Гидроксиапатит - Hydroxyapatite

Гидроксиапатит
Mineraly.sk - hydroxylapatit.jpg
Кристаллы гидроксиапатита на матрице
Общий
Категория Фосфатный минерал группа
апатита
Формула
(повторяющаяся единица)
Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)
Классификация Струнца 8.BN.05
Кристаллическая система Шестиугольный
Кристалл класс Дипирамидальный (6 / м)
Символ HM (6 / м)
Космическая группа P 6 3 / м
Ячейка а = 9,41 Å, с = 6,88 Å; Z = 2
Идентификация
Формула массы 502,31 г / моль
Цвет Бесцветный, белый, серый, желтый, желтовато-зеленый
Хрустальная привычка В виде пластинчатых кристаллов и сталагмитов, конкреций, от кристаллических до массивных корок.
Расщепление Плохо на {0001} и {10 1 0}
Перелом Конхоидальный
Упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 5
Блеск Стекловидное до полусмолистого, землистого
Полоса белый
Прозрачность От прозрачного до полупрозрачного
Удельный вес 3,14–3,21 (измерено), 3,16 (рассчитано)
Оптические свойства Одноосный (-)
Показатель преломления n ω = 1,651 n ε = 1,644
Двулучепреломление δ = 0,007
использованная литература
Гидроксиапатит
Игольчатые кристаллы гидроксиапатита на нержавеющей стали. Снимок с растрового электронного микроскопа Тартуского университета .
Наноразмерное покрытие Ca-HAp, изображение, полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа
Трехмерная визуализация половины элементарной ячейки гидроксиапатита с помощью рентгеновской кристаллографии.

Гидроксиапатит , также называемый гидроксилапатитом ( HA ), представляет собой природную минеральную форму апатита кальция с формулой Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH), но обычно пишется Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 для обозначения что элементарная ячейка кристалла состоит из двух частей . Гидроксиапатит является концевым гидроксильным членом сложной группы апатита . Ион ОН - можно заменить фторидом , хлоридом или карбонатом , образуя фторапатит или хлорапатит . Он кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе . Чистый порошок гидроксиапатита белого цвета. Однако встречающиеся в природе апатиты также могут иметь коричневую, желтую или зеленую окраску, сравнимую с изменением цвета при флюорозе зубов .

До 50% по объему и до 70% по весу кости человека составляют модифицированная форма гидроксиапатита, известного как костный минерал . Газированный гидроксиапатит с дефицитом кальция является основным минералом, из которого состоят зубная эмаль и дентин . Кристаллы гидроксиапатита также встречаются в небольших кальцификациях в шишковидной железе и других структурах, известных как корпоративные тела или «мозговой песок».

Химический синтез

Гидроксиапатит можно синтезировать несколькими методами, такими как влажное химическое осаждение, биомиметическое осаждение, золь-гель метод (влажное химическое осаждение) или электроосаждение. Суспензию нанокристаллов гидроксиапатита можно приготовить реакцией влажного химического осаждения, следуя приведенному ниже уравнению реакции:

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

Способность синтетически воспроизводить гидроксиапатит имеет неоценимое клиническое значение, особенно в стоматологии. Каждый метод дает кристаллы гидроксиапатита различных характеристик, таких как размер и форма. Эти изменения оказывают заметное влияние на биологические и механические свойства соединения, и поэтому эти продукты из гидроксиапатита имеют различное клиническое применение.

Кальций-дефицитный гидроксиапатит

Кальций-дефицитный (нестехиометрический) гидроксиапатит, Ca 10− x (PO 4 ) 6− x (HPO 4 ) x (OH) 2− x (где x находится между 0 и 1), имеет отношение Ca / P от 1,67 до 1.5. Отношение Ca / P часто используется при обсуждении фаз фосфата кальция. Стехиометрический апатит Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 имеет соотношение Ca / P 10: 6, обычно выражаемое как 1,67. Нестехиометрические фазы имеют структуру гидроксиапатита с катионными вакансиями (Ca 2+ ) и анионными (OH - ) вакансиями. Места, занятые исключительно фосфатными анионами в стехиометрическом гидроксиапатите, заняты фосфатными или гидрофосфатными анионами HPO 4 2- . Приготовление этих фаз с дефицитом кальция может быть получено осаждением из смеси нитрата кальция и диаммонийфосфата с желаемым соотношением Са / Р, например, для получения образца с соотношением Са / Р 1,6:

9,6 Ca (NO 3 ) 2 + 6 (NH 4 ) 2 HPO 4 → Ca 9,6 (PO 4 ) 5,6 (HPO 4 ) 0,4 (OH) 1,6

При спекании этих нестехиометрических фаз образуется твердая фаза, которая представляет собой однородную смесь трикальцийфосфата и гидроксиапатита, называемую двухфазным фосфатом кальция :

