ГИДРОКСИАПАТИТ: СТРУКТУРА, СИНТЕЗ, КРИСТАЛЛЫ И ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Гидроксиапатита представляет собой фосфат кальция минерал, химическая формула которого Са ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (ОН) ₂ . Наряду с другими минералами и остатками измельченного и уплотненного органического вещества он образует сырье, известное как фосфатная порода. Термин гидрокси относится к аниону ОН ^- .

Если бы вместо этого аниона это был фторид, минерал назывался бы фторапатитом (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (F) ₂ и т. Д. С другими анионами (Cl ^- , Br ^- , CO ₃ ^2– и т. Д.). Гидроксиапатит является основным неорганическим компонентом костей и зубной эмали, преимущественно присутствующим в кристаллической форме.

Итак, это жизненно важный элемент в костных тканях живых существ. Его высокая устойчивость к другим фосфатам кальция позволяет ему противостоять физиологическим условиям, придавая костям характерную твердость. Гидроксиапатит не одинок: он выполняет свою функцию вместе с коллагеном, волокнистым белком в соединительных тканях.

Гидроксиапатит (или гидроксилапатит) содержит ионы Ca ²⁺ , но он также может содержать другие катионы (Mg ²⁺ , Na ⁺ ) в своей структуре , примеси, которые вмешиваются в другие биохимические процессы костей (например, их ремоделирование).

Структура

На верхнем изображении показана структура гидроксиапатита кальция. Все сферы занимают объем одной половины шестиугольного «ящика», где вторая половина идентична первой.

В этой структуре зеленые сферы соответствуют катионам Ca ²⁺ , тогда как красные сферы соответствуют атомам кислорода, оранжевые сферы - атомам фосфора, а белые сферы - атому водорода OH ^- .

Ионы фосфата на этом изображении не имеют тетраэдрической геометрии; вместо этого они выглядят как пирамиды с квадратными основаниями.

OH ^- создается впечатление, что он расположен далеко от Ca ²⁺ . Однако кристаллический элемент может повторяться на крыше первого, показывая тем самым близость между обоими ионами. Точно так же эти ионы могут быть заменены другими (например, Na ⁺ и F ^- ).

Синтез

Гидроксилапатит может быть синтезирован путем реакции гидроксида кальция с фосфорной кислотой:

10 Ca (OH) ₂ + 6 H ₃ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 18 H ₂ O

Гидроксиапатит (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) выражается двумя единицами формулы Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH.

Точно так же гидроксиапатит можно синтезировать с помощью следующей реакции:

10 Ca (NO ₃ ) _2. 4H ₂ O + 6 NH ₄ H ₂ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 20 NH ₄ NO ₃ + 52 H ₂ O

Регулирование скорости осаждения позволяет этой реакции генерировать наночастицы гидроксиапатита.

Кристаллы гидроксиапатита

Ионы уплотняются и растут, образуя прочный и жесткий биокристалл. Он используется в качестве биоматериала для минерализации костей.

Однако ему нужен коллаген - органическая опора, которая действует как форма для его роста. Эти кристаллы и сложные процессы их образования будут зависеть от кости (или зуба).

Эти кристаллы растут, пропитанные органическим веществом, и применение методов электронной микроскопии детализирует их на зубах в виде стержневидных агрегатов, называемых призмами.

Приложения

Медицинское и стоматологическое использование

Из-за сходства с твердыми тканями человека по размеру, кристаллографии и составу наногидроксиапатит является привлекательным для использования в протезировании. Кроме того, наногидроксиапатит является биосовместимым, биологически активным и натуральным, помимо того, что он не токсичен и не вызывает воспаления.

Следовательно, керамика с наногидроксиапатитом имеет множество применений, в том числе:

- В хирургии костной ткани используется для заполнения полостей при ортопедических, травматологических, челюстно-лицевых и стоматологических операциях.

