Полікристалічний зразок природного фторапатита з родовища Хібіни (Кольський півострів). Кристали фторапатита мають зеленувато-сірий відтінок.
Монокристал природного апатиту в шматку породи.
Скам'янілі черепашки древніх морських мешканців - плеченогих тварин роду Lingula - в шматку породи.
Товщина нанокристалів біологічного апатиту становить всього 2-4 нанометра. <...>
Кістки ссавців мають пористу структуру.
Голчасті кристали біологічного апатиту зубної емалі.
Поверхня імплантується в ясна титанової втулки для кріплення штучних зубів покрита шаром фосфатів кальцію.
Для кращої биосовместимости штучні тазостегнові суглоби людини, зроблені з титану, частково покривають шаром фосфатів кальцію.
Циліндрична заготовка для імплантату, виготовлена з пористого фосфату кальцію.
Зразки виробів з фосфатів кальцію - готові імплантати і заготовки для них.
<
>
Неорганічних речовин, що накопичуються в значних кількостях живими організмами, не так вже й багато. До них відносяться: карбонат кальцію - з нього складаються корали і черепашки переважної більшості молюсків; оксалат кальцію, зустрічається в рослинах, а також у ссавців (наприклад, у складі каменів, що утворюються в нирках); двоокис кремнію, з якої утворені скелети більшості морських одноклітинних організмів, зокрема радиолярий; сульфати лужноземельних металів (зустрічаються в деяких рослинах і медуз); оксиди заліза (присутні в бактеріях, молюсках, деяких рослинах) і, нарешті, фосфати кальцію - основний будівельний матеріал кісток і зубів всіх хребетних тварин. Про фосфатах кальцію і піде розмова в цій статті.
Фосфати кальцію складаються з трьох хімічних елементів: кальцію, фосфору в ступені окислення +5 і кисню, який входить до складу фосфат-іона. Крім того, до складу багатьох фосфатів кальцію може входити і водень у вигляді кислого фосфат-аніону (наприклад, HPO42- і H2PO4-) або у вигляді води з утворенням кристалогідратів. Різноманітні комбінації оксидів кальцію і фосфору (як в присутності води, так і без неї) дають досить велика різноманітність різних фосфатів кальцію. По виду фосфат-іона розрізняють орто- (PO43-), мета- (PO3-), піро (P2O74-) і полі- ((PO3) nn-) фосфати кальцію, а в разі багатозарядних аніонів (вірно тільки для орто- і пірофосфатів) за кількістю залишилися іонів водню розрізняють одно-, двох-, трьох- і четирехзамещенние фосфати кальцію (останнє вірно тільки для пірофосфатів).
Все хімічно чисті фосфати кальцію мають білий колір; однак зустрічаються в природі мінерали фосфатів кальцію найчастіше пофарбовані, причому чітко встановлено, що забарвлення їм надають іони домішок, найбільш поширені з яких - домішки іонів заліза і рідкоземельних елементів. Більшість фосфатів кальцію малорастворіми в воді, зате всі вони розчинні в кислотах.
Найбільш важливі мінерали фосфору - апатит Са5 (РО4) 3Х, де Х - це фтор, рідше хлор або гідроксильна група; і фосфорит, основа якого - ортофосфат кальцію (Са3 (РО4) 2). Крім того, фосфор входить до складу деяких білкових речовин і міститься в рослинах і організмах тварин і людини.
Фосфатна руда зазвичай складається з дрібних кристаликів розміром менше 1 мм. Більші кристали зустрічаються рідко, а найбільш красиві шестигранні кристали або друзи природного фторапатита представляють колекційний інтерес.
У біологічних системах головне місце фосфатів кальцію - кістки і зуби хребетних тварин, тобто риб, земноводних, плазунів, птахів і ссавців. Крім цих нормальних і необхідних для живих організмів твердих тканин існують ще й небажані тверді відкладення (наприклад, зубний камінь, камені в сечовому міхурі, а також атеросклерозние бляшки кровоносних судин), які теж містять фосфати кальцію. Крім того, виявлено кілька видів викопних молюсків, чиї раковини складаються не з звичайного для молюсків карбонату кальцію, а з фосфату кальцію.
Всі ці біологічно освічені фосфати кальцію в науковій літературі прийнято називати терміном "біологічний апатит". Головна відмінність біологічного апатиту від просто апатиту полягає в їхній хімічний склад. Численними дослідженнями встановлено, що в біологічному апатит частина іонів кальцію, фосфату або гідроксиду заміщена іншими іонами. Наприклад, місця іонів кальцію можуть займати іони стронцію, магнію, натрію або калію; іони фосфату частково заміщені іонами карбонату, а в якості Х-іонів присутні гідроксид, фторид, хлорид або навіть карбонат. Уважний читач неодмінно зверне увагу на те, що багато іони-заступники мають відмінну від вихідних іонів величину заряду. Наприклад, серед заступників двозарядний іона кальцію присутні однозарядного іони натрію і калію, а заступником трехзарядного іона ортофосфата часто служить двозарядний іон карбонату. Компенсація електричних зарядів в біологічному апатит відбувається шляхом утворення необхідної кількості іонних вакансій, що призводить до Нестехіометричні (тобто змінному) хімічним складом біологічного апатиту.