Ca 10− x (PO 4 ) 6− x (HPO 4 ) x (OH) 2− x → (1 - x ) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 3 x Ca 3 (PO 4 ) 2

Биологическая функция

Креветка-богомол

Дубинчатые придатки Odontodactylus scyllarus (креветки павлиньих богомолов) сделаны из чрезвычайно плотной формы минерала, который имеет более высокую удельную прочность; это привело к его исследованию на предмет возможного синтеза и инженерного использования. Их дактильные отростки обладают отличной ударопрочностью, поскольку ударная зона состоит в основном из кристаллического гидроксиапатита, который обладает значительной твердостью. Периодический слой под ударным слоем, состоящий из гидроксиапатита с более низким содержанием кальция и фосфора (что приводит к гораздо более низкому модулю упругости), препятствует росту трещин, заставляя новые трещины менять направление. Этот периодический слой также уменьшает энергию, передаваемую через оба слоя из-за большой разницы в модулях, даже отражая часть падающей энергии.

Млекопитающее / примат / человек

Гидроксиапатит присутствует в костях и зубах ; Кость состоит в основном из кристаллов HA, вкрапленных в коллагеновый матрикс - от 65 до 70% массы кости составляет HA. Точно так же ГК составляет от 70 до 80% массы дентина и эмали зубов. В эмали матрица для HA образована амелогенинами и эмелинами вместо коллагена.

Отложения гидроксиапатита в сухожилиях вокруг суставов приводят к заболеванию кальцифицирующим тендинитом .

Гидроксиапатит в реминерализации зубной эмали

Реминерализация зубной эмали включает повторное введение минеральных ионов в деминерализованную эмаль. Гидроксиапатит - основной минеральный компонент эмали зубов. Во время деминерализации ионы кальция и фосфора выводятся из гидроксиапатита. Минеральные ионы, введенные во время реминерализации, восстанавливают структуру кристаллов гидроксиапатита.

Использование в стоматологии

По состоянию на 2019 год использование гидроксиапатита или его синтетической формы, наногидроксиапатита, еще не является обычной практикой. Некоторые исследования показывают, что это полезно для противодействия гиперчувствительности дентина, предотвращения чувствительности после процедур отбеливания зубов и предотвращения кариеса. Гидроксиапатит скорлупы птичьих яиц может быть жизнеспособным наполнителем при процедурах регенерации костей в челюстно-лицевой хирургии.

Чувствительность дентина

Нано-гидроксиапатит обладает биологически активными компонентами, которые могут ускорить процесс минерализации зубов, устраняя гиперчувствительность. Считается, что гиперчувствительность зубов регулируется жидкостью в дентинных канальцах. Считается, что движение этой жидкости в результате различных стимулов возбуждает рецепторные клетки в пульпе и вызывает болевые ощущения. Физические свойства наногидроксиапатита могут проникать и закрывать канальцы, останавливая циркуляцию жидкости и, следовательно, болевые ощущения от раздражителей. Нано-гидроксиапатит был бы предпочтительнее, поскольку он параллелен естественному процессу реминерализации поверхности.

По сравнению с альтернативными методами лечения для снятия гиперчувствительности дентина лечение, содержащее наногидроксиапатит, показало лучшие клинические результаты. Было доказано, что нано-гидроксиапатит лучше, чем другие методы лечения, снижает чувствительность к испарительным стимулам, таким как воздушный поток, и тактильным стимулам, таким как постукивание по зубу стоматологическим инструментом. Однако не было замечено никакой разницы между наногидроксиапатитом и другими методами лечения холодовых раздражителей. Гидроксиапатит продемонстрировал значительные среднесрочные и долгосрочные десенсибилизирующие эффекты на гиперчувствительность дентина с использованием испарительных стимулов и визуальной аналоговой шкалы (наряду с нитратом калия, аргинином, глутаральдегидом с гидроксиэтилметакрилатом, гидроксиапатитом, адгезивными системами, стеклоиономерными цементами и лазером).

Соагент для отбеливания

Средства для отбеливания зубов выделяют активные формы кислорода, которые могут разрушать эмаль. Чтобы предотвратить это, в отбеливающий раствор можно добавить наногидроксиапатит, чтобы уменьшить воздействие отбеливающего агента за счет блокирования пор внутри эмали. Это снижает чувствительность после отбеливания.

Профилактика кариеса

Нано-гидроксиапатит обладает реминерализующим действием на зубы и может использоваться для предотвращения повреждений от кариозных атак. В случае кислотной атаки кариесогенных бактерий частицы наногидроксиапатита могут проникать в поры на поверхности зуба, образуя защитный слой. Кроме того, наногидроксиапатит может иметь способность восстанавливать повреждения от кариозных атак, либо напрямую заменяя поврежденные поверхностные минералы, либо действуя как связывающий агент для потерянных ионов.

