uzluga.ru
добавить свой файл



ЭПР наноразмерных частиц в биогенных и синтетических

карбонатсодержащих апатитах



А.Б.Брик, А.П.Шпак, В.Л.Карбовский, В.А.Дубок,

Клименко А.П., А.М.Калиниченко, Н.Н.Багмут, В.В.Бевз


1. Введение


Высокоминерализованные биологические ткани, такие как кости и эмаль зубов, содержат соответственно (65-75) и (95-97) весовых процентов минерального вещества, которое состоит из отдельных наноразмерных частиц, погруженных в водно-органическую матрицу [1-3]. Размеры наноразмерных частиц (нанокристаллов) в эмали зубов и в костях распределены в некотором диапазоне значений [4-8]. В эмали зубов в среднем размеры наночастиц в 3-5 раз больше чем в костях и лежат в интервале от десятка до сотни нанометров [6-8].

Минеральная компонента костей и эмали зубов, которые принято называть биоминералами [1-3], представлена в основном гидроксилапатитом, однако содержит также небольшое количество других минеральных фаз [9-10]. Важной составной частью минеральной компоненты костей и зубов являются разного рода примеси. Наиболее распространенной и важной примесью в минеральной компоненте биоминералов является карбонатное вещество. Кости и эмаль зубов содержат до нескольких процентов карбонатного вещества [1-3].

Карбонатное вещество играет особо важную роль в функционировании костей и зубов. Количество карбонатных примесей в костях и зубах изменяется с возрастом биологического объекта, а также при заболеваниях этих биологических тканей [11-14]. Процессы деминерализации костей в условиях невесомости [15-17] существенно связаны с изменениями количества и мест локализации карбонатного вещества. Состав и тип карбонатных примесей существенно влияют на процессы ассимиляции костной тканью имплантатов, которые изготовляют на основе апатитов [18]. Таким образом, изучение характеристик карбонатных примесей в биоминералах и их синтетических аналогах имеет большое значение для решения не только фундаментальных проблем биоминералогии, но и многих прикладных задач, связанных с заболеваниями костей и зубов.

Для изучения характеристик карбонатного вещества в таких биоминералах как кости и эмаль зубов, очень важным является исследование синтетического гидроксилапатита с примесями карбонатного вещества [19,20]. Это обусловлено тем, что с помощью синтетического гидроксилапатита, изменяя условия синтеза, можно моделировать разные ситуации, которые встречаются в биологических тканях. При этом можно получать карбонатапатиты, в которых карбонатные ионы локализованы в позициях, как фосфорных тетраэдров (B – тип), так и гидроксильных групп (A – тип), а также на поверхности наноразмерных частиц гидроксилапатита. Отметим также, что изучение синтетических аналогов костной ткани, изготавливаемых на основе апатитов, имеет также самостоятельный интерес, поскольку эти материалы нашли широкое применение в ортопедии и травматологии [18].


Изучению карбонатного вещества в биогенном и синтетическом апатите посвящено значительное количество исследований [19,20]. Важное место в изучении апатита, и в том числе карбонат апатита, занимают исследования, выполненные с помощью инфракрасной спектроскопии (ИКС) [21-24], рентгеноструктурного анализа (РСА) [25-29], а также методов радиоспектроскопии, таких как ядерный магнитный резонанс [30-31], электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) [32-42] и двойной электронно-ядерный резонанс [43-46]. В настоящее время с помощью вышеперечисленных экспериментальных методов получена обширная информация о свойствах карбонатного вещества в апатите. Однако, несмотря на большое количество проведенных исследований, многие важные вопросы, связанные с карбонатным веществом в апатитах, остаются изученными недостаточно, а данные многих работ противоречивы. Анализ литературных источников, связанных с изучением свойств углерода в апатите, показывает, что, по крайней мере, при решении этой проблемы апатит вполне оправдывает свое название, которое в переводе с греческого означает «ввожу в заблуждение». Наиболее противоречивая информация о свойствах карбонатапатитов, связанна с формами вхождения и местами локализации карбонатного вещества в биоминералах и их синтетических аналогах, а также с различием свойств карбонатных ионов, локализованных в разных структурных позициях.

Целью данной работы является изучение форм вхождения и мест локализации карбонатного вещества в карбонатапатитах с помощью метода ЭПР. Основное внимание в работе уделено парамагнитным углеродсодержащим радикалам и другим парамагнитным центрам, которые являются типичными для биогеннных и синтетических карбонатапатитов. В работе описаны новые экспериментальные результаты, а также сделаны обобщающие выводы, о свойствах карбонатного вещества в биоминералах и их синтетических аналогах.


