eng
Выпуск #3-4/2023
Д.Г.Маглакелидзе, А.А.Блинова, И.М.Шевченко, М.А.Тараванов, М.А.Колодкин, Я.А.Облогин, Д.А.Жуковский
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ БИОАКТИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ СИЛИКАТА МАГНИЯ
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ БИОАКТИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ СИЛИКАТА МАГНИЯ
Просмотры: 864
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
В данной работе представлены результаты исследования биоактивных наночастиц силиката магния. Сами наночастицы получали методом химического осаждения в водной среде. Размер и форму образцов исследовали на ПЭМ-микроскопе. Установлено, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм. На следующем этапе, с помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных проводили оптимизацию синтеза наночастиц. Анализ полученной тернарной поверхности показал, что для получения образцов с наименьшим размером агрегатов (700 нм) параметрами синтеза являются: температура – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. Определив оптимальные параметры синтеза силиката магния, проводили компьютерное квантово-химическое моделирование. В результате расчетов обнаружено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. На основе полученных данных можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула. На заключительном этапе работы образцы исследовали на ИК-спектрометре. Анализ ИК-спектра показал наличие характерных полос поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
В данной работе представлены результаты исследования биоактивных наночастиц силиката магния. Сами наночастицы получали методом химического осаждения в водной среде. Размер и форму образцов исследовали на ПЭМ-микроскопе. Установлено, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм. На следующем этапе, с помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных проводили оптимизацию синтеза наночастиц. Анализ полученной тернарной поверхности показал, что для получения образцов с наименьшим размером агрегатов (700 нм) параметрами синтеза являются: температура – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. Определив оптимальные параметры синтеза силиката магния, проводили компьютерное квантово-химическое моделирование. В результате расчетов обнаружено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. На основе полученных данных можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула. На заключительном этапе работы образцы исследовали на ИК-спектрометре. Анализ ИК-спектра показал наличие характерных полос поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
Теги: bioactive nanoparticles magnesium silicate neural network processing of experimental data биоактивные наночастицы нейросетевая обработка экспериментальных данных силикат магния
Получено: 28.04.2023 г. | Принято: 4.05.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
Научная статья
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ БИОАКТИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ СИЛИКАТА МАГНИЯ
Д.Г.Маглакелидзе1, студент, лаборант, ORCID: 0000-0002-7740-042X / ogoniock2015@mail.ru
А.А.Блинова1, к. т. н., доц., ORCID: 0000-0001-9321-550X
И.М.Шевченко1, к. т. н., доц., ORCID: 0009-0005-9113-9335
М.А.Тараванов1, студент, лаборант, ORCID: 0000-0003-3243-3241
М.А.Колодкин1, зав. учебно-лабораторным комплексом, ORCID: 0009-0004-2045-4787
Я.А.Облогин1, студент, ORCID: 0009-0003-5180-9045
Д.А.Жуковский1, студент, ORCID: 0009-0004-6066-9299
Аннотация. В данной работе представлены результаты исследования биоактивных наночастиц силиката магния. Сами наночастицы получали методом химического осаждения в водной среде. Размер и форму образцов исследовали на ПЭМ-микроскопе. Установлено, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм. На следующем этапе, с помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных проводили оптимизацию синтеза наночастиц. Анализ полученной тернарной поверхности показал, что для получения образцов с наименьшим размером агрегатов (700 нм) параметрами синтеза являются: температура – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. Определив оптимальные параметры синтеза силиката магния, проводили компьютерное квантово-химическое моделирование. В результате расчетов обнаружено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. На основе полученных данных можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула. На заключительном этапе работы образцы исследовали на ИК-спектрометре. Анализ ИК-спектра показал наличие характерных полос поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
Ключевые слова: биоактивные наночастицы, силикат магния, нейросетевая обработка экспериментальных данных
Для цитирования: Д.Г. Маглакелидзе, А.А. Блинова, И.М. Шевченко, М.А. Тараванов, М.А. Колодкин, Я.А. Облогин, Д.А. Жуковский. Cинтез и изучение структуры биоактивных наночастиц силиката магния. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3-4. С. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
Received: 28.04.2023 | Accepted: 4.05.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
Original paper
SYNTHESIS AND STUDY OF THE STRUCTURE OF BIOACTIVE MAGNESIUM SILICATE NANOPARTICLES
