яка дає змогу проаналізувати вплив зміни концентрації вихідних реагентів і температури синтезу на розміри частинок. Вперше, на основі чисельного експерименту визначені закономірності та подана кількісна оцінка зміни розмірів кристалітів гідроксіапатиту від температури синтезу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені композитні матеріали на основі ГАП та білків (альбуміну та желатину) в поєднанні з лецитином можуть бути використані в хірургічній стоматології, трансплантології як ефективні заповнювачі кісткових дефектів, а також як основа для створення імплантатів кісткової тканини.

Розроблена математична модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту та отримані на її основі результати можуть знайти застосування при побудові розширених моделей синтезу кераміки та композиційних матеріалів з біополімерною матрицею, а також засобів доставки біологічно активних речовин для клітинної терапії.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто проведено пошук та аналіз літературних даних, сплановано і проведено основний обсяг експериментальних досліджень, синтезовано нанокомпозитні матеріали та оброблено одержані результати. Постановка задачі досліджень, обговорення, узагальнення результатів та формулювання висновків проводилось спільно з науковим керівником д.х.н., проф. В.В. Туровим та за участю к.х.н. В.М. Барвінченко. Зразки кісткової тканини були надані колегами з Люблінського університету ім. М. Кюрі-Склодовської (Польща) за сприяння проф. Р. Лебоди, доктора Я. Скубішевської-Зієби. На обладнанні хімічного факультету Люблінського університету одержано експериментальні дані для синтезованих нанокомпозитів методами СЕМ, диференційної скануючої калориметрії, фотон-кореляційної спектроскопії, потенціометричним титруванням, визначення питомої поверхні синтезованих зразків низько-температурною адсорбцією азоту. ¹Н ЯМР-дослідження здійснено на ЯМР-спектрометрі Київського національного університету імені Тараса Шевченка за сприяння д.х.н., проф. О.В. Турова. Математичну обробку експериментальних результатів ¹Н ЯМР-кріопорометрії (розрахунки розподілу пор та водних асоціатів за розміром) виконано спільно з д.х.н., проф. В.М. Гуньком. Дослідження адсорбції білкового гідролізату «Геосен» проводились спільно з к.х.н. В.М. Барвінченко. Дані ІЧ-спектроскопії одержано на обладнанні відділу хімії поверхні гібридних матеріалів інституту (д.х.н. Ю.Л. Зуб). Термогравіметричні дослідження синтезованих зразків гідроксіапатиту та нанокомпозитів проводили спільно з к.х.н. М.В. Борисенком. Біометричні дослідження проведено разом з к.х.н. Т.В. Крупською. Математична модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту та одержані на її основі результати виконано за сприяння к.т.н. І.В Голованя.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на вітчизняних та міжнародних конференціях: Всеукраїнська конференція молодих учених "Наноматеріали в хімії, біології та медицині", Київ (2006); Х Польсько-Українському Симпозиумі ''Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technologycal applications'', Польща, м. Люблін (2006); Всеукраїнська з міжнародною участю конференція молодих учених "Наноматеріали в хімії, біології та медицині", Київ (2007); Всеукраїнська конференція з міжнародною участю, присвячена 90-річчю Національної академії наук України, Київ (2008); Четвертій всеукраїнській науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених "Хімічні проблеми сьогодення", Донецьк (2010); Науково - практична конференція Асоціації стоматологів України 21-23 квітня, Одеса (2010); Міжнародна конференція "Modern problems of surface chemistry and physics", Київ (2010); ''Домбровські хімічні читання - 2010'', Львів (2010); XII Polish - Ukrainian Symposium "Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technologycal applications", Poland, Kielce - Ameliуwka (2010).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 8 статей у вітчизняних та міжнародних наукових журналах, збірниках наукових праць, 9 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і переліку посилань. Повний обсяг роботи становить 198 сторінок машинописного тексту, включаючи 13 таблиць, 60 рисунків та список літературних джерел (188 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета та завдання роботи, вказано предмет та об'єкти дослідження, надано відомості про наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

РОЗДІЛ 1. Огляд літератури. В першому розділі наведено огляд літератури, де розглянуті сучасні дані про будову кісткової тканини та будову, методи одержання, біосумісні і біоактивні властивості гідроксіапатиту та композитів на його основі. Наведено інформацію щодо кластерної структури води, визначено різні її форми та розглянуто вплив води на біохімічні процеси в кістковій тканині. Сформульовано наукові задачі та визначено шляхи їх досягнення.

РОЗДІЛ 2. Об'єкти та методи дослідження. У другому розділі визначено об'єкти дослідження, описано методики одержання зразків композитів на основі високодисперсного кремнезему та ГАП з біополімерами (табл. 1).

Розглянуто основні методи дослідження зразків кісткової тканини та композитних матеріалів, які використовувались у даній роботі. Структурно-адсорбційні характеристики синтезованих композитів розраховували за даними низькотемпературної адсорбції/десорбції азоту. Описано методи дослідження гідратаційних та фізико-хімічних властивостей досліджуваних матеріалів: ¹Н ЯМР-, ІЧ-, УФ-спектроскопія, фотон-кореляційна спектроскопія, потенціометричне титрування, СЕМ, ДСК, методи теоретичних розрахунків: розподіл пор за розміром, чисельне моделювання. Біометричні дослідження з тестовими культурами клітин проводили для встановлення біоактивності досліджуваних зразків.