2. Объекты и методы экспериментальных исследований


В данной работе исследован широкий круг биогенных и синтетических карбонатсодержащих апатитов, а также некоторые вспомогательные материалы с примесью карбонатного вещества. Биоминералы были представлены эмалью зубов человека, зубами крысы, а также бедренными костями крысы и коровы. Синтетические материалы были представлены карбонатапатитами разного типа (A - тип и B - тип), которые были синтезированы по разным технологиям. Принято считать, что для карбонат апатитов B-типа карбонатные ионы занимают позицию фосфорных тетраэдров, а для карбонат апатитов A-типа эти ионы занимают позицию гидроксильных групп. Карбонат апатиты B-типа были получены с помощью технологии так называемого мокрого синтеза [20] с добавлением в шихту NaHCO3. Карбонат апатиты A-типа были получены путем прокаливания образцов гидроксилапатита, которые не имели специально введенных примесей, в потоке молекул CO2 при температуре T = 1000 °C в течение одного часа.

Наиболее детальные исследования выполнены для четырех образцов, которые обозначены нами как К-1, К-2, Д-1 и ОВ. Образцы К-1 и К-2 представляют собой карбонатапатиты B-типа, которые были синтезированы при T = 85 и 95 °C соответственно. Образцы К-1 и К-2 мы будем называть низко - и высоко температурными образцами соответственно. Количество карбонатного вещества в образцах К-1 и К-2 было равным примерно 2%. Образец Д-1 представлял собой карбонатапатит A-типа, количество карбонатного вещества в этом образце составляло примерно 3%. Образец ОВ представлял собой кость коровы, которая для уменьшения количества органического вещества была прокипячена в течение двух часов в дистиллированной воде.

Для изучения температурной стабильности предцентров, которые при облучении продуцируют соответствующие парамагнитные центры, исследованные образцы перед облучением были отожжены в интервале температуры 100–1000 °C. Отжиг был проведен с помощью муфельной печи в атмосфере воздуха в течение одного часа.

Для создания парамагнитных центров, которые могут быть зарегистрированы методом ЭПР, исследованные образцы после отжига подвергались облучению. Облучение проводилось с помощью гамма лучей изотопа 60Co (доза примерно 15ּ104 Гр), либо рентгеновских лучей (напряжение антикатода 100 кВ, ток 2 mA, длительность облучения 30 мин). В отдельных случаях, для изучения стабильности парамагнитных центров, облученные образцы подвергались отжигу в интервале температур 100 – 400 оС.

Основные измерения выполнены на ЭПР спектрометре РЭ-1306 (Россия). Некоторые вспомогательные измерения сделаны на спектрометрах ERS-231 (Германия) и PS-100.X (Беларусь). Все вышеперечисленные спектрометры работают в трехсантиметровом диапазоне длин волн. Частота модуляции магнитного поля для этих спектрометров равна 100 кГц, амплитуда модуляции изменялась в диапазоне (0,5–2,0)ּ10-1 мТл. Кривые насыщения сигналов ЭПР микроволновой мощностью исследовались с помощью спектрометра РЭ-1306, для которого максимальная мощность микроволнового поля равна примерно 80 мВт. Сравнения интенсивностей сигналов ЭПР в разных образцах проводилось с помощью эталонного образа (MgO : Mn2+), который постоянно находился в микроволновом резонаторе совместно с исследуемыми образцами. Приведенные ниже интенсивности сигналов ЭПР для разных парамагнитных центров в разных образцах соответствуют пиковой интенсивности соответствующего сигнала, разделенной на интенсивность сигнала ЭПР от эталонного образца.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Спектры ЭПР биогенных и синтетических карбонатапатитов обусловлены широким набором парамагнитных центров разного типа. Большинство парамагнитных центров в исследованных образцах представляют собой углеродсодержащие радикалы. Кроме того, исследованные образцы содержат также другие парамагнитные центры, которые, как правило, взаимосвязаны с карбонатными радикалами и являются характерными для карбонат апатитов. Ниже описаны свойства наиболее распространенных парамагнитных сигналов, которые были зарегистрированы нами в исследованных образцах.


Углеродсодержащие парамагнитные радикалы, которые могут быть зарегистрированы методом ЭПР в карбонат апатитах, представлены, в основном, радикалами и . В зависимости от мест локализации и структуры ближнего окружения спектроскопические характеристики, а также динамические характеристики перечисленных выше радикалов могут заметно отличаться. Значения компонент g-тензора наиболее распространенных углеродсодержащих парамагнитных радикалов приведены в таблицах 1–3.


3.1. Радикалы CO2


Наиболее интенсивные сигналы ЭПР в биогенных и синтетических карбонатсодержащих апатитах обусловлены парамагнитными радикалами . Вид сигнала ЭПР, который обусловлен радикалами, представлен на рис. 1. Сигналы ЭПР от радикалов присутствуют во всех биоминералах, а также во всех типах синтетических карбонат апатитов. Радикалы продуцируются в перечисленных выше материалах самыми разными видами излучений, в том числе гамма лучами, рентгеновскими лучами и электронами.