D.G.Maglakelidze1, Student, Laboratory assistant, ORCID: 0000-0002-7740-042X / ogoniock2015@mail.ru
A.A.Blinova1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-9321-550X
I.M.Shevchenko1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0009-0005-9113-9335
M.A.Taravanov1, Student, Laboratory assistant, ORCID: 0000-0003-3243-3241
M.A.Kolodkin1, Head of Educational and Laboratory Complex, ORCID: 0009-0004-2045-4787
Y.A.Oblogin1, Student, ORCID: 0009-0003-5180-9045
D.A.Zhukovsky1, Student, ORCID: 0009-0004-6066-9299
Abstract. This paper presents the results of a study of bioactive magnesium silicate nanoparticles. The nanoparticles themselves were obtained by chemical precipitation in an aqueous medium. The size and shape of the samples were examined on a TEM microscope. It is established that objects of detection by aggregates are detected. In turn, the aggregates consist of spherical magnesium silicate nanoparticles with sizes from 10 to 20 nm. At the next stage, with the help of neural network processing of experimental data, the synthesis of nanoparticles was optimized. Analysis of the obtained ternary surface showed that to obtain samples with the smallest aggregate size (700 nm), the synthesis parameters are: temperature – 50 °C, stirring speed – 600 rpm, precursor concentration – 0.5 mol/l. Having determined the optimal parameters for the synthesis of magnesium silicate, computer quantum chemical modeling was carried out. As a result of calculations, it was found that the energy of the configuration was E = –709.302 kcal/mol, the value of chemical hardness η = 0.191 eV, and softness – S = 2.62 eV–1. Based on the data obtained, it can be concluded that MgSiO3 has a high stability and is characterized as a relatively soft molecule. At the final stage of the work, the samples were examined on an IR spectrometer. An analysis of the IR spectrum showed the presence of characteristic absorption bands, which correspond to bond vibrations in the MgSiO3 molecule.
Keywords: bioactive nanoparticles, magnesium silicate, neural network processing of experimental data
For citation: D.G. Maglakelidze, A.A. Blinova, I.M. Shevchenko, M.A. Taravanov, M.A. Kolodkin, Y.A. Oblogin, D.A. Zhukovsky. Synthesis and study of the structure of bioactive magnesium silicate nanoparticles. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3-4. PP. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в медицине активно развивается область биосовместимых материалов, необходимых для ускорения регенерации костной ткани [1–4]. Одним из перспективных направлений данной отрасли является разработка различных костных цементов. Костные цементы – это материалы, которые используются для заполнения дефектов кости с целью восстановления ее целостности и функциональности. Они обладают рядом преимуществ, таких как высокая бактерицидность, возможность точной аппликации и формирования костной ткани, а также возможность сокращения времени заживления. Существует множество видов костных цементов, включая керамические, полимерные и гидрогелиевые. Керамические костные цементы, такие как гидроксиапатит и трикальцийфосфат с включениями наночастиц силикатов магния и цинка, обладают высокой биоактивностью и оптимальной степенью резорбции, что делает их особенно привлекательными для использования в медицинских целях [5–7]. Так, полимерные костные цементы – полиакрилонитрил и полиметилметакрилат, обладают повышенной прочностью и долговечностью, но имеют более высокую токсичность и риск вызова аллергических реакций [8]. Несмотря на некоторые недостатки и риски, костные цементы долгое время будут являться важным инструментом в лечении костных дефектов [9].
Также существует множество перспективных исследований по разработке новых материалов на основе наноразмерных форм минеральных компонентов для остеогенеза кости [10–15]. Данные материалы являются более эффективными и безопасными за счет уникальных физико-химических и медико-биологических свойств. Многими исследователями установлено влияние методов приготовления костных цементов с наночастицами с использованием ультразвука или введением аддитивов в процесс смешивания компонентов и формирования самих суспензий [16, 17].
В целом, костные цементы на основе фосфатно-силикатных наноконструируемых матриц кальция, цинка и магния представляют собой важный класс биоматериалов для лечения костных дефектов, которые имеют множество преимуществ и применяются в клинической практике уже много лет. На основе представленных данных об актуальном применении такого материала, как MgSiO3, в регенеративной медицине целью работы стали синтез и изучение структуры биоактивных наночастиц силиката магния.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наночастицы силиката магния получали методом химического осаждения в водной среде при комнатной температуре. Схема синтеза представлена на рис.1.
В качестве прекурсора магния использовали ацетат магния, а в качестве осадителя – метасиликат натрия. На первом этапе изготовили растворы метасиликата натрия и магнийсодержащего прекурсора с концентрацией 0,8 М. Далее, в раствор метасиликата натрия добавляли раствор магнийсодержащего прекурсора. Полученные золи отмывали методом центрифугирования. Далее, отмытые осадки высушивали в сушильном шкафу при температуре 80 °С.