Саме тому неможливо говорити про точний хімічний склад біологічного апатиту. Більш того, хімічний склад сильно залежить і від виду твердої тканини; він різний для зубів і кісток. В середньому кістки людини і ссавців містять 60-70% фосфатів кальцію, 20-30% колагену і до 10% води (значення змінюються в залежності від віку, харчування, стану здоров'я).
Кістки - найбільші тверді частини тіла людини і ссавців. В організмі у них дві основні функції: механічна підтримка тіла і сховище неорганічних іонів. Кістки ссавців - це композитний матеріал, що містить органічну (в основному білок колаген) і неорганічну (фосфати кальцію) фази. У цьому композиті фосфати кальцію надають кісткам механічну міцність, твердість, жорсткість і високу опірність до стискає навантажень, а колаген - деяку еластичність і в'язкість. На відміну від кістки кераміка, на 100% складається з фосфатів кальцію, тендітна і легко руйнується при ударному навантаженні або згинанні. Всередині матеріал кісток пористий, і ці пори заповнені рідиною, яка грає роль мастила, що, в свою чергу, додатково покращує пластичні властивості кісткової тканини.
Вважається, що зростання кістки починається з формування якогось каркаса з закручених в спіралі молекул колагену, всередині якого зароджуються і ростуть пластинчасті нанокристали біологічного апатиту. Плоскі нанокристали апатитів - товщина деяких становить всього 2-4 нанометра - укладені паралельно один одному і якимось (точно ще не з'ясованим) чином розташовуються між зібраними в пучки ниткоподібними молекулами колагену.
Кістки живої істоти не їсти щось застигле або омертвіле - вони знаходяться в безперервному динамічній рівновазі з навколишніми тканинами живого організму. Існуючі в організмі клітини, звані остеокластів, безперервно розчиняють біологічний апатит (ці клітини виділяють кислоту, яка і розчиняє фосфати кальцію); в той же час інші клітини - остеобласти - кристалізують біологічний апатит заново. Процеси постійного розчинення-кристалізації сприяють підтримці необхідної концентрації іонів кальцію і фосфату в тканинах організму, а також підтримці здоров'я кісткової тканини, оскільки виникли чомусь дефектні ділянки кістки розчиняються остеокластами в першу чергу, а натомість остеобласти кристалізують правильну і здорову кісткову тканину.
Як протікає процес утворення кісткової тканини з розчинених в крові іонів кальцію і фосфату з хімічної точки зору? Повної ясності немає. Якщо змішати водні розчини солей кальцію (наприклад, кальцій азотнокислий) і фосфату (наприклад, фосфат амонію) у певних пропорціях і в певних умовах, то, по ідеї, повинен закристалізуватися апатит. Однак численними дослідженнями доведено, що все не так просто: апатит, дійсно, утворюється, але не відразу: кристалізація відбувається через освіту одного або декількох проміжних фосфатів кальцію, званих фазами-попередниками. На підставі цих даних був зроблений висновок, що біологічний апатит кістки теж формується аналогічним чином. Правда, до цих пір нікому з дослідників не вдалося чітко зафіксувати будь-які проміжні фази (або їх відсутність) в процесі росту кістки. Все впирається в експериментальних фундаментальні труднощі: якщо в пробірці можна провести кристалізацію і чекати скільки завгодно довго, періодично відбираючи проби на аналіз, то з живою кісткою такий експеримент не проведеш. Тому вчені змушені задовольнятися лише непрямими даними: наприклад, на сьогоднішній день встановлено, що хімічний склад біологічного апатиту молодих кісток (наприклад, дитинчат тварин) відрізняється від складу апатиту дорослих і старих тварин.
Друге за значимістю місце (після кісток) в твердих тканинах живих організмів займають зуби. З хімічної точки зору структура зубів людини і всіх ссавців виявилася складнішою, ніж структура кістки: зуби складаються з зовнішньої дуже твердої частини, званої емаллю, і внутрішньої більш м'якої частини, званої дентином. Хімічний склад і властивості дентину і кістки досить близькі (тому майже все вищесказане про кістки відноситься і до дентину), в той час як хімічний склад зубної емалі сильно відрізняється, наближаючись до складу чистого апатиту.
Головна відмінність емалі від дентину і кістки полягає в тому, що перша майже не містить органічної фази. Саме тому зубна емаль - самий твердий матеріал в організмі людини і ссавців. Додаткову твердість їй надають іони фтору, завдяки чому утворюється найменш розчинна і найбільш тверда форма апатитів - фторапатит. Саме з цієї причини випускають зубну пасту, що містить фтор: при контакті із зубною емаллю іони фтору частково вступають в хімічну взаємодію з утворенням фторапатита, що підвищує опірність емалі розчиненню в кислотах, що виділяються живуть в порожнині рота бактеріями. (Тут варто пояснити, що з хімічної точки зору зубний карієс - це процес розчинення біологічного апатиту в слабких органічних кислотах.)
