Доклады

Марганец-замещенные структуры Гидроксиапатита: моделирование и эксперимент

Быстров В.С., Парамонова Е.В., Авакян Л.А.¹, Макарова С.В.², Булина Н.В.², Семёнов С.В.³, Рубайло А.И.⁴

Институт математических проблем биологии РАН – филиал Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 142290 Пущино, Россия,

¹Физический факультет, Южный Федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия

²Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, Россия

³Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск, Россия

⁴Красноярский центр коллективного пользования СО РАН, Красноярск, Россия

Гидроксиапатит (ГАП) является минеральным компонентом костей и зубов, обладает хорошей биосовместимостью и поэтому в основном используется в медицине для восстановления костной ткани. В тоже время ГАП все шире применяется и в других областях, в т.ч.. для магнитно-резонансной томографии и для локальной магнитной гипертермии при лечении опухолей рака [1], благодаря возможности включения в их состав ионов железа, марганца и др., имеющих магнитные свойства. Кристаллическая структура ГАП достаточно гибкая и легко интегрирует в себя различные ионы, что и влияет на свойства ГАП. Одним из важных таких катионов является марганец. В данной работе представлены результаты моделирования решетки Mn-ГАП с различным числом замещений Mn/Ca в разных позициях, полученные с использованием высокоточных расчетов методами теории функционала плотности с гибридными функционалами [2]. Также приведены экспериментальные данные по синтезу Mn-ГАП механохимическим методом. Расчетные и экспериментальные данные показывают хорошее соответствие: параметры элементарной ячейки и объем уменьшаются с увеличением замещений Mn/Ca [3], что соответствует ионным радиусам Ca и Mn. Эти результаты аналогичны результатам, полученным для замещений Mg/Ca в Mg-ГАП [4]. Однако, тут возникают дополнительные электронные уровни энергии внутри запрещенной зоны Eg Mn-HAP, тогда как в Mg-HAP нет уровней внутри запрещенной зоны, изменяется только ширина Eg. При введении Mn изменяется энергия фотовозбуждения, и ее эффективное значение Eg* становится меньше ширины запрещенной зоны Eg в чистом ГАП. Возникают также и магнитные свойства HAP-Mn (до 5 магн.Бора/ячейку для 1-го Mn) пропорциональные количеству введенного Mn. Экспериментальные измерения магнитных свойств Mn-ГАП образцов на вибрационном магнитометре VSM 8604 дали значения намагниченности до 0.3 emu/g в поле 1.5 T при температуре 300 К. Полученные результаты свидетельствуют о хорошей перспективе возможных применений создаваемых Mn-ГАП структур.

Литература

1. Tampieri A., et al. Acta Biomater., V. 8, 2012, P. 843–851.

2. Bystrov V., Paramonova E., et al. Nanomaterials, V. 11, 2021, P. 2752.

3. Быстров В.С., и др. Изв. РАН. Серия физическая, Т. 88, № 5, 2024, С. 80-86.

4. Bystrov V.S., Paramonova E.V., Avakyan L.A., et. al., Materials, V. 16, 2023, P. 5945.

• тезисы на русском языке (PDF)