Оптимизацию методики синтеза наночастиц силиката магния проводили с использованием матрицы планирования и нейросетевого подбора математических моделей. Многофакторный эксперимент позволяет рассмотреть влияние различных факторов (переменных параметров) на средний гидродинамический радиус получаемых образцов. В качестве входных параметров выбрали: температуру, скорость перемешивания и концентрацию прекурсора. Уровни варьирования представлены в табл.1. Осадитель брали в стехиометрических количествах.
Для изучения взаимного влияния всех факторов при минимальном количестве экспериментов сформировали матрицу планирования, состоящую из девяти экспериментов (табл.2).
С помощью математической обработки полученных экспериментальных данных в пакете прикладных программ Neural Statistica Network сформировали нейронную сеть с заданной математической моделью. На основе сформированной математической модели получили тернарную поверхность, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний гидродинамический радиус наночастиц.
Изучение среднего гидродинамического радиуса полученных образцов силиката магния проводили методом динамического рассеяния света на спектрометре Photocor-Complex (Антек-97, Москва, Российская Федерация). Компьютерную обработку результатов исследования осуществляли с использованием компьютерного программного обеспечения DynaLS.
Форму и размер частиц изучали методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе Tecnai G2 30F STWIN STEM (FEI Company, Хиллсборо, США).
Исследование функциональных групп в высушенных образцах наночастиц силиката магния проводили методом инфракрасной спектроскопии на ИК-спектрометре ФСМ-1201 (ИНФРАСПЕК, Санкт-Петербург, Россия) с преобразованием Фурье.
Компьютерное квантово-химическое моделирование наночастиц силиката магния проводили в прикладном пакете программ QChem с использованием молекулярного редактора IQmol. Квантово-химические параметры рассчитывали на оборудовании центра обработки данных (Schneider Electric) ФГАОУ ВО "Северо-Кавказский федеральный университет".
Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием прикладных пакетов программ OriginPro 2021 и STATISTICA 12.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На первом этапе образцы наночастиц силиката магния исследовали методом ПЭМ-микроскопии. Результаты представлены на рис.2.
Таким образом, в ходе исследования наночастиц силиката магния получили ПЭМ-микрофотографии в темнопольном режиме, характеризующие форму и размер частиц.
Далее проводили оптимизацию синтеза наночастиц силиката магния. С помощью нейросетевой обработки и машинного обучения получили математическую модель, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний радиус наночастиц силиката меди. На основе сформированной математической модели образовали тернарную поверхность, которая представлена на рис.3.
Анализ полученных данных показал, что в тернарной поверхности можно выделить две области: с наибольшим и наименьшим средним радиусом частиц.
На следующем этапе проводили компьютерное квантово-химическое моделирование наночастиц силиката магния. Результаты представлены на рис.4.
Таким образом, в результате компьютерного квантово-химического моделирования получили модель молекулярного комплекса, распределение электронной плотности, а также модели высшей заселенной молекулярной орбитали и низшей свободной молекулярной орбитали.
На следующем этапе образцы исследовали методом ИК-спектроскопии. ИК-спектр наночастиц силиката магния представлен на рис.5.
Анализ результатов показал, что в ИК-спектре наночастиц силиката магния наблюдаются полосы, характерные для колебаний связей в молекуле MgSiO3.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ результатов ПЭМ-микроскопии показал, что структура частиц представлена крупными агрегатами с размерами от 150 нм до 2 мкм. В свою очередь, эти скопления состоят из наносфер силиката магния, диаметр которых варьируется от 10 до 20 нм.
Изучив дисперсные характеристики наночастиц силиката магния, проанализировали полученную тернарную поверхность, которая представлена на рис.3. Установлено, что наименьшим радиусом (700 нм) обладают образцы, которые получены при следующих параметрах: температура синтеза – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. В свою очередь, результаты исследования образцов методом динамического рассеяния света показали средний размер агрегатов, состоящих из наночастиц сферической формы. Данный факт подтверждается результатами просвечивающей электронной микроскопии.
Определив оптимальные параметры синтеза, провели компьютерное квантово-химическое моделирование самих частиц силиката магния. В результате расчетов установлено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, EHOMO = –0,396 эВ, ELUMO = –0,015 эВ. На основе полученных данных рассчитали химическую жесткость молекулы, которая составила η = 0,191 эВ. Данный факт говорит о стабильности молекулярного комплекса, так как η >0,1 эВ и относительной мягкости молекулы, так как S = 2,62 эВ–1.