Таблиця 1. Композитні матеріали на основі ВДК, ГАП та біополімерів

Зразок	Спосіб одержання	Склад
ВДК-"Геосен"	Рівноважна адсорбція	Високодисперсний кремнезем А-300 та білковий гідролізат "Геосен"
ГАП-Желатин	Імпрегнація	Нанодисперсний гідроксіапатит (SБЕТ=120 м2/г) та білок желатин
ГАП-САЛ	Імпрегнація	Нанодисперсний гідроксіапатит (SБЕТ=120 м2/г) та білок сироватковий альбумін людини
ГЖА	Біоміметичним методом	Нанодисперсний гідроксіапатит та 12,7% білків (желатин та альбумін) (SБЕТ=117,6 м2/г)

РОЗДІЛ 3. Процеси самоорганізації водно-органічних систем в нанорозмірному просторі кремнезему ОХ-50 та кісткової тканини. Даний розділ присвячено дослідженню впливу температури та слабополярних органічних молекул - хлороформу і речовин, які змішуються з об'ємною водою в будь-яких співвідношеннях - ацетонітрилу та диметилсульфоксиду, на граничну воду в зразках кісткової тканини (губчатої складової та хімічно дегідратованого кісткового матеріалу) і кремнезему ОХ-50.

Методом низькотемпературної ¹Н ЯМР-спектроскопії ретельно вивчено гідратні характеристики зразків губчастої складової кісткової тканини (рис. 1), здорової та враженої остеопорозом. Встановлено, що вода в кістковому матеріалі присутня у вигляді двох типів просторово розділених кластерних структур - сильноасоційованих, які характеризуються хімічним зсувом в діапазоні 4,5ч6 м.ч. (сигнал 1) та слабоасоційованих - з хімічним зсувом 1ч1,5 м.ч. (сигнал 2).

Рис. 1. Спектри Н ЯМР води в зразках губчатої складової кісткової тканини у водному середовищі

Приблизно половина зв'язаної води знаходиться в слабоасоційованому стані, коли не кожна молекула води бере участь в утворенні водневих зв'язків із своїми сусідами.

Рис. 2. Розподіл пор за розміром зразків кісткової тканини, розрахований методом ЯМР-кріопорометрії

Методом ЯМР-кріопорометрії за рівнянням Гіббса - Томпсона було розраховано розподіли за розмірами внутрішніх порожнин в зразках кісткової тканини. Iз співставлення розподілів (рис. 2) в результаті остеопорозу відносно збільшується доля порожнин з (радіусом) напівшириною близько 3 нм. Ці результати свідчать про значні відмінності в будові кісткової тканини - зразок враженої остеопорозом кістки є більш пористим, що узгоджується з морфологічними дослідженнями впливу остеопорозу на кісткову тканину. Проведені дослідження показали, що молекули хлороформу мають значний вплив на воду всередині губчастої складової кісткової тканини, ще більше підвищуючи концентрацію слабоасоційованих форм води (рис. 3 б).

Таким чином, кісткова тканина спричиняє структурну та енергетичну диференціацію зв'язаної води, яка проявляється в наявності сильно- та слабоасоційованої води, переважна частина якої входить до кластерів з радіусами в діапазоні 0,5-15 нм (рис. 3).

Рис. 3. Вплив органiчного середовища на розподіл за розмірами кластерів сильноасоційованої (а) та слабоасоційованої (б) води в зразку здорової кісткової тканини, де: 1- на повітрі; 2 - в 30 мас% води; 3 - в дейтерованому бензолі; 4 - в дейтерохлороформі; 5 - в дейтерованому ацетонітрилі; 6 - в ДМСО

Властивості кластеризованої та об'ємної води значно відрізняються, зокрема слабоасоційована вода може розчиняти значну кількість слабополярних речовин, в той час як кластери сильноасоційованої води не розчиняють полярні речовини, тому ця особливість кісткової тканини може забезпечувати протікання складних біохімічних процесів, які здійснюються під час синтезу клітин та відновлення наночастинок ГАП. При розробці штучної кісткової тканини саме критерій максимальної кластеризації міжфазної води може бути вибрано для оптимізації складу синтетичного кісткового матеріалу.

Оскільки кістка є складним композитним матеріалом, на наступному етапі роботи вивчено закономірності у зміні характеристик міжфазної води, які відбуваються в процесі хімічної деструкції натурального кісткового матеріалу. Досліджувались два зразки, одержані на основі помеленої кістки корови, один з яких (зразок 1) було збагачено білковою складовою кісткового матеріалу шляхом його довготривалої обробки розчином соляної кислоти, а другий являв собою перекристалізований ГАП (зразок 2), який видалявся з кістки в процесі приготування зразку 1. В ЯМР-спектрах зразків сигнал слабоасоційованої форми міжфазної води не спостерігається. В зразку 1 слабоасоційована форма води частково відновлюється середовищем хлороформу, а в зразку 2 - вона присутня тільки у вигляді широкого слабоінтенсивного сигналу. В порівнянні з натуральним кістковим матеріалом додавання дейтерованих електронодонорних органічних розчинників - ацетонітрилу та диметилсульфоксиду до обох зразків, не призвели до суттєвої стабілізації слабоасоційованих форм води.

