Головань А.П., Угнивенко А.П., Геращенко И.И., Барвинченко В.Н. , Туров В.В.

Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины

Гидратные свойства нанокомпозита стекловидное тело/гидроксиапатит кальция

Одним из перспективных направлений в создании биологических заменителей тканей и органов является тканевая инженерия, где искусственный (или посторонний для данного организма) материал подвергается биодеградации в сочетании с замещением природными тканями организма [1]. К наиболее затребованным типам биореконструктурируемых материалов следует относить костную ткань, минеральной основой которой служат наноразмерные кристаллы гидроксиапатита (ГАП - Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂). Поэтому, при создании заменителей натуральной костной ткани ГАП совмещают с биополимерами (в частности, с гиалуроновой кислотой) [2, 3]. Благодаря способности связывать и удерживать воду, кислые мукополисахариды служат природным смазочным материалом суставов и определяют эластичность соединительной ткани [4].

Ранее было изучено процесс гидратации композитов, синтезированных нами, на основе наноразмерного ГАП и смеси белков – желатина и сывороточного альбумина, методом низкотемпературной ¹Н ЯМР-спектроскопии [5]. Показано, что вода в них находится в виде системы кластеров с разной ассоциированностью (средним числом водородных связей, в которых участвует каждая молекула воды), в том числе и слабоассоциированной воды (WAW), которая практически не участвует в формировании водородносвязанных комплексов. В [6] было высказано предположение, что именно кластеризация межфазной воды в нанокомпозитных материалах приближает их свойства к свойствам натуральной кости, где концентрация WAW может достигать 50% от общей концентрации воды в костях [7]. Поэтому при создании новых биозамещаемых композитных материалов необходимо, чтобы межфазная вода была в значительной степени кластеризованной, аналогично, как и для природного костного материала.

Целью настоящей роботы было изучение структуры и определение термодинамических характеристик связанной воды в частично дегидратированных порошках нанокомпозита, созданного на основе стекловидного тела и ГАП.

Для измерений использовались нанокомпозиты (ГАП/ст.т.) на основе гидроксиапатита с удельной поверхностью 69,7 м²/г и лиофилизованного стекловидного тела крупного рогатого скота, содержащие на поверхности 5 % остаточной воды и 4% биополимерной составляющей.

Рис.1.Термограммы нанокомпо-зитного материала ГАП/ст.т.

На рис. 1 приведены результаты термогравиметрических исследований композита ГАП/ст.т. На кривой потери массы (ТГ-кривая) могут быть выделены три основных участка, отвечающие термодесорбции воды (T < 200 ºC), термодеструкции полимерной составляющей композитного материала (200 < T < 500 ºC) и выделение СО₂ из гидроксиаппатита (T > 500 ºC). В соответствии с данными рис. 1, в сконструированном композитном образце содержится 5 % воды и около 4 % полимерной составляющей стекловидного тела.

Спектры ¹Н ЯМР воды, адсорбированной натуральной костной ткани и порошками нанокомпозита ГАП/ст.т., снятые при разной температуре, приведены на рис. 2 распределения по радиусам кластеров адсорбированной воды в нанокомпозитах – на рис. 3.

ЯМР-спектры связанной воды в образцах костной ткани человека получены в среде слабополярного дейтерированного хлороформа (рис. 2 б) и в водной среде (рис.2 а). В водной среде T > 260 K в спектрах регистрируются два сигнала с химическими сдвигами d_H » 5 м.д. (сильноассоциированная вода SAW) и с d_H » 1,4 м.д. (слабоассоциированная вода WAW). При T » 270 K интенсивности обоих сигналов близки. С понижением температуры T < 260 K интенсивность сигнала WAW cтановится большей, чем SAW (рис. 2 а). Подобную зависимость интенсивностей сигналов SAW и WAW имеют спектры костной ткани в среде CDCl₃ (рис. 2б). Вид спектров в слабополярной среде несколько меняется, появляется сигнал с d_H » 7,5 м.д., который соответствует непродейтерированной части хлороформа.

а	б
в	г
Рис. 2. ^1Н ЯМР спектры воды адсорбированной натуральной костной тканью [8]: а - в водной среде; б - в CDCl3; и порошками нанокомпозита ГАП/ст.т. в среде: в - CDCl3; г - CDCl3 + CD3CN.

