Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості
Nanocomposite material on the basis of nano-hydroxyapatite (HAP) and proteins, gelatine and serum albumin (HGA) was synthesized. Its hydration properties were found to be similar to those of a natural bone tissue. Adsorption interactions between the protein macromolecules and hydroxyapatite particle...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2010
|
| Онлайн доступ: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/417 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Surface| _version_ | 1869291546395803648 |
|---|---|
| author | Golovan, A. P. Rugal, A. A. Gun`'ko, V. M. Barvinchenko, V. N. Skubiszewska-Zięba, Ya. Leboda, R. Krupska, T. V. Turov, V. V. |
| author_facet | Golovan, A. P. Rugal, A. A. Gun`'ko, V. M. Barvinchenko, V. N. Skubiszewska-Zięba, Ya. Leboda, R. Krupska, T. V. Turov, V. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. P. Golovan",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "A. A. Rugal",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. M. Gun`'ko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. N. Barvinchenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "Ya. Skubiszewska-Zięba",
"institution": "Університет Марії Кюрі-Складовської"
},
{
"author": "R. Leboda",
"institution": "Університет Марії Кюрі-Складовської"
},
{
"author": "T. V. Krupska",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Golovan, A. P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:39:14Z |
| description | Nanocomposite material on the basis of nano-hydroxyapatite (HAP) and proteins, gelatine and serum albumin (HGA) was synthesized. Its hydration properties were found to be similar to those of a natural bone tissue. Adsorption interactions between the protein macromolecules and hydroxyapatite particles were confirmed by FTIR-spectroscopy. It was found that the mineral component of the HGA composite, as well as HAP, contains significant amount of carbonate groups. According to DSC, the radius of water aggregates of weakly bound water in  the hydrated sample of HGA is in the range of 1.5 − 80 nm. The photon-correlation spectroscopy has indicated that the particle size of the synthesized materials after their ultrasonic treatment is in the range of 80 − 100 nm. It is shown that the water adsorbed by particles of HGA nanocomposite, when contacts with organic substances displays heterogeneous, cluster structure. Depending on the composition of the organic medium, water can exist in strongly associated or weakly associated state, and partially passes into a liquid phase if the latter contains electrono-donor solvents, acetonitrile or DMSO. The properties of the synthesized HGA nanocomposite in aqueous-organic solutions are close to similar characteristics of a natural bone material. HGA showed good biocompatibility with cellular objects (yeast cells). Synthesized material significantly accelerates the processes of cell live activity what makes it a promising model for testing as a synthetic substitute for bone tissue. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:32:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
Поверхность. 2010. Вып. 2(17). С. 244–265 244
УДК 544.176:544.72
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОСТНОЙ ТКАНИ
НАНОКОМПОЗИТНЫМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ
ГИДРОКСИАПАТИТА − АЛЬБУМИНА − ЖЕЛАТИНА
И ИХ СВОЙСТВА
А.П. Головань1, А.А. Ругаль1, В.М. Гунько1, В.Н. Барвинченко1,
Я. Скубишевска-Зиемба2, Р. Лебода2, Т.В. Крупская1, В.В. Туров1
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины,
ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина
2Университет Марии Кюри-Складовской, пл. Марии Складовской Кюри 3, г. Люблин,
20-031 Польша
На основе нанорозмерного гидроксиапатита (ГАП) и белков, желатина и
сывороточного альбумина, синтезирован нанокомпозитный материал (ГЖА), гидратационные
свойства которого близки к свойствам натуральной костной ткани. Методами ИК-спектрос-
копии подтверждено наличие адсорбционных взаимодействий между макромолекулами белков и
частицами гидроксиапатита, а также обнаружено, что в минеральной составляющей компо-
зита ГЖА, так же как и в ГАП, содержится значительное количество карбонатных групп.
Согласно данным дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), радиус водных
агрегатов слабосвязанной воды в гидратированном образце ГЖА находится в интервале 1,5 –
80 нм. По данным фотон-корреляционной спектроскопии размер частиц синтезированных
материалов после их ультразвуковой обработки составляет 80-100 нм. Показано, что вода,
адсорбированная частицами нанокомпозита ГЖА, при контакте с органическими веществами
проявляет гетерогенную, кластерную структуру и в зависимости от состава органической
среды может находиться в сильноассоциированном и слабоассоциированном состояниях, а
также частично переходить в жидкую фазу, если та содержит электронодонорные
растворители − ацетонитрил или ДМСО. Свойства синтезированного нанокомпозита в водно-
органических растворах близки к аналогичным характеристикам природного костного
материала. ГЖА проявил хорошую биосовместимость к клеточным объектам (дрожжевые
клетки). В его присутствии происходит существенное ускорение процессов
жизнедеятельности клеток, что делает синтезированный материал перспективным для
тестирования в качестве синтетического заменителя костной ткани.
Вступление
Систематические исследования физико-химических свойств высокодисперсных
оксидов, в особенности кремнеземов, показали, что их поверхность способна связывать
значительное количество воды. Поэтому при обнаружении биологической активности
кремнезема, проявляющейся в стимуляции клеточного метаболизма, а также
возможности использования пирогенных кремнеземов в качестве эффективных
адсорбентов медицинского назначения [1−4], возник вопрос о роли межфазной воды в
процессах взаимодействия нанорозмерных частиц оксидов с клеточной поверхностью.
Одним из инициаторов проведения систематических работ в этой области был
основатель Института химии поверхности академик А.А. Чуйко. В частности, им была
выдвинута гипотеза о возможности появления на межфазной границе кремнезема
биологически активных форм воды. Эти идеи получили свое подтверждение при
обнаружении способности межфазной воды переходить в необычное слабо-
ассоциированное состояние [5, 6]. Было показано, что именно в слабоассоциированном
состоянии находится вода в микроорганизмах (в состоянии их анабиоза), а в здоровой
245
костной ткани человека примерно половина связанной воды может находиться в слабо-
ассоциированном состоянии [7, 8]. В настоящей работе представления о кластерном
состоянии воды использованы для создания нанокомпозитного материала, являющегося
аналогом натуральной костной ткани.
Необходимость создания искусственных аналогов костной ткани и биологически
инертных имплантатов для исправления дефектов костной ткани обусловлена
значительным распространением заболеваний опорно-двигательного аппарата. Известно
[9], что костная ткань служит не только для обеспечения жесткости и подвижности тела,
но и является биоактивной матрицей, внутри которой происходят сложные
биохимические превращения, в результате которых синтезируются эритроциты и
некоторые другие клетки крови. Она содержит органическую и неорганическую
составляющие. Неорганическая фаза, обычно представленная нанокристаллами гидро-
ксиапатита (ГАП, химическая формула Са10(РО4)6(ОН)2), которые имеют вид
нанокристаллов (с размером 5−10 нм) пластинчатой формы [9−11], кристаллизующихся
на волокнах коллагена из межклеточной жидкости. Эта жидкость содержит ионы
кальция и фосфатные ионы. Органическая фаза состоит преимущественно (на 95 %) из
коллагена (около 95 % занимает колаген I типа, а 5 % приходится на коллагены II, III и
IV типов) и небольшого количества гликозаминогликанов, а также (около 5 %) белков
неколлагеновой природы: гликопротеинов, в том числе сиалопротеинов, и
альбумина [12].
В современной ортопедии и травматологии как заменитель костной ткани
используют композитные материалы на основе высокодисперсных форм гидрокси-
апатита и белков костной ткани коллагена или желатина [13−18]. Клинически доказано
[14], что эти композитные системы могут эффективно использоваться в качестве
временных заполнителей дефектов костной ткани и ранозаживляющих средств, что
обусловленно их биодеструктивными и цитосовместимыми характеристиками, а также
благодаря высокому сродству желатина с ГАП. Желатин представляет собой
денатурированную форму коллагена и содержит значительное количество биологически
функциональных групп аминокислот, что делает его перспективным биоматериалом для
регенерации костной ткани. В настоящее время проводятся значительные работы в
направлении повышения биосовместимости искусственных костных имплантатов, что
связано с необходимостью изучения природы биосовместимости материалов и поиском
новых видов композитов с улучшенными свойствами.
Исследования, выполненные на естественном костном материале с помощью
методов низкотемпературной 1Н ЯМР спектроскопии показали, что костная ткань
содержит до 30 % мас воды, значительная часть которой находится в необычном
слабоассоциированном состоянии, когда молекулы воды существуют в виде
мономерных молекул или образуют небольшие кластеры, в состав которых входит 2−5
молекул воды, причем геометрия водородных связей может быть далека от идеальной
[19−22]. Выполненные в [23] модельные исследования показали, что именно наличие
композитной системы белок−ГАП влечет появление значительного количества
слабоассоциированной воды. Поэтому в работе [21] было сделано предположение, что
для приближения свойств искусственных имплантантов к естественной костной ткани
композитные системы на основе белков и наноразмерного ГАП должны находиться в
таком состоянии, когда присутствующая в них межфазная вода является
слабоассоциированной или может трансформироваться в слабоассоциированное
состояние под воздействием определенных факторов, например в присутствии
некоторых типов органических веществ. Первые попытки в этом направлении были
сделаны на примере изучения гидратных свойств композитных систем, созданных на
основе наноразмерного гидроксиапатита (с удельной поверхностью 120 м2/г),
246
нанокремнезема (А-300) и желатина [24]. Измерения обнаружили в таких композитах
определенное количество слабоассоциированной воды, однако гораздо меньше, чем в
естественном костном материале.