Таким чином, кластерний стан міжфазної води в кістковому матеріалі забезпечується не білковою або мінеральною складовими, а їх певним просторовим розташування і певною структурою внутрішніх нанорозмірних порожнин, яка суттєво відрізняється для натурального та хімічно деструктованого матеріалів.

Моделювання кісткової тканини було розпочато шляхом вивчення поведінки води в нанорозмірних зазорах, що утворюються між мінеральними частинками. Оскільки ГАП, незалежно від методу його синтезу значною мірою агрегований і утворює частинки мікронного розміру, для досліджень було обрано нанокремнезем ОХ-50, який легко утворює стабільні концентровані суспензії.

Таблиця 2. Термодинамічні характеристики шарів води, адсорбованої на кремнеземі ОХ-50, в різних середовищах

Зразок	мг/г	мг/г	DGs кДж/моль	DGw кДж/моль	gS Дж/г
18% SiO2 (суспензія)	17	387	-1,6	-0,6	4,4
33% SiO2 (гель)	17	287	-1,6	-0,6	3,2
2% Н2О	10,5	9,5	-3,2	-1,2	1,2
2% Н2О в середовищі CDCl3	8	12	-2,7	-0,7	0,8

Встановлено, що ЯМР-спектр адсорбованої води для всіх вивчених зразків ОХ-50 має вигляд аналогічний до мінеральної складової кістки (зразок 2), тобто в спектрах спостерігається лише одиночний сигнал сильноасоційованої води. Для водної суспензії і гелю значна частина незамерзаючої води є слабозв'язаною, в той час як для гідратованих порошків більша частина адсорбованої води відноситься до сильнозв'язаної. В середовищі рідкого дейтерохлороформу відбувається певне зменшення концентрації сильнозв'язаної води (табл. 2).

Методом ¹Н ЯМР-кріопорометрії встановлено, що вода та слабополярні речовини займають в нанопорах різні області. Органічна фаза переважно межує з поверхнею стінок, в той час як вода зосереджена в середній частині пор чи витіснена в більш широкі пори. Така самоорганізація сумішей рідин в просторі нанопор обумовлена прагненням системи адсорбент/адсорбат до мінімуму вільної енергії. Різниця в параметрах гідратації при переході від суспензії до гідратованого порошку визначається істотнім збільшенням вкладу від текстурної пористості, що виникає при тісному контакті наночастинок. Неполярні та слабополярні коадсорбати зменшують зв'язування води з поверхнею мінеральних частинок завдяки тенденції зниження площі границь розділу між гідрофільною та гідрофобною компонентами.

РОЗДІЛ 4. Моделювання елементів кісткової тканини нанокомпозитними системами та вивчення їх характеристик. В цьому розділі проведено фізико-хімічні дослідження нанокомпозитних систем високодисперсний матеріал - біополімери та порівняння їх гідратних властивостей з властивостями натуральної кісткової тканини. На першому етапі досліджень модельною системою були нанокомпозитні матеріали на основі високодисперсного кремнезему А-300 та білкового гідролізату "Геосен" (ВДК-"Геосен") та гідроксіапатиту з "Геосеном" (ГАП-"Геосен"). Ізотерми адсорбції "Геосену" на кремнеземі А-300 відносяться до ленгмюрівського типу (рис. 4), що дозволяє визначити величину граничної адсорбції, яка складає 180 мг/г при рН 4,7 та 120 мг/г при рН 7,4.

кремнезем нанокомпозитний кістковий тканина

Рис. 4. Ізотерми адсорбції білкового гідролізату "Геосен" на кремнеземі А - 300

Рис. 5. Залежність величини адсорбції білкового гідролізату (СБГ =4,8 мг/мл) від рН розчину

Залежність величини адсорбції від рН розчину має дзвіноподібну форму (рис. 5), типову для білкових молекул, у яких взаємодія з поверхнею частинок високодисперсного кремнезему контролюється електростатичними взаємодіями. Максимальна адсорбція відповідає ізоелектричній точці білкових молекул та реєструється при рН=5.

Порівняння гідратних характеристик композитів ГАП - "Геосен", ГАП - Желатин, ГАП - САЛ (рис. 6) показало, що в композитних матеріалах на основі ГАП та ВДК з білковим гідролізатом (рис. 6,а) їх поверхня стабілізує тільки сильноасоційовані форми води, в той час як для нанокомпозитів ГАП-Желатин із співвідношенням компонентів (8:1) (рис. 6,б) в спектрах реєструються сигнали сильно- та слабоасоційованої води, а появі слабоасоційованої води в композитах ГАП-САЛ (рис. 6,в) сприяє присутність слабополярного середовища хлороформу.

Рис. 6. Н ЯМР спектри води в нанокомпозитах, які приготовлені на основі гідроксіапатиту: а - ГАП-"Геосен"; б - ГАП-Желатин; в - ГАП-САЛ

Однак для композитних систем, створених на основі одного типу наночастинок та одного типу білкових молекул співвідношення концентрацій сильно- та слабоасоційованих форм води сильно відрізнялось від того, що спостерігається в натуральній кістковій тканині. Тому було зроблено припущення, що найбільш перспективним для створення штучних аналогів кісткового матеріалу будуть композитні матеріали, створені на основі порошків нанорозмірного ГАП та декількох типів білкових молекул при певному співвідношенні їх концентрацій.

