Radiation properties of hydroxyapatite synthesized under various conditions
Radiation properties of hydroxyapatite synthesized under various conditions
Abstract
In this work, the properties of synthesized hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 were studied using electron paramagnetic resonance and thermoluminescence methods when irradiated with ionizing radiation. The behaviour of the EPR response to irradiation was examined for various methods and conditions of hydroxyapatite synthesis. It was found that the maximum response to irradiation, or in other words, the maximum radiation sensitivity, was obtained during synthesis using calcium nitrate and ammonium phosphate and a solution pH of 7.0 with additional CO2 aeration. The obtained material can be used as a high-dose solid-state EPR dosimeter. No correlations between EPR data and TL were found when the synthesis conditions were changed.
1. Введение
Гидроксиапатит (ГАП), Са10(РО4)6(ОН)2, играет ключевую роль в имплантологии, стоматологии и регенеративной медицине . Благодаря отсутствию токсичности и биосовместимости с костью и минерализованными тканями зубов он нашел применение в качестве заменителя кальцинированных тканей. ГАП имеет способность к изоморфному замещению и обладает сорбционными свойствами к целому ряду катионов и анионов, в том числе к тяжелым металлам и радионуклидам , . Особо следует выделить карбонатные примеси, которые под действием ионизирующего излучения (ИИ) образуют стабильные свободные радикалы CO2-, которые можно регистрировать методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) .
Исследования радиационных дефектов в синтетических ГАП проводятся достаточно давно . Однако до сих пор не было выявлено, как условия синтеза влияют на структуру и радиационные свойства ГАП. В результате полученные ранее ГАП не обладали свойствами, необходимыми и достаточными для применения его в качестве материала для детектора ИИ. Метод определения поглощенной дозы с использованием кальцинированных тканей известен и широко распространен , , однако биологический ГАП обладает широкой вариативностью минерального состава и, как следствие, радиационной чувствительности; кроме того, в его составе часто имеются примеси . Синтетический ГАП лишен этих недостатков, что делает его перспективным дозиметрическим материалом , . Преимущества ГАП перед другими твердотельными дозиметрическими материалами также заключаются в высокой стабильности свободных радикалов CO2- (~ 107 лет) и более высокой радиационной чувствительностью.
Целью данной работы является исследование физических откликов на облучение методами ЭПР и ТЛ (термолюменесценции) ГАП, синтезированных при разных условиях.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Реагенты и оборудование
Все реактивы были приобретены в ЛенРеактив (Россия, Санкт-Петербург).
Для контроля pH использовали pH-метр Mettler Toledo.
В эксперименте использовались о-фосфорная кислота, кальция гидроокись, кальций азотнокислый 4-водный, аммоний фосфорнокислый двузамещенный, аммиак водный, этилендиаминтетраацетат натрия. Все реагенты и химикаты, использованные в этом исследовании, были квалификации «х. ч.».
2.2. Синтез гидроксиапатита при взаимодействии нитрата кальция и фосфата аммония
Раствор гидрофосфата (0,25 моль/л) добавляли по каплям к раствору нитрата кальция (0,15 моль/л), со скоростью 3,5 мл/мин. Реакцию проводили при 60оС при интенсивном перемешивании; pH поддерживали на уровне 9,00, используя 25% раствор аммиака. Осадок оставляли для старения в маточном растворе на 65 часов. Затем, фильтровали, многократно промывали водой и сушили при температуре 75 оС.
Уравнение реакции:
10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH=Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O
2.3. Синтез гидроксиапатита при взаимодействии гидроксида кальция и фосфорной кислоты
Синтез гидроксиапатита проводили методом осаждения из раствора.
В качестве кальцийсодержащего реагента использовался насыщенный раствор гидроксида кальция, в качестве фосфат содержащего реагента — раствор ортофосфорной кислоты с массовой долей 1,5%. Насыщенный раствор гидроксида кальция был получен растворением избытка оксида кальция в дистиллированной воде с последующим отстаиванием и декантацией.
Уравнение реакции:
10Ca(OH)2+6H3PO4=Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O
Раствор ортофосфорной кислоты готовился растворением 9 мл концентрированной H3PO4 в 1л дистиллированной воды.
