Морфология нанокристаллических структур гидроксиапатита по данным фрактального анализа
О.А. Голованова, В.М. Киселев
ФГАОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.826
Оригинальная статья
Аннотация: В настоящее время мировой спрос на ортопедические имплантаты превышает 6 миллионов единиц в год и продолжает увеличиваться. Известно, что кость человека является композиционным материалом, неорганическая часть которого образована фосфатами кальция, преимущественно в форме гидроксилапатита нестехиометрического состава. Данный факт обуславливает интерес изучения и возможность применения в биомедицинских целях материалов на основе гидроксилапатита, имеющих сходство с химическим составом костной и зубной ткани и высокую биосовместимость. Исследования в данной области необходимы как с точки зрения фундаментальной перспективы по расширению области применения метода, так и с практической точки зрения для сокращения объемов лабораторных экспериментов в рамках разработки новых материалов и исследования биологических жидкостей в норме и патологии. В работе показано, что присутствие органических и неорганических добавок при синтезе гидроксилапатита оказывает влияние на состав и морфологию кристаллов получаемого соединения. Результаты анализа, представленные в виде диаграмм, и позволяют судить об обратно пропорциональной зависимостимежду временем кристаллизации и величиной морфологической размерности структур гидроксилапатита, вне зависимости от природы добавки. Полученные результаты подтверждают возможность применения морфологического анализа для установления закономерностей формирования материалов на основе гидроксилапатита и выполнения экспрессной оценки их свойств (состав, морфология, степень кристалличности, природа и концентрация примесей).
Ключевые слова: кристаллизация, гидроксилапатит, модифицирование, морфологическая размерность, структура, фосфаты кальция, добавки
- Голованова Ольга Александровна – д.г.-м.н., профессор, заведующая кафедрой неорганической химии, ФГАОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»
- Киселев Владимир Михайлович – к.х.н., младший научный сотрудник кафедры неорганической химии, ФГАОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»
Ссылка на статью:
Голованова, О.А. Морфология нанокристаллических структур гидроксиапатита по данным фрактального анализа / О.А. Голованова, В.М. Киселев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 826-836. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.826.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. James, S.L. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 354 diseases and injuries for 195 countries and territories, 1990-2017: a systematic analysis for the global burden of disease study 2017 / S.L. James, D. Abate, K.H. Abate et al. // The Lancet. – 2018. – V. 392. – I. 10159. – P. 1789-1858. DOI: 10.1016/s0140-6736(18)32279-7.
2. Лесняк, О.М. Остеопороз в Российской Федерации: эпидемиология, медико-социальные и экономические аспекты проблемы (обзор литературы) / О.М. Лесняк, И.А. Баранова, К.Ю. Белова и др. // Травматология и ортопедия России. – 2018. – T. 24. – № 1. – C. 155-168. DOI: 10.21823/2311-2905-2018-24-1-155-168.
3. Kivrak, N. Synthesis of calcium hydroxyapatitetricalcium phosphate (HA-TCP) composite bioceramics powders and their sintering behavior / N. Kivrak, A.C. Taş // Journal of the American Ceramic Society. – 1998. – V. 81. – I. 9. – P. 2245-2252. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02618.x.
4. Gibson, I.R. Characterization of the transformation from calciumdeficient apatite to β -tricalcium phosphate / I.R. Gibson, I. Rehman, S.M. Best, W. Bonfield // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. – 2000. – V. 11. – I. 12. – P. 799-804. DOI: 10.1023/A:1008905613182.
5. Alkhraisat, M.H. Magnesium substitution in brushite cements / M.H. Alkhraisat, J. Cabrejos-Azama, C.R. Rodríguez et al. // Journal Materials Science and Engineering. – 2013. – V. 33. – I. 1. – P. 475-481. DOI: 10.1016/j.msec.2012.09.017.
6. Cui, W. Hydrothermal synthesis of Mg-substituted tricalcium phosphate nanocrystals / W. Cui, S. Wang, R. Yang, X. Zhang // MRS Communications. – 2019. – V. 9. – I. 3. – P. 971-978. DOI: 10.1557/mrc.2019.110.