На третьому етапі фізичного моделювання були досліджені гідратні характеристики нанокомпозитних матеріалів на основі гідроксіапатиту-альбуміну-желатину (ГЖА), який отримували шляхом осадження ГАП з пересичених водних розчинів солей в присутності двох типів білків (желатину та САЛ) за рівнянням реакції:

Ca(NO₃)₂ + (NH₄)₂HPO₄ + NH₄OH = Ca₁₀(PO₄ )₆(OH)₂+NH₄ NO₃ + H₂O

На мікрофотографіях зразку ГЖА, одержаних з допомогою скануючого електроного мікроскопу (рис. 7), видно агрегати з розміром до 30 - 50 мкм, та голкоподібні кристалики ГАП в композитному матеріалі, які мають розміри від 30 до 80 нм. Дані СЕМ добре узгоджується з результатами ФКС (рис. 8).

В ІЧ-спектрах композиту ГЖА спостерігаються характерні піки при 1095, 1050, 960, 606 см^-1, які відносяться до валентних та деформаційних коливань фосфатних груп та карбонатної групи (1490 ? 1410 см^-1 та 876 см^-1). Також з'являються нові смуги поглинання в області 1645 ? 1649 см^-1 та 1548 см^-1, які відносять до поглинання білку (Амід І та Амід ІІ). Оскільки в синтезованому композиті фосфатні групи в структурі апатиту частково заміщені на карбонатні, подібно до біологічного ГАП, це дає підставу припускати, що композити ГЖА можуть бути застосовані в медицині як матеріал для заміщення кісткових дефектів.



Рис. 7. СЕМ фотографії композиту ГЖА

Рис. 8. Розподіл частинок за розміром в суспензіях зразків ГЖА з 0,25 мас% в 0,01М розчині NaCl

Методом низькотемпературної ¹Н ЯМР-спектроскопії встановлено, що вода, адсорбована частинками нанокомпозиту ГЖА, при контакті з органічними речовинами, аналогічно до води в кістковій тканині, проявляє гетерогенну, кластерну структуру, де в залежності від органічного середовища може знаходитись в сильно- чи слабоасоційованому станах.

Дослідження гідратних властивостей нанокомпозиту ГЖА, показали, що при ступені гідратованості зразку до С_Н2О = 17 мас% в спектрах ¹Н ЯМР реєструються більше одного сигналу води (рис. 9). В середовищі хлороформу окремо спостерігаються сигнали сильно- і слабоасоційованої води (з хімічними зсувами д_Н = 5 і 2 м.ч., відповідно). Сигнал слабоасоційованої води зникає при Т < 240 K, тобто більша частина цієї води є слабозв'язаною. При додаванні до хлороформу певної кількості (2:1) ацетонітрилу в спектрах з'являється сигнал води при д_Н = 3,5 м.ч., обумовленої водою, розчиненою в суміші органічних розчинників (ВЗК). Хімічний зсув цієї води визначається утворенням нею водневозв'язаних комплексів з молекулами CD₃CN. Одночасно сигнал слабоасоційованої води значно зменшується за інтенсивністю та зміщується в бік сильних магнітних полів до значення д_Н = 1 м.д. Зі зниженням температури інтенсивність сигналу слабоасоційованої води змінюється слабко, і при низькій температурі він розщеплюється на два сигнали з дещо різними значеннями величин хімічного зсуву. Відповідно вода, яка залишилась в слабоасоційованому стані, є сильнозв'язаною та неоднорідною за своїми структурними характеристиками.

Рис. 9. Спектри 1Н ЯМР води гідратованих порошків ГЖА: а - в середовищі CDCl3; б - в CDCl3 + CD3CN (2:1); в - CDCl3 + ДМСО (1,5:1)

При додаванні до хлороформу більш сильного ніж CD₃CN електронодонора - ДМСО (рис. 9, в), вигляд спектрів суттєво змінюється. Зменшується інтенсивність не тільки слабоасоційованої, але і сильноасоційованої води. Крім того, сигнал сильноасоційованої води зміщується в бік слабких магнітних полів до величини хімічного зсуву д_Н = 6,2 м.ч. Сигнал ВЗК розпадається на два сигнали, хімічний зсув яких зменшується із підвищенням температури, але з різними значеннями термічних коефіцієнтів, тобто суміш CDCl₃ - (CD₃)SО більш активно видаляє воду з міжфазних прошарків зразку ГЖА, ніж суміш хлороформу з ацетонітрилом. Імовірно, два сигнали ВЗК обумовлені формуванням водно-органічної суміші не тільки в об'ємі, але і на міжфазних границях частинок ГЖА, причому вони існують як окремі фази, між якими обмін молекулами води відбувається повільно в шкалі часу ЯМР. Велике значення хімічного зсуву кластерів сильноасоційованої води може бути пов'язано з формуванням шаруватих кластерних структур, в яких молекули ДМСО взаємодіють з периферійними молекулами води в кластерах сильноасоційованої води. Таким чином, ДМСО підвищує середнє число водневих зв'язків в кластерах сильноасоційованої води. При цьому вся сильноасоційована вода стає сильнозв'язаною.

За допомогою ЯМР-кріопорометрії на міжфазній границі ГЖА можуть бути зафіксовані водні агрегати з радіусом 0,6 - 2,2 нм для слабоасоційованої води і 0,6 - 16 нм для сильноасоційованої.

