Charakterisierung von borathaltigen Calciumphosphaten mit Hilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden borathaltige Calciumphoshate mittels Festphasensynthese hergestellt und mit der Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Im ersten Teil wurde exemplarisch an der Probe BHAp (Ausgangsstoffe: CaCO3, (NH4)2HPO4 und H3BO3) eine ausführliche, strukturelle Charakterisierung durchgeführt. Aus den Ergebnissen der Festkörper NMR Spektren konnte ein Modell zum Aufbau der Partikel der Probe BHAp aufgestellt werden. Dabei bildet kristalliner HAp den Kern der Partikel, der von einer dünnen Grenzschicht mit HAp-ähnlicher Struktur umschlossen und anschließend von einer borathaltigen Calciumphosphat-Phase (BCaP-Phase) bedeckt wird. Die Phosphatbestände der jeweiligen Strukturen wurde mit 30mol% (kristalline HAp- Phase), 8 mol% (Grenzschicht) und 62mol% (BCaP-Phase) abgeschätzt. Mithilfe weiterführender Festkörper NMR Experimente konnte ein Modell zum Aufbau der BCaP Phase vorgeschlagen werden. Als Grundstruktur wird ein kubisches Gitter angenommen, wobei die Elementarzelle aus acht Teilkuben besteht. Die Ecken werden von den Phosphatgruppen besetzt und in der Mitte eines Kubus wird eine Boratgruppe (BO33-) platziert. Im zweiten Teil wurde die Probenserie 1 durch Variation der eingesetzten Mengen an CaCO3, Ca2P2O7 und B2O3 hergestellt. Mithilfe der Festkörper NMR Spektren konnte gezeigt werden, dass die gleichen 1H-, 31P- und 11B Resonanzen in den borathaltigen Proben (BHAp1, BHAp2 und BHAp3) wie in der Probe BHAp vorhanden sind. Daher wurde das gleiche Modell zum Aufbau der BHAp Partikel vorgeschlagen. Da kleinere HAp-Anteile in der Probenserie 1 als in der Probe BHAp bestimmt wurden, wird eine Volumenvariation der einzelnen Phasen im Partikel angenommen. Bei der Untersuchung der Bioaktivität und Degradation an der Probenserie 1 hat sich gezeigt, dass die größte Bioaktivität die Probe HAp1 (ohne Boranteil) liefert (erwünscht), aber die schlechteste Degradation (unerwünscht) zeigt. Als Kompromiss zwischen Bioaktivität und Degradation zeigten sich die borathaltigen Calciumphosphate der Probenserie 1. Dabei wurde eine geringere, aber ausreichende Bioaktivität als in Probe HAp1 beobachtet. Die Degradationen befanden sich auf dem gewünschten Niveau zwischen a-TCP und b-TCP. Zuletzt wurde die Probenserie 2 durch Variation der eingesetzten Mengen an kommerziell erhältlichen HAp (cHAp) und selbst synthetisiertes Calciumborat (Takedait) hergestellt. Die Ergebnisse der Festkörper-NMR-Spektren bestätigen eine Reaktion zwischen den Ausgangsstoffen; damit gibt es eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von borathaltigen Calciumphosphaten. Zudem konnte gezeigt werden, dass das B/P Verhältnis, welches den umgesetzten Boranteil zum vorhandenen Phosphoranteil (HAp-Anteil) in den Proben betrachtet, zunächst zunimmt und dann bei 1:3 konstant bleibt. Das erlangte Wissen kann nun für zukünftige Arbeiten angewendet, um beispielweise die Adsorption von Proteinen bzw. den Proteinadsorptionsmechanismus an diesen Partikeln zu untersuchen bzw. aufzuklären.

Within the scope of this thesis borate-containing calcium phosphates were prepared by solid state reaction and investigated by solid-state NMR spectroscopy. Firstly, a detailed structural characterization of the sample BHAp was exemplarily carried out. The sample BHAp was prepared using calcium carbonate, diammonium hydrogen phosphate and boric acid. Solid-state NMR results were used for the development of a model for BHAp particles. Crystalline HAp forms the core of the particle covered by an interface with a HAp like structure. The interface is covered by a borate-containing calcium phosphate phase (BCaP-phase). The phosphorus content of the crystalline HAp- phase, the interface and BCaP phase were estimated as 30mol%, 8 mol% and 62mol%, respectively. A second model for the construction of the BCaP-phase was proposed using the results of advanced solid-state experiments. As a basic structure a cubic lattice with an unit cell of eight cubes was taken. The corners of the cubes are occupied by phosphate groups and body centered in one of the cubes one borate group (BO33-) is accommodated. Secondly, sample series 1 was prepared using the starting materials calcium carbonate, calcium diphosphate and boron oxide. The solid-state NMR spectra of the borate- containing samples (BHAp1, BHAp2 and BHAp3) show the same 1H-, 31P- and 11B signals as the sample BHAp. Therefore, the same model for the construction of the BHAp particles was suggested. Smaller HAp-parts in sample series 1 than in sample BHAp were ascertained so variations of volume of the several phases in the particles were suspected. In addition, the bioactivity and the degradation of the sample series 1 were investigated. The highest bioactivity is observed for the sample with no boron content (desirable) but the worst degradation showed (undesirable). As a compromise between bioactivity and degradation the borate-containing calcium phosphate of sample series 1 was found. A lower but sufficient bioactivity than in the sample with no boron content was observed. The degradations are of the desired rate between a-TCP and b-TCP. Finally, sample series 2 was prepared using the starting materials commercial HAp and calcium borate (Takedaite). The results of solid-state NMR spectra confirmed a reaction between the starting materials so another possibility for preparing borate-containing calcium phosphates was found. Furthermore, it was shown that the B/P-ratio, which is determined by the used boron content and existing phosphorus content (HAp-content) in the samples, increased first and then remained constant at 1:3. The acquired knowledge can be used to study the adsorption of proteins on BHAp particles.