Целью данной работы было создание наноструктурированных композитных
систем на основе нано-ГАП и белков – желатина и сывороточного альбумина,
содержащих максимальное количество слабоассоциированной воды, исследование их
физико-химических свойств и параметров гидратации. Сывороточный альбумин был
введен в композитный материал, поскольку альбумины составляют главную массу
неколлагеновых белков костной ткани, а по иммунологическим характеристикам
альбумин кости идентичен сывороточному альбумину [25]. Предусматривалось, что
создаваемые на основе ГАП, желатина и альбумина композитные материалы (ГЖА)
будут иметь развитую поверхность и обладать высокой биосовместимостью, о чем
можно судить по стимулированию его частицами процессов жизнедеятельности
тестовых клеточных культур.
Экспериментальная часть
Материалы. Нанодисперсный гидроксиапатит (химическая формула кристаллов
Са10(РО4)6(ОН)2) синтезирован путем осаждения из смеси водных растворов солей
азотной и фосфорной кислот в соответствии со схемой [26]:
10Са(NО3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH →Са10(РО4)6(ОН)2 + 20NH4NО3 + Н2О.
Было синтезировано несколько типов образцов ГАП, в которых реакция
проводилась в водном растворе (образец ГАП) или в растворе, где кроме солей
присутствовал желатин (образцы ГАПж1 ГАПж2). Реакционную смесь отстаивали
сутки, осадок промывали декантацией и сушили при 120 °С в случае приготовления
образцов ГАП и ГАПж1 или при 900 °С для образца ГАПж2. То есть образец ГАПж1 с
максимально развитой поверхностью сохраняет в своем составе некоторое количество
биополимерного материала, который заполняет пространство между нанокристаллами
ГАП, в то время как образец ГАПж2 является практически исходным гидроксиапатитом,
так как высокотемпературная обработка исключает возможность присутствия желатина.
Композитный материал ГЖА получали путем осаждения из смеси водных растворов
солей Са(NО3)·2Н2О, (NH4)2HPO4 и белков (желатина и альбумина) в среде 25 %-ного
раствора аммиака по методике [13]. Полученный композит сушили при температуре
120 °С. Синтезированные образцы ГАП представляли собой порошки белого цвета
(рис. 1, 2). Значения удельной поверхности по БЕТ [27] (SБЕТ) приведены в табл.1.
Таблица 1. Адсорбционные характеристики синтезированных материалов
Образец SБЕТ (м2/г) Vпор (см3/г) Rпор (нм)
ГАП 69,6 0,44 40
ГАПж1 156,7 0,57 26
ГАПж2 26,7 0,23 47
ГЖА 117,6 - -
Для синтеза применяли желатин марки Fluka Gelatin from porcine skin (Sigma-Aldrich
Chemie GMBH) (Германия). При создании композита ГЖА использовали бычий
сывороточный альбумин (БСА), сухой, лиофилизированный для вирусологических
исследований, производства Ставропольского НИИВС, с молекулярной массой
67000 Да.
247
Методы исследования. ИК-спектроскопия. ИК-спектри поглощения образцов
регистрировали на однолучевом ИК Фурье-спектрометре Thermo Nicolet Nexus FT-IR
(Германия) в виде прессованных порошков с KBr при соотношении компонентов 1 : 5.
Термогравиметрия. Метод дифференциального термического анализа (ДТА)
основан на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и
термически инертного вещества, принятого в качестве эталона (прогретый до
1500°С Аl2О3). Изменения температуры образца вызываются фазовыми переходами или
химическими реакциями, связанными с изменением энтальпии. Кривые ДТА, ТГ и ДТГ
для образцов, снимали на дериватографе марки "Q-1500D" (Венгрия). Нагревание
образцов проводили со скоростью 10 град/мин.
Дифференциальная сканирующая калориметрия. Дифференциальная
сканирующая калориметрия (ДСК) является прямым и наиболее эффективным методом
регистрации фазовых переходов, в частности замерзания или таяния воды, процесса
тепловой денатурации белковых молекул. Он основан на регистрации теплового потока,
который характеризует изменения, происходящие в исследуемой системе в процессе
нагревания или охлаждения. Исследования состояния воды в ГЖА проводили методом
ДСК на микрокалориметре марки Diamond DSC Isothermal со скоростью сканирования 4
град/мин. Масса образцов составляла 0,005–0,025 г. Охлаждение проводили от 20,00 °C
до −50,00 °C со скоростью 20 град/мин. Перед нагреванием образец помещали в
алюминиевые контейнеры, вносили в рабочую часть прибора и охлаждали жидким
азотом до температуры −60 °С. После этого систему выдерживали в течение нескольких
минут для установления равновесия и нагревали от −60 °C до 200 °C со скоростью
10 град/мин.
Фотон-корреляционная спектроскопия. Исследования распределения частиц по
размеру (РЧР) и электрокинетического потенциала (ζ-потенциала) в водных суспензиях
синтезированных образцов (концентрация 0,02 – 6,0 % мас., обработка ультразвуком с
помощью диспергатора (Sonicator Misonix Inc., 22 кГц, 500 Вт) были выполнены
методом ФКС на спектрометре Zetasizer 3000 (Malvern Instruments) при длине волны
лазера l = 633 нм и угле рассеяния света Q = 90 o. С целью получения зависимости
распределения частиц по размерам как функцию от рН необходимые значения рН
устанавливали с помощью 0,1 М NaOH и HCl. Для расчетов РЧР относительно
интенсивности рассеянного света (РЧРI) и числа частиц (РЧРN) в предположении
сферической формы частиц использовали программу Malvern Instruments (версия 1.3).
Плотность поверхностного заряда. Плотность поверхностного заряда (s0)
определяли методом потенциометрического титрования, с использованием тефлоновой
ячейки, в атмосфере азота (без CO2) при 298±0,2 К. Величину pH измеряли рН-метром
PHM240 (электроды G202C и K401). Величину s0 рассчитывали, сравнивая данные для
чистого раствора электролита и суспензии образца (Cобр = 0,2 % мас.) при 10-2 M NaCl
mS
VcFD
=0s , (1)
где DV = Vs - Ve – разность объемов растворов основания (кислоты), добавленных к
раствору электролита (Ve) и суспензии (Vs) для достижения того же значения рН; F –
постоянная Фарадея, c – концентрация основания (кислоты), m – масса оксида, S – удельная
поверхность.
1Н ЯМР спектроскопия. Спектры 1Н ЯМР снимали на ЯМР спектрометре
высокого разрешения Varian Mercury 400 с рабочей частотой 400 Мгц. Температуру
регулировали с точностью ±1 K, используя термоприставку Bruker VT-1000. Интенсив-
ность сигналов определяли с точностью ±10 %. Для предотвращения переохлаждения
связанной воды спектры 1Н ЯМР записывали при нагревании образцов, предварительно
248
охлажденных до температуры 200 К. Требуемый уровень гидратированности порошков
достигали путем их увлажнения необходимым количеством дистиллированной воды (7 −
37 % мас. ). В качестве жидкой слабополярной среды использовали дейтерированный
хлороформ, а полярной добавки – дейтерированные ДМСО и ацетонитрил.
Способ определения характеристик межфазных слоев воды с помощью 1Н ЯМР
спектроскопии детально изложен ранее [21, 28, 29]. Он базируется на влиянии
межфазной границы на температуру фазового перехода вода − лед. Благодаря
адсорбционным взаимодействиям температура замерзания связанной воды понижена и
таяние связанной воды происходит при Т < 273 К. Свободная энергия льда (DGi) с
понижением температуры изменяется по линейному закону [30]
DGi = –0,036(273 – Т), (2)
что можно использовать для оценки изменения свободной энергии связанной воды
(DGuw), считая, что при ее замерзании DGw = DGi.
Площадь ограничена графиком ΔG(Сuw) определяет величину межфазной энергии
(gS), которая равна модулю суммарного понижения свободной энергии воды,
обусловленному присутствием границы раздела фаз:
max
uw
uw uw
0
( )
C
S K G C dCg = - Dò , (3)
где max
uwC – общее количество незамерзающей воды при Т = 273 К.
На графике ΔG(Сuw) обычно наблюдаются участки, которые можно отнести к
слабосвязанной (замерзает при 260−273 К) и сильносвязанной (замерзает при T < 260 К)
воды. Свободная энергия слабосвязанной воды лишь немного снижена в результате
взаимодействий с поверхностью адсорбента в отличие от сильносвязанной воды,
которая характеризуется значительно большими величинами |ΔG| [21]. Количественные
( s
uwC и w
uwC для сильно- и слабосвязанной воды, соответственно) и энергетические (ΔGs и
ΔGw) характеристики слоев связанной воды могут быть получены экстраполяцией
соответствующих участков графика зависимости ΔG(Сuw) к осям абсцисс и ординат.
Поскольку каждая молекула воды может принимать участие в формировании
четырех водородных связей (двух как протонодонор и двух за счет неподеленных
электронных пар атома кислорода как электронодонор), часть из которых разрушена
тепловыми движениями молекул, по степени ассоциированности воду можно
подразделять на сильно- и слабоассоциированную (SAW и WAW, соответственно). К
первой относится вода, в которой каждая молекула принимает участие в формировании
двух и более водородных связей [21]. Под влиянием внешних факторов (присутствие
молекул растворенных веществ или наличие границы раздела с твердой или иной жидкой
фазой) локальная упорядоченность воды в зоне контакта может увеличиваться
(космотропный эффект) или уменьшаться (хаотропный эффект). Такая модель оказалась
весьма эффективной для объяснения явления повышения растворимости в
биологических жидкостях слабополярных веществ под влиянием специально
вырабатываемых организмом со-растворителей [22]. В присутствии электронодонорных
веществ (B) могут формироваться также водородносвязанные комплексы A-Н…B
(ассоциированная вода, ASW), присутствующие в дисперсионной среде или на
поверхности твердой фазы.