Встановлено, що синтезовані наноматеріали значно прискорюють процеси життєдіяльності тестових культур (дріжджових клітин). Найбільша різниця в концентрації виділеного СО₂ для зразків ГАП та ГЖА, в порівнянні з контролем, спостерігається через 10 годин з моменту початку процесу бродіння (рис. 10) і зберігається до закінчення експерименту. Протягом 30 годин експерименту для зразків ГАП і ГЖА коефіцієнт газовиділення СО₂ в 1,5 рази перевищує контроль. Відповідно, синтезований на основі ГАП та білкових молекул нанокомпозит, проявляє високу біосумісність по відношенню до тестових культур, що дозволяє говорити про активацію процесів метаболізму і, відповідно, припускати, що ГЖА може бути використаний при біометричному тестуванні сумісності з матеріалом натуральної кісткової тканини.



Рис. 10. Кінетичні криві виділення СО2 дріжджовими клітинами в присутності ГАП та нанокомпозитного матеріалу ГЖА (а) та інтегральні кількості виділення СО2, протягом 30 годин (б)

Проведені більш складні біометричні випробовування нанокомпозиту ГЖА при лікуванні пацієнтів, хворих пародонтитом. Виявилось, що при використанні ГЖА у групи пацієнтів запальні явища проходили на 2 дні раніше, ніж у контрольної групи. Це дає підставу проводити подальше випробування композиту in vivo, для отримання даних про біорезорбцію та швидкість заміщення композиту натуральною кістковою тканиною.

Розділ 5. Математичне моделювання елементів кісткової тканини. В п'ятому розділі з метою проведення дослідження впливу зміни температури синтезу на розміри частинок, розроблена математична модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту, яка представляє собою систему з 20-ти диференційних рівнянь, що моделює ріст кристалу з 3ч40 кластерів Са₉(РО₄)₆ (рис. 11).

Для розв'язання такої системи рівнянь необхідна інформація про величину її параметрів. Термодинамічні параметри та сформовані залежності їх зміни в функції температури були отримані з допомогою багатоцільового пакету квантово-хімічної програми МОРАС. Отримавши, за відповідним алгоритмом описаним в роботі, поліноми залежностей термодинамічних параметрів в функції температури та вирази для розрахунку констант швидкості для кристалів з 3 до 40 кластерів, проведені розрахунки впливу температури синтезу на динаміку зміни кількості кристалів гідроксіапатиту за розмірами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Механізм початку росту кристалу гідроксіапатиту

Так, вперше на основі чисельного розрахунку встановлено, що при температурі синтезу 278 К, в розчині переважатимуть кристали гідроксіапатиту з 6, 5 і 10 кластерами (з розмірами в ~5ч8 нм) з кількістю речовини приблизно 1,75 моль, 1,0 моль, 0,7 моль, відповідно. Кількість кристалів з більшим числом кластерів є дуже незначною. Вже при температурі синтезу 353 К значно переважатиме кількість (1,4 моль) кристалів з 40 кластерами (з розмірами в ~32 нм).

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що під впливом поверхневих сил твердих стінок пор чи поверхні нанорозмірних частинок з слабо гідрофільною поверхнею властивості розчинів і сумішей води з органічними речовинами (ДМСО, ацетонітрил) докорінно відрізняються від об'ємних. В порах як нанокремнеземів, так і біокомпозитів, ДМСО не утворює розчинів з кластеризованою водою, а ацетонітрил формує окрему від води органічну фазу. При цьому на межі водної та органічної фаз спостерігається формування прошарків речовини, збагаченої слабоасоційованою водою.

2. Методом ¹Н ЯМР-спектроскопії з пошаровим виморожуванням об'ємної та міжфазної води встановлено, що значна частина зв'язаної води в кістковій тканині знаходиться в слабоасоційованому стані, який стабілізується присутністю слабополярного органічного середовища (хлороформу) і приводить до зменшення розмірів кластерів міжфазної води.

3. Встановлено, що в білковій та мінеральній складових зразків хімічно деструктованої кісткової тканини сигнали слабоасоційованої води не спостерігаються. В білковій складовій кістки сигнали слабоасоційованої води відновлюється середовищем хлороформу.

4. Встановлено, що в нанокомпозитах, створених на основі нанорозмірного ГАП та білків, зв'язана вода входить до складу різних типів кластерних структур. Присутність слабополярного середовища хлороформу сприяє появі слабоасоційованої води в композитах ГАП-САЛ за рахунок зменшення взаємодії води з границею розділу фаз, що, ймовірно, обумовлено формуванням в нанорозмірних порожнинах композитів кластерних структур, які складаються з молекул хлороформу та води.

5. На основі нанорозмірного гідроксіапатиту та білків (желатину та альбуміну) синтезовано біосумісний нанокомпозит (ГЖА), гідратаційні властивості якого є близькими до природної кісткової тканини. Встановлено, що вода, адсорбована частинками ГЖА при контакті з органічними речовинами, проявляє гетерогенну, кластерну структуру і в залежності від органічного середовища може знаходитись як в сильно-, так і в слабоасоційованому станах, а також частково переходити в рідку фазу, що містить електронодонорні розчинники ацетонітрил та ДМСО. В середовищі хлороформу адсорбована вода може знаходитись одночасно в слабо- та в сильноасоційованому станах, причому слабоасоційована вода є слабозв'язаною, тобто здатна замерзати при відносно високих температурах > 250 K.

