Hydroksyapatyt: struktura, synteza, kryształy i zastosowania
Hydroksyapatyt jest minerałem fosforanu wapnia, którego wzór chemiczny to Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 . Wraz z innymi minerałami i materią organiczną pozostaje rozdrobniony i zagęszczony, tworzy surowiec znany jako skała fosforowa. Termin „hydroksyl” odnosi się do anionu OH-.
Gdyby zamiast tego anionu znajdował się fluorek, minerał nazywałby się fluoroapatytem (Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2, a więc z innymi anionami (Cl-, Br-, CO 3 2-, itp.)., hydroksyapatyt jest głównym nieorganicznym składnikiem kości i szkliwa dentystycznego, głównie w postaci krystalicznej.
Następnie jest istotnym elementem w tkankach kości żywych istot. Jego duża stabilność wobec innych fosforanów wapnia pozwala mu wytrzymać warunki fizjologiczne, nadając kościom charakterystyczną twardość. Hydroksyapatyt nie jest sam: spełnia swoją funkcję wraz z kolagenem, białkiem włóknistym tkanek łącznych.
Hydroksyapatyt (lub hydroksyloapatyt) zawiera jony Ca2 +, ale może również zawierać w swojej strukturze inne kationy (Mg2 +, Na +), które ingerują w inne procesy biochemiczne kości (takie jak przebudowa).
Struktura
Górny obraz ilustruje strukturę hydroksyapatytu wapnia. Wszystkie kule zajmują objętość połowy sześciokątnego „pudełka”, gdzie druga połowa jest identyczna z pierwszą.
W tej strukturze zielone kule odpowiadają kationom Ca2 +, podczas gdy czerwone kule odpowiadają atomom tlenu, pomarańczowe kule odpowiadają atomom fosforu, a białe kule odpowiadają atomowi wodoru OH-.
Jony fosforanowe na tym obrazie mają wadę polegającą na tym, że nie wykazują tetraedrycznej geometrii; zamiast tego wyglądają jak piramidy z kwadratowymi podstawami.
OH- sprawia wrażenie, że znajduje się daleko od Ca2 +. Jednak jednostka krystaliczna może się powtórzyć na dachu pierwszego, pokazując w ten sposób bliską odległość między obydwoma jonami. Jony te można również zastąpić innymi (na przykład Na + i F-).
Synteza
Hydroksyloapatyt można syntetyzować w reakcji wodorotlenku wapnia z kwasem fosforowym:
10 Ca (OH) 2 + 6 H3PO4 => Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18 H2O
Hydroksyapatyt (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) wyraża się za pomocą dwóch jednostek o wzorze Ca 5 (PO 4 ) 3 OH.
Podobnie, hydroksyapatyt można syntetyzować poprzez następującą reakcję:
10 Ca (NO3) 2. 4H2O + 6 NH4H2PO4 => Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 20 NH 4 NO 3 + 52 H2O
Kontrolowanie szybkości wytrącania pozwala tej reakcji generować nanocząstki hydroksyapatytu.
Kryształy hydroksyapatytu
Jony są zagęszczane i rosną, tworząc sztywny i odporny biokryształ. Jest stosowany jako biomateriał do mineralizacji kości.
Potrzebuje jednak kolagenu, organicznego wsparcia, które służy jako forma jego wzrostu. Te kryształy i ich skomplikowane procesy formowania będą zależeć od kości (lub zęba).
Kryształy te są impregnowane materią organiczną, a zastosowanie technik mikroskopii elektronowej wyszczególnia je w zębach jako agregaty z formami prętów zwanymi pryzmatami.
Używa
Zastosowanie medyczne i dentystyczne
Ze względu na podobieństwo wielkości, krystalografii i składu z twardą tkanką ludzką, nanohydroksyapatyt jest atrakcyjny do stosowania w protezach. Ponadto nanohydroksyapatyt jest biokompatybilny, bioaktywny i naturalny, a także nie jest toksyczny ani zapalny.
W związku z tym ceramika nanohydroksyapatytowa ma wiele zastosowań, w tym:
- W chirurgii tkanki kostnej stosuje się do wypełniania ubytków w operacjach ortopedycznych, traumatologicznych, szczękowo-twarzowych i stomatologicznych.
- Jest stosowany jako powłoka na implanty ortopedyczne i dentystyczne. Jest to środek odczulający stosowany po wybielaniu zębów. Jest również stosowany jako środek remineralizujący w pastach do zębów i we wczesnym leczeniu próchnicy.
- Implanty ze stali nierdzewnej i tytanu są często powlekane hydroksyapatytem w celu zmniejszenia współczynnika odrzucenia.
- Jest alternatywą dla allogenicznych i ksenogenicznych przeszczepów kostnych. Czas gojenia jest krótszy w obecności hydroksyapatytu niż w przypadku jego braku.
- Syntetyczny nanohydroksyapatyt naśladuje hydroksyapatyt naturalnie występujący w zębinie i steroidowym apatycie, więc jego zastosowanie jest korzystne w naprawie szkliwa i wprowadzaniu do past do zębów, a także płukaniu jamy ustnej
Inne zastosowania hydroksyapatytu
- Hydroksyapatyt jest stosowany w filtrach powietrza pojazdów silnikowych, aby zwiększyć ich skuteczność w absorpcji i rozkładzie tlenku węgla (CO). Zmniejsza to zanieczyszczenie środowiska.
- Zsyntetyzowano kompleks alginian-hydroksyapatyt, który wykazał, że testy polowe są w stanie absorbować fluor poprzez mechanizm wymiany jonowej.
- Hydroksyapatyt jest stosowany jako podłoże chromatograficzne dla białek. Przedstawia ładunki dodatnie (Ca ++) i ładunki ujemne (PO 4 -3), dzięki czemu może oddziaływać z białkami naładowanymi elektrycznie i umożliwiać ich rozdzielanie przez wymianę jonową.
- Hydroksyapatyt był również stosowany jako nośnik do elektroforezy kwasów nukleinowych. Oddziel DNA od RNA, a także DNA z pojedynczej nici dwuniciowego DNA.
Właściwości fizyczne i chemiczne
Hydroksyapatyt to białe ciało stałe, które może uzyskać szarawe, żółte i zielone odcienie. Ponieważ jest to krystaliczne ciało stałe, ma wysokie temperatury topnienia, wskazujące na silne oddziaływania elektrostatyczne; dla hydroksyapatytu jest to 1100 ° C.
Jest gęstszy niż woda, o gęstości 3, 05 - 3, 15 g / cm3. Ponadto jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie (0, 3 mg / ml), co wynika z jonów fosforanowych.
Jednak w środowisku kwaśnym (jak w HCl) jest rozpuszczalny. Ta rozpuszczalność jest spowodowana tworzeniem CaCl2, soli wysoce rozpuszczalnej w wodzie. Ponadto fosforany są protonowane (HPO 4 2- i H 2 PO 4 -) i oddziałują w większym stopniu z wodą.
Rozpuszczalność hydroksyapatytu w kwasach jest ważna w patofizjologii próchnicy. Bakterie w jamie ustnej wydzielają kwas mlekowy, produkt fermentacji glukozy, który obniża pH powierzchni zębów do mniej niż 5, tak że hydroksyapatyt zaczyna się rozpuszczać.
Fluor (F-) może zastąpić jony OH- w strukturze krystalicznej. Gdy tak się dzieje, przyczynia się do odporności hydroksyapatytu szkliwa na kwasy.
Być może ten opór może być spowodowany nierozpuszczalnością utworzonego CaF 2, odmawiając „opuszczenia” kryształu.