7.Guo, X. Osteogenic effects of magnesium substitution in nano-structured β-tricalcium phosphate produced by microwave synthesis / X. Guo, Y. Long, W. Li, H. Dai // Journal of Materials Science. – 2019. – V. 54. – I. 16. – P. 11197-11212. DOI: 10.1007/s10853-019-03674-7.
8. Roy, M. Effects of zinc and strontium substitution in tricalcium phosphate on osteoclast differentiation and resorption / M. Roy, G.A. Fielding, A. Bandyopadhyay, S. Bose // Biomaterials Science. – 2013. – V. 1. – I. 1. – P. 74-82. DOI: 10.1039/c2bm00012a.
9. Мясникова, Н.А. Методы и средства исследования структуры и свойств наноматериалов и покрытий с наноструктурой / Н.А. Мясникова, А.В. Сидашов. – Ростов н/Д: ФГБОУ ВО РГУПС, 2017. – 157 с.
10. Асхабов, А.М. Новые идеи в теории образования кристаллических зародышей (обзор) / А.М. Асхабов // Известия Коми научного центра УрО РАН. – 2019. – № 2(38). – С. 51-60.
11. Линников, О.Д. Механизм формирования осадка при спонтанной кристаллизации солей из пересыщенных водных растворов / О.Д. Линников // Успехи химии. – 2014. – Т. 83. – № 4. – С. 343-364.
12. Nanev, C.N. Evaluation of the critical nucleus size without using interface free energy / C.N. Nanev // Journal of Crystal Growth. – 2020. – V. 535. – Art №. 125521. – 3 p. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125521.
13. Горичев, И.Г. Анализ кинетических данных растворения оксидов металлов с позиций фрактальной геометрии / И.Г. Горичев, А.Д. Изотов, А.И. Горичев и др. // Журнал физической химии. –1999. – Т. 71. – № 10. – С. 1802-1808.
14. Kiselev, V.M. The fractal analysis method for the study of hydroxylapatite crystallization process / V.M. Kiselev, O.A. Golovanova, V.B. Fedoseev // Applied Solid State Chemistry. – 2018. – № 3. –P. 46-51. DOI: DOI: 10.18572/2619-0141-2018-3-4-46-51.
15.Thongboonkerd, V. Should urine pH be adjusted prior to gel-based proteome analysis? / V. Thongboonkerd, S. Mungdee, W. Chiangjong // Journal of Proteome Research. – 2009. – V. 8. – I. 6. –P. 3206-3211. DOI: 10.1021/pr900127x.
16. Fleming, D.E. A comparative study of the adsorbtion of amino acids on to calcium minerals found in renal calculi / D.E. Fleming, W. Bronswijk, R.L. Ryall // Clinical Science. – 2001. – V. 101. – I. 2. – P. 159-168.
17. Salamanna, F. Antiresorptive properties of strontium substituted and alendronate functionalized hydroxyapatite nanocrystals in an ovariectomized rat spinal arthrodesis model / F. Salamanna, G. Giavaresi, A. Parrilli et al. // Journal Materials Science and Engineering: C. – 2017. – V. 95. – P. 355-362. DOI: 10.1016/j.msec.2017.11.016.
18. Вода питьевая. Метод определения содержания полифосфатов: ГОСТ 18309-72; введ. 01.01.1974. –М.: Госстандарт СССР, 1972. – 5 c.
19. База данных 2020620022 Российская Федерация. Фрактальная размерность кристаллических структур гидроксилапатита, полученного осаждением из водного раствора в присутствии добавок / Голованова О.А., Киселев В.М.; заявители и патентообладатели ФГБОУ ВО «омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского. – № 2019622529; заявл. 24.12.2019; опубл. 10.01.20, Бюл. № 1. – 1,87 Мб.
20. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. – М: Химия, 1989. – 448 с.
21. Ressler, A. Strontium substituted biomimetic calcium phosphate system derived from cuttlefish bone / A. Ressler, M. Cvetnić, M. Antunović et al. // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. – 2020. – V. 108. – I. 4. – P. 1697-1709. DOI: 10.1002/jbm.b.34515.
22. Zhang, J. Concentration-dependent osteogenic and angiogenic biological performances of calcium phosphate cement modified with copper ions / J. Zhang, H. Wu, F. He et al. // Journal Materials Science and Engineering: C. – 2019. – V. 99. – P. 1199-1212. DOI: 10.1016/j.msec.2019.02.042.