Образование и выращивание фосфатов кальция из зародышей кристаллов

Nancollas et al. (1978,1979) разработали и интенсивно использовали метод выращивания кальций-фосфатов из зародышей кристаллов, используя системы с постоянным составом и рН среды. Исследования, использующие зародыши ДДКФ, β-ТКФ, ОКФ или гидроксиапатита (ГА) в растворах, перенасыщенных ГА или ДДКФ + ГА показали, что ДДКФ формировался на всех зернах в растворе, пересыщенном в отношении ДДКФ и ГА, и только ОКФ и ГА в растворах, перенасыщенных в отношении ГА. В некоторых случаях ОКФ образовывался в растворах с зернами ГА и ГА образовывался в растворах с ОКФ-зернами при температуре 37 °С. Используя биологические материалы (эмаль, дентин, calculus человека) в качестве «зародышей» образовывался ДДКФ.

В экспериментах по выращиванию кристаллов кальциофосфата (КФ) из зародышей показано, что рН и температура оказывают гораздо большее влияние на состав образующегося кальций-фосфата, чем тип зародышей. Так, при рН=5 и 37 °С образуются кристаллы ДДКФ практически без какой-либо заметной зависимости от типа используемых зародышей (LeGeros et al., 1983, 1986; Heughebaert et al., 1988). Присутствие фтора способствует образованию апатита вместо кислотных фаз Са-Р (Barone, Nancollas, 1976; LeGeros et al., 1983, 1986).

В качестве механизма образования Са-Р в растворе с зародышами, по-видимому, можно рассматривать как вторичное ядро образование на подложке зерен кальциофосфатов, образующихся Са-Р фазой. Также оно может происходить за счет растворения зерен кальциофосфатов и повторного их осаждения как новой фазы (LeGeros et al., 1986).

Используя 5-кратные растворы, имитирующие биологические жидкости с добавлением БСА при рН=7,4, наблюдали рост кристаллов ГА в системе in vitro в течение 2-3 суток. Добавление альбумина увеличивало размер кристаллов, которые приобретали вытянутую игольчатую форму (Liu et al., 2001).

Образование костеподобных апатитных кристаллов на негативно и позитивно заряженной ГА керамике с помощью поляризации является одним из факторов, способных стимулировать процессы адгезии и роста остеобластоидных клеток в культуре ткани in vitro (Kizuki et al., 2001). Это, очевидно, свидетельствует о наличии тесной связи между физико-химическими свойствами кристаллов и функциональной активностью костных клеток.

Гельная система, представленная неорганическими (двуокись кремния) или органическими (агар, коллаген, желатин) типами, может стать интересной моделью изучения процессов образования кристаллов КФ, т.к. имитирует условия, протекающие в реальной костной ткани. Предполагается, что активные группы, входящие в состав коллагеновых волокон, могут выполнять роль инициатора образования кристаллов ГА из окружающих его аморфных кальциофосфатов (Banks et al., 1977; LeGeros et al., 1972, 1983). Так, размеры кристаллов ГА, ДДКФ. ОКФ и β-ТКФ, образовавшихся в гелевых системах при температуре 37 °С были гораздо больше, чем в жидкой среде. Кроме того, большие кристаллы чистого ОКФ получались только в гелевых системах при температуре 37 °С и исходном рН = 6, тогда как путем осаждения в аналогичных условиях рН и температуры получались преимущественно кристаллы ДДКФ. Очень медленный процесс роста кристаллов в гельных системах может быть обеспечен за счет замедленной диффузии ионов кальция и фосфора. При этом в верхнем слое образуются преимущественно основные, а нижнем - кислые формы кальциофосфатов. Температура и рН также влияют на характер роста кристаллов. Например, при исходных рН=6 и температуре 37 °С образуются только кристаллы ДДКФ. При рН=7 и 37 °С в первой зоне формируются сфероиды ОКФ, а во второй зоне - пластины ДДКФ. А когда исходная рН была равна 8, в первой зоне образовывался ГА, а во второй зоне - сфероиды ОКФ. Кроме того, на эти процессы могут влиять различные катионы и анионы (фтор, марганец, свинец, цинк, фосфаты, хлориды и др.) (LeGeros et al., 1972, 1983). Модификации кристаллической решетки могут наблюдаться при росте ДДКФ в гелях агара и коллагена и в неокальцинированном коллагене, к которому добавлялся фосфопротеин (фосфовитин). При этом кристаллы имели ориентацию, параллельную волокнам коллагена (Banks et al., 1977; LeGeros et al., 1972, 1983).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики