Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия:

Е. С. Лютова, доцент кафедры неорганической химии, Химический факультет, канд. техн. наук, эл. почта: lyutova.tsu@mail.ru
А. О. Солтанова, студент, Химический факультет
Л. П. Борило, профессор кафедры неорганической химии, Химический факультет, докт. техн. наук

Золь-гель методом из спиртовых растворов синтезированы биоактивные сферические композиты на основе катионита Токем-250 для системы TiO₂ – P₂O₅/CaО. Каркас материала представлен TiO₂ – P₂O₅, а внутренняя часть заполнена Са²⁺ (образец Токем-250 с Са²⁺ и нанесенным золем). Карбоксильный катионит Токем-250 обладает высокой избирательностью к ионам Са²⁺, что делает его перспективным для создания биоматериалов, так как кальций является одним из строительных материалов костной ткани. Проведено комплексное исследование влияния состава исходных компонентов и связующих добавок на свойства биоактивных сферических композитов системы TiO2 – P₂O₅/CaО на основе катионита Токем-250. Содержание компонентов в системе не влияет на свойства композитов. Определены основные стадии формирования композитов (стадия 1: до 235 ^oC — удаление воды; стадия 2: от 235 до 600 ^oC — сгорание спирта, разложение нитратов и разрушение матрицы катионита; стадия 3: от 600 до 1000 ^oC — кристаллизация образца). Выявлены условия термообработки образцов: сушка при 60 oC, отжиг при 150, 250, 350 ^oC в течение 30 мин каждый, при 600 ^oC — 6 ч и 800 ^oC — 1 ч. Материалы, отожженные при 800 ^oC, имеют кристаллическую структуру, фиксируются фазы оксидов (CaO, P₂O₅, TiO₂ и Ti₂O₃), а также CaTiO₃ (перовскит). Преобладающими центрами на поверхности синтезированных композитов являются льюисовские основные центры (Ti – O). Исследуемые материалы обладают способностью к образованию апатитоподобного слоя и могут быть рекомендованы для дальнейшего изучения биологических свойств; в качестве связующей добавки можно использовать поливиниловый спирт и желатин.

Исследование выполнено при поддержке Программы развития Томского государственного университета (Приоритет-2030).