6. Розроблено математичну модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту, яка дозволяє встановити вплив зміни концентрації вихідних реагентів і температури синтезу на розміри частинок. Проведені чисельні розрахунки показали, що підвищення температури синтезу веде як до підвищення швидкості реакції, так і до збільшення розмірів частинок. Оптимальна температура та час синтезу утворення нанодисперсного гідроксіапатиту з розмірами 5ч8 нм становить 278ч288 К та 1 годину, відповідно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Relationships between characteristics of interfacial water and human bone tissues / V.M. Gun`ko, V.V. Turov, A.P. Shpilko (Golovan), R. Leboda, M. Jablonski, M. Gorzelak, E. Jagiello-Wojtowicz // Coll. and Surf. B. - 2006. - V. 53. - P. 29-36.

Здобувачем досліджено методом низькотемпературної ¹Н ЯМР спектроскопії вплив середовища та температури на стан води в губчастій складовій кісткової тканини людини, здорової та враженої остеопорозом.

2. Процессы самоорганизации водно-органических систем в наноразмерном пространстве твердых тел и биологических объектов / В.В. Туров, В.М. Гунько, П.П. Горбик, М.Д. Цапко, А.П. Головань // В кн. Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур / Ред. А.П. Шпак, П.П. Горбик. - Киев: Наукова думка. - 2007. - С. 91-157.

Здобувачем проведено порівняльний аналіз впливу середовища на гідратаційні характеристики кремнеземних матеріалів, білкових молекул та кісткової тканини методом ¹Н ЯМP-спектроскопії.

3. Наноструктурированные композиты на основе белков костной ткани, высокодисперсного кремнезема и гидроксиапатита / А.П. Головань, В.В. Туров, В.М. Барвинченко, В.М. Мищенко, П.П. Горбик, Ю.Б. Шевченко // Хімія, фізика та технологія поверхні. - 2007. - Вип. 13. - С. 244-252.

Здобувачем одержано зразки композитів дисперсний кремнезем - Геоссен та гідроксіапатит-Геоссен і здійснено комплексне дослідження методами ІЧ-, УФ- та ¹Н ЯМР-спектроскопії.

4. Гидратационные свойства композитных материалов на основе нано-розмерного гидроксиапатита и белковых молекул / В.В. Туров, А.П. Головань, П.П. Горбик, В.М. Мищенко, Ю.Б. Шевченко, В.Ф. Чехун // ДАН України. - 2008. - № 11. - С. 169-175.

Здобувачем досліджено структуру та термодинамічні характеристики води в одержаниих нанокомпозитах гідроксіапатит-альбумін та гідроксиапатит- желатин, методом ¹Н ЯМР-спектроскопії.

5. Self-organization of water-organic systems in bone tissue and products of their chemical degradation / V.V. Turov, V.M. Gun'ko, O.V. Nechypor, A.P. Golovan, V.A. Kaspersky, A.V. Turov, R. Leboda, M. Jablonski, P.P. Gorbik // Nanomaterials and Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. - Springer. - 2009. - P. 79-92.

Здобувачем досліджено методом ¹Н ЯМР-спектроскопії вплив органічних домішок на стан води в нанорозмірному просторі зразків натуральної кісткової тканини та зразків хімічно дегідратованого кісткового матеріалу.

6. Применение спектроскопии ЯМР для определения термодинамических характеристик воды, связанной с нанокремнеземом ОХ-50 / В.В. Туров, В.М. Гунько, В.Е. Гайшун, Я.А. Косенок, А.П. Головань // Журнал прикладной спектроскопии. - 2010. ? № 4, ? Т. 77. ? С. 633?640.

Здобувачем досліджено вплив органічних молекул на стан води в порах нанокремнезему ОХ-50 методом ¹Н ЯМР-спектроскопії.

7. Моделирование костной ткани нанокомпозитными системами на основе гидроксиапатита - альбумина - желатина и их свойства / А.П. Головань, А.А. Ругаль, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, Я. Скубишеская-Зиемба, Р. Лебода, Т.В. Крупская, В.В. Туров // Поверхность. - № 2. - 2010. - С. 244-265.

Здобувачем одержано серію нанокомпозитних матеріалів шляхом синтезу гідроксіапатиту в присутності білків. Досліджено їх фізико-хімічні властивості методами CEM, ІЧ, ФКС, ДСК та біометрії. Вплив органічних домішок на стан води в порах нанокомпозитів досліджено методом ¹Н ЯМР-спектроскопії.

8. Головань А.П. Математичне моделювання кінетики росту кристала гідроксіапатиту / А.П. Головань, І.В. Головань, Є.М. Дем'яненко // Поверхность. - № 2. - 2010. - С. 51-62.

Здобувачем на основі чисельного експерименту, змодельована кінетика росту кристала гідроксіапатиту. На основі квантово-хімічних розрахунків, отримані термодинамічні параметри для розв'язання кінетичних рівнянь.

9. Шпилько А.П. (Головань А.П.) Вплив середовища на губчасту складову кісткової тканини / А.П. Шпилько (А.П. Головань) // Наноматеріали в хімії, біології та медицині: всеукр. конф. молодих вчених, 24-25 трав. 2006 р. : тези доп. - Київ, 2006. - С. 102-104.

