Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

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

А.Г. Широкова1, С.А. Бибанаева1, Е.А. Богданова1,2, В.М. Скачков1, О.В. Корякова3

1 ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
2 АО «Гиредмет»
3 ФГБУН «Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН»

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.1046

Оригинальная статья

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 вибрационноймельнице 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 обработкепри 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 термическойобработке 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.

Ключевые слова: синтетический цеолит, гидроксиапатит, инфракрасная спектроскопия, рентгенофазовый анализ, дифференциально-термический анализ, композиционный материал

  • Широкова Алла Геннадьевна – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
  • Бибанаева Светлана Александровна – научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
  • Богданова Екатерина Анатольевна – 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»
  • Скачков Владимир Михайлович – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
  • Корякова Ольга Васильевна – к.х.н., научный сотрудник лаборатории спектральных методов исследования, ФГБУН «Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН»

Ссылка на статью:

Широкова, А.Г. Исследование физико-химических свойств композитов, полученных механохимическим синтезом наноразмерного гидроксиапатита и синтетических цеолитов / А.Г. Широкова, С.А. Бибанаева, Е.А. Богданова, В.М. Скачков, О.В. Корякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 1046-1059. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.1046.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

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.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