Изучив квантово-химические показатели, полученные образцы исследовали с помощью ИК-спектроскопии. Анализ ИК-спектра наночастиц силиката магния показал наличие интенсивных полос деформационных колебаний следующих связей: в области от 500 до 1800 см–1; область от 532 до 677 см–1 соответствует колебаниям металлкислородных связей магния Mg–O, на 829 и 896 см–1 – симметричным колебаниям связи O–Si–O, область от 974 до 1118 см–1 соответствует колебаниям связи Si–O, на 1327 и 1382 см–1 – колебания связи Si–O–Si, полоса на 1510 и область 1633–1672 см–1 соответствуют колебаниям связи Si–O. Таким образом, можно заключить, что в ИК-спектре наблюдаются характерные полосы поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в ходе работы получили наночастицы силиката магния. Размер и форму полученных частиц исследовали с помощью ПЭМ-микроскопии. Анализ полученных результатов показал, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм.
На следующем этапе проводили оптимизацию синтеза наночастиц. С помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных и машинного обучения получили тернарную поверхность, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний радиус частиц. Размер определяли методом динамического рассеяния света. Установлено, что оптимальными параметрами синтеза наночастиц силиката магния являются: температура синтеза – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л.
Далее провели компьютерное квантово-химическое моделирование частиц силиката магния. В результате расчетов получили модель молекулярного комплекса с распределением электронной плотности, EHOMO и ELUMO. Установлено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. Таким образом, можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула.
На заключительном этапе работы образцы наночастиц исследовали с помощью инфракрасной спектроскопии. Результаты показали, что в ИК-спектре частиц наблюдаются характерные полосы поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект СП-476.2022.4).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Synthesis and Characterization of Calcium Silicate Nanoparticles Stabilized with Amino Acids Ed. By A.A. Blinova // Micromachines. 2023. Vol. 14. No. 2.
Dental implant systems / Ed. By Oshida Y // International journal of molecular sciences. 2010. Vol. 11. No. 4. PP. 1580–1678.
Materials in Dental Implantology. Ed. By S.Sarda,
M.Ginebra, D.Rodriguez, J.Casals; M.Navarro,
C.Aparicio, J.Manero, F.Gil, J.Planell, M.Nilsson In Dental Biomechanics; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2003. PP. 69–89.
An Overview of Zirconia Dental Implants: Basic Properties and Clinical Application of Three Cases / Ed. By M.B.Güngör, C.Aydin, H.Yilmaz, E.B.Gül. J. Oral Implantol. 2014. PP. 485–494.
Calcium Silicate Layer on Titanium Fabricated by Electrospray Deposition / Ed. By C.Buga, M.Hunyadi, Z.Gácsi, C.Hegedűs,
J.Hakl, U.Schmidt, S.J.Ding, A.Csík. Mater. Sci. Eng. 2019. PP. 401–408.
Bioactive Coating as a Surface Modification Technique for Biocompatible Metallic Implants / Ed. by B.Priyadarshini M.Rama,
U.Chetan, A.Vijayalakshmi. Review. J. Asian Ceram. Soc. 2019, 7. PP. 397–406.
Some Biocompatible Materials Used in Medical Practice / Ed.by D.Mihov, B.Katerska, J.Trakia. Sci. 2010, 8, PP. 119–125.
Calcium orthophosphate bioceramics / Ed.by S.V.Dorozhkin // Journal of Biomimetics, Biomaterials and Tissue Engineering. – Trans Tech Publications Ltd, 2010. Vol. 5. PP. 57–100.
Fundamentals of the creation of medical polymers / Ed.by V.V.Zuev, 2022.
Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis / Ed.by D.Kaplan, V.Karageorgiou // Biomaterials. 2005. V. 26. No. 27. PP. 5474–5491.
Novel hydroxyapatite/chitosan bilayered scaffold for osteochondral tissue-engineering applications / Ed by J.M.Oliveira / Scaffold design and its performance when seeded with goat bone marrow stromal cells // Biomaterials. 2006. Vol. 27. No. 36. PP. 6123–6137.
Calcium orthophosphates in medicine: from ceramics to calcium phosphate cements Ed.by M.Bohner // Injury. 2000. Vol. 31. PP. 37–47.
Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants / Ed by W.Suchanek M.Yoshimura // Journal of materials research. 1998. Vol. 13. No. 1. PP. 94–117.
Bone regeneration in critical bone defects using three‐dimensionally printed β‐tricalcium phosphate/hydroxyapatite scaffolds is enhanced by coating scaffolds with either dipyridamole or BMP-2 / Ed by S.Ishack // Journal of biomedical materials research. Part B: Applied biomaterials. 2017. Vol. 105. No. 2. PP. 366–375.
In vitro cytotoxicity of calcium phosphate cement reinforced with multiwalled carbon nanotubes Ed by L.Medvecky // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2019. Vol. 30. PP. 1–11.
Obtaining and properties of a composite material based on hydroxyapatite and a copolymer of lactide and glycolide: final bachelor’s thesis in the direction of preparation / Ed.by Kobzev M.G.: 04.03. 01-Chemistry, 2018.
Application of scaffolds for bone regeneration strategies: current trends and future directions Ed by G. H. Billström // Injury. 2013. Vol. 44. PP. 28–33.
Научная статья
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ БИОАКТИВНЫХ НАНОЧАСТИЦ СИЛИКАТА МАГНИЯ
Д.Г.Маглакелидзе1, студент, лаборант, ORCID: 0000-0002-7740-042X / ogoniock2015@mail.ru
А.А.Блинова1, к. т. н., доц., ORCID: 0000-0001-9321-550X
И.М.Шевченко1, к. т. н., доц., ORCID: 0009-0005-9113-9335
М.А.Тараванов1, студент, лаборант, ORCID: 0000-0003-3243-3241
М.А.Колодкин1, зав. учебно-лабораторным комплексом, ORCID: 0009-0004-2045-4787
Я.А.Облогин1, студент, ORCID: 0009-0003-5180-9045
Д.А.Жуковский1, студент, ORCID: 0009-0004-6066-9299
Аннотация. В данной работе представлены результаты исследования биоактивных наночастиц силиката магния. Сами наночастицы получали методом химического осаждения в водной среде. Размер и форму образцов исследовали на ПЭМ-микроскопе. Установлено, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм. На следующем этапе, с помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных проводили оптимизацию синтеза наночастиц. Анализ полученной тернарной поверхности показал, что для получения образцов с наименьшим размером агрегатов (700 нм) параметрами синтеза являются: температура – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. Определив оптимальные параметры синтеза силиката магния, проводили компьютерное квантово-химическое моделирование. В результате расчетов обнаружено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. На основе полученных данных можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула. На заключительном этапе работы образцы исследовали на ИК-спектрометре. Анализ ИК-спектра показал наличие характерных полос поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
Ключевые слова: биоактивные наночастицы, силикат магния, нейросетевая обработка экспериментальных данных
Для цитирования: Д.Г. Маглакелидзе, А.А. Блинова, И.М. Шевченко, М.А. Тараванов, М.А. Колодкин, Я.А. Облогин, Д.А. Жуковский. Cинтез и изучение структуры биоактивных наночастиц силиката магния. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3-4. С. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
Received: 28.04.2023 | Accepted: 4.05.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194
Original paper
SYNTHESIS AND STUDY OF THE STRUCTURE OF BIOACTIVE MAGNESIUM SILICATE NANOPARTICLES
D.G.Maglakelidze1, Student, Laboratory assistant, ORCID: 0000-0002-7740-042X / ogoniock2015@mail.ru
A.A.Blinova1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-9321-550X
I.M.Shevchenko1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0009-0005-9113-9335
M.A.Taravanov1, Student, Laboratory assistant, ORCID: 0000-0003-3243-3241
M.A.Kolodkin1, Head of Educational and Laboratory Complex, ORCID: 0009-0004-2045-4787
Y.A.Oblogin1, Student, ORCID: 0009-0003-5180-9045
D.A.Zhukovsky1, Student, ORCID: 0009-0004-6066-9299
Abstract. This paper presents the results of a study of bioactive magnesium silicate nanoparticles. The nanoparticles themselves were obtained by chemical precipitation in an aqueous medium. The size and shape of the samples were examined on a TEM microscope. It is established that objects of detection by aggregates are detected. In turn, the aggregates consist of spherical magnesium silicate nanoparticles with sizes from 10 to 20 nm. At the next stage, with the help of neural network processing of experimental data, the synthesis of nanoparticles was optimized. Analysis of the obtained ternary surface showed that to obtain samples with the smallest aggregate size (700 nm), the synthesis parameters are: temperature – 50 °C, stirring speed – 600 rpm, precursor concentration – 0.5 mol/l. Having determined the optimal parameters for the synthesis of magnesium silicate, computer quantum chemical modeling was carried out. As a result of calculations, it was found that the energy of the configuration was E = –709.302 kcal/mol, the value of chemical hardness η = 0.191 eV, and softness – S = 2.62 eV–1. Based on the data obtained, it can be concluded that MgSiO3 has a high stability and is characterized as a relatively soft molecule. At the final stage of the work, the samples were examined on an IR spectrometer. An analysis of the IR spectrum showed the presence of characteristic absorption bands, which correspond to bond vibrations in the MgSiO3 molecule.