- Используется как покрытие для ортопедических и дентальных имплантатов. Это десенсибилизирующее средство, используемое после отбеливания зубов. Он также используется в качестве реминерализующего агента в зубных пастах и ​​при раннем лечении кариеса.

- Имплантаты из нержавеющей стали и титана часто покрывают гидроксиапатитом, чтобы снизить скорость их отторжения.

- Это альтернатива аллогенным и ксеногенным костным трансплантатам. Время заживления короче в присутствии гидроксиапатита, чем в его отсутствие.

- Синтетический наногидроксиапатит имитирует гидроксиапатит, естественно присутствующий в дентине и апатите эмали, что делает его полезным для восстановления эмали и включения в зубные пасты, а также в жидкости для полоскания рта.

Другие применения гидроксиапатита

- Гидроксиапатит используется в воздушных фильтрах автомобилей для повышения их эффективности по поглощению и разложению монооксида углерода (CO). Это снижает загрязнение окружающей среды.

- Был синтезирован комплекс альгинат-гидроксиапатит, полевые испытания показали, что он способен поглощать фторид посредством механизма ионного обмена.

- Гидроксиапатит используется в качестве хроматографической среды для белков. Он имеет положительные заряды (Ca ⁺⁺ ) и отрицательные заряды (PO ₄ ^-3 ), поэтому он может взаимодействовать с электрически заряженными белками и обеспечивать их разделение посредством ионного обмена.

- Гидроксиапатит также использовался в качестве основы для электрофореза нуклеиновых кислот. Можно отделить ДНК от РНК, а также одноцепочечную ДНК от двухцепочечной ДНК.

Физические и химические свойства

Гидроксиапатит - белое твердое вещество, которое может приобретать сероватый, желтый и зеленоватый оттенки. Поскольку это твердое кристаллическое вещество, оно имеет высокие температуры плавления, что свидетельствует о сильных электростатических взаимодействиях; для гидроксиапатита это 1100ºC.

Он плотнее воды, имеет плотность 3,05 - 3,15 г / см ³ . Кроме того, он практически не растворяется в воде (0,3 мг / мл), что связано с ионами фосфата.

Однако в кислой среде (например, в HCl) он растворим. Эта растворимость обусловлена ​​образованием CaCl ₂ , хорошо растворимой в воде соли. Точно так же фосфаты протонированы (HPO ₄ ^2– и H ₂ PO ₄ ^- ) и в большей степени взаимодействуют с водой.

Растворимость гидроксиапатита в кислотах важна для патофизиологии кариеса. Бактерии в полости рта выделяют молочную кислоту, продукт ферментации глюкозы, которая снижает pH поверхности зуба до менее 5, поэтому гидроксиапатит начинает растворяться.

Фтор (F ^- ) может заменять ионы OH ^- в кристаллической структуре. Когда это происходит, он обеспечивает устойчивость гидроксиапатита зубной эмали к кислотам.

Возможно, это сопротивление может быть связано с нерастворимостью образовавшегося CaF ₂ , отказывающегося «покидать» кристалл.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое изд., Стр. 349, 627). Мак Гроу Хилл.
2. Fluidinova. (2017). Гидроксилапатитная. Получено 19 апреля 2018 г. с: fluidinova.com
3. Виктория М., Гарсиа Гардуньо, Рейес Дж. (2006). Гидроксиапатит, его значение в минерализованных тканях и его биомедицинское применение. Специализированный журнал TIP по химико-биологическим наукам, 9 (2): 90-95
4. Gaiabulbanix. (5 ноября 2015 г.). Гидроксиапатита. , Получено 19 апреля 2018 г. с: commons.wikimedia.org.
5. Мартин Нейцов. (2015, 25 ноября). Hüdroksüapatiidi kristallid. , Получено 19 апреля 2018 г. с: commons.wikimedia.org.
6. Wikipedia. (2018). Гидроксилапатитная. Получено 19 апреля 2018 г. с сайта en.wikipedia.org.
7. Фиона Петчей. Кость. Получено 19 апреля 2018 г. с: c14dating.com