10. Bounded water in human bone tissues - healthy and affected by osteoporosis / V.V. Turov, V.M. Gun`ko, A.P. Shpilko (Golovan), R. Leboda, M. Jablonski, M. Gorzelak, E. Jagiello-Wojtowicz // ''Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technologycal applications'' : Х Ukrainian - Polish Symposium, 3-8 Sept. 2006 y. : book of abstracts - Lviv, 2006. ? P. 182?185.

11. Головань А.П. Наноструктуровані композити на основі білків кісткової тканини та високодисперсного кремнезему і гідроксіапатиту / А.П. Головань, В.М. Барвінченко, В.В. Туров // Наноматеріали в хімії, біології та медицині : всеукр. з міжнар. участю конф. молодих учених, 23-24 травня 2007 р. : тези доп. ? К., 2007. ? С. 166.

12. Головань А.П. Изучение гидратных свойств наноструктурных биокомпозитов / А.П. Головань, В.М. Мищенко, В.В. Туров // Хімія, фізика та технологія поверхні наноматеріалів : всеукр. конф. з міжнар. участю, 28-30 трав. 2008 р. : тези доп. -Київ, 2008. ? С. 126.

13. Біоактивність композитних матеріалів на основі гідроксіапатиту та білків кісткової тканини / А.П. Головань, Т.В. Крупська, В.М. Барвінченко, В.В. Туров // Хімічні проблеми сьогодення : всеукр. наук. конф. студентів, аспір. і мол. вчених, 16-18 бер. 2010 р. : тези доп. ? Донецьк, 2010. ?С. 255.

14. Використання лікувальної композиції з лецитином і гідроксіапатитом у хворих пародонтитом / Л.І. Чепель, В.В. Туров, В.М. Барвінченко, А.П. Головань, Б.М. Береза // Вісник стоматології : наук. - практ. конф. Асоціації стоматологів України, 21-23 квіт. 2010 р. : тези доп. - Одеса, 2010. - № 2 - С. 42.

15. Головань А.П. Дослідження нанокомпозитів гідроксіапатит-желатин-альбумін методом ІЧ-спектроскопії / А.П. Головань, В.М. Барвінченко, В.В. Туров // Домбровські хімічні читання ? 2010 : IV укр. конф. 17-20 трав. 2010 р. : тези доп. ? Львів, 2010. - С. 57.

16. Surrounding effects on hydration of nanoparticles of silica OX-50 / V.V. Turov, V.M. Gun'ko, V.E. Gaishun, Ya.A. Kosenok, A.P. Golovan // Modern problems of surface chemistry and physics : іnternat. Sympos., 18-21 May 2010 y. : book of abstracts. - Kyiv, 2010. - P. 267?269.

17. Physicochemical properties of bionanocomposite based on hydroxyapatite and proteins / A.P. Golovan, A.O. Rugal, V.M. Gun`ko, V.M. Barvinchenko, J. Skubiszevska-Ziкba, R. Leboda, T.V. Krupska, V.V. Turov // Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technologycal applications : XII Polish-Ukrain. Sympos. 24-28 Aug. 2010 y. : book of abstracts. - Kielce-Ameliуwka, 2010. - P. 37.

АНОТАЦІЯ

Головань А.П. Нанокомпозитні матеріали на основі високодисперсного гідроксіапатиту та біополімерів як модель кісткової тканини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. - Інститут хімії поверхні ім.О.О. Чуйка НАН України, Київ, 2011.

Дисертацію присвячено вивченню процесів самоорганізації та впливу органічних розчинників різної природи на стан води у внутрішніх нанорозмірних порожнинах кісткового матеріалу та створенню на основі нанорозмірного гідроксіапатиту та білків (желатин, альбумін) матеріалу, максимально наближеного до природної кісткової тканини за своїми гідратними характеристиками. Методом ¹Н ЯМР-спектроскопії з пошаровим виморожуванням рідкої фази показано, що приблизно половина води в здоровій кістковій тканині людини знаходиться в незвичному, слабоасоційованому стані. Одержано біосумісний нанокомпозит на основі гідроксіапатиту, желатину та сироваткового альбуміну людини, із структурними та енергетичними параметрами гідратного шару, близькими до натуральної кісткової тканини. Показано, що присутність органічних молекул (хлороформу, ацетонітрилу та ДМСО) впливає на структурні характеристики води в нанорозмірному просторі композитного матеріалу, а саме слабополярні молекули стабілізують слабоасоційовані форми води.

Розроблено математичну модель кінетики росту кристалів гідроксіапатиту, яка дає змогу проаналізувати вплив зміни концентрації вихідних реагентів і температури синтезу на розміри частинок.

Ключові слова: кісткова тканина, гідроксіапатит, слабоасоційована вода, ¹Н ЯМР-спектроскопія, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Головань А.П. Нанокомпозитные материалы на основе высокодисперсного гидроксиапатита и биополимеров как модель костной ткани. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности. ? Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины. ? Киев, 2011.