Keywords: bioactive nanoparticles, magnesium silicate, neural network processing of experimental data
For citation: D.G. Maglakelidze, A.A. Blinova, I.M. Shevchenko, M.A. Taravanov, M.A. Kolodkin, Y.A. Oblogin, D.A. Zhukovsky. Synthesis and study of the structure of bioactive magnesium silicate nanoparticles. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3-4. PP. 186–194. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.186.194.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в медицине активно развивается область биосовместимых материалов, необходимых для ускорения регенерации костной ткани [1–4]. Одним из перспективных направлений данной отрасли является разработка различных костных цементов. Костные цементы – это материалы, которые используются для заполнения дефектов кости с целью восстановления ее целостности и функциональности. Они обладают рядом преимуществ, таких как высокая бактерицидность, возможность точной аппликации и формирования костной ткани, а также возможность сокращения времени заживления. Существует множество видов костных цементов, включая керамические, полимерные и гидрогелиевые. Керамические костные цементы, такие как гидроксиапатит и трикальцийфосфат с включениями наночастиц силикатов магния и цинка, обладают высокой биоактивностью и оптимальной степенью резорбции, что делает их особенно привлекательными для использования в медицинских целях [5–7]. Так, полимерные костные цементы – полиакрилонитрил и полиметилметакрилат, обладают повышенной прочностью и долговечностью, но имеют более высокую токсичность и риск вызова аллергических реакций [8]. Несмотря на некоторые недостатки и риски, костные цементы долгое время будут являться важным инструментом в лечении костных дефектов [9].
Также существует множество перспективных исследований по разработке новых материалов на основе наноразмерных форм минеральных компонентов для остеогенеза кости [10–15]. Данные материалы являются более эффективными и безопасными за счет уникальных физико-химических и медико-биологических свойств. Многими исследователями установлено влияние методов приготовления костных цементов с наночастицами с использованием ультразвука или введением аддитивов в процесс смешивания компонентов и формирования самих суспензий [16, 17].
В целом, костные цементы на основе фосфатно-силикатных наноконструируемых матриц кальция, цинка и магния представляют собой важный класс биоматериалов для лечения костных дефектов, которые имеют множество преимуществ и применяются в клинической практике уже много лет. На основе представленных данных об актуальном применении такого материала, как MgSiO3, в регенеративной медицине целью работы стали синтез и изучение структуры биоактивных наночастиц силиката магния.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наночастицы силиката магния получали методом химического осаждения в водной среде при комнатной температуре. Схема синтеза представлена на рис.1.
В качестве прекурсора магния использовали ацетат магния, а в качестве осадителя – метасиликат натрия. На первом этапе изготовили растворы метасиликата натрия и магнийсодержащего прекурсора с концентрацией 0,8 М. Далее, в раствор метасиликата натрия добавляли раствор магнийсодержащего прекурсора. Полученные золи отмывали методом центрифугирования. Далее, отмытые осадки высушивали в сушильном шкафу при температуре 80 °С.
Оптимизацию методики синтеза наночастиц силиката магния проводили с использованием матрицы планирования и нейросетевого подбора математических моделей. Многофакторный эксперимент позволяет рассмотреть влияние различных факторов (переменных параметров) на средний гидродинамический радиус получаемых образцов. В качестве входных параметров выбрали: температуру, скорость перемешивания и концентрацию прекурсора. Уровни варьирования представлены в табл.1. Осадитель брали в стехиометрических количествах.
Для изучения взаимного влияния всех факторов при минимальном количестве экспериментов сформировали матрицу планирования, состоящую из девяти экспериментов (табл.2).
С помощью математической обработки полученных экспериментальных данных в пакете прикладных программ Neural Statistica Network сформировали нейронную сеть с заданной математической моделью. На основе сформированной математической модели получили тернарную поверхность, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний гидродинамический радиус наночастиц.
Изучение среднего гидродинамического радиуса полученных образцов силиката магния проводили методом динамического рассеяния света на спектрометре Photocor-Complex (Антек-97, Москва, Российская Федерация). Компьютерную обработку результатов исследования осуществляли с использованием компьютерного программного обеспечения DynaLS.
Форму и размер частиц изучали методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе Tecnai G2 30F STWIN STEM (FEI Company, Хиллсборо, США).
