Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Свойства и получение частиц карбоната кальция и гидроксиапатита и их применение для формирования композитов. обзор литературы 11
1.1 Карбонат кальция. Физические и механические cвойства 11
1.1.1 Кристаллическая структура карбоната кальция 12
1.1.2 Применение карбоната кальция 14
1.1.3 Получение карбоната кальция 15
1.2 Гидроксиапатит. Физические и механические cвойства 18
1.2.1 Кристаллическая структура гидроксиапатита 20
1.2.2 Получение гидроксиапатита
1.2.2.1 Метод осаждения кристаллов гидроксиапатита 20
1.2.2.2 Ультразвуковая гомогенизация 22
1.2.2.3 Синтез золь-гель методом 23
1.2.2.4 Гидротермальные методы 1.2.3 Твердофазные методы 25
1.2.4 Применение гидроксиапатита 27
1.3 Композиты, содержащие наночастицы карбоната кальция или гидроксиапатита 28
1.3.1. Факторы, влияющие на эффективность взаимодействия матрицы и наполнителя 1.3.2 Композиты гидроксиапатит/полимерная матрица 30
1.3.3 Композиты карбонат кальция/полимерная матрица 31
1.4 Факторы, влияющие на механические свойства волокнистых материалов 32
1.4.1 Влияние диаметра волокна 32
1.4.2 Влияние концентрации наполнителя 34
1.4.3 Влияние скорости вращения коллектора 36
1.5 Методы формирования нановолокон 39
1.5.1 Электроформование полимерных волокон и параметры, влияющие на процесс электроформования 39
1.5.2 Применение электроформованных волокон 40
ГЛАВА 2. Материалы и методы 41
2.1 Материалы 41
2.1.1 Поли( -капролактон) (ПКЛ( 41
2.2 Получение частиц ватерита и гиброксиапатита, а также содержащих их композитов 42
2.2.1 Получение частиц карбоната кальция 42
2.2.2 Исследование возможности применения неорганических частиц в качестве контейнеров для загрузки модельных веществ 42
2.2.3 Получение субмикронных частиц ватерита 43
2.2.4 Получение микронных и субмикронных частиц гидроксиапатита 44
2.2.5 Модификация частиц карбоната кальция и гидроксиапатита наночастицами серебра 45
2.2.6 Получение нетканых композитов на основе поликапролактона, содержащих гидроксиапатит и карбонат кальция 45
2.3 Методы характеризации образцов 47
2.3.1 Рентгеновская дифракция 47
2.3.2 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) 48
2.3.3 Измерения зета-потенциала 48
2.3.4 Анализ изображений 48
2.3.5 Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX). 48
2.3.6 Спектроскопия комбинационного рассеяния 49
2.3.7 Тестирование механических свойств 49
2.3.8 Измерение удельной площади поверхности и среднего диаметра пор 50
ГЛАВА 3. Синтез частиц карбоната кальция микронного и субмикронного размера при ультразвуковой гомогенизации и их загрузочные свойства 51
3.1 Получение частиц карбоната кальция 51
3.2 Применение неорганических частиц карбоната кальция и гидроксиапатита в качестве контейнеров для загрузки модельных веществ 59
3.3 Основные параметры синтеза ватерита, оказывающие влияние на размер и форму частиц 3.3.1 Влияние скорости подачи и концентрация реагентов при различных соотношениях этиленгликоль- Н2О на размер частиц ватерита 60
3.3.2 Влияние концентрации этиленгликоля и различной скорости подачи и концентрации реагентов на соотношение ватерита и кальцита 65
3.3.3 СЭМ и XRD анализ кристаллов карбоната кальция 69
3.3.3.1 СЭМ и XRD анализ кристаллов карбоната кальция при оптимизированных условиях 77
3.4 Выводы к главе 81
ГЛАВА 4. Получение микронных и субмикронных частиц ватерита и гидроксиапатита и их применение в качестве платформ для гигантского комбинационного рассеяния 84
4.1 Формирование субмикронных частиц гидроксиапатита 84
4.2 Получение частиц гидроксиаппатита микронного размера 87
4.2.1 Идентификация фаз 90
4.3 Модификация неорганических ядер наночастицами серебра 92
4.4 Спектроскопия комбинационного рассеяния 92
4.5 Выводы по главе 95
ГЛАВА 5. Влияние добавок частиц гидроксиапатита и карбоната кальция на механические свойства нетканых композиционных материалов на основе поликапролактона 96
5.1 Морфология нетканых композитных материалов 96
5.2 Механические свойства полученных нетканых композитных материалов 100
5.3 Регрессионный анализ механических свойств 102
5.4 Численное решение 104
5.5 Выводы по главе 106
Заключение 108
Список сокращений 110
Список использованных источников 111
- Гидроксиапатит. Физические и механические cвойства
- Получение частиц ватерита и гиброксиапатита, а также содержащих их композитов
- Измерения зета-потенциала
- Влияние скорости подачи и концентрация реагентов при различных соотношениях этиленгликоль- Н2О на размер частиц ватерита
Введение к работе
Актуальность темы. Карбонат кальция (СаСО3) является одним из наиболее распространенных минералов. В природе карбонат кальция встречается в виде трех полиморфных модификаций: кальцита – кубической формы с ромбоэдрической кристаллической решеткой, арагонита – иглообразных кристаллов с орторомбической решеткой и ватерита – кристаллов сферической формы с гексагональной решеткой. Ватерит, являясь наименее стабильной разновидностью карбоната кальция, привлекает значительный интерес исследователей [1], в том числе и как темплат для формирования кристаллов гидроксиапатита (HА) Ca10(PO4)6(OH)2, который является природной формой апатита кальция. Неорганические микрочастицы на основе гидроксиапатита и карбоната кальция привлекают широкий интерес в различных научно-исследовательских и прикладных областях благодаря их биосовместимости, биоразлагаемости, высокой удельной площади поверхности и простоте получения. Одним из основных преимуществ этих минеральных структур для биомедицинских применений является их химический состав, напоминающий неорганического фазу твердых тканей, таких как кости и зубы [2], что дает возможность использования кристаллов CaCO3 и HA, а также содержащих их композитов для восстановления и роста костной ткани [3-5]. Кроме того, способность этих пористых частиц инкапсулировать активные вещества является существенным преимуществом для их применения в качестве средств доставки и высвобождения биологически активных молекул, в том числе, реализующих пролонгированное действие [6]. Современные средства доставки лекарств подразумевают наличие сенсорной функции, которая может быть реализована на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния. Шероховатая поверхность частиц ватерита и гидроксиапатита, декорированная плазмонно-резонансными наночастицами, создает условия, необходимые для реализации эффекта гигантского комбинационного рассеяния, что, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность обнаружения детектируемых веществ.
