Хидроксиапатит: структура, синтез, кристали и приложения
Хидроксиапатитът е калциев фосфатен минерал, чиято химична формула е Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 . Заедно с други минерали и органична материя остава смачкан и уплътнен, той образува суровината, известна като фосфорна скала. Терминът "хидрокси" се отнася до ОН-анион.
Ако вместо този анион е флуорид, минералът ще се нарича флуорапатит (Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2, и така с други аниони (Cl-, Br-, CO 3 2- и т.н.). Хидроксиапатитът е основният неорганичен компонент на костите и зъбния емайл, предимно в кристална форма.
След това тя е жизненоважен елемент в костните тъкани на живите същества. Неговата голяма устойчивост срещу други калциеви фосфати позволява да издържа на физиологични условия, придавайки на костите характерната им твърдост. Хидроксиапатитът не е сам: той изпълнява функцията си, придружен от колаген, влакнестият протеин на съединителната тъкан.
Хидроксиапатитът (или хидроксилапатит) съдържа Са2 + йони, но може също така да съдържа други катиони (Mg2 +, Na +) в неговата структура, примеси, които се намесват в други биохимични процеси на костите (като ремоделиране).
структура
Горното изображение илюстрира структурата на калциев хидроксиапатит. Всички сфери заемат обема на половината от шестоъгълна "кутия", където другата половина е идентична с първата.
В тази структура зелените сфери съответстват на Са2 + катионите, докато червените сфери съответстват на кислородните атоми, оранжевите сфери съответстват на фосфоровите атоми, а белите сфери съответстват на водородния атом на ОН-.
Фосфатните йони в този образ имат дефект, който не показва тетраедрична геометрия; вместо това те изглеждат като пирамиди с квадратни бази.
OH- създава впечатлението, че се намира далеч от Са2 +. Въпреки това, кристалната единица може да се повтаря на покрива на първия, като по този начин показва близостта между двата йона. Също така, тези йони могат да бъдат заменени с други (Na + и F-, например).
синтез
Хидроксилапатитът може да се синтезира чрез реакция на калциев хидроксид с фосфорна киселина:
10 Ca (OH) 2 + 6H3PO4 => Са10 (РО4) 6 (ОН) 2 + 18Н20
Хидроксиапатит (Са10 (РО4) 6 (ОН) 2 ) се изразява чрез две единици с формула Са 5 (РО 4 ) ЗОН.
По същия начин, хидроксиапатитът може да бъде синтезиран чрез следната реакция:
10 Са (NO3) 2. 4H2O + 6 NH4H2PO4 => Са10 (РО4) 6 (ОН) 2 + 20 NH4NO3 + 52H2O
Контролирането на скоростта на утаяване позволява тази реакция да генерира наночастици от хидроксиапатит.
Кристали на хидроксиапатит
Ионите се уплътняват и растат, за да образуват твърд и устойчив биокристал. Той се използва като биоматериал за минерализация на костите.
Въпреки това, той се нуждае от колаген, органична поддръжка, която служи като матрица за неговия растеж. Тези кристали и техните сложни процеси на образуване ще зависят от костта (или зъба).
Тези кристали растат импрегнирани с органична материя, а прилагането на техники за електронна микроскопия ги описва в зъбите като агрегати с форми на пръчки, наречени призми.
приложения
Медицинска и стоматологична употреба
Поради своята сходство по размер, кристалография и състав с твърда човешка тъкан, нанохидроксиапатитът е привлекателен за използване в протези. Също така, нанохидроксиапатитът е биосъвместим, биоактивен и естествен, както и не е токсичен или възпалителен.
Съответно нанохидроксиапатитната керамика има разнообразни приложения, които включват:
- В хирургията на костната тъкан се използва за пълнене на кухини в ортопедични, травматологични, лицево-челюстни и стоматологични кабинети.
- Използва се като покритие за ортопедични и зъбни импланти. Това е десенсибилизиращо средство, използвано след избелване на зъбите. Използва се и като реминерализиращ агент в пастите за зъби и в ранното лечение на кариеса.
- Имплантите от неръждаема стомана и титан често се покриват с хидроксиапатит, за да се намали скоростта им на отхвърляне.
- Това е алтернатива на алогенните и ксеногенни костни присадки. Времето за заздравяване е по-кратко в присъствието на хидроксиапатит, отколкото в неговото отсъствие.
- Синтетичният нанохидроксиапатит имитира естествено присъстващия хидроксиапатит в дентина и стероидния апатит, така че използването му е благоприятно при възстановяването на емайла и включването му в пастите за зъби, както и при изплакване на устата.
Други приложения на хидроксиапатит
- Хидроксиапатитът се използва във въздушните филтри на моторни превозни средства, за да се повиши ефективността на тези при абсорбцията и разлагането на въглеродния оксид (СО). Това намалява замърсяването на околната среда.
- Синтезира се алгинатно-хидроксиапатитен комплекс, който показва, че полевите тестове са способни да абсорбират флуора чрез механизма на йонообмен.
- Хидроксиапатитът се използва като хроматографска среда за протеини. Това представлява положителни заряди (Ca ++) и отрицателни заряди (PO 4 -3), така че може да взаимодейства с електрически заредени протеини и да позволи тяхното разделяне чрез йонен обмен.
- Хидроксиапатитът се използва и като поддръжка за електрофореза на нуклеинови киселини. Отделете ДНК от РНК, както и ДНК от единична верига от двуверижна ДНК.
Физични и химични свойства
Хидроксиапатитът е бяло твърдо вещество, което може да придобие сиви, жълти и зелени тонове. Тъй като това е кристално твърдо вещество, то има високи точки на топене, което е показателно за силни електростатични взаимодействия; за хидроксиапатит, това е 1100 ° С.
Тя е по-плътна от вода, с плътност от 3, 05 - 3, 15 g / cm3. Освен това, той е практически неразтворим във вода (0.3 mg / mL), което се дължи на фосфатните йони.
Въпреки това, в кисела среда (като в HCl) тя е разтворима. Тази разтворимост се дължи на образуването на CaCl2, сол, която е силно разтворима във вода. Също така, фосфатите се протонират (HPO 4 2- и H 2 PO 4 -) и взаимодействат в по-голяма степен с вода.
Разтворимостта на хидроксиапатита в киселини е важна за патофизиологията на кариеса. Бактериите в устната кухина отделят млечна киселина, продукт на ферментацията на глюкоза, която понижава рН на повърхността на зъбите до по-малко от 5, така че хидроксиапатитът започва да се разтваря.
Флуорът (F-) може да замести ОН-йони в кристалната структура. Когато това се случи, то допринася за устойчивостта на хидроксиапатита на зъбния емайл срещу киселините.
Вероятно това съпротивление може да се дължи на неразтворимостта на образувания CaF2, отказвайки да "напусне" кристала.
