Влияние ионов щелочных металлов на структурные и люминесцентные свойства гидроксиапатита кальция, модифицированного церием

Специфика кристаллической структуры гидроксиапатита кальция (ГА) с элементарной ячейкой Ca(I)4Ca(II)6(PO4)6(OH)2 допускает разнообразные изоморфные замещения в катионной и анионной частях. Химическое модифицирование кристаллической структуры ГА ионами, несущими разнонаправленные свойства, является одним из способов регулирования химических, механических, биологических и др. характеристик функциональных материалов. РЗЭ образуют трехзарядные положительные ионы (за рядом исключений), имеют близкие ионные радиусы с Са(2+) и критерии координационного окружения, что обеспечивает успешное включение ионов РЗЭ в катионную подрешетку ГА. Вместе с тем, гетеровалентное замещение Са(2+) на ионы РЗЭ (3+) приводит к дисбалансу заряда, сопровождающемуся возникновением вакансий или ионов в междоузлиях. Это может привести к нестабильности структуры основного соединения с образованием примесных фаз, что весьма важно при медицинском применении соединений на основе ГА. Стабилизировать структуру и компенсировать ионный дисбаланс возможно путем двойного замещения посредством схемы Ме(+) + PЗЭ(3+) = 2Ca(2+). При этом возможно расположение однозарядного катиона как в катионной подрешетке, так и его перераспределение с деформацией анионной гидроксильной подрешетки. В представляемом проекте авторы предлагают осуществить схему компенсации заряда в катионной подрешетке ГА, модифицированного ионами церия Ce(3+), посредством ионов щелочных металлов (Li(+), Na(+), K(+)). Церий из ряда РЗЭ привлекает интерес благодаря его переходной валентности (III)→(IV), что отражается в наличии комплекса важных для медицинских применений свойств: бактериостатического действия, антиоксидантной и противоопухолевой активностям - за счет возможности окислительно-восстановительных реакций в системе Ce(3+)/Ce(4+) в зависимости от условий среды. Ионы церия характеризуются люминесценцией в УФ области спектра, что создает предпосылки для применения методов неинвазивной визуализации при лечении заболеваний с применением материалов на основе церий-содержащего ГА. Область характеристического излучения церий-содержащих соединений обусловлена электронными переходами внутри оболочки 4f или 4f→5d в ионизированном атоме. Электронный переход в Се(3+) характеризуется ярким и быстрым свечением, в то время как переход за счет переноса заряда в Се(4+) значительно слабее и медленнее. Интенсивность люминесценции церий-содержащего материала зависит от количественного содержания ионов Се3+, присутствия примесей различной природы и характеристик частиц, слагающих материал. Новизна подхода заключается в разработке функционально-ориентированных биосовместимых материалов на основе ГА, модифицированного ионами церия и щелочных металлов, обладающих люминесцентными свойствами. Двойное гетеровалентное замещение обеспечит компенсацию зарядов катионов и позволит ионам церия эффективнее вовлечься в межатомное взаимодействие в кристаллической решетке ГА в процессе синтеза и в высокотемпературных технологических процессах более равномерно распределиться в ней за счет увеличения диффузионной подвижности частиц. Такие материалы биосовместимы, биоактивны и направлены на использование в качестве целевых функциональных агентов в тераностике, они легко вводятся в систему, обладают высокой проницаемостью и сродством к тканям костей и зубов. С другой стороны, нанопорошки модифицированного ГА служат исходным компонентом для получения изделий, используемых в костной имплантологии: биокерамики, цементов, композиционных материалов. Химическое модифицирование ГА ионами церия и щелочными металлами обеспечит терапевтический (противомикробный, противоопухолевый) эффект и возможность применения методов оптической визуализации при отслеживании динамики восстановления дефектов костной ткани.