Метод получения частиц ватерита микронного размера был опубликован сравнительно недавно [7], но описанная методика синтеза частиц не позволяет получать частицы с управляемым размером в субмикронном диапазоне и заданной формы, а также не обеспечивает получения частиц с узким распределением по размерам. Позже была продемонстрирована возможность перехода в субмикронный диапазон частиц ватерита за счет изменения вязкости среды в результате добавления этиленгликоля [8]. Однако, систематических физико-химических исследований влияния концентрации этиленгликоля (EG) в качестве компонента растворителя (смесь воды и этиленгликоля), а также концентрации реагентов и скорости их подачи на размер и процентное содержание сферических кристаллов ватерита в полученном осадке карбоната кальция не было найдено в литературе.
С точки зрения дальнейшего применения важным моментом является вопрос масштабирования синтеза микрочастиц ватерита. Попытки увеличить количество однократно получаемого карбоната кальция по предложенной
методике [7], как правило, приводят к потере «качества» образца (меняется распределение по размерам, пористость и т.д.). Так, при перемешивании с помощью магнитной мешалки на внешний вид и свойства получаемых частиц влияют такие факторы, как скорость перемешивания [9], особенности поверхности стеклянного стакана, в котором проводят синтез, форма и размер мешалки [10], а также ее положение при перемешивании [11]. Для устранения влияния указанных факторов, нами было предложено использовать низкочастотный ультразвук при плотности мощности, соответствующей кавитационному режиму, для интенсивного перемешивания во время синтеза частиц ватерита.
Особенностью CaCO3 и HA микронного и субмикронного размера
является то, что их можно использовать не только в качестве носителей для
доставки лекарств, но и в виде наполнителя для нанокомпозитных материалов
биомедицинского применения. Отсутствуют систематические исследования
влияния объемной фракции наполнителя в широком интервале изменения на
механические свойства соответствующих композитов, которые
предусматривают получение эмпирических уравнений, связывающих такие механические параметры как модуль Юнга и предел прочности с концентрацией наполнителя. Данная информация является критически важной в случае применения данных композитов в качестве ортопедических имплантов и т.д.
Целью диссертационной работы является установление влияния физико-химических параметров синтеза на свойства получаемых частиц карбоната кальция, и их применение для создания композитов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние концентрации реагентов, содержания этиленгликоля,
скорости подачи реагентов в реакционную камеру на полиморфизм и размер
получаемых частиц карбоната кальция;
исследовать влияние способа перемешивания реакционной смеси на размер,
дисперсность, кристаллографическую фазу и массовый выход частиц CaCO3 с
целью масштабирования синтеза;
синтезировать частицы гидроксиапатита микронного и субмикронного
размера с использованием частиц CaCO3 в качестве темплатов путем
проведения реакции ионного обмена в присутствии фосфат-ионов;
получить композиты на основе поликапролактона (PCL) методом
электроформования, содержащие различную массовую долю микрочастиц
СаСО3 и HA в качестве наполнителя с целью улучшения механических
характеристик волокон на основе PCL.
исследовать влияние массовой доли микрочастиц CaCO3 и НА на диаметр волокна и механические свойства получаемых композитов;
получить эмпирическое уравнение для прогнозирования зависимости модуля Юнга и предела прочности композитов от массовой доли наполнителя.
Научная новизна работы
-
Использование ультразвука для гомогенизации реакционной смеси при проведении реакции осаждения карбоната кальция позволяет формировать пористые частицы ватерита субмикронного размера с низкой дисперсностью и высоким массовым выходом.
-
Установлены физико-химические параметры синтеза частиц карбоната кальция, варьирование которых позволяет получать частицы заданной формы (сферической и эллипсоидальной), размера и полиморфной модификации.