Значения компонент g-тензора радикалов в различных материалах приведены в таблице 1. Характерным признаком ("паспортом") радикалов является компонента сигнала ЭПР, которая соответствует фактору спектроскопического расщепления g  1,997. Эта компонента g-тензора ориентирована вдоль направления кислород – кислород в радикале и при аксиальном g-тензоре соответствует компоненте g [38]. Компоненты g-тензора радикалов, локализованных в разных материалах, либо в разных структурных позициях одних и тех же материалов, близки, но не одинаковы. Во многих случаях из-за наложения сигналов ЭПР, обусловленных радикалами разного типа, а также сигналов от других центров, выделение вклада, который обусловлен отдельным типом радикалов, оказывается затруднительным.

Кроме различия g – факторов, различия свойств радикалов разного типа проявляются в различии их динамических характеристик, под которыми мы понимаем температурную стабильность как предцентров так и парамагнитных центров, а также особенности насыщение сигналов ЭПР микроволновым полем. Различия свойств радикалов в разных биоминералах проявляются также в различной анизотропии сигналов ЭПР образцов, которые имеют форму пластинок.

Различия свойств радикалов разного типа обусловлены различием свойств предцентров, которые при облучении продуцируют парамагнитные радикалы. Нами изучена зависимость количества предцентров радикалов от температуры отжига для разных образцов. Соответствующие зависимости представлены на рис. 2. Для кривых 1, 2 и 3 (рис.2), которые соответствуют образцам Д–1, К–2 и ОВ соотношение максимальных интенсивностей сигналов ЭПР, обусловленных радикалами, равно 8:30:33. Согласно данным рис. 2 наиболее термостабильными являются предцентры для синтетического карбонатапатита А – типа (образец Д–1). Для этого образца предцентры радикалов сохраняются до температур отжига порядка 900 оС. Отметим также, что кривая 1 на рис.2 имеет два экстремума при Т  150 оС и Т  700 оС . На этом основании можно считать, что в образце Д–1 имеется две группы предцентров, которые локализованы в разных местах и соответственно имеют разные свойства. Для синтетического карбонатапатита В–типа (образец К – 2 ) и для биогенного карбонатапатита (образец ОВ) тоже можно выделить две группы предцентров. Первая, менее стабильная группа, распадается при Т > 150 оС. Вторая, более стабильная группа распадается при Т > 600 оС. Рассматриваемые две группы предцентров радикалов в биогенных и синтетических карбонатапатитах мы будем обозначать как 1[] и 2[] соответственно. Соотношения количества предщентров в первой группе 1[], которая обладает низкой термостабильностью, и во второй группе 2[], которая обладает более высокой термостабильностью, для разных образцов не одинаковое. Согласно данным рис. 2, большинство предцентров в образце Д – 1 относится ко второй группе 2[], а в образцах К – 2 и ОВ к первой группе 1[].

В эмали зубов также имеется, по крайней мере, две группы предцентров, которые имеют разную температурную стабильность. Менее стабильная группа предцентров распадается в интервале температур 200–250 °C, а более стабильная в интервале 600–650 °C. Таким образом, температурные характеристики предцентров радикалов в эмали зубов и в костях подобны. Более подробная информация о термостабильности предцентров радикалов в эмали зубов приведена в работах [32,35,40].

При комнатной температуре сигналы ЭПР, обусловленные радикалами, насыщаются микроволновым полем слабо. Информацию о кривых насыщения микроволновым полем сигналов ЭПР от радикалов в эмали зубов можно найти в работах [32,35]. В этих работах показано, что кривые насыщения радикалов в отожженных и не отожженных образцах не одинаковые. Подобная ситуация имеет место также для синтетических карбонатапатитов.

Рассмотрим вопросы, связанные с механизмами формирования радикалов и местами локализации предцентров этих радикалов. В биоминералах основная часть предцентров радикалов связана с молекулами и карбоксильными группами (O = C – OH) аминокислот, которые ассоциированы с нанокристаллами гидроксилапатита. В биоминералах формирование парамагнитных радикалов происходит под действием облучения и соответствует процессам

(1)

(2)

Реакция (1) соответствует захвату молекулами CO2 вторичных электронов, а реакция (2) — преобразованию карбоксильных групп аминокислот под действием гамма квантов γ. Согласно работам [17,18], радикалы , которые формируются в соответствии с реакцией (2), стабильны только в том случае, если аминокислоты ассоциированы с нанокристаллами гидроксилапатита.