Понижение температуры замерзания воды в порах может быть описано
уравнением Гиббса − Томсона [31]:
,
,
2
( ) sl m
m m m
f
T kT T R T
H R R
s
r
¥
¥D = - = =
D
(4)
249
где Тm(R) – температура плавления льда, локализованного в порах (полостях) с
радіусом R; Тm,∞ − температура плавления объемного льда; ρ – плотность твердой фазы;
σs1 –энергия взаимодействия стенок твердого тела с жидкостью (например с помощью
образования водородных связей); ΔНf – объемная энтальпия плавления, k − константа.
Это уравнение использовали для расчета распределений по размерами пор, заполненных
незамерзающей (связанной) водой, на основе зависимостей Cuw(T) [21,32].
Биометрические измерения. Контроль биоактивности синтезированных
наноматериалов проводили путем изучения их влияния на процессы жизнедеятельности
тестовой культуры (дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae), а именно по кинетике
выделения углекислого газа в процессе брожения дрожжей, которую исследовали при
фиксированном содержании питательного вещества (сахарозы) [33]. Дрожжи
культивировали в 17 %-ном растворе сахарозы при 25 ºС. Для опытов брали разные
концентрации образцов ГАП, ГЖА, ГАПж1 и ГАПж2 (от 0,025 до 0,1 г/50 мл). Скорость
выделения СО2 измеряли в (г/л·ч-1) и рассчитывали по изменению его концентрации в
течение 1 ч на протяжении 30 ч эксперимента. Поэтому изменение массы колб с
реакционной смесью фиксировали через определенные промежутки времени, и на
основании полученных данных рассчитывали изменение концентрации выделенного
СО2 за 1 ч. Достоверность полученных результатов обеспечивалась повторением
измерений и статистическим вычислением среднего значения.
Результаты и обсуждения
На микрофотографиях образцов ГАП и ГЖА (рис. 1), полученных с помощью
сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), видно, что частицы порошков образцов
ГАП и ГЖА имеют чешуйкоподобную форму с различными размерами; для ГАП
диапазон размеров частиц 1,5−10 мкм, которые образуют агрегаты размером до 100 мкм;
для ГЖА размеры частиц лежат в интервале 0,2−5 мкм, которые также группируются,
образуя агрегаты размером до 30−50 мкм.
ГАП
ГЖА
Рис. 1. СЭМ фотографии образцов гидроксиапатита, синтезированных в воде (ГАП) и в
присутствии желатина и альбумина (ГЖА).
ГАПж1
ГАПж2
Рис. 2. Микрофотографии синтезированных образцов гидроксиапатита в присутствии
желатина – ГАПж1 и ГАПж2.
250
На рис. 2 приведены фотографии синтезированных образцов гидроксиапатита
ГАПж1 (с размером частиц от 1 до 20 мкм) и ГАПж2 (с размером частиц от 2 до
100 мкм), полученные с помощью микроскопа Carl Zeizz Primo Star. Наличие таких
больших агрегатов для образца ГАПж2 может быть следствием процесса спекания
порошка при высокой температуре.
ИК-спектры наноразмерных продуктов синтеза характеризуются полосами
поглощения основных структурных компонентов ГАП (тетраэдров РО4
3- и
гидроксильных групп ОН-), а также адсорбируемой воды Н2О и карбонатных групп
СО3
2- (за счет поглощения СО2 из окружающей среды во время синтеза [18, 20].
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
20
40
60
80
100
1
6
5
3
4
О
тр
аж
ен
ие
, %
3
6
4 5
Волновое число, см-1
1
2
Рис. 3. ИК-спектры альбумина (1), желатина (2) и гидроксиапатита, синтезированного в
воде – ГАП (3), в водном растворе желатина и альбумина – ГЖА (4), в водном
растворе желатина – ГАПж1 (5) и ГАПж2 (6).
В образцах ГАП, синтезированных путем осаждения из смеси водных растворов и
в присутствии белков (рис. 3), наблюдаются характерные пики при 1095, 1050, 960,
606 см-1, которые относятся к валентным и деформационным колебаниям фосфатных
групп и карбонатной группы (1490−1410 см-1 и 876 см-1) [34]. Это дает основание
полагать, что синтезированы карбонатные гидроксиапатиты, в которых фосфатные
группы в структуре апатита частично замещены карбонатными группами. Известно [35],
что биогенный ГАП содержит до 7,4 % масс. карбонатов. Поэтому можно
предположить, что синтезированные ГАП, имеющие в своем составе карбонатные
группы, могут быть успешно применены в медицине как материал для замещения
костных дефектов.
В ИК-спектрах гидроксиапатита, синтезированного в присутствии белков,
появляются новые полосы поглощения в области 1645 − 1649 см-1 и 1548 см-1, которые
относятся к поглощению белка (Амид І и Амид ІІ), а полоса валентных колебаний
свободных –ОН-групп гидроксиапатита смещается к 3569 см-1 по сравнению с
гидроксиапатитом, синтезированным из водного раствора (3572 см-1), что свидетельству-
ет об образовании водородной связи между электронодонорными амидными группами
(–NН–С=О) белков и гидроксильной группой гидроксиапатита (–ОН) [35−37].
Развитая поверхность порошков гидроксиапатита способствует адсорбции значи-
тельного количества воды, которая ответственна за появление в ИК-спектрах
интенсивных полос поглощения в области деформационных (1630 см-1) и валентных
251
(3500−3350 см-1) колебаний воды. Интенсивность полосы валентных колебаний сильно
зависит от температуры обработки образца, что подтверждается минимальным
значением интенсивости этой полосы для образца ГАПж2, прогретого при температуре
900 °C (рис. 3, кривая 6).
На рис. 4 приведены термограммы полученных образцов, а также кривые
термолиза исходных белков. Для ГАП потеря массы фиксируется в температурном
интервале 35−800ºС. Она может быть обусловлена выделением из образца не только
воды, но и углекислого газа. Поскольку оксид углерода хорошо растворим в воде, во
время реакции осаждения (при синтезе ГАП), вероятнее всего, он связывается с
гидроксильными или фосфатными ионами гидроксиапатита с образованием
карбонатного ГАП. Наибольшая потеря массы ГАП наблюдается при достаточно
высокой температуре (145−620 ºС, рис. 4 б). Поэтому имеющиеся на кривой ТГ три
участка потери массы можно отнести к испарению физически адсорбированной воды
(35−145 ºС), удалению кристаллизационной воды (145−620 ºС) и выделению
СО2 (620−800 ºС).
Термолиз желатина начинается при 315 ºС (рис. 4 а), БСА − при 240 ºС, а
биополимерная составляющая композита ГЖА – при промежуточном значении
температур (280 ºС), т.е. в композите наблюдается большая термическая стабильность
альбумина. Это, предположительно, может быть результатом образования водородных
связей между белковыми молекулами разных типов, а также молекулярных
взаимодействий белковых компонентов с минеральной матрицей. Полный распад БСА
наблюдается при температуре 1000 °С, а желатина − при 720 °С. Потеря массы ГАП при
1000 °С составляет 7,7 %, а нанокомпозита ГЖА при температуре 900°С – 20,4 %, что
отвечает совокупной массе адсорбируемой воды и биополимеров (если считать, что
потеря массы за счет СО2 относительно мала).
На кривых термолиза белков (рис. 4 а) наблюдается три участка быстрого изме-
нения массы, разделенные участками с меньшим наклоном. Их наличие обусловлено
сложным характером термической деструкции биополимеров. Первый спад (T > 150 ºC)
обусловлен потерей связанной с белком воды. При более высоких температурах
осуществляется деструкция биополимерных цепей, карбонизация и окисление углерода
до СО2.
0 200 400 600 800 1000
100
80
60
40
20
0
П
от
ер
я
м
ас
сы
%
Т, 0С
БСА
Желатин
ГЖА
ГАП
a
0 200 400 600 800 1000
8
6
4
2
0
стадия 3
стадия 2
ТГ
, %
Т, 0С
стадия 1 б
0 200 400 600 800 1000
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
Т, 0С
ГАП
Желатин
БСА
ГЖА в
Рис. 4. Результаты термогравиметрических
исследований синтезированных
образцов: а, б – ТГ-кривые
разложения ГАП, альбумина и
желатина, композита ГЖА; в –
соответствующие ДТГ-кривые.
252
По данным ТГ-анализа можно определить, что количество белковой
составляющей в нанокомпозите ГЖА составляет 12,7 % мас. Термическая стабильность
композита растет с увеличением содержания ГАП. В соответствии с данными [18],
связывание ГАП с белковыми молекулами может происходить не только за счет
дисперсионных взаимодействий, но и путем образования водородных связей между
амидной группой (–NH–C=O) белков и гидроксильной группой ГАП.
Методом ДСК определяли зависимости теплового потока от температуры в
интервале −60...10 ºС для нанокомпозита ГЖА (рис. 5) в процессах нагревания (кривая
3) и охлаждения (кривые 1, 2) образца, содержащего 10 % мас. воды (кривая 1) или
10 % мас. воды в присутствии 20 % мас. хлороформа (кривая 2). Основной
эндотермический эффект обусловлен замерзанием межфазной воды. При этом кривые
охлаждения (1, 2) и нагревания (3) существенно отличаются. Если при замораживании
образцов максимум эндотерм находится при −19 ºС, то при нагревании – в области
−3 ºС.
- 4 0 - 2 0 0
2 0
4 0
6 0
8 0
Те
пл
ов
ой
п
от
ок
T , 0 C
Ен
до
3 2 1
1 10 100
10,00
10,05
10,10
10,15
10,20
10,25
І,
о
тн
. е
д.