-
Показана возможность управления размером частиц гидроксиапатита с использованием предварительно полученных темплатов карбоната кальция.
-
Показано улучшение механических свойств волокнистых материалов на основе поликапролактона, полученных методом электроформования, за счет варьирования массовой доли микрочастиц гидроксиапатита (HА) и карбоната кальция (СаСО3) в интервале от 2,5 до 7,5%. На основе экспериментальных данных было получено эмпирическое уравнение, описывающее зависимость механических параметров (модуля Юнга и предела прочности) композитов от массовой доли неорганического наполнителя.
Научно-практическая значимость
1. Субмикронные частицы карбоната кальция, полученные при ультразвуковом
перемешивании, перспективны в качестве контейнеров для инкапсуляции и
доставки биологически активных веществ.
2. Использование ультразвука для перемешивания реакционной смеси
позволяет масштабировать методику синтеза частиц карбоната кальция без
потери «качества» образца с возможностью получения образцов субмикронного
размера с узким распределением по размерам.
3. Микрочастицы HA и карбоната кальция, поверхность которых
модифицирована наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве
платформ для чувствительного детектирования сигнала гигантского
комбинационного рассеяния модельного красителя.
4. Композитный материал на основе поликапролактона с управляемыми
механическими свойствами за счет варьирования массовой доли микрочастиц
карбоната кальция и гидроксиапатита в волокне может найти применение в
качестве матрикса для тканевой инженерии или раневого покрытия.
5. Эмпирическое уравнение, полученное на основе регрессионного анализа
механических свойств бинарных композитов (полимерная
матрица/наполнитель), может быть использовано для прогнозирования
механических характеристик композитных нетканых материалов.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением
научного оборудования, которое верифицируется в соответствии с
международными стандартами обеспечения единства измерений и
единообразием средств измерений.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Перемешивание с использованием ультразвукового гомогенизатора обеспечивает более равномерное распределение центров роста и приводит к образованию поликристаллических частиц ватерита наименьшего размера
(0,7±0,1 мкм), с малым значением дисперсии по размеру (PDI 0,02) и с
наибольшим выходом (88%) по сравнению с аналогичными характеристиками,
полученными при перемешивании с использованием механического
перемешивания или без такового.
2. С уменьшением скорости подачи ионов кальция и увеличении концентрации
этиленгликоля в реакционной смеси полиморфная модификация
синтезированных частиц карбоната кальция изменяется от кальцита до
ватерита, при этом сферическая форма частиц ватерита переходит в
эллипсоидальную при соотношении этиленгликоль:вода 4:1 и 6:1 при низких
скоростях подачи ионов кальция.
-
Микронные и субмикронные частицы гидроксиапатита (HА) размера 0.6±0.1 мкм с игольчатой морфологией можно получить перекристаллизацией частиц ватерита размера 0.5±0.1 мкм путем реакции ионного обмена в присутствии фосфат-ионов.
-
Механические свойства композитных нетканых материалов на основе поликапролактона зависят от массовой доли микрочастиц карбоната кальция или гидроксиапатита, при этом значения модуля Юнга и предела прочности на растяжение композитов, содержащих 7,5 мас% HA составляют 56.3 и 28.7 MПa, соответственно (что в 25 и 28 раз превышает величины для чистого полимерного волокна), а для композитов, содержащих 7,5 мас% CaCO3 21.3 и 10.4 MПa (что в 9 и 10 раз больше аналогичных величин для чистого полимера).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были
представлены на российских и международных конференциях: Международная
школа для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и
биофизике «Saratov Fall Meeting 2012», Россия, Саратов, 25.09-28.09 2012 г.;
конкурс научных работ в рамках Международной молодежной научной школы
«Cовременные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине».
Саратовский государственный технический университет (СГТУ). 18.09.2012 г. ;
IV Международная конференция по коллоидной химии и физико-химической
механике (ICCCPCM 2013). 02.06 – 04.06.2013 г., Москва, Россия; V
International Workshop on «Nanoparticles, nanostructured coatings and microcontainers: technology, properties, applications», Бельгия, Гент, 9.05 – 12.05 2014 г., а также на объединенных семинарах Образовательно-научного института наноструктур и биосистем и факультета нано- и биомедицинских технологий СГУ.
Гранты
Грант «Дистанционно управляемые наноструктурированные материалы,
включающие биосенсоры и инкапсулированные биоактивные вещества»
(РФФИ, № 12-03-33088 мол_а_вед); грант «Дистанционно управляемые
наноструктурированные системы для адресной доставки и диагностики»
Правительства Российской Федерации (Договор №14.Z50.31.0004) для
государственной поддержки научных исследований, проводимых под
руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях
высшего профессионального образования, научных учреждениях
государственных академий наук и государственных научных центрах Российской Федерации.
Личный вклад диссертанта состоит в самостоятельном выполнении
представленных в диссертации экспериментальных исследований и расчетов,
связанных с синтезом микронных и субмикронных частиц карбоната кальция,
исследованием возможности масштабирования синтеза частиц ватерита с
использованием ультразвука как способа гомогенизации реакционной смеси, а
также измерением и анализом механических характеристик
электроформованных композитов на основе поликапролактона, содержащих различную массовую долю микрочастиц CaCO3 и HA. Постановка задач исследования и обсуждение результатов проведены под руководством профессора С.Б. Венига, профессора Д.А. Горина. При использовании результатов, полученных в соавторстве, приведены ссылки на соответствующие источники.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах перечня, рекомендованного ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего (217) источников. Общий объем диссертации составляет (129) страниц, включая (45) рисунков и (19) таблиц.