Диссертация посвящена изучению процессов самоорганизации и влияния органических растворителей различной природы на состояние воды во внутренних наноразмерных пустотах костного материала и создание на основе наноразмерного гидроксиапатита и белков (желатин, альбумин) материала, максимально приближенного к природной костной ткани по гидратным характеристикам. На основе результатов исследований образцов костной ткани человека методом ¹Н ЯМР спектроскопии показано, что приблизительно половина воды в здоровой костной ткани находится в необычном, слабоассоциированном состоянии. В то же время в образцах (химически деструктированных костей) белковой и минеральной составляющей кости слабый сигнал слабоассоциированной воды появляется в белковой части только в присутствии слабополярного хлороформа. Получено несколько типов нанокомпозитов на основе ВДК, гидроксиапатита и белков (оссеина, сывороточного альбумина человека (САЧ) и желатина) методами адсорбции и импрегнации. Анализ ¹Н ЯМР-спектров полученных образцов показал, что поверхность нанокомпозита ГАП-Геоссен стабилизирует только сильноасоциированные формы воды, в то время как для композита ГАП-Желатин в спектрах регистрируется слабоинтенсивный сигнал слабоассоциированной воды, а для композита ГАП-САЧ сигнал слабоассоциированной воды фиксируется только в присутствии слабополярного хлороформа. Высказано предположение, что наиболее перспективным материалом может быть композит на основе синтетического гидроксиапатита и нескольких типов белков.

Биомиметическим синтезом получен нанокомпозит на основе ГАП и белков (желатина и альбумина) ГЖА, путем осаждения гидроксиапатита в водном растворе в присутствии белковых молекул, физико-химические свойства которого исследованы методами СЭМ, ДСК, ИК-спектроскопии, ¹Н ЯМР-криопорометрии. На фотографиях образца ГЖА, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, фиксируются агрегаты размером до 30 - 50 мкм, и иглоподобные кристаллики ГАП размером от 30 до 80 нм. В ИК-спектрах композита ГЖА наблюдаются характерные пики валентных и деформационных колебаний фосфатных и карбонатной групп. Также появляются новые полосы поглощения в области Амид І и Амид ІІ. Методом ¹Н ЯМР-спектроскопии показано, что присутствие органических молекул (хлороформа, ацетонитрила и ДМСО) влияют на структурные характеристики воды в нанорозмерном пространстве композитного материала, а именно слабополярные молекулы стабилизируют слабоассоциированные формы воды, что приближает нанокомпозит к натуральной костной ткани. С помощью ЯМР-криопорометрии на межфазной границе ГЖА могут быть зафиксированы водные агрегаты с радиусом 0,6 - 2,2 нм для слабоасоциированной воды и 0,6 - 16 нм для сильноассоциированной. Биометрические исследования нанокомпозита, проведенные на тестовых культурах (дрожжевых клетках) показали хорошую биосовместимость. Установлено, что в присутствии ГЖА происходит существенное ускорение процессов жизнедеятельности клеток, что позволяет говорить об активации процессов метаболизма и, соответственно, предполагать, что ГЖА может быть использован при биометрическом тестировании совместимости с материалом натуральной костной ткани. Проведены более сложные биометрические испытания нанокомпозита ГЖА при лечении пациентов, больных пародонтитом. Оказалось, что при использовании ГЖА в группе пациентов воспалительные процессы проходили на 2 дня раньше, чем в контрольной группе.

С целью исследования влияния изменения концентрации исходных реагентов и температуры синтеза на размеры частиц, разработана математическая модель кинетики роста кристаллов гидроксиапатита, которая представляет собой систему из 20-ти дифференциальных уравнений, моделирующих рост кристалла из 3ч40 кластеров Са₉(РО₄)₆. Термодинамические параметры, необходимые для решения такой системы уравнений, и сформированные зависимости их изменения в функции температуры были получены с помощью многоцелевого пакета квантово-химической программы МОРАС. Проведены расчеты влияния температуры синтеза на динамику изменения количества кристаллов гидроксиапатита по размерам. Так, впервые на основе численного расчета установлено, что при температуре синтеза 278 К, в растворе преобладают кристаллы гидроксиапатита из 6, 5 и 10 кластеров (с размерами ~ 5ч8 нм) с количеством вещества приблизительно 1,75 моль, 1,0 моль и 0,7 моль, соответственно. Количество кристаллов с большим числом кластеров является очень незначительным. Уже при температуре синтеза 353 К значительно преобладает количество (1,4 моль) кристаллов из 40 кластеров (с размерами в ~32 нм).

Ключевые слова: костная ткань, гидроксиапатит, слабоассоциированная вода, ¹Н ЯМР-спектроскопия, математическая модель.

SUMMARY

Golovan A.P. Nanocomposite materials based on high dispersed hydroxyapatite and biopolymers as a model of bone tissue. - Manuscript.

Thesis for sсientific degree of Candidate of Science in Chemistry in speciality 01.04.18 - Physics and Chemistry of Surface. - O.O. Chuiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine. - Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to studying of self-organization processes and influence of organic solvents of different nature on the water state in the internal bone cavities of nanoscale materials and the development based on nanodispersed hydroxyapatite and proteins (gelatin, albumin) material as close to natural bone in its hydrate characteristics. The method of ¹H NMR-spectroscopy with layer-freezing liquid phase showed that about half the water in a healthy human bone tissue is in the unusual, weakly assotiated state. Biocompatible nanocomposite obtained through hydroxyapatite, gelatin and human serum albumin, with structural and energy parameters of hydrate layer, close to natural bone tissue. It was shown that the presence of organic molecules (chloroform, acetonitrile and DMSO) affect the structural characteristics of water in the nanosize space of composite material, exactly weakly polar molecules stabilized weakly assotiated form of water.