R, нм
Рис. 5. ДСК кривые охлаждения полу-
ченного композита ГЖА с
добавлением 10 % мас воды
(кривая 1), 10 % мас воды и 20 %
мас хлороформа (кривая 2) и
нагревания образца, содержащего
10 % мас воды (кривая 3).
Рис. 6. Распределение по размерам
внутренних полостей в нано-
композите ГЖА.
Это вызвано эффектами переохлаждения воды, локализованной в наноразмерных
полостях [32]. В соответствии с классификацией межфазной воды, приведенной в [21],
воду, которая замерзает при температуре выше −20 ºС следует относить к
слабосвязанной, т.е. такой, которая локализована в порах относительно большого
размера. Сильносвязанная вода на эндотермических кривых, полученных методом ДСК,
обычно не наблюдается вследствие наличия паразитных тепловых потоков,
препятствующих выделению на их фоне слабых тепловых эффектов, обусловленных
размораживанием воды в относительно малом объеме узких пор. По эндотермических
кривых размораживания (рис. 5, кривая 3) методом ДСК-криопорометрии по уравнению
(4) может быть рассчитано распределение по размерам водных агрегатов, которые
находятся в середине частиц ГЖА. При этом следует считать, что величина теплового
потока пропорциональна объему воды, находищейся в порах (полостях) определенного
радиуса. Как видно из полученных таким образом кривой распределения пор по раз
мерам (рис. 6) в нанокомпозите ГЖА фиксируются водные агрегаты (кластеры или
домены) с размером 1,5 − 60 нм. Они могут находиться как во внутренних полостях
253
(порах), так и в зазорах между близко расположенными частицами. Поскольку
сильносвязанная вода не регистрируется в ДСК-экспериментах, это распределение
относится исключительно к слабосвязанной воде.
Поверхностный заряд, возникающий на границе раздела фаз ГАП/электролит,
может вызывать изменение конформации адсорбируемых макромолекул и влиять на
взаимодействие поверхности ГАП (или композитных материалов, создаваемых на его
основе) с другими коллоидными частицами, например клетками. Поэтому его величина
и зависимость от состава и рН дисперсионной фазы и являются важными
характеристиками при изучении межфазных процессов, которые могут происходить
место в сложных биоколлоидных системах. На рис. 7 приведены результаты измерения
зависимости плотности поверхностного заряда (рис. 7 а) на частицах ГАП, ГАПж1 и
ГАПж2 от рН, рассчитанные на основании разницы количества прибавленной кислоты и
щелочи для получения равных значений рН исследуемой суспензии и фонового
электролита (0,1н NaCl), и зависимости ζ-потенциала коллоидных частиц от рН среды
(рис. 7 б).
6 7 8 9 10
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
s 0, м
кК
л/
см
2
pH
1
2
3
а
5 6 7 8 9 10
-40
-30
-20
-10
0
10
z,
м
В
рН
1
2
ГЖА
б
Рис. 7. Плотность поверхностного заряда (а) и электрокинетический потенциал (б) как
функции рН для синтезированных образцов в 0,01М NaCl: 1 – ГАП; 2 – ГАПж1;
3 – ГАПж2.
Поверхностный заряд (рис. 7 а) на частицах ГАП может возникать в результате
диссоциации или химического взаимодействия поверхностных гидроксильных групп и
неравномерной адсорбции из раствора ионов противоположного знака. Значение
плотности поверхностного заряда (σ0) должно увеличиваться с ростом размера коллоид-
ных частиц при увеличении содержания на поверхности свободных –ОН-групп, которое
является определяющим фактором для величины σ0. В соответствии с данными рис. 7 а,
величина σ0 увеличивается при переходе от образца ГАП к образцам, полученным в
присутствии растворов желатина (ГАПж1 и ГАПж2). Поскольку в состав образца
ГАПж1 (кривая 2) входит определенное количество желатина, вероятно, что для него
существенное уменьшение величины σ0 обусловлено соответствующим уменьшением
количества свободных ОН-групп на поверхности частиц, обусловленным их связывания
с электронодонорными группами молекул белка. Однако, и для образца ГАПж2,
который является практически исходным гидроксиапатитом, плотность поверхностного
заряда значительно выше, чем для образца ГАП. Это может быть связано с уменьшением
количества поверхностных гидроксилов в процессе спекания образца при 900 ºС. Для
образцов ГАП и ГАПж1 величина ζ-потенциала и его зависимость от рН среды
оказались близкими (рис. 7 б) и отличным от значения ζ-потенциала для нанокомпозита
ГЖА. Вероятно, в процессе формирования частиц, заряд полимерной и минеральной
составляющих этого композита в значительной степени компенсируют друг друга.
254
0 200 400 600 800 1000
0
10
20
30
40
50
N
, о
тн
.е
д.
Диаметр, нм
ГАП рН 8,41
ГАП рН 6,55
ГЖА
Рис. 8. Распределение частиц по размерам в суспензиях образцов с концентрацией
0,25 % ГАП и ГЖА в растворе 0,01М NаCl.
На рис. 8 приведены распределения частиц по радиусам, рассчитанные на
основании данных фотон-корреляционной спектроскопии. Как следует из этих данных,
для образцов ГАП могут быть зафиксированы максимумы в диапазоне размеров частиц
100 − 1000 нм. Для других образцов они оказались слишком слабыми для
количественного определения. Величина максимума (при 400 нм) существенно зависит
от рН среды. В суспензиях также наблюдается значительное светорассеяние в области,
отвечающей размерам частиц 0,2 − 50 нм, обусловленному поглощением света
дисперсионной средой. Полученные результаты согласуются с данными оптической
микроскопии. Они свидетельствуют о том, что синтезированные материалы
представляют собой стабильные частицы, не слишком чувствительные к механическим
нагрузкам, вызванным интенсивным ультразвуковым облучением.
На рис. 9 приведены результаты исследования методом низкотемпертурной 1Н
ЯМР спектроскопии гидратных свойств нанокомпозита ГЖА при фиксированном
количестве адсорбируемой воды в разных типах органических сред.
При низкой гидратируемости образца (СН2О = 7 − 8,5 % мас., рис. 9 а, б) спектр
воды представляет собой широкий одиночный сигнал, максимум которого находится
при значении химического сдвига протонов δН ≈ 5 м.д., что близко к величине
химического сдвига жидкой воды. В соответствии с классификацией, приведенной в
[21], это сильноассоциированная вода (каждая молекула которой принимает участие в
образовании по крайней мере двух водородных связей). При снижении температуры
сигнал воды уменьшается и перестает наблюдаться в спектрах при T < 230 K, т.е.
большая часть адсорбируемой воды является слабосвязанной. В среде слабополярного
(CDCl3, рис. 9 в) или слабо электронодонорного органического растворителя
(CD3CN, рис. 9 г) максимум сигнала сдвигается в сторону сильных магнитных полей
(к δН = 2,5 м.д. в среде CDCl3 и δН = 3 м.д. в CD3CN). Это свидетельствует о
стабилизации слабоассоциированных форм воды (WAW). Наличие в спектрах лишь
одного сигнала воды может быть обусловлено быстрым (в шкале времени ЯМР)
обменом молекул воды, которые входят в состав разных адсорбционных комплексов или
значительной шириной сигналов [38]. В частности, в среде CD3CN можно ожидать
наличия быстрого обмена между молекулами WAW и воды, которая перешла в фазу
жидкого ацетонитрила, где вода существует в виде водородносвязанных комплексов
(ASW) HO-H...N-CCH3.
С увеличением гидратированности до СН2О = 17 % мас. (рис. 9 д-з) в спектрах 1Н
ЯМР регистрируется больше одного сигнала воды. В среде хлороформа отдельно
255
наблюдаются сигналы сильно- и слабоассоциированной воды (с химическими сдвигами
δН 5 и 2 м.д., соответственно, рис. 9 д,е). Сигнал WAW (рис. 9 д) исчезает при Т < 240 K,
т. е. большая часть этой воды является слабосвязанной. При добавлении к хлороформу
небольшого количества (1:11) ацетонитрила (рис. 9 е) спектры воды почти не
изменяются. Однако, если увеличить вклад ацетонитрила до 1:2 (рис. 9 ж), в спектрах
появляется сигнал с δН = 3,5 м.д., обусловленный водой, растворенной в смеси
органических растворителей (ASW). Химический сдвиг этой воды определяется
образованием нею водородносвязанных комплексов с молекулами CD3CN.
12 10 8 6 4 2 0 -2
а
d, м.д.
280K
265
250
230
220
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
d , м .д .
б
280K
265
250
230
220
8 6 4 2 0 -2
d , м .д .
в
280 K
265
250
230
220
7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2
230
250
265
280 K
d, м.д .
г
12 10 8 6 4 2 0 -2
250
265
280 K
d, м.д.
д
230
210
8 7 6 5 4 3 2 1 0
210
230
250
265
280 K
d, м .д.
е
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
210
230
250
265
280 K
d,м.д .
ж
8 7 6 5 4 3 2 1 0
210
230
250
265
280 K
d, м.д .
з
8 6 4 2 0
d, м.д .
280 К
265
250
230
210
и
10 8 6 4 2 0 -2
d, м .д .
280 K
265
250
230
210
к
8 7 6 5 4 3 2 1 0
d, м.д.
280 К
265
250
230
210
л
Рис. 9. Спектры 1Н ЯМР воды нанокомпозитов ГЖА при их различной гидратируемости
и составом дисперсионной среды: а – 7 % Н2О; б – 8,5 % Н2О; в – 8,5 % Н2О в
среде CDCl3; г – 8,5 % Н2О в среде CD3CN; д – 17 % Н2О в среде CDCl3; е – 17 %
Н2О в среде CDCl3+ CD3CN 11:1; ж – 17 % Н2О в среде CDCl3+ CD3CN 2:1; з –
17 % Н2О в среде CDCl3+ ДМСО-d6 1.5:1; и – 37 % Н2О; к – 37 % Н2О в среде
CDCl3; л – 37 % Н2О в среде CD3CN.