Гидроксиапатит. Физические и механические cвойства
Есть два основных химических метода синтеза CaCO3: твердофазный и химического соосаждения. Первый заключается в механической активации твердофазных химических реакций замещения за счет совмещения механического измельчения смеси реагентов с последующим нагревом. Однако в результате подобного синтеза образуются полидисперсные частицы неправильной формы, что ограничивает применение данного подхода. В то же время существует много вариантов проведения химическиго осаждения кристаллов CaCO3 из реакционного раствора, содержащего ионы кальция и карбонат-ионы, позволяющих контролировать размер и повышать качество получаемых частиц путем изменения физических и технологических параметров синтеза [28].
В последние годы были разработаны эффективные методы синтеза, позволяющие получать частицы ватерита размером от 430 нм [8] до 5 мкм [7]. Изменение соотношения солей в процессе синтеза карбоната кальция открыло возможность формирования частиц эллиптической и звездчатой формы в том же диапазоне размеров [29,30].
Гомогенное перемешивание реакционной смеси обеспечивает равномерное распределение центров роста и приводит к образованию однородных по параметрам частиц. Однако, существующие на данный момент методы синтеза ватерита, как правило, не могут обеспечить формирование частиц с узким распределением по размерам. Кроме того, при попытке масштабирования синтеза теряется «качество» карбоната кальция (дисперсность, пористость и т.д.) за счет гидродинамических процессов в реакционной смеси. При механическом перемешивания с помощью магнитной мешалки на параметры получаемых частиц оказывают влияние многие факторы, такие как скорость перемешивания [19], особенности дна стеклянной посуды, в которой протекает синтез, форма и размер магнитного «якоря» [20, 22].
Для решения проблем, описанных выше, в текущей работе мы предложили использовать ультразвук для перемешивания реакционной смеси при синтезе частиц ватерита. Изменение параметров ультразвукового воздействия может помочь контролировать ход процессов осаждения и кристаллизации [31-33]. Распространение ультразвука в жидкой среде является движущей силой для переноса массы и может инициировать процесс кавитации.
Мощность ультразвука оказывает влияние на первичную нуклеацию в ходе процесса кристаллизации, которое выражается в ускорении нуклеации и снижении агрегации центров роста, что уменьшает размер кристалла и общее распределение по размерам и ускоряет осаждение кристаллов [34]. Было исследовано влияние мощности и времени ультразвуковой обработки на размер кристаллов арагонита [35], кальцита [36], первичных зародышей карбоната кальция [37-39]. Для ватерита практические отсутствуют исследования в данном направлении. Те немногие, что имеются, показывают, что формируемые частицы имеют большие размеры (более 2 мкм) и неоднородны по форме и размеру [38,40-41].
В данной работе мы исследовали влияние ультразвука при синтезе карбоната кальция на размер, дисперсность, кристаллографическую фазу образованных частиц и массовый выход CaCO3, изучали возможность масштабирования синтеза, а также возможность инкапсуляции и эффективность загрузки частиц ватерита модельными веществами: в качестве высокомолекулярного вещества был выбран бычий сывороточный альбумин, маркированный ТРИТЦ (мол. вес66 кДа), а в качестве низкомолекулярного вещества был взят краситель родамин 6Ж (мол. вес = 0,479 кДа).
Кроме того, недавно было обнаружено, что сферические пористые кристаллы карбоната кальция (ватерит) имеют высокий потенциал в качестве универсальной нано-или микронной системы доставки лекарственного средства вследствие биосовместимости, высокой загрузочной емкости и способности сохранять свойства биологически активных соединений [42,43]. Это вызвало новый всплеск исследовательского интереса к карбонату кальция, который разделился на два направления. Первое посвящено механизму формирования ватерита, кальцита и арагонита, которое стимулируется новыми возможностями нанотехнологических экспериментальных методов, а также возможностью компьютерного моделирования процесса образования кристаллов [44-48]. Второе связано с разработкой надежных методов синтеза субмикронных пористых кристаллов ватерита, которые могут найти применение в качестве средств доставки лекарств. Во втором случае главной проблемой является нахождение условий синтеза кристаллов ватерита, а затем, их стабилизация для предотвращения их быстрой (порядка 20 часов) перекристаллизации в термодинамически более стабильный кальцит. Для этого необходимо рассмотреть, принять во внимание и учесть влияние термодинамических и кинетических факторов, которые регулируют процесс
кристаллизации (зарождения и последующего роста нанокристаллов) в водной среде. Кроме того, также необходимо учесть, что природа растворителя является важным параметром, влияющим на диэлектрическую проницаемость среды, сольватацию ионов, пересыщение, кинетику кристаллизации, рост кристаллов и растворимость продуктов реакции.