1. Desai S., Bidanda B., Bartolo P. J. Emerging trends in the applications of metallic and ceramic biomaterials // Bio-Materials and Prototyping Applications in Medicine. 2021. P. 1–17.
2. Chambard M., Marsan O., Charvillat C., Grossin D. et al. Effect of the deposition route on the microstructure of plasma-sprayed hydroxyapatite coatings // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 371. P. 68–77.
3. Rodrigues L. Jr., Tronco M., Escobar C., Rocha A. et al. Painting method for hydroxyapatite coating on titanium substrate // Ceramics Internation. 2019. Vol. 45. P. 14806–14815.
4. Harun W., Asri R., Alias J., Zulkifli F. et al. A comprehensive review of hydroxyapatite-based coatings adhesion on metallic biomaterials // Ceramics Internation. 2018. Vol. 44. P. 1250–1268.
5. Rahmani F., Es-Haghi A., Hosseini M-RM., Mollahosseini A. Preparation and characterization of a novel nanocomposite coating based on sol-gel titania/hydroxyapatite for solid-phase microextraction // Journal of microchemical. 2019. Vol. 145. P. 942–950.
6. Stango S. X., Vijayalakshmi U. Synthesis and characterization of hydroxyapatite/carboxylic acid functionalized MWCNTS composites and its triple layer coatings for biomedical applications // Ceramics Internation. 2019. Vol. 45. P. 69–81.
7. Tilkin R. G., Mahy J. G., Régibeau N., Grandfils C. et al. Optimization of synthesis parameters for the production of biphasic calcium phosphate ceramics via wet precipitation and sol-gel process // Chemistry Select. 2019. Vol. 4. P. 6634–6641.
8. Phatai P., Futalan C., Kamonwannasit S., Khemthong P. Structural characterization and antibacterial activity of hydroxyapatite synthesized via sol-gel method using glutinous rice as a template // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2019. Vol. 89. P. 764–775.
9. Türk S., Altınsoy İ., Efe G. Ç., Ipek M. et al. Effect of solution and calcination time on sol -gel synthesis of hydroxyapatite // Journal of Bionic Engineering. 2019. Vol. 16. P. 311–318.
10. Kurniawati R., Hidayat N., Kurniawan R. Solid-state sintering synthesis of biphasic calcium phosphate/alumina ceramic composites and their mechanical behaviors // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. 012095.
11. Biernat M., Jaegermann Z., Tymowicz-Grzyb P., Konopka G. Influence of low-temperature reaction time on morphology and phase composition of short calcium phosphate whiskers // Processing and Application of Ceramics. 2019. Vol. 13. P. 57–64.
12. Ferro A. C., Guedes M. Mechanochemical synthesis of hydroxyapatite using cuttlefish bone and chicken eggshell as calcium precursors // Materials Science and Engineering C. 2019. Vol. 97. P. 124–140.
13. Matinfar M., Mesgar A. S., Mohammadi Z. Evaluation of physicochemical, mechanical and biological properties of chitosan/carboxymethyl cellulose reinforced with multiphasic calcium phosphate whisker-like fibers for bone tissue engineering // Materials Science and Engineering C. 2019. Vol. 100. P. 341–353.
14. Wu S. C., Hsu H. C., Hsu S. K., Tseng C. P. et al. Effects of calcination on synthesis of hydroxyapatite derived from oyster shell powders // Journal of the Australian Ceramic Society. 2019. Vol. 55. P. 1051–1058.
15. Bila K., Dontsova T., Kutuzova A. Effect of precursor type on physico-chemical and photocatalytic properties of TiO₂ – SnO₂ nanocomposites // In Proceedings of the IEEE 10^th International Conference Nanomaterials: Applications and Properties (NAP). 2020.
16. Tagami T. et al. Defined drug release from 3D-printed composite tablets consisting of drug-loaded polyvinylalcohol and a watersoluble or water-insoluble polymer filler // International Journal of Pharmaceutics. 2018. Vol. 543, No. 1-2. P. 361–367.
17. Kokubo T., Kushitani H., Sakka S., Kokubo T. et al. Solutions able to reproduce in vivo surface – structure changes in bioactive glass – ceramic // Biomater. 1990. Vol. 24. P. 721–735.
18. Kozik V. V., Borilo L. P., Lyutova E. S., Brichkov A. S. et al. Preparation of CaO – TiO₂ – SiO₂ biomaterial with a sol-gel method for bone implantation // ACS Omega. 2020. Vol. 5. P. 27221–27226.
19. Miyazaki T., Imanaka S., Akaike J. Relationship between valence of titania and apatite mineralization behavior in simulated body environment // Journal of the American Ceramic Socienty. 2021. Vol. 104, No. 7. P. 3545–3553.
20. Xu B., Sohn H. Y., Mohassab Y., Lan Y. Structures, preparation and applications of titanium suboxides // RSC Advances. 2016. Vol. 6, No. 83. Р. 79706–79722.
21. Tominaka S. Facile synthesis of nanostructured reduced titanium oxides using borohydride toward the creation of oxide-based fuel cell electrodes // Chemical Communications. 2012. Vol. 48, No. 64. Р. 7949–7951.
22. Pan Y., Li Y. Q., Zheng Q. H., Xu Y. Point defect of titanium sesquioxide Ti₂O₃ as the application of next generation Li-ion batteries // Journal of Alloys and Compounds. 2019. No. 786. Р. 621–626.
23. Екимова И. А., Минакова Т. С. Кислотно-основные и адсорбционные свойства поверхности оксидов и фторидов щелочноземельных металлов и магния // Ползуновский вестник. 2013. № 1. С. 67–71.
24. Дайбова Е. Б., Минакова Т. С., Екимова И. А. Кислотно-основное состояние поверхности оксидов кальция и магния // Полифункциональные наноматериалы и нанотехнологии : сб. статей. — Томск, 2008. Т. 1. С. 175–177.