256
220 230 240 250 260 270
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
C
uw
, м
г/
г
T, K
7 % H2O
8.5 % H2O
8.5 % H2O в CDCl3
а
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-2,0
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
D
G
, к
Д
ж
/м
ол
ь
7 % H2O
8.5 % H2O
8.5 % H2O in CDCl3
Cuw, мг/гб
190 200 210 220 230 240 250 260 270 280
0
20
40
60
80
100
C SA
W
, м
г/
г
T, K
17%Н2О в 2CDCl3+1CD3CN
17%Н2О в 11CDCl3+1CD3CN
17%Н
2
О в CDCl3
в
0 20 40 60 80 100
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
17 %Н2О в 2CDCl3+1CD3CN
17 %Н2О в 11CDCl3+1CD3CN
17 % Н2О в CDCl3
D
G
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/гг
220 230 240 250 260 270 280
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
C
W
A
W
, м
г/
г
T, K
17%Н2О в 11CDCl3+1CD3CN
17%Н2О в CDCl3
д
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-2,0
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
17%Н2О в 11CDCl3+1CD3CN
17%Н2О в CDCl3
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
CWAW, мг/ге
Рис. 10. Температурные зависимости концентрации незамерзающей воды (а, в, д) и
зависимости изменения свободной энергии Гиббса (б, г, д) для композита ГЖА
с гидратированностью 7 и 8,5 % мас. (а, б), и 17 % мас. (в-е).
Одновременно сигнал слабоассоциированной воды значительно уменьшается по
интенсивности и смещается в сторону сильных магнитных полей к значению δН = 1 м.д.,
т.е. сигнал WAW, который наблюдается на рис. 9 д,е обусловлен водой с несколько
большей ассоциированностью чем на рис. 9 ж, при быстром молекулярном обмене
между разными состояниями воды. С понижением температуры интенсивность сигнала
WAW изменяется слабо, и при низкой температуре он расщепляется на два сигнала с
несколько отличающимися величинами химического сдвига. Соответственно вода,
которая осталась в слабоассоциированном состоянии, является сильносвязанной и
неоднородной по своим структурным характеристикам.
При добавлении к хлороформу более сильного, чем CD3CN, электронодонора –
ДМСО-d6 (рис. 9 з), вид спектров существенно изменяется. Уменьшается интенсивность
257
не только слабоассоциированной, но и сильноассоциированной воды. Кроме того,
сигнал SAW смещается в сторону слабых магнитных полей (δН = 6,2 м.д.). Сигнал ASW
распадается на два сигнала, химический сдвиг которых уменьшается с повышением
температуры, но с разными значениями термических коэффициентов, т.е. смесь
(CD3)SО − CDCl3 более активно удаляет воду из межфазных прослоек образца ГЖА, чем
смесь хлороформа с ацетонитрилом. Вероятно, два сигнала ASW обусловлены
формированием водно-органической смеси не только в объеме, но и на межфазных
границах частиц ГЖА, причем они существуют как отдельные фазы, между которыми
обмен молекулами воды происходит медленно в шкале времени ЯМР. Большая величина
химического сдвига кластеров SAW может быть связана с формированием слоистых
кластерных структур, в которых молекулы ДМСО взаимодействуют с периферийными
молекулами воды в кластерах SAW. Таким образом, ДМСО повышает среднее число
водородных связей в кластерах SAW. При этом вся сильноассоциированная вода
становится сильносвязанной.
С ростом гидратированности (СН2О = 37 % мас. , рис. 9 е-л) интенсивность сигнала
SAW существенно увеличивается. Однако, поскольку вода преимущественно является
слабосвязанной, в среде CD3CN (рис. 9 л) она легко переходит в органическую фазу. Из
спектров видно, что как в неполярной среде бензола (рис. 9 к), так и довольно полярного
ацетонитрила (рис. 9 л) в системах наблюдается некоторое количество слабоассоци-
ированной воды. Эта вода может быть структурно неоднородной и существовать в виде
двух состояний, для которых наблюдаются сигналы 1Н ЯМР с несколько различной
величиной химического сдвига.
Приведенные на рис. 9 данные свидетельствуют, что в широких диапазонах СН2О,
температуры, в присутствии органических веществ, связанная вода в составе композита
ГЖА находится в кластерном состоянии, причем одновременно могут существовать
несколько типов кластерных структур. В частности, могут быть идентифицированы
кластеры сильно- и слабоассоциированной воды и водородносвязанные комплексы воды
с электронодонорными растворителями. Эти комплексы могут существовать как в
жидкой водно-органической фазе, так и на межфазной границе частиц нанокомпозита.
Хлороформ, ацетонитрил и ДМСО способны стабилизировать слабоассо-
циированное состояние воды и изменять температуру замерзания межфазной воды.
Даже при большом содержании электронодонора в хлороформе значительная часть воды
не удаляется с поверхности нанокомпозита ГЖА и находится в сильноассоциированном
состоянии.
На рис. 10, 11 приведены температурные зависимости концентрации
незамерзающей воды в исследуемых системах и построенные на их основе зависимости
изменения свободной энергии Гиббса от концентрации незамерзающей воды.
Характеристики слоев связанной воды суммированны в табл. 2. Распределение по
радиусам кластеров разных типов воды, рассчитанные по уравнению (4) приведены на
рис. 12. Несмотря на небольшое изменение величины СН2О (от 7 до 8 % мас. , рис. 10 а)
зависимости Cuw(T) и ΔG(Cuw) изменяются существенно (рис. 10 б).
При СН2О = 8,5 % мас. , значительная часть межфазной воды переходит из сильно-
связанного (ΔG < 0,5 кДж/моль) в слабосвязанное состояние (табл. 2). Это
свидетельствует об изменении строения кластеров адсорбируемой воды. Действительно,
как следует из рис. 12 а, при СН2О = 7 % мас., большая часть межфазной воды
присутствует в виде кластеров с радиусом около 1 нм, в то время как при
СН2О = 8,5 % мас. значительно растет вклад воды в кластерах с размерами 1,5−6 нм. Об
изменении с ростом СН2О строения водных ассоциатов свидетельствует также
уменьшение величины межфазной энергии (γS), которая характеризует суммарное
258
изменение свободной энергии воды, обусловленное наличием границы раздела фаз
(обычно наблюдается обратная закономерность). В среде хлороформа величина γS
несколько уменьшается (табл. 2).
200 220 240 260 280
0
100
200
300
400
C
SA
W
, м
г/
г
Т, К
37 % H2O
воздух
C6D6
CD3CN
а
0 100 200 300 400-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
37 % H2O
воздух
C6D6
CD3CNDG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
CSAW, мг/г б
Рис. 11. Температурные зависимости концентрации незамерзающей воды (а) и
зависимости изменения свободной энергии Гиббса (б) для композита ГЖА с
гидратированностью СН2О = 37 % мас.
Таблица 2. Термодинамические характеристики слоев воды, адсорбируемой нанокомпо-
зитом ГЖА, в разных средах
СН2О
%мас.
Среда
s
uwC ,
мг/г
w
uwC ,
мг/г
DGs,
кДж/моль
γS,
Дж/г
7 воздух 50 20 −1,5 3,5
воздух 45 40 −2,2 2,8 8,5
CDCl3 35 55 −1,8 2,2
CDCl3 30 (SAW) 10 −3 2,1
11CDCl3+ 1CD3CN 65 (SAW) 10 −3 5,7
17
2CDCl3+ 1CD3CN 100 (SAW) − −3 8,9
воздух 150 (SAW) 220 −3 12,9
С6D6 100 (SAW) 270 −3 17,1
37
CD3CN 25 (SAW) 125 −1,5 8,9
При концентрации адсорбированной на ГЖА воды 17 % мас. , сигналы сильно- и
слабоассоциированной воды наблюдаются раздельно. На рис. 10 в, д приведены
температурные зависимости концентрации SAW и WAW соответственно, а на рис. 10 г,
е – зависимости изменения свободной энергии Гиббса от концентрации незамерзающей
воды, рассчитанные в соответствии с формулой (4). По . По данным рис. 10 г, е и табл. 2
большая часть обоих типов воды относится к сильносвязанной. Минимальное
количество SAW наблюдается для композита ГЖА в среде хлороформа. Это
подтверждает стабилизацию хлороформом именно слабоассоциированных форм воды.
Величина химического сдвига, наблюдаемого для WAW (δН = 2 м.д.), совпадает с
полученным для образца при СН2О = 8,5 % мас. (рис. 9 в). Вероятно, и при
СН2О = 17 % мас. во внутренних полостях ГЖА содержится значительное количество
малых кластеров WAW, однако их размеры (0,6−2,2 нм, рис. 12 в) существенно меньше,
чем в слабогидратированном образце. В присутствии ацетонитрила концентрация WAW
и SAW уменьшается за счет перехода части адсорбированной композитом ГЖА воды в
дисперсионную среду. При этом распределение по размерам WAW становится еще уже
(рис. 12 в). Для кластеров SAW, наоборот, присутствие CD3CN вызывает появление
водных агрегатов с размерами до 6,5 нм (рис. 12 б).
