ИСТИНА

Проект направлен на кристаллохимический поиск и разработку современных материалов на основе структурного типов витлокит, модифицированных за счет катионных замещений для создания основы новых ресурсосберегающих технологий и неорганического биоматериаловедения, а также расширение знаний в области кристаллохимии фосфатов. Моделирование и синтез новых соединений в структурном типе витлокита позволит развить фундаментальные подходы и системный анализ в области неорганическго материаловедения.

The mineral whitlockite is the ancestor of a large class of materials with a wide range of both physical and biological properties. Compounds containing rare earth ions (REEs) are potential phosphors for LEDs when pumped to UV and blue light, as shown during the core time of the project. However, ions of transition elements, such as Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Ni2+, Co2+, Mn2+, can also be introduced into the structure of the mineral whitlockite, which opens up possibilities for obtaining materials with magnetic or antibacterial properties. Since the mineral whitlockite in combination with apatite are components of human bone tissue, such substitutions can become the basis for creating bone implants, which significantly expands the scope of these mineral-like structures. Moreover, some natural phosphates showed the presence of transition elements in their structure, for example, the mineral Deynekoite Сa9Fe3+(PO4)7 (2022). In modern world literature, the introduction of transition elements into the whitlockite structure, as well as their bacterial and in vitro/in vivo activity, and energy transfer processes are actively studied. However, in such works, researchers often deal with multiphase samples, which complicates understanding of the role of such elements in the manifested properties. In this regard, it is important to understand the process of incorporation of transition elements into the structure, to determine the areas of existence of solid solutions and properties. It was also shown that the combined introduction of transition and REE elements (for example, Gd or Ce) is possible, which, in addition to antibacterial properties, can serve as contrast agents for MRI diagnostics. Such research opens up new possibilities in the field of inorganic materials science for medical applications and can significantly improve the quality of existing materials. In addition, the introduction of REE will expand the base of inorganic phosphors.

В ходе реализации проекта будут получены и исследованы новые фосфаты в структурном семействе витлокит с вариациями в катионной подрешетке, в частности, с введением переходных элементов или комбинации переходных/РЗЭ элементов. Планируется выяснить области существования твердых растворов, особенности распределения катионов по позициям структуры типа витлокит, а также комплексное изучение их свойств. Помимо этого, планируется воспроизвести синтезы по различным методикам, чтобы оценить роль синтеза в формировании фаз. Полученные соединения будут полностью охарактеризованы современными методами. На основании комплексных экспериментальных исследований, применения различных методик синтеза, изучения свойств, будут установлены кристаллохимические закономерности формирования свойств в синтетических аналогах минерала витлокит. Ожидаемые научные результаты по данной тематике будут востребованы, что объясняется современной тенденций развития материалов для медицинских применений и повышения их качества за счет мультифункциональных свойств. В рамках настоящего проекта планируется развить некоторые результаты полученные в основном периоде выполнения проекта, а также сформулировать кристаллохимические основы распределения переходных элементов в структуре и их роли в формировании фаз. По степени актуальности выбранной тематики проекта, фундаментального подхода и использования современных методов исследования, можно ожидать, что полученные результаты будут соответствовать мировому уровню. Результаты исследований в рамках Проекта планируется опубликовать в научных журналах, представить на международных (по возможности) и Всероссийских конференциях, а также в средствах массовой информации.

За время выполнения периода продления проекта было опубликовано 7 статьей. Результаты работ были представлены на международных и всероссийских конференциях, СМИ и на выставках. В ходе реализации проекта был проведен системный анализ структурных особенностей строения фосфатов со структурами типа витлокит, апатит, аллюодит при проведении различного рода замещений. Основным направлением исследований являлось изучение кристаллохимических факторов, ответственных за формирование люминесцентных свойств в структурах указанного типа. Большая часть работ была посвящена структурам на основе минерала витлокит, так как благодаря его широкой изоморфной емкости (что позволяет адаптировать замещения и получать серьезные преимущества для применения в технологии твердотельного освещения) такие вещества могут рассматриваться как перспективная матрица для исследований в популярном направлении материалов для WLED. Прикладная тематика проекта была расширена изучением биоактивных свойств синтезированных веществ: таких как улучшение жизнеспособности клеток, так и наличие выраженного антибактериального эффекта для борьбы с наиболее распространенными возбудителями нежелательных последствий операционных вмешательств – штаммами внутрибольничной инфекции. Была показана определяющая роль изоморфизма переходных металлов и, в частности, ионов меди, на биосовместимые и антибактериальные свойства соединений со структурным типом b-Ca3(PO4)2. Полученные результаты расширяют область применения данных соединений, поскольку развивают направления мультифункциональности неорганических материалов. Сочетание множественного подхода к направленному дизайну таких материалов позволит комбинировать несколько важных свойств в пределах одного химического соединения, что позволит решать одновременно несколько важных задач. К примеру, содопирование двойных фосфатов кальция-меди ионами редкоземельных элементов позволяет получать вещества не только с биоактивными, но и люминесцентными свойствами.