В этой связи особое внимание было уделено нескольким работам, в которых описано осаждение ватерита в смесях растворителей, например, воды с этиленгликолем (EG). Этиленгликоль влияет на скорость осаждения ватерита и способствует его стабилизации, предотвращая его преобразование в кальцит [49]. Было предложено, что адсорбция EG снижает поверхностную энергию частиц ватерита, тем самым придавая ему термодинамическую стабильность. Авторы считают, что поверхностный слой влияет на структуру ночастицы также в связи с явлением поверхностного натяжения [49, 50].
При использовании системы растворителей этиленгликоль-вода исследователи учли такие факторы, как начальные концентрации солей, температура, соотношение вода/EG, скорость перемешивания и время реакции [42, 49, 51-55]. Условия формирования и параметры формируемых структур карбоната кальция (аморфного карбоната кальция, ватерита, кальцита и арагонита) [30,42, 49, 51-54], а также различные морфологии ватерита [55] были определены и описаны в указаных работах. Настоящее исследование посвящено комплексному исследованию влияния концентрации этиленгликоля (EG) в качестве органического растворителя, а также концентрации реагентов, скорости подачи ионов кальция на размер и процентное содержание сферических кристаллов карбоната кальция в осадке.
Гидроксиапатит (HA) представляет собой неорганическое соединение, химический состав которого аналогичен формуле (Cа10(PO4)6(OH)2) [56-57]. Гидроксильные группы гидроксиапатита могут быть заменены на фторид или хлорид, что приводит к фторапатиту или хлорапатиту. Гидроксиапатит кристаллизуется в гексагональной сингонии и имеет удельный вес 3,08 [58]. Чистый гидроксиапатит представляет собой порошок белого цвета. Природные апатиты, однако, могут иметь коричневые, желтые или зеленые окраски [58]. В человеческом организме, гидроксипапатит является составляющим компонентом зубов и костей. Таким образом, он широко используется в качестве наполнителя в случае замены ампутированной кости или в качестве покрытия для ускорения срастания кости и протезных имплантатов.
В дополнение к сказанному, гидроксиапатит нетоксичен и биосовместим, то есть не распознается организмом как инородный материал и, что самое главное, он проявляет биологически активные свойства и интегрируется в живую ткань аналогично процессам, происходящим при реконструкции здоровой кости в естественных условиях. Известно также о его остеокондуктивных свойствах, то есть способности выступать в качестве матрицы для образования новой костной ткани, а также обеспечения адгезии и пролиферации остеобластов [59].
Биосовместимость – поверхность HА биосовместима с несколькими типами клеток, таких как макрофаги, фибробласты, остеобласты и др. Клетки растворяют кристаллы HА внутриклеточно путем фагоцитоза. Материал HА допускает пролиферацию фибробластов, остеобластов и других клеток костной ткани. Клетки не способны отличить HА от костной поверхности, что указывает на значительное сходство в химии и морфологии поверхности этих материалов.
Получение частиц ватерита и гиброксиапатита, а также содержащих их композитов
Важным свойством носителей лекарственных средств является эффективность их загрузки. Бычий сывороточный альбумин маркированный TRITС и родамин 6Ж были выбраны для исследования загрузочных свойств полученных пористых частиц. Распределение обоих люминесцентных веществ TRITC-BSA (рис. 7а) и родамина 6Ж (рис. 7b) было исследовано с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии и показано (рис. 7b), что модельные вещества проникли через пористую структуру равномерно внутрь частиц. Очевидно, что нагрузка пористых частиц зависит от площади поверхности частиц. В случае карбоната кальция это означает, что есть сильная зависимость эффективности загрузки от «качества» образца, под которым понимается процентное соотношение пористых частиц ватерита и гладких частиц кальцита в образце. Таким образом, чем меньше процент кальцита и меньше размер частиц в целом, тем выше пористость и, как следствие, тем выше эффективность загрузки.
Особенно это видно при инкапсуляции высокомолекулярных веществ: эффективность загрузки частиц ватерита, синтезированных при ультразвуковой гомогенизации, которые имеют площадь поверхности 25 м2/г, равна 10% по массе, в то время как для менее пористых частиц ватерита, полученных с использованием магнитной мешалки (площадь поверхности составляет 10 м2/г) и контролького образца, этот параметр равен 8 мас% и 7 мас%, соответственно.
Для низкомолекулярного вещества (Родамин 6Ж) эффективность загрузки одинакова для всех образцов, в силу того факта, что для таких малых молекул размер и внешняя поверхность области частицы имеют меньшее влияние на его адсорбцию. Эффективность загрузки для таких структур равна 1,5 ± 0,5%, что хорошо соответствует литературным данным для молекул с молекулярной массой 1 кДа.
Субмикронные частицы ватерита были синтезированы путем осаждения при смешивании растворов карбоната натрия и хлорида кальция. Влияние скорости подачи хлористого кальция, а также состава растворителя (соотношения этиленгликоль:вода) на размер частиц и их полиморфизм можно проанализировать, используя экспериментально полученные графические зависимости (рис. 3.8).
Каждая зависимость на рис. 3.8 позволяет сравнить влияние двух факторов (скорость подачи и концентрации солей) на размер частиц ватерита при различной концентрации этиленгликоля в реакционной смеси. Точки на представленных зависимостях соответствуют четырем скоростям подачи хлорида кальция справа налево: R1 = 10 мл / мин, R2 = 0.167 мл / мин, R3 = 0.084 мл / мин и R4 = 0.042 мл / мин. Температура синтеза была постоянной и поддерживалась на уровне 25 C. Сопоставление рис. 3.8 a, b, c помогает учесть совместное влияние всех трех факторов - соотношения EG: H2O, скорости подачи и концентрации солей.