Насыщенный раствор гидроксида кальция помещали в реактор. Кислота прибавлялась по каплям с интенсивностью одна капля в две секунды до установления рН 10,5. Контроль рН осуществлялся при помощи pH-метра, снабженного комбинированным стеклянным электродом и температурным датчиком. Затем суспензию ГА оставляли на сутки для частичного осаждения. Осадок отделяли декантацией, переносили в фарфоровые чашки и сушили при температуре 75 оС. Синтез занимал 6 часов.
2.4. Синтез гидроксиапатита с использованием натриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты
1 М раствор Ca(NO3)2 смешивали в стехиометрическом соотношении с раствором Na2-ЭДТА (этилендиаминтетраацетат натрия) при температуре 50 оС. К этой смеси по каплям приливали раствор гидроортофосфата аммония при постоянном перемешивании, выдерживали раствор с осадком при рН 8-9 и температуре 50 оС, непрерывно перемешивая 10–20 мин и оставляли осадок при температуре 20 оС на сутки. Затем осадок отфильтровывали и промывали на фильтре горячей дистиллированной водой, высушивали также на фильтре при 100С, нагревали при 250 оС в течение часа для удаления остатков NH4NO3 и прокаливали до постоянной массы, как правило, в течение часа. Синтез ГА проводили в две стадии по реакциям:
H2-Na2C10H12O8N2+Ca(NO3)2=Ca–Na2C10H12O8N2+2HNO3,
10Ca-Na2C10H12O8N2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH=Ca10(PO4)6(OH)2+10(NH4)2–Na2C10H12O8N2+6H2O.
2.5. ЭПР и ТЛ измерения, облучение образцов
Спектры ЭПР записывали при комнатной температуре на стандартном спектрометре X-диапазона Bruker Elexsys E580 с резонатором Super High-Q. Параметры регистрации были следующие: мощность СВЧ 2,337 мВт, частота модуляции 100 кГц, амплитуда модуляции 0,01 мТл, ширина развертки поля 10 мТл и время развертки 36 с.
Для облучения образцов использовали линейный ускоритель электронов УЭЛР-10-10Ц2 производства ООО НПП КОРАД, диапазон доз 5,5 — 44 кГр.
Кроме того, образцы, облученные дозой 44 кГр, исследовались методом термолюменесценции. ТЛ образов измеряли с использованием ФЭУ-130 (область спектральной чувствительности 200-600 nm) в диапазоне температур 50–430 ˚С (при температурах выше 400 ˚С наблюдается сильный тепловой фон от нагревательной пластины, который перекрывает ТЛ). Все образцы, измеренные на ТЛ, имели приблизительно одинаковую массу ≈80мг.
3. Основные результаты
Облученные образцы ГАП демонстрируют ЭПР спектр с анизотропной линией поглощения, аналогичный спектру облученной зубной эмали (см. рисунок 1).
Рисунок 1 - Пример спектра облученного гидроксиапатита
Метод синтеза ГА при взаимодействии нитрата кальция и фосфата аммония показал себя максимально приближенным к природному ГА, поэтому, он и был выбран в качестве основного. Преимуществом реакции является возможность точного соблюдения соотношения Ca/P=1,67. В данных условиях был синтезирован образец №1. В дальнейшем, порции порошка ГАП, равные 100 мг, облучались несколькими дозами, что позволило сравнить радиационные чувствительности образцов, синтезированных при разных условиях. Как видно из графика, образец №1 обладал самой низкой радиационной чувствительностью (см. рисунок 2). Очевидно, карбонатных примесей в нем, захваченных из воздуха, оказалось мало. Образец №2 синтезировался при том же значении pH=9,00, но через раствор дополнительно пропускался CO2, что позволило поднять радиационную чувствительность. Образцы №№3-8 синтезировались при различных pH=7, 9, 10,5 в присутствии CO2, что увеличило их радиационную чувствительность. Одной из максимальных же радиационных чувствительностей обладал образец №7, синтезированный при pH=7,00. Кроме того, из рисунка можно заметить, что ЭПР отклик на ИИ для всех образцов имеет насыщение для доз выше 10кГр.
Рисунок 2 - Поведение кривых облучения различных образцов ГАП
Рисунок 3 - Кривые ТЛ для исследованных образцов ГАП
4. Заключение
Синтезированные при значении pH=7 в присутствии CO2 образцы ГАП могут использоваться как дозиметры в высокодозовом диапазоне, но не выше 10 кГр.