В ходе реализации проекта были получены и исследованы новые фосфаты в структурном семействе витлокит с вариациями в катионной подрешетке при введении переходных элементов или комбинации переходных/РЗЭ элементов, с формулами Ca10.5-xCux(PO4)7, Ca10.5-xNix(PO4)7, Ca8MR(PO4)7, M= Cu2+, Mn2+, R = Ln3+. Дополнительно была синтезирована серия Ca9-xMnxEu(PO4)7. Были определены области существования твердых растворов, особенности распределения катионов по позициям структуры типа витлокит методом Ритвельда, а также комплексное изучение их свойств. Результаты работы были представлены итого в 7 статьях в журналах Q1 (2 шт), Q2 (4 шт), Q4 (1 шт): 1) Ceramics International (IF 5.532 Q1) 2) 2 статьи в Materials (IF 3.748, Q2) 3) Труды Кольского научного центра: серия физические науки (IF 0.164, Q4) 4) Molecules (IF 4.927, Q1) 5) Journal of Luminescence (IF 4.171, Q2) 6) Journal of Sol-Gel Science and Technology (IF 2.606, Q2) 7) Направлена в редакцию журнала Journal of Rare Earths. Опубликовано тезисов 4 тезисов докладов в сборниках научных конференций, сделаны доклады на 5 научных конференциях. 1. Синтез твердых растворов Ca10.5-xCux(PO4)7 представлялся актуальным в связи с их потенциалом как материалов для биоактивной костной керамики с антибактериальными свойствами. Изучение таких аналогов минерала витлокит открывает возможности для оптимизации материалов в области имплантатов костной ткани с пролонгированным антибактериальными действием за счет ионов Cu2+. Были проведены комплексные экспериментальные исследования направленные на определение строение Ca10.5-xCux(PO4)7, а также выявление взаимосвязи между структурой и свойствами, в том числе и биоактивными. Было установлено, что граница однофазной области расположена при х = 1.5, а при дальнейшем повышении концентрации Cu2+ формируется фаза Ca3Cu3(PO4)4. Отсутствие примесных фаз при х <1.5 контролировалось дополнительно методом ИК. Были уточнены кристаллические структуры методом Ритвельда и данные депонированы в базу данных CCDC с номерами 2220432, 2220575, 2220574, 2220570, 2220569, 2220573, 2220568. Согласно полученным данным уточнения методом Ритвельда, показано, что атомы Cu предпочтительно имеют сильно искаженную октаэдрическую координацию в структуре β-Ca3(PO4)2 вплоть до х = 1.00. Причиной искажения геометрии ионов Cu2+ является нестабильность конфигурации 3d9. При увеличении концентрации Cu2+, позиция М4 расщепляется на 2 также сильно искаженные субпозиции M4(1) и M4(2) Из анализа межатомных расстояний следует что M4(1) и M4(2) больше подходят для заселения именно ионами кальция, нежели ионами меди, для которых требуются более регулярные полиэдры Позиции M1–М3 более регулярны и предпочтительны для ионов меди. Кристаллохимическая причина локализации Cu2+ в М2 и М3, обусловлена размером полиэдра и средними расстояниями Cu–O. Несмотря на то, что координация с КЧ > 6 для Cu2+ встречается достаточно редко, средние расстояния Cu–O хорошо согласуются с последними статистическими данными для неорганических соединений. По-видимому, позиция M3 является наиболее адаптивной для замещения, несмотря на его сравнительно большой объем по отношению к октаэдрическому полиэдру М5. Уточненное распределение ионов Cu2+ хорошо согласуется с кристаллохимическими особенностями соединений типа β-Ca3(PO4)2. В рамках настоящего проекта были изучены биоактивные свойства фосфатов Ca10.5–xCux(PO4)7. Антибактериальная активность оценивалась в отношении пяти штаммов болезнетворных бактерий C. albicans, E. coli, E. faecalis, S. aureus и P. aeruginosa, которые являются основными в, так называемой, внутрибольничной инфекции. Штаммы культивировались в течение 24 ч в присутствии образцов фосфатов. Зависимость ингибирующего действия роста бактерий имеет выраженный концентрационно-зависимый характер. Наибольшие значения подавления роста бактерий проявляются у образца с х = 1.33 из