Рисунок 3.8. Графические зависимости, показывающие влияние скорости подачи хлорида кальция и концентрации этиленгликоля на размер частиц ватерита при концентрациях реагентов 0,05, 0,1 и 0,33М и четыре скорости подачи R1 = 10 мл / мин, R2 = 0,167 мл / мин, R3 = 0,084 мл / мин и R4 = 0,042 мл/ мин, что соответствует точкам справа налево, соответственно (а) EG:H2O (1: 1), (б) EG:H2O (4: 1), (с) EG:H2O (6: 1)
Из представленных данных можно сделать вывод, что размер частиц ватерита уменьшается с уменьшением скорости подачи и концентрации раствора хлорида кальция. Частицы ватерита с наименьшим размером 0.4 мкм были получены при скорости подачи R3 = 0.084 мл/мин и соотношении этиленгликоль:вода (4:1) (Рис. 3.8 (b)) и концентрации реагентов 0.05М.
С увеличением концентрации этиленгликоля в реакционной смеси: 1) уменьшается диэлектрическая проницаемость растворителя, 2) снижается поверхностное натяжение, 3) увеличивается вязкость. Уменьшение диэлектрической проницаемости приводит к уменьшению растворимости солей. Согласно теории гомогенной нуклеации снижение поверхностного натяжения вследствие добавки этиленгликоля приводит к уменьшению критического радиуса нуклеации [52], что, в свою очередь, обеспечивает образование большего количества зародышевых частиц с радиусом больше критического значения по сравнению с ситуацией, наблюдаемой в чистой воде без этиленгликоля. Также уменьшение поверхностного натяжения приводит к уменьшению нуклеационного барьера, что увеличивает скорость нуклеации. Увеличение вязкости реакционной смеси при добавлении этиленгликоля приводит к снижению скорости как роста, так и растворения уже сформированных частиц вследствие снижения скорости диффузии ионов. В результате суперпозиция факторов, перечисленных выше, приводит к получению частиц ватерита меньшего диаметра и более узкой дисперсией по размерам.
Уменьшение исходной концентрации CaCl2 и скорости подачи приводит к аналогичным результатам. Это объясняет, почему низкая скорость подачи [Ca2+] влияет на размер частиц CaCO3 и их полиморфизм. Низкая концентрация и низкая скорость подачи способствуют более равномерному распределению ионов в реакционной смеси, что благоприятно для процесса нуклеации. Очевидно, что наилучшие результаты могут быть получены при малой скорости подачи ионов [Са2+], и это соответствует концентрации реагентов 0.05 М и скорости подачи R3 = 0.084 мл/мин и R4 = 0.042 мл/мин, соответственно. Нужно отметить, что добавление EG уменьшает растворимость карбоната кальция и увеличивает пересыщение, которое компенсирует уменьшение концентрации взаимодействующих ионов в растворе.
Интересно отметить незначительное увеличение размера частиц, наблюдаемое при самой высокой концентрации EG и низкой скорости подачи реагента (Рис. 3.8 c), которое может быть вызвано эффектом, аналогичным флокуляции. Частицы могут образовывать небольшие агрегаты кристаллов, соединенных молекулами EG. Другое объяснение принимает во внимание значительное увеличение вязкости и, следовательно, уменьшение коэффициента диффузии ионов в растворе, что совместно с уменьшением растворимости может привести к росту локальной концентрации ионов и увеличению пересыщения.
Наши выводы иллюстрирует рис. 3.9 , где приведены кинетические зависимости изменения концентрации ионов кальция в реакционной смеси во времени при различных концентрациях реагентов 0,05, 0,1 и 0,33 М и скоростях добавления хлорида кальция R1 (10 мл/мин), R2 (0.167 мл/мин), R3 (0.084 мл/мин) и R4 (0.042 мл/мин). Рисунок3.9. Изменение концентрации ионов [Ca2+] в реакционной смеси при различных концентрациях реагентов и четырёх скоростях подачи (R1-R4)
Очевидно, что приток массы ионов [Са2+] в 0.05 М меньше за единицу времени, чем для концентраций 0.1 и 0.33М. Кроме того, приток массы ионов [Са2+] в 0,05М, будет отличаться от такового при R2 и R4. Это может служить объяснением того, что низкая скорость подачи [Ca2+] влияет на размер частиц СаСО3 и их полиморфизм (Рис. 5). Данный факт определяется распределением ионов и, следовательно, регулированием пересыщения при высокой постоянной концентрации этиленгликоля. Распределение ионов будет лучше при малых значениях притока массы ионов [Са2+], и это соответствует концентрации реагентов 0,05М и скоростям подачи R3 = 0.084 мл/мин и R4 = 0.042 мл/мин, соответственно.
Низкая концентрация ионов кальция и низкая диэлектрическая проницаемость среды, а также высокая вязкость реакционной среды обеспечивает преобладание процесса нуклеации [52] над ростом частиц и их агрегацией. В случае высокой концентрации реагентов и при высоких скоростях подачи хлорида кальция наблюдается увеличение локальной концентрации ионов и, как следствие, доминирование процесса роста.
