HYDROKSYAPATYT: BUDOWA, SYNTEZA, KRYSZTAŁY I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Hydroksyapatyt jest minerałem fosforan wapnia, którego wzór chemiczny jest Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ . Wraz z innymi minerałami i pozostałościami pokruszonej i zbitej materii organicznej tworzy surowiec zwany fosforytem. Termin hydroksy odnosi się do anionu OH ^- .

Gdyby zamiast tego anionu był fluor, minerałby nazwanoby fluoroapatytem (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (F) ₂ ; i tak dalej z innymi anionami (Cl ^- , Br ^- , CO ₃ ^2– itd.). , hydroksyapatyt jest głównym nieorganicznym składnikiem kości i szkliwa zębów, występującym głównie w postaci krystalicznej.

Jest więc istotnym elementem w tkankach kostnych żywych istot. Jego duża stabilność względem innych fosforanów wapnia pozwala mu wytrzymać warunki fizjologiczne, nadając kościom ich charakterystyczną twardość. Hydroksyapatyt nie jest sam: spełnia swoją funkcję wraz z kolagenem, włóknistym białkiem w tkankach łącznych.

Hydroksyapatyt (lub hydroksyloapatyt) zawiera jony Ca ²⁺ , ale może również zawierać w swojej strukturze inne kationy (Mg ²⁺ , Na ⁺ ), zanieczyszczenia, które wpływają na inne procesy biochemiczne kości (np. Ich przebudowę).

Struktura

Górne zdjęcie przedstawia strukturę hydroksyapatytu wapnia. Wszystkie kule zajmują objętość jednej połowy sześciokątnej „szuflady”, podczas gdy druga połowa jest identyczna z pierwszą.

W tej strukturze zielone kule odpowiadają ^kationom Ca ²⁺ , czerwone - atomom tlenu, pomarańczowe - atomom fosforu, a białe - atomom wodoru OH ^- .

Jony fosforanowe na tym zdjęciu mają wadę polegającą na tym, że nie wykazują geometrii czworościennej; zamiast tego wyglądają jak piramidy o kwadratowych podstawach.

OH ^- sprawia wrażenie, że znajduje się daleko od Ca ²⁺ . Jednak jednostka krystaliczna może się powtórzyć na dachu pierwszego, pokazując tym samym bliskość obu jonów. Podobnie jony te można zastąpić innymi ( na przykład Na ⁺ i F ^- ).

Synteza

Hydroksyloapatyt można syntetyzować w reakcji wodorotlenku wapnia z kwasem fosforowym:

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

Hydroksyapatyt (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) jest wyrażony za pomocą dwóch jednostek wzoru Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH.

Podobnie hydroksyapatyt można syntetyzować w następującej reakcji:

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

Kontrolowanie szybkości wytrącania pozwala tej reakcji na wytwarzanie nanocząstek hydroksyapatytu.

Kryształy hydroksyapatytu

Jony zbierają się i rosną, tworząc silny i sztywny biokryształ. Jest używany jako biomateriał do mineralizacji kości.

Potrzebuje jednak kolagenu, organicznego wsparcia, które działa jak pleśń dla jej wzrostu. Te kryształy i ich skomplikowane procesy tworzenia będą zależeć od kości (lub zęba).

Kryształy te są impregnowane materią organiczną, a zastosowanie technik mikroskopii elektronowej wyszczególnia je na zębach jako agregaty w kształcie prętów zwane pryzmatami.

Aplikacje

Zastosowanie medyczne i dentystyczne

Ze względu na podobieństwo wielkości, krystalografii i składu do twardej tkanki ludzkiej, nanohydroksyapatyt jest atrakcyjny do zastosowania w protetyce. Ponadto nanohydroksyapatyt jest biokompatybilny, bioaktywny i naturalny, a ponadto jest nietoksyczny lub przeciwzapalny.