Исследование функциональных групп в высушенных образцах наночастиц силиката магния проводили методом инфракрасной спектроскопии на ИК-спектрометре ФСМ-1201 (ИНФРАСПЕК, Санкт-Петербург, Россия) с преобразованием Фурье.
Компьютерное квантово-химическое моделирование наночастиц силиката магния проводили в прикладном пакете программ QChem с использованием молекулярного редактора IQmol. Квантово-химические параметры рассчитывали на оборудовании центра обработки данных (Schneider Electric) ФГАОУ ВО "Северо-Кавказский федеральный университет".
Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием прикладных пакетов программ OriginPro 2021 и STATISTICA 12.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На первом этапе образцы наночастиц силиката магния исследовали методом ПЭМ-микроскопии. Результаты представлены на рис.2.
Таким образом, в ходе исследования наночастиц силиката магния получили ПЭМ-микрофотографии в темнопольном режиме, характеризующие форму и размер частиц.
Далее проводили оптимизацию синтеза наночастиц силиката магния. С помощью нейросетевой обработки и машинного обучения получили математическую модель, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний радиус наночастиц силиката меди. На основе сформированной математической модели образовали тернарную поверхность, которая представлена на рис.3.
Анализ полученных данных показал, что в тернарной поверхности можно выделить две области: с наибольшим и наименьшим средним радиусом частиц.
На следующем этапе проводили компьютерное квантово-химическое моделирование наночастиц силиката магния. Результаты представлены на рис.4.
Таким образом, в результате компьютерного квантово-химического моделирования получили модель молекулярного комплекса, распределение электронной плотности, а также модели высшей заселенной молекулярной орбитали и низшей свободной молекулярной орбитали.
На следующем этапе образцы исследовали методом ИК-спектроскопии. ИК-спектр наночастиц силиката магния представлен на рис.5.
Анализ результатов показал, что в ИК-спектре наночастиц силиката магния наблюдаются полосы, характерные для колебаний связей в молекуле MgSiO3.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ результатов ПЭМ-микроскопии показал, что структура частиц представлена крупными агрегатами с размерами от 150 нм до 2 мкм. В свою очередь, эти скопления состоят из наносфер силиката магния, диаметр которых варьируется от 10 до 20 нм.
Изучив дисперсные характеристики наночастиц силиката магния, проанализировали полученную тернарную поверхность, которая представлена на рис.3. Установлено, что наименьшим радиусом (700 нм) обладают образцы, которые получены при следующих параметрах: температура синтеза – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л. В свою очередь, результаты исследования образцов методом динамического рассеяния света показали средний размер агрегатов, состоящих из наночастиц сферической формы. Данный факт подтверждается результатами просвечивающей электронной микроскопии.
Определив оптимальные параметры синтеза, провели компьютерное квантово-химическое моделирование самих частиц силиката магния. В результате расчетов установлено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, EHOMO = –0,396 эВ, ELUMO = –0,015 эВ. На основе полученных данных рассчитали химическую жесткость молекулы, которая составила η = 0,191 эВ. Данный факт говорит о стабильности молекулярного комплекса, так как η >0,1 эВ и относительной мягкости молекулы, так как S = 2,62 эВ–1.
Изучив квантово-химические показатели, полученные образцы исследовали с помощью ИК-спектроскопии. Анализ ИК-спектра наночастиц силиката магния показал наличие интенсивных полос деформационных колебаний следующих связей: в области от 500 до 1800 см–1; область от 532 до 677 см–1 соответствует колебаниям металлкислородных связей магния Mg–O, на 829 и 896 см–1 – симметричным колебаниям связи O–Si–O, область от 974 до 1118 см–1 соответствует колебаниям связи Si–O, на 1327 и 1382 см–1 – колебания связи Si–O–Si, полоса на 1510 и область 1633–1672 см–1 соответствуют колебаниям связи Si–O. Таким образом, можно заключить, что в ИК-спектре наблюдаются характерные полосы поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в ходе работы получили наночастицы силиката магния. Размер и форму полученных частиц исследовали с помощью ПЭМ-микроскопии. Анализ полученных результатов показал, что поверхность образцов представлена крупными агрегатами. В свою очередь, агрегаты состоят из сферических наночастиц силиката магния с размерами от 10 до 20 нм.
На следующем этапе проводили оптимизацию синтеза наночастиц. С помощью нейросетевой обработки экспериментальных данных и машинного обучения получили тернарную поверхность, описывающую взаимное влияние технологических параметров синтеза на средний радиус частиц. Размер определяли методом динамического рассеяния света. Установлено, что оптимальными параметрами синтеза наночастиц силиката магния являются: температура синтеза – 50 °С, скорость перемешивания – 600 об/мин, концентрация прекурсора – 0,5 моль/л.