Измерения зета-потенциала
Энерго-дисперсионный спектр частиц HА представлен на рисунке 4.3 (а). Пик кремния связан с пластиной монокристаллического кремния, которая использовалась в качестве субстрата для СЭМ и EDX анализа. Полуколичественный анализ находится в согласии с элементным составом HA и примеси не присутствовали в осадке, как показано на рисунке 4.3 (а). Рис. 4.3 (б) сравнивает X-Ray дифракционную картину частиц HА (кривая 1) со спектром макрокристаллического HA (кривая 2), полученного из кристаллографической базы данных [http://dx.doi.org/10.1093/nar/ gkr900]. Все наблюдаемые XRD пики находятся в согласии. Для того, чтобы продемонстрировать потенциал применения неорганических частиц в качестве платформ для регистрации гигантского комбинационного рассеяния, поверхность неорганических частиц карбоната кальция и гидроксиапатита (3,1 ± 0.6 и 3,3 ± 0,8 мкм, соответственно) была модифицирована наночастицами серебра в качестве активных комбинационных центров. Рисунок 4.3. Рентгеновские спектры, показывающие состав частиц. (а) энерго дисперсионный рентгеновский анализ субмикронных частиц карбоната кальция (пунктирная линия) и гидроксиапатита (сплошная линия); (б) дифракция рентгеновских лучей анализ HA частиц. Экспериментальная кривая для частиц (1) с размером 500 нм по сравнению с теоретической рентгеновской дифракционной картиной (2)
Частицы CaCO3 микронного размера были получены реакцией соосаждения эквимолярных растворов карбоната натрия и хлорида кальция при различных условиях. Частицы карбоната кальция микронного размера были получены в воде при ультразвуковой обработке под воздействием более высокой плотности мощности. Их синтез основан на росте кристаллов ватерита поликристаллической модификации сферической формы, осаждаемых из концентрированных растворов CaCl2 и Na2CO3 [188].
Средний размер частиц карбоната кальция, получаемых в процессе ультразвуковой обработки, составлял 1,20 ± 0,01 мкм, как показано на рисунке 4.4 (а). Распределения по размерам были рассчитаны на основе изображений СЭМ частиц карбоната кальция (Рис. 4.4 (а)). На рисунке 4.4 (с) показано распределение по размерам для частиц карбоната кальция микронных размеров. Мы наблюдали частицы CaCO3 микрометрических размеров с большой дисперсией размеров и индексом полидисперсности (PDI) равным 0.07. Около 35% частиц были менее 1 мкм, а максимальный и минимальный размер частиц составлял 2,0 мкм и 0,5 мкм, соответственно.
Полученные частицы CaCO3 были использованы для изготовления частиц гидроксиапатита микронного размера с помощью ионообменной реакции. Изображения СЭМ частиц HА микронных размеров показаны на рисунке 4.4 (b). Рисунок 4.4 (b) ясно показывает, что осажденные частицы имеют сферическую форму и большое количество тонких игл на поверхности, напоминая морского ежа. Было обнаружено, что каркас из такого игольчатого гидроксиаппатита с нанокомпозитным покрытием улучшает механические и биологические свойства, что является важным для применения его при регенерации костной ткани [200].
Сравнение соответствующих изображений этих образцов не выявило каких-либо существенных изменений между морфологией и наблюдаемым изменением размера частиц, который зависит от процесса, используемого для получения прекурсора CaCO3. Таким образом, для того, чтобы получить большое количество игольчатых частиц в осадке HА, было установлено, чтобы эффективным подходом будет оставить суспензию на ночь после завершения процесса осаждения. Рисунок 4.4 (d), показывает гистограмму распределения по размерам для микронных частиц гидроксиапатита, из которой был рассчитан средний размер частиц HА, равный 1,40 ± 0,05 мкм с показателем полидисперсности (PDI) 0,06 и размер игл, который составил менее 100 нм. Кроме того, мы наблюдали частицы HА микронного размера с большой дисперсией в размерах, присутствовало около 15% более мелких частиц ( 1 мкм) и около 85% больше, чем 1 мкм. Максимальный и минимальный размер частиц был равен 2 и 0,5 мкм, соответственно. Рис 4.4. СЭМ изображения синтезированных частиц карбоната кальция и гидроксиапатита микронного размера (A, B) и гистограммы распределения по размерам для частиц карбоната кальция и гидроксиапатита микронного размера (C, D), соответственно Размер кристаллов порошков HА обратно пропорционален ширине пика в соответствии с уравнением представляет собой полную ширину на полувысоте пика интенсивности отражения; — длина волны Cu-K ( = 0,155 нм); К — безразмерный фактор формы, со значением, близким к единице. Коэффициент формы имеет типичное значение около 0,9, но зависит от фактической формы кристаллита; и D представляет собой размер кристаллов в нанометрах. Инструментальное уширение учитывалось при обработке данных. Размеры кристаллитов порошка HА оцениваются в пределах порядка 77, 55,4 и 30,2 нм для плоскостей 002, 121 и 130, соответственно.