В будущем есть возможности использования наногидроксиапатита для тканевой инженерии и восстановления. Основной и наиболее выгодной особенностью наногидроксиапатита является его биосовместимость. Он химически подобен встречающемуся в природе гидроксиапатиту и может имитировать структуру и биологическую функцию структур, обнаруженных в резидентном внеклеточном матриксе. Следовательно, его можно использовать в качестве каркаса для инженерных тканей, таких как кость и цемент. Его можно использовать для восстановления расщелины губ и неба и улучшения существующих практик, таких как сохранение альвеолярной кости после удаления для лучшего размещения имплантата.

В качестве стоматологического материала

Гидроксиапатит широко используется в стоматологии, а также в челюстно-лицевой хирургии из-за его химического сходства с твердыми тканями.

В некоторых зубных пастах гидроксиапатит можно найти в форме нанокристаллов (поскольку они легко растворяются). В последние годы нанокристаллы гидроксиапатита (нНА) использовались в зубной пасте для борьбы с гиперчувствительностью зубов. Они способствуют восстановлению и реминерализации эмали , тем самым предотвращая чувствительность зубов. Эмаль зуба может деминерализоваться из-за различных факторов, включая кислотную эрозию и кариес . Если не лечить, это может привести к обнажению дентина и последующему обнажению пульпы зуба . В различных исследованиях использование наногидроксиапатита в зубной пасте показало положительные результаты, способствующие реминерализации зубной эмали.

Доказано, что синтетический гидроксиапатит (SHA) обеспечивает успешные результаты при сохранении альвеолярных лунок. Пересадка лунок с использованием синтетического гидроксиапатита может привести к успешной регенерации кости.

Соображения безопасности

Европейская комиссия «s Научного комитет по безопасности потребителей (SCCS) выпустила официальное мнение в 2021 году, где он считается ли наноматериал гидроксиапатит безопасный при использовании в отпуске-на и смываемом кожные и устных косметические продукты, принимая во внимание достаточно обозримого условия воздействия. В нем говорилось:

Рассмотрев представленные данные и другую соответствующую информацию, доступную в научной литературе, SCCS не может сделать вывод о безопасности гидроксиапатита, состоящего из стержневидных наночастиц, для использования в косметических продуктах по уходу за полостью рта в максимальных концентрациях и спецификациях, указанных в этом заключении. Это связано с тем, что имеющихся данных / информации недостаточно, чтобы исключить опасения по поводу генотоксического потенциала HAP-nano.

Хроматография

Механизм хроматографии гидроксиапатита сложен и был описан как «смешанный режим». Он включает ионные взаимодействия между положительно заряженными группами на биомолекуле (часто белке) и фосфатными группами в гидроксиапатите, а также хелатирование металлов между ионами гидроксиапатита кальция и отрицательно заряженными фосфатными и / или карбоксильными группами на биомолекуле. Может быть трудно предсказать эффективность хроматографии на гидроксиапатите на основании физических и химических свойств желаемого очищаемого белка. Для элюирования обычно используется буфер с увеличивающейся концентрацией фосфата и / или нейтральной соли.

Использование в археологии

В археологии гидроксиапатит из останков человека и животных может быть проанализирован, чтобы реконструировать древние диеты , миграции и палеоклимат. Минеральные фракции костей и зубов действуют как резервуар микроэлементов , включая углерод, кислород и стронций. Стабильный изотопный анализ гидроксиапатита человека и фауны может использоваться для определения того, была ли диета преимущественно наземной или морской (углерод, стронций); географическое происхождение и миграционные привычки животного или человека (кислород, стронций) и реконструкция прошлых температур и климатических сдвигов (кислород). Пост-депозиционные изменения кости могут способствовать деградации костного коллагена, белка, необходимого для анализа стабильных изотопов.

Дефторирование

Гидроксиапатита является потенциальным Адсорбент для defluoridation из питьевой воды , так как она образует фторапатитовой в три этапа. Гидроксиапатит удаляет F - из воды, заменяя ОН - образующий фторапатит. Однако во время процесса дефторирования гидроксиапатит растворяется и увеличивает pH и концентрацию фосфат- иона, что делает дефторированную воду непригодной для питья. Недавно была предложена методика дефторирования «гидроксиапатита с поправками на кальций» для преодоления выщелачивания фосфата из гидроксиапатита. Этот метод также может повлиять на лечение флюороза путем подачи обогащенной кальцием щелочной питьевой воды на пораженные флюорозом участки.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

СМИ, связанные с гидроксилапатитом, на Викискладе?