Далее провели компьютерное квантово-химическое моделирование частиц силиката магния. В результате расчетов получили модель молекулярного комплекса с распределением электронной плотности, EHOMO и ELUMO. Установлено, что энергия конфигурации составила E = –709,302 ккал/моль, величина химической жесткости η = 0,191 эВ, а мягкости – S = 2,62 эВ–1. Таким образом, можно заключить, что MgSiO3 обладает высокой стабильностью и характеризуется, как относительно мягкая молекула.
На заключительном этапе работы образцы наночастиц исследовали с помощью инфракрасной спектроскопии. Результаты показали, что в ИК-спектре частиц наблюдаются характерные полосы поглощения, которые соответствуют колебаниям связей в молекуле MgSiO3.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект СП-476.2022.4).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Synthesis and Characterization of Calcium Silicate Nanoparticles Stabilized with Amino Acids Ed. By A.A. Blinova // Micromachines. 2023. Vol. 14. No. 2.
Dental implant systems / Ed. By Oshida Y // International journal of molecular sciences. 2010. Vol. 11. No. 4. PP. 1580–1678.
Materials in Dental Implantology. Ed. By S.Sarda,
M.Ginebra, D.Rodriguez, J.Casals; M.Navarro,
C.Aparicio, J.Manero, F.Gil, J.Planell, M.Nilsson In Dental Biomechanics; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2003. PP. 69–89.
An Overview of Zirconia Dental Implants: Basic Properties and Clinical Application of Three Cases / Ed. By M.B.Güngör, C.Aydin, H.Yilmaz, E.B.Gül. J. Oral Implantol. 2014. PP. 485–494.
Calcium Silicate Layer on Titanium Fabricated by Electrospray Deposition / Ed. By C.Buga, M.Hunyadi, Z.Gácsi, C.Hegedűs,
J.Hakl, U.Schmidt, S.J.Ding, A.Csík. Mater. Sci. Eng. 2019. PP. 401–408.
Bioactive Coating as a Surface Modification Technique for Biocompatible Metallic Implants / Ed. by B.Priyadarshini M.Rama,
U.Chetan, A.Vijayalakshmi. Review. J. Asian Ceram. Soc. 2019, 7. PP. 397–406.
Some Biocompatible Materials Used in Medical Practice / Ed.by D.Mihov, B.Katerska, J.Trakia. Sci. 2010, 8, PP. 119–125.
Calcium orthophosphate bioceramics / Ed.by S.V.Dorozhkin // Journal of Biomimetics, Biomaterials and Tissue Engineering. – Trans Tech Publications Ltd, 2010. Vol. 5. PP. 57–100.
Fundamentals of the creation of medical polymers / Ed.by V.V.Zuev, 2022.
Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis / Ed.by D.Kaplan, V.Karageorgiou // Biomaterials. 2005. V. 26. No. 27. PP. 5474–5491.
Novel hydroxyapatite/chitosan bilayered scaffold for osteochondral tissue-engineering applications / Ed by J.M.Oliveira / Scaffold design and its performance when seeded with goat bone marrow stromal cells // Biomaterials. 2006. Vol. 27. No. 36. PP. 6123–6137.
Calcium orthophosphates in medicine: from ceramics to calcium phosphate cements Ed.by M.Bohner // Injury. 2000. Vol. 31. PP. 37–47.
Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants / Ed by W.Suchanek M.Yoshimura // Journal of materials research. 1998. Vol. 13. No. 1. PP. 94–117.
Bone regeneration in critical bone defects using three‐dimensionally printed β‐tricalcium phosphate/hydroxyapatite scaffolds is enhanced by coating scaffolds with either dipyridamole or BMP-2 / Ed by S.Ishack // Journal of biomedical materials research. Part B: Applied biomaterials. 2017. Vol. 105. No. 2. PP. 366–375.
In vitro cytotoxicity of calcium phosphate cement reinforced with multiwalled carbon nanotubes Ed by L.Medvecky // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2019. Vol. 30. PP. 1–11.
Obtaining and properties of a composite material based on hydroxyapatite and a copolymer of lactide and glycolide: final bachelor’s thesis in the direction of preparation / Ed.by Kobzev M.G.: 04.03. 01-Chemistry, 2018.
Application of scaffolds for bone regeneration strategies: current trends and future directions Ed by G. H. Billström // Injury. 2013. Vol. 44. PP. 28–33.
Отзывы читателей