Дзета-потенциал имеет важное влияние на стабильность раствора частиц. Дзета-потенциал микронных частиц CaCO3 и HА составлял 9,04 и -26,0 мВ, соответственно, в водной суспензии при рН равном 6,9. В общем, коллоидная система считается стабильной если она имеет абсолютное значение дзета-потенциала выше 30 мВ, поскольку поверхностный заряд предотвращает агрегацию частиц. На рис. 5. показано распределение дзета-потенциала (A) - частиц CaCO3 и (В) - частиц HА.
Влияние скорости подачи и концентрация реагентов при различных соотношениях этиленгликоль- Н2О на размер частиц ватерита
Как показано на рисунке 5.3 (а, b), при увеличении массовой доли гидроксиапатита и карбоната кальция модуль Юнга и прочность на разрыв также увеличиваются. Относительное удлинение значительно уменьшается для композитов с более высоким содержанием гидроксиапатита, как и ожидалось. Этот результат можно объяснить теорией перераспределения нагрузки. Классическая теория распределения нагрузки предполагает, что напряжение может переходить из полимерной матрицы на армирующий наполнитель через межфазную границу. Армирующий компонент имеет более высокий модуль Юнга, чем полимерная матрица, и, таким образом, обеспечивает перераспределение нагрузки между армирующим компонентом и матрицей, таким образом, повышая прочностные характеристики композита [209]. Как уже отмечалось, существует три механизма переноса нагрузки от полимерной матрицы к наполнителю, первый заключается в микромеханическом взаимодействии, второй представляет собой образование химических связей между матрицей и наполнителем, третий механизм – слабое ванн-дер-ваальсовое взаимодействие между матрицей и наполнителем [210]. Распределение наполнителя в матрице также является важным фактором, влияющим на механические свойства композитов. Известно, что агломерация наполнителя может снижать механические характеристики композитов [211].
Частицы гидроксиапатита и карбоната кальция покрываются поликапролактоном при формировании композитного волокна, что свидетельствует о хорошем качестве взаимодействия на границе полимерная матрица/наполнитель. Межфазное взаимодействие обеспечивает более равномерное распределение деформирующей нагрузки, результатом чего является усиление механических свойств. По нашему мнению, это обусловлено ван-дер-ваальсовым взаимодействием между поликапролактоном и неорганическими частицами карбоната кальция и гидроксиапатита, а также образованием водородной связи между поверхностью HA и CaCO3 частиц и функциональными группами поликапролактона [212, 213]. С другой стороны, из СЭМ изображений видно, что неорганические частицы недостаточно равномерно распределены внутри волокна, и поэтому конечные величины прочности на разрыв не так высоки, как ожидалось.
Кроме того, увеличение содержания наполнителя увеличивает число слабых - ван-дер-ваальсовых и водородных взаимодействий между наполнителем и волокном. Это объясняет, усиление механических свойств композитов с увеличением массовой доли наполнителя. Несмотря на то, что частицы карбоната кальция также усиливают механические свойства волокна PCL, однако прочность PCL \(mf)CaCO3 волокон меньше, чем таковая для PCL\(mf)HA волокон, содержащих гидроксиапатит. Это может быть обусловлено различным характером распределения частиц карбоната кальция и гидроксиапатита благодаря их различной морфологии, и соответственно различной эффективности взаимодействия с полимерной матрицей.
Метод наименьших квадратов был применен для приближенного нахождения значения модуля Юнга композитных волокон поликапролактона, содержащих неорганические частицы гидроксиапатита и поликапролактона [214]. Этот метод применяется для оценки отношения между переменными. Переменные в этом методе могут быть независимыми (массовая доля наполнителя) и зависимыми (модуль Юнга композита). Модуль Юнга является функцией массовой доли наполнителя волокна. Экспериментальные данные для различного содержания (массовой доли) гидроксиапатита и карбоната кальция CaCO3 (таблица 5.2, 5.3) были использованы для проведения расчетов.
Мы принимаем, что E = F(mf) - модуль Юнга композита - является функцией массовой доли неорганического наполнителя в композите, которая в свою очередь, является функцией объемной доли Vf. Таким образом, пусть Е = F(Vf). Существует правило смесей для твердых композитов: F(yf) = Vf-Ef+(l-Vf)-Em где Vf - объемная доля наполнителя (HA или CaCOз), Цг - модуль Юнга наполнителя (HA или CaCOз), Ет - модуль Юнга основного полимерного материала (поликапролактон). Соотношение между объемной и массовой долей определяется уравнением (12), где учитывается плотность при расчете объемной доли. где Ki, К2 - коэффициенты, которые зависят от конкретной смеси. Таким образом, функция F (Vf) является линейной комбинацией двух функций. Основная цель метода наименьших квадратов - найти такие значения Ki, К2, которые минимизируют сумму
Для нахождения коэффициентов Кь К2 был использован программный пакет Mathcad с применением метода наименьших квадратов. Полученные функции для HA и СаСОз были построены с использованием графического пакета Gnuplot и приведены на рисунке 5.4 и 5.5: сплошная линия - стандартная функция (правило смесей), кресты -экспериментальные данные. На рис. 5.4(a) и 5.5(a) приведен график зависимости модуля Юнга композита от массовой доли наполнителя при варьировании последней от 0% до 100%, а рис. 5.4(b), 5.5(b) демонстрируют изменение модуля Юнга при изменении массовой доли от 0% до 20%.