W związku z tym ceramika nanohydroksyapatytowa ma różnorodne zastosowania, w tym:

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

- Stosowana jako powłoka na implanty ortopedyczne i dentystyczne. Jest to środek odczulający stosowany po wybielaniu zębów. Znajduje również zastosowanie jako środek remineralizujący w pastach do zębów oraz we wczesnym leczeniu próchnicy.

- Implanty ze stali nierdzewnej i tytanu są często powlekane hydroksyapatytem w celu zmniejszenia szybkości odrzucania.

- Stanowi alternatywę dla allogenicznych i ksenogenicznych przeszczepów kostnych. Czas gojenia jest krótszy w obecności hydroksyapatytu niż przy jego braku.

- Syntetyczny nanohydroksyapatyt naśladuje hydroksyapatyt naturalnie obecny w zębinie i apatycie szkliwa, dzięki czemu jest korzystny do stosowania w naprawie szkliwa i wprowadzaniu go do past do zębów, a także do płynów do płukania ust

Inne zastosowania hydroksyapatytu

- Hydroksyapatyt jest stosowany w filtrach powietrza do pojazdów silnikowych w celu zwiększenia ich skuteczności w pochłanianiu i rozkładaniu tlenku węgla (CO). Zmniejsza to zanieczyszczenie środowiska.

- Zsyntetyzowano kompleks alginian-hydroksyapatyt, który badania terenowe wykazały, że jest on zdolny do absorbowania fluoru poprzez mechanizm wymiany jonowej.

- Hydroksyapatyt jest używany jako medium do chromatografii białek. Ma ładunki dodatnie (Ca ⁺⁺ ) oraz negatywnych opłaty (PO ₄ ^-3 ), więc może wchodzić w interakcje z elektrycznie naładowanymi białkami i umożliwiają ich rozdzielenie drogą wymiany jonowej.

- Hydroksyapatyt był również używany jako podłoże do elektroforezy kwasów nukleinowych. Możliwe jest oddzielenie DNA od RNA, a także jednoniciowego DNA od dwuniciowego DNA.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Hydroksyapatyt to biała substancja stała, która może przybierać szarawe, żółte i zielonkawe odcienie. Ponieważ jest to krystaliczne ciało stałe, ma wysokie temperatury topnienia, co wskazuje na silne oddziaływania elektrostatyczne; dla hydroksyapatytu jest to 1100ºC.

Jest gęstszy od wody, ma gęstość 3,05 - 3,15 g / cm ³ . Ponadto jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie (0,3 mg / ml), co jest zasługą jonów fosforanowych.

Jednak w środowisku kwaśnym (jak w HCl) jest rozpuszczalny. Ta rozpuszczalność jest spowodowana tworzeniem się CaCl ₂ , dobrze rozpuszczalnej soli w wodzie. Ponadto fosforany ulegają protonowaniu (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 poniżej 5, dzięki czemu hydroksyapatyt zaczyna się rozpuszczać.

Fluor (F ^- ) może zastąpić jony OH ^- w strukturze kryształu. W takim przypadku zapewnia odporność szkliwa zębów na hydroksyapatyt na kwasy.

Ewentualnie, opór ten może być ze względu na nierozpuszczalność CAF ₂ utworzonej, odmawiając „urlopu” krysztale.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Wydanie czwarte, str. 349, 627). Mc Graw Hill.
2. Fluidinova. (2017). Hydroksyloapatyt. Pobrane 19 kwietnia 2018 z: fluidinova.com
3. Victoria M., García Garduño, Reyes J. (2006). Hydroksyapatyt, jego znaczenie w zmineralizowanych tkankach i zastosowanie biomedyczne. TIP Specialized Journal in Chemical-Biological Sciences, 9 (2): 90–95
4. Gaiabulbanix. (5 listopada 2015). Hydroksyapatyt. . Pobrane 19 kwietnia 2018 z: commons.wikimedia.org
5. Martin Neitsov. (25 listopada 2015). Hüdroksüapatiidi kristallid. . Pobrane 19 kwietnia 2018 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