В спектрах нанокомпозитного материала ГАП/ст.т. в среде дейтерированного хлороформа (рис. 2 в) фиксируется два сигнала сильноасоциированной воды: SAW1 (δ_Н = 7,5 м.д.) и SAW2 (δ_Н = 5 м.д.). Интенсивность обоих сигналов быстро уменьшается с понижением температуры T < 260 K. Наблюдается также небольшой сигнал воды при δ_Н ≈ 2 м.д., который может быть отнесен к WAW, его интенсивность также быстро уменьшается с понижением температуры. Кроме сигналов воды в спектрах наблюдается сигналы триметилсилана (ТМС, δ_Н = 0 м.д.) и непродейтерированной составляющей хлороформа (δ_Н = 7,2 м.д.).

При добавлении ацетонитрила (рис. 2,г) доля WAW несколько уменьшается за счет соответствующего роста количества SAW1 и SAW2. При этом в спектрах сохраняется наличие двух сигналов слабоассоциированной воды, которая фиксируется при T < 260 K. Следовательно, существует некоторая оптимальная пропорция в соотношении гидрофобных и гидрофильных свойств среды, которое обеспечивает максимальную трансформацию SAW в WAW.

а	б
Рис. 3. Распределения по радиусам кластеров слабо- (а) и сильноассоциированной (б,в) воды в слабо гидратированных порошках нанокомпозита ГАП/ст.т.

На рис. 3 приведены распределения по размерам кластеров разных форм связанной воды для нанокомпозита ГАП/ст.т., расчитанные по методике [9]. Общий диапазон радиусов кластеров составляет 0,6-50 нм. В чисто гидрофобной среде отсутствуют кластеры WAW с R < 1 нм. (рис. 3,а). Увеличение полярных свойств среды сопровождается уменьшением среднего размера кластеров WAW, распределения по радиусам WAW1 и WAW2 близки.

Для основного типа сильноассоциированной воды (SAW2) в гидрофобной среде основная часть воды находится в виде кластеров с радиусом 2 нм (рис. 3 б). С появлением полярной компоненты появляются кластеры воды большего и меньшего размера. В образце с максимальной концентрацией полярной компоненты появляется большое число малых кластеров с радиусом 0,7-2 нм, которые либо находятся в очень узких полостях либо прочно связаны с поверхностью нанокомпозита.

Выводы

Путем импрегнации наноразмерного гидроксиапатита раствором гиалуроновой кислоты получен нанокомпозит ГАП/ст.т. Савокупность полученных результатов показала, что вся вода, адсорбированная частицами нанокомпозита, при контакте с органическими веществами, проявляет гетерогенную, кластерную структуру (могут быть зафиксированы водные агрегаты межфазной воды с радиусом 0,7-50 нм). Поскольку в органической среде молекулярный обмен между разними типами кластеров SAW и WAW медленный в шкале времени ЯМР, это позволяет регистрировать сигналы разных типов воды раздельно и делает данный образец сходным с натуральной костной тканью человека. Поэтому нанокомпозиты ГАП/ст.т. являются перспективным материалом для создания искусственной костной ткани и требуют дальнейшего их исследования.

Литература

1. C.Liu, Z. Xia, J.T.Czernuszka Design and development of three-dimensional scaffolds for tissue engineering // Trans IChemE, Part A, Chemical Engineering Research and Design, - 2007. - Vol. 85 (A7): 1051-1064.

2. Баринов С.М. Тенденции в разработке керамических и композиционных материалов на основе фосфатов кальция для медицины: переход на наноуровень / С.М. Баринов // Рос. хим. ж. – 2009. – Т.LIII. – № 2. – С.123–130.

3. Стейси М., Баркер С., Углеводы живых тканей, пер. с англ., М., 1965

4. Касавина Б. С., Кольчинский Т. А., Зенкевич Г. Д., Мукополисахариды костной и хрящевой ткани в норме и патологии, «Успехи современной биологии», 1970, т. 69, в. 3.

5. Головань А.П., Ругаль А.А., Гунько В.М., Барвинченко В.Н., Скубишевска-Зиемба Я., Лебода Р., Крупская Т.В., Туров В.В. Моделирование костной ткани нанокомпозитными системами на основе гидроксиапатита – альбумина – желатина и их свойства // збірник Поверхня 2010. - випуск 17, №2 - С.244 – 265.

6. В.В. Туров, В.М. Гунько Кластеризованная вода и пути ее использования. – К.: Наукова думка, - 2011. – с. 313.

7. 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 // Colloids and Surfaces. – 2006. – Vol. 48. – P. 167-175.

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

9. Гунько В.М.,Туров В.В., Горбик П.П. Вода на межфазной границе /под. ред. Академика НАН Украины В.В. Гончарука. - Киев.- Наукова думка- 2009. - с.257-265, 372.