259
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170
10
20
30
dC
, м
г/г
R, нм
7.5 % H2O
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170
4
8
12
16
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170
5
10
15
20
8.5 % H2O
8.5 % H2O в CDCl3
а
0,1 1 100
4
8
12
17 % H2O в 2CDCl3+1CD3CN
dC
SA
W
, м
г/
г
R, нм
0,1 1 100
4
8
12
16 17 % H2O в 11CDCl3+1CD3CN
0,1 1 100
10
20
30 17 % H2O в CDCl3
б
0 1 2 3 40
10
20
30
40
50
17 % H2O в 11CDCl3+ 1CD3CNdС
W
A
W
, м
г/
г
R, нм
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
17 % H2O в CDCl3
в
1 100
10
20
30
37% H2O
dC
SA
W
, м
г/
г
R, нм
1 100
10
20
30
37% H2O в C6D6
1 100
20
40
60
37% H2O в CD3CN
г
Рис. 12. Распределение по размерам водных структур в гидратированных
нанокомпозитах ГЖА в воздушной и органической средах для СН2О 7 и
8,5 % мас. (а); 17 % мас.(б, в), 37 % мас. (г).
С увеличением СН2О до 37 % мас. (рис. 11) на зависимостях ΔG(Cuw) появляются
достаточно широкие участки, обусловленные слабосвязанной водой. Ее количество в
воздушной среде достигает 220 мг/г, а в среде бензола увеличивается до 270 мг/г.
Соответственно в распределениях по радиусам водных агрегатов появляются кластеры с
размерами до 16 нм. Среда бензола несколько уменьшает взаимодействие кластеров
SAW с поверхностью, при этом средний размер кластеров воды растет. Это обусловлено
возможностью проникновения слабополярных веществ в узкий зазор между кластерами
SAW и поверхностью, в результате чего их взаимодействие с поверхностью
уменьшается. Подобный эффект наблюдался раньше в большинстве наноструктури-
рованных материалов разной химической природы и морфологии [21]. В среде CD3CN
фиксируются кластеры SAW, радиус которых не превышает 1,6 нм. Это обусловлено
частичным растворением адсорбированной на ГЖА воды в ацетонитриле. В результате
измерение интенсивности сигнала SAW при температуре T > 250 K затруднено ввиду
перекрывания сигналов SAW и ASW (рис. 9).
Для оценки биосовместимости синтезированных композитов была исследована их
активность по отношению к процессу брожения суспензии дрожжевых клеток (кривые
газовыделения представлены на рис. 13). На начальной стадии брожения, при наличии
достаточного количества питательных веществ, происходит активный процесс
газовыделения клетками дрожжей. Со временем в растворе количество сахарозы
уменьшается, что свидетельствует, по-видимому, о накоплении продуктов
жизнедеятельности клеток и замедление процессов газовыделения.
260
Как видно из рис. 13 а, по сравнению с контролем полученные образцы (ГАП,
ГЖА, ГАПж1, ГАПж2) способствуют активному выделению СО2 дрожжевыми
клетками. В течение первых 10 ч наблюдается значительный рост концентрации
выделенного СО2 за 1 ч для образцов ГАП и ГЖА (рис. 13 б), а интегральные количества
выделеного СО2 в 1,5 раза превышают контроль и равняются 3,36 и 3,23,
соответственно.
0 5 10 15 20 25 30 350
10
20
30
40
t, ч
C
С
О
2,
г/
л
контроль
ГЖА
ГАП
ГАПж1
ГАПж2а
2,
33
3,
23 3,
36
3,
14
3,
23
2
2,5
3
3,5
б
Рис. 13. Кинетические кривые выделения СО2 дрожжевыми клетками в присутствии
ГАП и нанокомпозитов, созданных на его основе (а), и интегральные
количества выделеного СО2 в течение 30 ч (б).
При исследовании влияния разных концентраций ГАП (массой 0,025–0,1 г) и ГЖА
(0,025–0,1 г) на биоактивность суспензии клеток дрожжей оказалось, что в течение
первых 5−10 ч наблюдается активное увеличение концентрации выделенного СО2 для
всех образцов, независимо от количества внесенного наноматериала (рис. 14 а).
Коэффициент выделения СО2 за 30 ч эксперимента имеет наибольшее значение для
образца ГАП 0,05, в то время как образцы ГЖА 0,1 и ГЖА 0,025 (независимо от массы)
имеют приблизительно одинаковые значения коэффициентов выделения СО2 – 2,55 и
2,52 соответственно.
0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
С
С
О
2,
г/
л
t, ч
контроль
ГАП 0,1
ГАП 0,05
ГАП 0,025
ГЖА 0,1
ГЖА 0,05
ГЖА 0,025а
1,
83
2,
45 2,
74
2,
28
2,
55
2,
46 2,
52
1,5
2
2,5
3
б
Рис. 14. Кинетические кривые выделения СО2 дрожжевыми клетками в присутствии
разных концентраций ГАП и нанокомпозитного материала ГЖА (а) и
интегральные количества выделеного СО2 в течение 30 ч (б).
261
Таким образом, синтезированные наноматериалы значительно ускоряют процессы
жизнедеятельности клеток (рис. 13, 14). Наибольшая разница, по сравнению с контро-
лем, наблюдается через 10 ч с момента начала процесса брожения, но она сохраняется и
к окончанию эксперимента. Максимальную активность в стимулировании газовыде-
ления в течение 30 ч проявляет образец, в котором концентрация ГАП составляла 0,05 г,
что немногим больше чем для образца ГЖА с массой 0,1 г (рис. 14). Хотя различие в
стимулирующих свойствах ГАП и ГЖА на процесс газовыделения дрожжей относи-
тельно незначительно, его механизм для этих наноматериалов может быть разным.
На поверхности ГАП содержится значительное количество ионов Са2+, которые
могут служить центрами связывания сахарозы по карбонильной группе. При контакте
частиц ГАП с адсорбируемой на их поверхности сахарозой с клетками может
происходить дополнительный перенос к клеткам питательных веществ. В случае
нанокомпозита ГЖА поверхность гидроксиапатита экранирована от среды молекулами
биополимеров (желатина и альбумина). Однако, как следует из данных 1Н ЯМР
спектроскопии (рис. 9), на границе частиц с гидрофобными участками поверхности
клеток, могут возникать слои слабоассоциированной воды, которая влияет на
проницаемость клеточных мембран (увеличивая ее). Это может приводить к ускорению
процессов жизнедеятельности, а, соответственно, и газовыделению. Следовательно,
синтезированный на основе ГАП и белковых молекул нанокомпозит проявляет высокую
биосовместимость по отношению к тестовым культурам (дрожжевым клеткам), что
позволяет говорить об активации процессов метаболизма и, соответственно, полагать,
что ГЖА может быть использован при биометрическом тестировании совместимости с
материалом натуральной костной ткани.
Выводы
На основе наноразмерного гидроксиапатита и белков, жалатина и альбумина,
синтезирован нанокомпозит, гидратационные свойства которого близки к натуральной
костной ткани. Методами ИК-спектроскопии подтверждено наличие адсорбционных
взаимодействий между макромолекулами белков и частицами гидроксиапатита, а также
обнаружено, что в минеральной составляющей композита ГЖА так же как и в ГАП
содержится значительное количество карбонатных групп. Содержание белковой
компоненты композита ГЖА рассчитанное по данным ТГ анализа, составляет
12,7 % мас. Согласно данным ДСК, радиус водных агрегатов слабосвязанной воды в
гидратированном образце ГЖА находится в интервале 1,5−80 нм. По данным фотон-
корреляционной спектроскопии размер частиц синтезированных материалов после их
ультразвуковой обработки находится в диапазоне 80−100 нм.
Вода, адсорбируемая частицами нанокомпозита ГЖА при контакте с
органическими веществами, проявляет гетерогенную, кластерную структуру и, в
зависимости от органической среды, может находиться в сильноассоциированном и
слабоассоциированном состояниях, а также частично переходить в жидкую фазу, если та
содержит электронодонорные растворители ацетонитрил и ДМСО. В среде хлороформа
адсорбированная вода может присутствовать одновременно в слабоассоциированном (с
малым числом водородных связей) и сильноассоциированном состояниях, причем
слабоассоциированная вода является слабосвязанной, то есть способная замерзать при
относительно высоких > 250 K температурах. С помощью ЯМР-криопорометрии на
межфазной границе ГЖА могут быть зафиксированы водные агрегаты с радиусом
0,6−2,2 нм для слабоассоциированной воды и 0,6−16 нм для сильноассоциированной.
Синтезированный образец ГЖА показал хорошую биосовместимость с
клеточными объектами (дрожжевые клетки). В его присутствии происходит
существенное ускорение процессов жизнедеятельности клеток, которая делает
262
синтезированный материал перспективным для тестирования в качестве синтетического
заменителя костной ткани.
Работа выполнена при поддержке Украинского научно-технологического центра
(проект № 3832) и международного гранта 7 Европейской Рамочной Программы (FP7-
IRSES „Compositum”), Marie Curie Action, PEOPLE, International Research Staff Exchange
Scheme (IRSES).
Литература
1. Тертых В.А., Павлов В.В, Мащенко В.М., Чуйко А.А. Формы адсорбированной и
структурной воды на поверхности дисперсного кремнезема // Докл. АН СССР. –
1971. – Т.201. – С. 913–916.
2. Кремнеземы в медицине и биологии / Под ред. А.А. Чуйко. – Киев: УКРИНТЭИ
Ставрополь. – 1993. – 259 с.
3. Чуйко О.О., Пентюк О.О. Наукові принципи розробки лікарських препаратів на
основі високодисперсного кремнезему // Наук. основи розробки лікар. препаратів.–
Харків: Основа. – 1998. – С. 35–51.
4. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния // Под ред.
А.А. Чуйко. – Киев: Наук. думка. – 2003. – 415 с.
5. Turov V.V., Mironyuk I.F. Adsorption layers of water on the surface of hydrophilic,
hydrophobic and mixed silicas // Coll. and Surf. A: – 1998. – V. 134. – P. 257–263.
6. Туров В.В. Слои связанной воды и поверхностные силы в водных суспензиях
высокодисперсных оксидов // В кн. Химия поверхности кремнезема / Под ред.
А.А. Чуйко. − Киев:УКРИНТЭИ – 2001.– С. 510–607.
7. Turov V.V., Gun`ko V.M., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Gorbik S.P., Pakhlov E.M.,
Leboda R., Shulga O.V., Chuiko A.A. Structured water in partially dehydrated yeast cells
and at partially hydrophobized fumed silica surface // J. Coll. Interf. Sci. – 2005. – V.283,
N 2. –P. 329–343.
8. V.V. Turov, V.M. Gun’ko, A.P. Shpilko, R.Leboda, M.Jablonski, M.Gorzelak, E.
Jagiello–Wojtowicz. Bounded water in human bone tissues healthy and affected by
osteoporosis // Theor. and experim. studies of interfacial phenomena and their
technological applications. P. 2. – 2006. – P. 189–191.
9. Бакунова Н.В., Баринов С.М., Шворнева Л.И. Влияние температуры синтеза на
размер наночастиц гидроксиапатита // Рос. технологии. – 2006 – Т.2, №9−10. –
С. 102–105.
10. Elliot J.C. Sructure and сhemistry of the apatites and other calcium ortophosphates //
Amsterdam: Elsevier. – 1994. –150р.
11. Murugan R., Ramakrishna S. Crystallografic study of hydroxyapatite bioceramics derived
from varios sources // Cryst Growth Des. – 2005. – V.5. – P. 111–112.
12. Ковешников В.Г., Абакаров М.Х., Лузин В.И. Скелетные ткани: хрящевая ткань,
костная ткань. − Луганск: Изд.–во Луган. госмедун–та – 2000. – с.50.
13. Chang M.C., Ko C.C., Douglas W.H. Preparation of hydroxyapatite–gelatin
nanocomposite // Biomaterials. – 2003. – V.24. – P. 2853–2862.
14. Zhao F., Yin Y., Lu W.W. Preparation and histological evalutionof biomimetic tree–
dementional hydroxyapatite/chitozan–gelatin network composite scaffolds //
Biomaterials. – 2002. – V.23. – P. 3227–3234.
15. Sundaram J., Durance T. D., Wang R. Porous scaffold of gelatine – starch with
nanohydroxyapatite composite processed via novel microwave vacuum drying // Acta
Biomater. – 2008.– V.4. – P. 932–942.
263
16. Li J., Chen Y., Yin Y., Yao F.,Yao K. Modulation of nano–hydroxyapatite size via
formation on chitozan– gelatin network film in situ // Biomaterials. – 2007. – V.28. –
P. 781–790.
17. Chen M., Tan J., Lian Y., Liu D. Preparation of Gelatin coated hydroxyapatite nanorods
and the stability of its aqueous colloidal //Appl. Surf. Sci.– 2008. – V.254. – P. 2730–
2735.
18. Shu C., Xianzhu Y., Zhangyin X., Guohua X., Hong Lv., Kangde Yao. Synthesis and
sintering of nanocrystalline hydroxyapatite powders by gelatin – based precipitation
method // Ceram. international. – 2007. – V.33. – P. 193–196.
19. Turov V.V., Gun`ko V.M., Zarko V.I., Leboda R., Jablonski M., Gorzelak M., Jagiello–
Wojtowicz E. Weakly and strongly associated nonfreezable water bound in bones // Coll.
and Surf. – 2006. – V. 48. – P. 167–175.
20. Gun`ko V.M., Turov V.V., Shpilko (Golovan) A.P., Leboda R., Jablonski M., Gorzelak
M., Jagiello–Wojtowicz E. Relationships between characteristics of interfacial water and
human bone tissues // Coll. and Surf. – 2006. – V. 53. – P. 29–36.
21. Гунько В.М.,Туров В.В., Горбик П.П. Вода на межфазной границе /В кн.под. ред.
В.В. Гончарука. – Київ: Наук. думка – 2009. – С.257–265, 372.
22. Туров В.В., Гунько В.М., Горбик П.П., Цапко М.Д., Головань А.П. Процессы
самоорганизации водно–органических систем в наноразмерном пространстве
твердых тел и биологических объектов // В кн. Физико–химия наноматериалов и
супрамолекулярных структур / Ред. Шпак А.П., Горбик П.П. – Київ: Наук. думка. –
2007. – С. 91–157.
23. Turov V.V., Gun’ko V.M., Nechypor O.V., Golovan A.P., Kaspersky V.A., Turov A.V.,
Leboda R., Jablonski M., Gorbik P.P. Self–organization of water–organic systems in
bone tissue and products of their chemical degradation // Nanomaterials and
Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. – London Springer. –
2009. P. 26 – 32.
24. Головань А.П., Туров В.В., Барвинченко В.М., Мищенко В.М., Горбик П.П.,
Шевченко Ю.Б. Нанострукурированные композиты на основе белков костной
ткани, высокодисперсного кремнезема и гидроксиапатита // Хімія, фізика та
технологія поверхні. – 2007. – Вип. 13. – С. 309–316.
25. Касавина Б.С, Торбенко В.П. Жизнь костной ткани – Москва: Наука, 1979. –27 с.
26. Высоцкая Е.В., Тарасевич Ю.И., Климова Г.М., Кузьменко Л.Н. Синтез
гидроксиапатитов и применение получаемых материалов для извлечения ионов
тяжелых металлов из водных растворов // Химия и технология воды – 2002. – Т.24.,
№6.– С.535–546.
27. Brunauer J.S., Emmet P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers //J.
Amer. Chem. Soc. – 1938. – V.60 – P. 309–319.
28. Gun’ko V.M. , Turov V.V. , Bogatyrev V.M. , Zarko V.I. , Leboda R. , Goncharuk E.V. ,
Novza A.A. , Turov A.V. , Chuiko A.A. Unusual properties of water at
hydrophilic/hydrophobic Interfaces // Adv. Coll. Interf. Sci. − 2005 − V. 118. − P. 125 –
172.
29. Turov V.V., Leboda R. Application of 1H NMR spectroscopy method for determination
of characteristics of thin layers of water adsorbed on the surface of dispersed and porous
adsorbents // Adv. Coll. Interf. Sci. .– 1999. – V. 79. – P. 173−211.
30. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушкова.–
Москва: Наука, – 1978. – 495c.
31. Strange J.H., Rahman M., Smith E.G. Characterisation of porous solids by NMR // Phys.
Rev. Lett. – 1993. – V.71.– Р. 3589–3591.
264
32. Petrov O.V., Furo I. NMR cryoporometry: principles, application and potential // Progr.
in NMR spectroccopy . – 2009. – V. 54. – P. 97–122.
33. Большой практикум по микробиологии / Под ред. Г.Л. Силибер. − Москва: Высш.
шк., – 1962. – 503 с.
34. Danilchenko S.N., Pokrovskiy V.A., Bogatyrov V.M., Sukhodub L.F., Sulkio–Cleff B.
Carbonate location in bone tissue mineral by X–ray diffraction and temperature–
programmed desorption mass spectrometry // Cryst. Res.Technol. – 2005. – V.40, №7.–
P. 692–697.
35. Kikuchi M., Ikoma T., Itoh S., Matsumato H.N., Koyata Y. et. al. Biomimetic synthesis
of bone like nanocomposites using the self organization mechanism of hydroxyapatite
and collagen // Composite Sci. and Technology . – 2004.– V.64. – P. 819–825.
36. Тарасевич Ю.И. Монахова Л.И. Взаимодействие глобулярных белков с
поверхностью кремнеземов // Коллоид. журн. − 2002. − Т.64., №4. − С. 535−40.
37. Чргадзе Ю.Н. Инфракрасные спектры и структура полипептидов и белков. –
Москва: Наука. −1965. − 380 с.
38. Abragam A. The principles of nuclear magnetism. – Oxford: Oxford University. –
1961. −279 p.
МОДЕЛЮВАННЯ КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ
НАНОКОМПОЗИТНИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВІ
ГІДРОКСИАПАТИТУ − АЛЬБУМІНУ − ЖЕЛАТИНИ
ТА ЇХНІ ВЛАСТИВОСТІ
А.П. Головань1, А.О. Ругаль1, В.М. Гунько1, В.М. Барвинченко1,
Я. Скубишевська-Зіємба2, Р. Лебода2, Т.В. Крупська1, В.В. Туров1
1Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України,
вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна
2Університет Марії Кюрі-Складовської пл. Марії Складовської Кюрі 3, Люблин,
20-031 Польща
На основі нанорозмірного гідроксиапатиту (ГАП) та білків, желатину та
сироваткового альбуміну, синтезовано нанокомпозитний матеріал (ГЖА), гідратаційні
властивості якого близькі до властивостей натуральної кісткової тканини. Методами ІЧ-
спектроскопії підтверджена наявність адсорбційної взаємодії між макромолекулами білків та
частинками гідроксиапатиту, а також виявлено, що в мінеральній складовій композиту ГЖА,
подібно до ГАП, міститься значна кількість карбонатних груп. Згідно даних ДСК, радіус водних
агрегатів слабозв'язанної води в гідратованому зразку ГЖА знаходиться в інтервалі 1,5 - 80 нм.
