Struktura hydroksyapatytu, synteza, kryształy i zastosowania

The hydroksyapatyt jest minerałem fosforanu wapnia, którego wzór chemiczny to Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Wraz z innymi minerałami i materią organiczną pozostaje rozdrobniony i zagęszczony, tworzy surowiec znany jako skała fosforowa. Termin hydroksy odnosi się do anionu OH^-.

Gdyby zamiast tego anionu był fluorek, minerał nazywałby się fluoroapatytem (Ca₁₀(PO₄)₆(F)₂; i tak z innymi anionami (Cl^-, Br^-, CO₃^2-, itd.). Podobnie, hydroksyapatyt jest głównym nieorganicznym składnikiem kości i szkliwa zębów, występującym 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 Ca.²⁺, ale może również zawierać inne kationy w swojej strukturze (Mg²⁺, Na⁺), zanieczyszczenia, które wpływają na inne procesy biochemiczne kości (takie jak przebudowa).

Indeks

• 1 Struktura
• 2 Podsumowanie
• 3 kryształy hydroksyapatytu
• 4 zastosowania
  • 4.1 Zastosowanie medyczne i dentystyczne
  • 4.2 Inne zastosowania hydroksyapatytu
• 5 Właściwości fizyczne i chemiczne
• 6 referencji

Struktura

Górny obraz ilustruje strukturę hydroksyapatytu wapnia. Wszystkie kule zajmują objętość połowy sześciokątnej „szuflady”, gdzie druga połowa jest identyczna z pierwszą.

W tej strukturze zielone kule odpowiadają kationom Ca²⁺, podczas gdy czerwone sfery do atomów tlenu, pomarańczowe kulki do atomów fosforu, a białe sfery do atomu wodoru OH^-.

Jony fosforanowe na tym obrazie mają wadę polegającą na tym, że nie wykazują tetraedrycznej geometrii; zamiast tego wyglądają jak piramidy kwadratowe.

OH^- sprawia wrażenie, że znajduje się daleko od Ca.²⁺. Jednakże jednostka krystaliczna może się powtórzyć na dachu pierwszego, pokazując w ten sposób bliską odległość między obydwoma jonami. Ponadto jony te można zastąpić innymi (Na⁺ i F^-, na przykład).

Synteza

Hydroksyloapatyt można syntetyzować w reakcji wodorotlenku wapnia z kwasem fosforowym:

10 Ca (OH)₂ + 6 H₃PO₄ => Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 18 H₂O

Hydroksyapatyt (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) jest wyrażony przez dwie jednostki o wzorze Ca₅(PO₄)₃OH. 

Podobnie, hydroksyapatyt można syntetyzować poprzez następującą reakcję:

10 Ca (NIE₃)_2.4H₂O + 6 NH₄H₂PO₄ => Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂  +  20 NH₄NIE₃  + 52 H₂O

Kontrolowanie szybkości wytrącania pozwala tej reakcji generować nanocząstki hydroksyapatytu.

Kryształy hydroksyapatytu

Jony są zagęszczane i rosną, tworząc sztywny i odporny biokryształ. Jest to wykorzystywane jako biomateriał 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, oprócz tego, że nie jest toksyczny ani zapalny.

W związku z tym ceramika nanohydroksyapatytowa ma wiele zastosowań, w tym:

- W chirurgii tkanki kostnej służy do wypełniania ubytków w operacjach ortopedycznych, traumatologicznych, szczękowo-twarzowych i stomatologicznych.

- Jest stosowany jako powłoka do implantów ortopedycznych i dentystycznych. 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 szybkości odrzucania.

- 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 obecny w zębinie i steroidowym apatycie, więc jego zastosowanie jest korzystne w naprawie szkliwa i wprowadzaniu do past do zębów, jak również 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 przez mechanizm wymiany jonowej.

- Hydroksyapatyt stosuje się jako podłoże chromatograficzne dla białek. To przedstawia ładunki dodatnie (Ca⁺⁺) i negatywne (PO₄^-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 krystaliczna substancja stała, ma wysokie temperatury topnienia, wskazujące na silne oddziaływania elektrostatyczne; dla hydroksyapatytu jest to 1100ºC.

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, sól wysoce rozpuszczalna w wodzie. Ponadto fosforany są protonowane (HPO)₄^2- i H₂PO₄^-) i lepiej współdziałać 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.

Fluorek (F^-) może zastąpić jony OH^- w strukturze kryształu. Gdy tak się dzieje, przyczynia się do odporności na hydroksyapatyt szkliwa zębów wobec kwasów.

Być może ten opór może być spowodowany nierozpuszczalnością CaF₂ uformowane, odmawiając „porzucenia” kryształu.

Referencje

1. Shiver i Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna (Czwarte wydanie, Strona 349, 627). Mc Graw Hill.
2. Fluidinova. (2017). Hydroksyloapatyt. Pobrane 19 kwietnia 2018 r. Z: fluidinova.com
3. Victoria M., García Garduño, Reyes J. (2006). Hydroksyapatyt, jego znaczenie w zmineralizowanych tkankach i jego zastosowaniu biomedycznym. TIP Specialized Journal in Chemical-Biological Sciences, 9 (2): 90-95
4. Gaiabulbanix. (05 listopada 2015). Hydroksyapatyt. [Rysunek] Pobrano 19 kwietnia 2018 r. Z: commons.wikimedia.org
5. Martin.Neitsov. (25 listopada 2015). Hüdroksüapatiidi kristallid. [Rysunek] Pobrano 19 kwietnia 2018 r. Z: commons.wikimedia.org
6. Wikipedia. (2018). Hydroksyloapatyt. Pobrane 19 kwietnia 2018 r. Z: en.wikipedia.org
7. Fiona Petchey. Kość. Pobrane 19 kwietnia 2018 r. Z: c14dating.com