Вважається, що механізм утворення зубної емалі мало чим відрізняється від утворення кісткової тканини (та ж мінералізація органічної матриці, то ж ймовірне наявність фаз-попередників). Однак органічної фази в зубної емалі набагато менше, вона не містить білка колагену, а кристали емалі мають довжину до 100 мікрон. Проте в літературі є відомості, що на початкових етапах формування зубна емаль містить тільки близько 50% біологічного апатиту, частка якого з часом збільшується до 98-99%. Крім того, пошкоджена зубна емаль не відновлюється клітинами, подібними остеокластів і остеобластів. Отже, емаль можна вважати в деякій мірі "мертвої" тканиною живих організмів (на відміну від "живої" кістки.)
Потрібно коротко згадати про наявність ще однієї фази, по-англійськи званої "enameloid" (відповідного російського терміну ще немає), яка існує на межі поділу фаз між емаллю та дентином. Встановлено, що ця фаза складається з кристалів біологічного апатиту, таких же, як в зубної емалі, але знаходяться в органічній матриці білка колагену, як в дентині і кістки. Поки що властивості цієї проміжної фази недостатньо добре вивчені.
Оскільки неорганічний компонент кісток і зубів людини і ссавців складається з фосфатів кальцію біологічного походження, очевидно, що з точки зору біосумісності (тобто здатності живих організмів приймати чужорідні речовини без відторгнення) штучні замінники кісток і зубів (імплантати), зроблені з фосфатів кальцію, повинні бути оптимальними. Так і є, однак імплантати, виготовлені з чистих фосфатів кальцію, практично не застосовують в медицині: по-перше, вони дуже крихкі, а по-друге, з них важко виготовити вироби заданої форми. Тут потрібно згадати, що кістки і дентин мають пористу структуру і містять до 40% органічної фази, яка істотно покращує їх механічні властивості. Отже, ідеальний кістковий імплантат теж повинен містити органічну фазу і бути пористим, щоб в нього могли проростати м'які тканини живого організму.
Існують наступні "обхідні" шляхи для подолання поганих механічних властивостей фосфатів кальцію.
Імплантат можна зробити з будь-якого міцного матеріалу (титан, нержавіюча сталь і т.д.), а щоб зробити його біосумісним, покрити зверху (наприклад, шляхом плазмового напилення або осадженням з пересичені розчину) шаром фосфатів кальцію. В цьому випадку всі механічні навантаження ляжуть на міцну металеву серцевину, а поверхневий шар фосфатів кальцію сприятиме приживлюваності. Таким способом виготовляють, наприклад, штучні тазостегнові суглоби і імплантуються в ясна втулки для кріплення на них штучних (зазвичай зроблених з кераміки) зубів.
Можна піти по шляху, прокладеному природою, і приготувати органомінеральний композит, що складається з фосфатів кальцію і будь-якого біологічно сумісного або хоча б інертного полімеру. Найпростіший спосіб приготування - коли додають порошкоподібний фосфат кальцію в розчин або розплав полімеру і ретельно перемішують утворилася суміш, а потім формують готові вироби. Такі композити вже існують, і їх намагаються використати для виготовлення невеликих кісток.
Щоб виправити дрібні дефекти великих кісток (заповнити тріщини або відновити штучно вилучені невеликі фрагменти), використовують в'язкі суспензії фосфатів кальцію у водному розчині будь-якого біологічно сумісного полімеру (наприклад, крохмалю). Такі суспензії можна шприцом вводити в місця кісткових дефектів, і тоді остеокласти і остеобласти використовують їх як будівельний матеріал, щоб побудувати нову фішку.
Особливу категорію представляють самозастигаюча цементи, зроблені з порошків двох різних фосфатів кальцію. Підбирають пару: кислий фосфат кальцію (наприклад, CaHPO4) і лужної фосфат кальцію (наприклад, Ca4 (PO4) 2O або просто гідроксид або карбонат кальцію), ретельно змішують в необхідних пропорціях і додають або воду, або розбавлений водний розчин фосфорної кислоти. В результаті протікають хімічних реакцій цемент твердне і утворюється апатит. Цей спосіб хороший тим, що таким цементом легко заповнити кісткові дефекти, що мають саму хитромудру геометричну форму.
Можна приготувати з фосфатів кальцію пористий імплантат. Наприклад, занурити звичайну губку в водну суспензію фосфатів кальцію, що містить добавки, які сприяють прилипанню, а потім прожарити її при температурі близько 1200 ° С: губка і все органічні добавки згорять і залишиться "голий скелет" з фосфатів кальцію. Якщо покрити його зовні шаром біосумісного полімеру, вийде структура, схожа на триплекс - лобове скло автомобіля, яке, завдяки полімерній плівці, при аварії не розсипається на дрібні шматочки. Переваги таких матеріалів очевидні: хірург може просто відрізати (відпиляти) шматок необхідного розміру і форми від великого шматка пористої кераміки, не побоюючись його руйнування.
Як протікає процес утворення кісткової тканини з розчинених в крові іонів кальцію і фосфату з хімічної точки зору?