За даними фотон-корреляційної спектроскопії, розмір частинок синтезованих матеріалів, після
їхньої ультразвукової обробки, знаходиться в діапазоні 80-100 нм. Показано, що вода,
адсорбована частинками нанокомпозиту ГЖА, при контакті з органічними речовинами
проявляє гетерогенну, кластерну структуру та залежно від органічного середовища може
перебувати в сильноасоційованому або слабоасоційованому станах, а також частково
переходити в рідку фазу, якщо та містить електронодонорні розчинники ацетонітрил або
ДМСО. Властивості синтезованого нанокомпозиту у водно-органічних розчинах близькі до
аналогічних характеристик природного кісткового матеріалу. ГЖА проявив високу
біосумісність з клітинними об'єктами (дріжджові клітини). У його присутності відбувається
істотне прискорення процесів життєдіяльності клітин, що робить синтезований матеріал
перспектив-ним для тестування як синтетичний замінник кісткової тканини.
265
MODELLING OF BONE TISSUE BY NANOCOMPOSITE
SYSTEMS ON THE BASIS OF HYDROXYAPATITE − ALBUMIN −
GELATINE AND THEIR PROPERTIES
А.P. Golovan1, А.А. Rugal1, V.М. Gun`ko1, V.N. Barvinchenko1,
Ya. Skubiszewska-Zięba2, R. Leboda2, Т.V. Krupska1, V.V. Turov1
1Chuiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine,
17 General Naumov Str. Kyiv, 03164, Ukraine
2Maria Сurie-Sklodowska University, pl. Marii Curie-Sklodowskiej 3, 20-031 Lublin, Poland
Nanocomposite material on the basis of nano-hydroxyapatite (HAP) and proteins, gelatine and
serum albumin (HGA) was synthesized. Its hydration properties were found to be similar to those of a
natural bone tissue. Adsorption interactions between the protein macromolecules and hydroxyapatite
particles were confirmed by FTIR-spectroscopy. It was found that the mineral component of the HGA
composite, as well as HAP, contains significant amount of carbonate groups. According to DSC, the
radius of water aggregates of weakly bound water in the hydrated sample of HGA is in the range of
1.5 − 80 nm. The photon-correlation spectroscopy has indicated that the particle size of the synthesized
materials after their ultrasonic treatment is in the range of 80 − 100 nm. It is shown that the water
adsorbed by particles of HGA nanocomposite, when contacts with organic substances displays
heterogeneous, cluster structure. Depending on the composition of the organic medium, water can exist
in strongly associated or weakly associated state, and partially passes into a liquid phase if the latter
contains electrono-donor solvents, acetonitrile or DMSO. The properties of the synthesized HGA
nanocomposite in aqueous-organic solutions are close to similar characteristics of a natural bone
material. HGA showed good biocompatibility with cellular objects (yeast cells). Synthesized material
significantly accelerates the processes of cell live activity what makes it a promising model for testing
as a synthetic substitute for bone tissue.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-417 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:11:45Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/97/d41255ea463a6ae61e97f6502b360097.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4172018-11-27T09:39:14Z Modelling of bone tissue by nanocomposite systems on the basis of hydroxyapatite − albumin − gelatine and their properties Моделирование костной ткани нанокомпозитными системами на основе гидроксиапатита − альбумина − желатина и их свойства Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості Golovan, A. P. Rugal, A. A. Gun`'ko, V. M. Barvinchenko, V. N. Skubiszewska-Zięba, Ya. Leboda, R. Krupska, T. V. Turov, V. V. Nanocomposite material on the basis of nano-hydroxyapatite (HAP) and proteins, gelatine and serum albumin (HGA) was synthesized. Its hydration properties were found to be similar to those of a natural bone tissue. Adsorption interactions between the protein macromolecules and hydroxyapatite particles were confirmed by FTIR-spectroscopy. It was found that the mineral component of the HGA composite, as well as HAP, contains significant amount of carbonate groups. According to DSC, the radius of water aggregates of weakly bound water in &nbsp;the hydrated sample of HGA is in the range of 1.5&nbsp;− 80 nm. The photon-correlation spectroscopy has indicated that the particle size of the synthesized materials after their ultrasonic treatment is in the range of 80 − 100 nm. It is shown that the water adsorbed by particles of HGA nanocomposite, when contacts with organic substances displays heterogeneous, cluster structure. Depending on the composition of the organic medium, water can exist in strongly associated or weakly associated state, and partially passes into a liquid phase if the latter contains electrono-donor solvents, acetonitrile or DMSO. The properties of the synthesized HGA nanocomposite in aqueous-organic solutions are close to similar characteristics of a natural bone material. HGA showed good biocompatibility with cellular objects (yeast cells). Synthesized material significantly accelerates the processes of cell live activity what makes it a promising model for testing as a synthetic substitute for bone tissue. На основе нанорозмерного гидроксиапатита (ГАП) и белков, желатина и сывороточного альбумина, синтезирован нанокомпозитный материал (ГЖА), гидратационные свойства которого близки к свойствам натуральной костной ткани. Методами ИК-спектрос-копии подтверждено наличие адсорбционных взаимодействий между макромолекулами белков и частицами гидроксиапатита, а также обнаружено, что в минеральной составляющей компо-зита ГЖА, так же как и в ГАП, содержится значительное количество карбонатных групп. Согласно данным дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), радиус водных агрегатов слабосвязанной воды в гидратированном образце ГЖА находится в интервале 1,5 – 80&nbsp;нм. По данным фотон-корреляционной спектроскопии размер частиц синтезированных материалов после их ультразвуковой обработки составляет 80-100 нм. Показано, что вода, адсорбированная частицами нанокомпозита ГЖА, при контакте с органическими веществами проявляет гетерогенную, кластерную структуру и в зависимости от состава органической среды может находиться в сильноассоциированном и слабоассоциированном состояниях, а также частично переходить в жидкую фазу, если та содержит электронодонорные растворители − ацетонитрил или ДМСО. Свойства синтезированного нанокомпозита в водно-органических растворах близки к аналогичным характеристикам природного костного материала. ГЖА проявил хорошую биосовместимость к клеточным объектам (дрожжевые клетки). В его присутствии происходит существенное ускорение процессов жизнедеятельности клеток, что делает синтезированный материал перспективным для тестирования в качестве синтетического заменителя костной ткани. На основі нанорозмірного гідроксиапатиту (ГАП) та білків, желатину та сироваткового альбуміну, синтезовано нанокомпозитний матеріал (ГЖА), гідратаційні властивості якого близькі до властивостей натуральної кісткової тканини. Методами ІЧ-спектроскопії підтверджена наявність адсорбційної взаємодії між макромолекулами білків та частинками гідроксиапатиту, а також виявлено, що в мінеральній складовій композиту ГЖА, подібно до ГАП, міститься значна кількість карбонатних груп. Згідно даних ДСК, радіус водних агрегатів слабозв'язанної води в гідратованому зразку ГЖА знаходиться в інтервалі 1,5 - 80 нм. За даними фотон-корреляційної спектроскопії, розмір частинок синтезованих матеріалів, після їхньої ультразвукової обробки, знаходиться в діапазоні 80-100 нм. Показано, що вода, адсорбована частинками нанокомпозиту ГЖА, при контакті з органічними речовинами проявляє гетерогенну, кластерну структуру та залежно від органічного середовища може перебувати в сильноасоційованому або слабоасоційованому станах, а також частково переходити в рідку фазу, якщо та містить електронодонорні розчинники ацетонітрил або ДМСО. Властивості синтезованого нанокомпозиту у водно-органічних розчинах близькі до аналогічних характеристик природного кісткового матеріалу. ГЖА проявив високу біосумісність з клітинними об'єктами (дріжджові клітини). У його присутності відбувається істотне прискорення процесів життєдіяльності клітин, що робить синтезований матеріал перспектив-ним для тестування як синтетичний замінник кісткової тканини. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2010-08-28 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/417 Surface; No. 2(17) (2010): Surface; 244-265 Поверхность; № 2(17) (2010): Поверхность; 244-265 Поверхня; № 2(17) (2010): Поверхня; 244-265 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/417/415 Авторське право (c) 2010 А.P. Golovan, А.А. Rugal, V.М. Gun`ko, V.N. Barvinchenko, Ya. Skubiszewska-Zięba, R. Leboda, Т.V. Krupska, V.V. Turov |
| spellingShingle | Golovan, A. P. Rugal, A. A. Gun`'ko, V. M. Barvinchenko, V. N. Skubiszewska-Zięba, Ya. Leboda, R. Krupska, T. V. Turov, V. V. Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title | Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title_alt | Modelling of bone tissue by nanocomposite systems on the basis of hydroxyapatite − albumin − gelatine and their properties Моделирование костной ткани нанокомпозитными системами на основе гидроксиапатита − альбумина − желатина и их свойства |
| title_full | Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title_fullStr | Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title_full_unstemmed | Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title_short | Моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| title_sort | моделювання кісткової тканини нанокомпозитними системами на основі гідроксиапатиту − альбуміну − желатини та їхні властивості |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/417 |
| work_keys_str_mv | AT golovanap modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT rugalaa modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT gunkovm modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT barvinchenkovn modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT skubiszewskaziebaya modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT lebodar modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT krupskatv modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT turovvv modellingofbonetissuebynanocompositesystemsonthebasisofhydroxyapatitealbumingelatineandtheirproperties AT golovanap modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT rugalaa modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT gunkovm modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT barvinchenkovn modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT skubiszewskaziebaya modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT lebodar modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT krupskatv modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT turovvv modelirovaniekostnojtkaninanokompozitnymisistemaminaosnovegidroksiapatitaalʹbuminaželatinaiihsvojstva AT golovanap modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT rugalaa modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT gunkovm modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT barvinchenkovn modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT skubiszewskaziebaya modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT lebodar modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT krupskatv modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí AT turovvv modelûvannâkístkovoítkanininanokompozitnimisistemaminaosnovígídroksiapatitualʹbumínuželatinitaíhnívlastivostí |