однофазной области твердого раствора и составляют порядка 24 % для разных видов бактерий. В диапазоне однофазности 0 < x < 1.33 цитотоксического действия, изученного по отношению к клеточной линии hMSCs (мезенхимальные стволовые клетки человека) обнаружено не было, что позволяет утверждать о биосовместимости данных фосфатов. Помимо концентрационной зависимости антибактериальных свойств, биоактивные свойства зависят от кристаллохимического строения синтезированных фаз. Наличие ионов меди в сравнительно крупных полиэдрах М3 и М2, по сравнению с октаэдром М5, ведет к значительному повышению количества высвобожденных ионов Cu2+ в раствор, оцененное методом ICP-OS, что, в итоге, повышает пролиферацию клеток и демонстрирует перспективные антибактериальные свойства. Полученные данные - первый значимый шаг в направлении к клиническим испытаниям, так как может обеспечить как пролонгированное действие за счет постепенного высвобождения антибактериальных ионов Cu2+ и непосредственном эффекте в месте соприкосновения имплантата с нативной костной тканью, что, несомненно, снизит риск возникновения имплант-ассоциированной инфекции и воспаления и необходимости проведения ревизионных вмешательств. 2. Синтез твердых растворов Ca10.5-xNix(PO4)7 был осуществлен в области до х = 1.58. Показано, что однофазные твердые растворы формируются вплоть до х = 1.33. Фосфат Ca9.5Ni(PO4)7 показал высокую антибактериальную эффективность. 3. Были получены и комплексно исследованы ряды фосфатов Ca8MnR(PO4)7, R = РЗЭ, исследованные комплектом методов, в том числе, с использованием синхротронного излучения. Структура фосфата Ca8MnEu(PO4)7 депонирована в базу данных CCDC с номером 2237297. В данном образе было установлено аномальные восстановление ионов европия и марганца и тушение фотолюминесценции. Самовосстановление подтверждено данными РФЭС и наличием двух типов эмиссии Eu в структуре b-TCP. Дополнительно были синтезирован ряд Ca9-xMnxEu(PO4)7. Интенсивность фотолюминесценции резко уменьшается при замещении Ca2+ на Mn2+, и можно утверждать о аномальном эффекте тушения. Тушение фотолюминесценции Eu3+ при введении Mn2+ в структуре b-TCP обусловлено передачей энергии возбуждения от Eu3+ к Mn2+. Данный перенос энергии может быть релаксирован энергетическим уровнем 4T1 ионов Mn2+, а затем безызлучательной релаксацией в основное состояние 6A1 ионов Mn2+, а также образованием дефектов в структуре, которые могут выступать в роли центров тушения. Был предложен механизм аномального восстановления с помощью модели компенсации заряда. В остальных фосфатах серии Ca8MnR(PO4)7 аномального тушения фотолюминесценции обнаружено не было, что, по-видимому, связано с отсутствием доступных каналов для безызлучательной релаксации. 4. Ряд Ca8CuR(PO4)7 (R – Eu, Tb, Dy, Ho, Er) со структурой типа витлокит был получен стандартным твердофазным способом и комплексно исследован. Тройные фосфаты со-допированые Cu и РЗЭ расширяет структурное семейство соединений типа витлокита. Неполярная пространственная группа R-3c синтезированных образцов подтверждена диэлектрическими измерениями. Уточнение структур методом Ритвельда показало, что замещение Ca2+ на Cu2+ обеспечивает большее искажение локального кислородного окружения по сравнению с другими двухвалентными ионами. Фосфаты проявляют фотолюминесцентные свойства, но интегральная интенсивность свечения значительно ниже, чем у других двухвалентных ионов, изученных нами ранее, что также связано с собственной интенсивной окраской веществ и перепоглощением излучения. Основываясь на полученных данных, Cu-содержащие фосфаты, могут использоваться в качестве материалов для костных имплантатов благодаря их антимикробным и биоактивным свойствам. Полученные фосфаты могут иметь потенциал для медицинского применения в качестве костных имплантатов, где возможна их идентификация их нативных тканей с помощью фотолюминесценции.