Роль микроэлементов, катионов и анионов в структуре кальций-фосфатных материалов

В процессе естественного или искусственного образования гидроксиапатита в его структуру могут включаться различные микроэлементы, которые приводят к изменению, с одной стороны, строения кристаллической решетки, а с другой - физико-химических и биологических свойств данного материала. Следовательно, при разработке высококачественных материалов, используемых в травматологии и ортопедии, в технологии создания КФ должны учитываться эти факторы.

Микроэлементы, встречающиеся в концентрациях 0,01-7,0 вес.%, могут быть связаны с гидроксиапатитами и кальций-фосфатами кости, дентина, цемента и эмали зубов. Кроме микроэлементов некоторые авторы выделяют вещества, количество которых в тканях составляет промилле и ниже, получившие название следовых. При этом все они при встраивании в кристаллическую решетку гидроксиапатита (ГА) способны изменять его физико-химические параметры и биологические свойства. Все микроэлементы и следовые вещества можно разделить на две группы. Первая обладает способностью стабилизировать кристаллическую структуру гидроксиапатита (В, Ва, Cu, F, Li, Mg, Мо, Sr, V), а вторая -ее дестабилизировать (карбонат, хлорид кадмия, Fe, Pb, Mn, К, Sn, Si). Другие вещества или не оказывают никакого эффекта (Аl, Ti, Ni), или обладают разнонаправленным действием (Be, Со, I, Sn, Sn) (Авцын, 1991; LeGeros, 1981; Curzon, 1984; Nikiforuk, 1985).

Включение F- вместо ОН^- группы оказывает на физико-химические свойства образующегося при этом фторгидроксиапатита (ФГА) или фторапатита (ФА) эффекты, которые представлены в таблицах.

Происходит:

• повышение структурной стабильности благодаря лучшему вхождению иона F^- в структуру апатита;
• сжатие оси а без изменений размеров оси с по сравнению с бесфтористым апатитом;
• повышение степени кристалличности, отражающее увеличение размеров кристалла и уменьшение его деформаций;
• увеличение разрешения полос поглощения групп РO₄^3- в инфракрасном спектре и увеличение размеров кристаллов;
• образование более стехиометрического ФГА, т.е. молярное отношение Са/Р достигает стехиометрической величины 1,67;
• уменьшение количества включений НРO₄^2- в апатит, как показывает снижение интенсивности полосы поглощения НРO₄^2- в инфракрасных спектрах апатитов, содержащих повышенные количества F и уменьшение отношения β-ТСР/ Са с увеличением содержания F в прокаленном апатите;
• уменьшение растворимости (LeGeros, 1991).

При этом происходят эффекты, ускоряющие образование кости в системе in vivo (Knuttila et al., 1980; LeGeros et al., 1984, 1989; Baund, Buchs, 1985). Эти процессы могут сопровождаться усилением гидролиза АКФ, ДДКФ или ОКФ в апатит in vitro, разрешают образование (F, ОН)-апатита даже в очень кислых условиях за счет ДДКФ или за счет β-ТКМФ в растворах содержащих β-ТКМФ с высоким молярным отношением Mg/Са (Bonel, 1972; Eliot, 1980; LeGeros et al., 1984, 1988).

Карбонатные замещения в карбонатных апатитах типа В вызывают следующие эффекты:

• уменьшение размеров по оси а и увеличение по оси с по сравнению с апатитами без СO₃^2-;
• уменьшение размера кристаллов, показанное расширением дифракционных пиков (большие величины β1/₂) на рентгенодифракционных картинах;
• увеличение деформаций кристаллов, показанное потерей разрешения абсорбционных полос РO₄^3- на инфракрасных спектрах;
• изменение морфологии кристаллов;
• увеличение растворимости.

Увеличение растворимости, в том числе и кислотной, по-видимому, связано с уменьшением размеров кристаллов, деформацией их формы и наличием слабой, по сравнению с Са-РO₄, Са-СO₃ связи. На степень включения СO₃^2- в апатиты типа В влияет одновременное присутствие других катионов с ионами Са²⁺. Так, присутствие Na⁺ позволяет осуществить максимальное замещение, тогда как Sr²⁺ ограничивает степень включения СO₃^2- (Nelson, 1981; LeGeros, 1981, 1991). Тем не менее, карбонатный гидроксиапатит в настоящее время вызывает особый интерес, так как он является одной из доминирующих форм КФ в костной ткани. Кроме того, имеются сообщения о том, что ГА и ТКФ при помещении в организм трансформируются в КГА, которая обладает повышенной биологической активностью (Daculsi, 1999).

Несмотря на высокую концентрацию хлоридов в биологических жидкостях, их включение в апатиты из водных систем возможно только в ограниченном масштабе, тогда как при неводных реакциях возможно полное замещение Сl вместо ОН. При этом происходит увеличение размеров по оси а и уменьшение по оси с. Практически отсутствуют сведения о влияния включения Сl на растворимость апатита. Установлено, что Сl-содержащие апатиты термически менее стабильны, чем апатиты, содержащие F. Это приводит к образованию больших количеств β-ТСР с ГА при прокаливании (LeGeros, 1977, 1991). Замещение НРO₄^2- вместо РO₄^3- наблюдается в апатитах типа В (приготовленных из водных систем), но не типа А (приготовленного из безводных систем). Сообщалось, что этот тип замещения вызывает расширение размеров по оси а и сжатие по оси с. Их прокаливание приводит к образованию пирофосфата при температуре ниже 400 °С и β-ТКФ - выше 700 °С. Образование β-ТКФ, по-видимому, было связано с пирофосфатом и наличием НРO₄^2- в исходном апатите. Прокаливание апатитов типа В при температурах от 300 до 400 °С приводит к сжатию размеров по оси а, очевидно, за счет замещения группы НРO₄^2-вместо РO₄^3_. Можно полагать, что такие апатиты растворимы в большей степени, чем стехиометрический апатит. Однако систематических исследований в этом направлении не проводилось (LeGeros, 1967; Holcomb, 1980; Wuthier et al., 1988). Магний включается в синтетические апатиты в очень ограниченном количестве не более 0,4 вес.%. Ионы карбонатов и фторидов включаются в структуру ГА одновременно с Mg. Количество магния, включенного в апатит, пропорционально концентрации магния в растворе. Однако, когда молярное отношение Mg/Ca в растворе выше 0,3/1, образуется Mg-замещенный витлокит. Отношение β-ТКФ/апатит в осадке возрастает с ростом Mg/Са в растворе. Наличие Mg в апатите приводит к уменьшению размеров по оси а, снижению степени кристалличности, увеличению включений НРO₄^2-, росту соотношения β-ТКФ/ГА в спеченном Mg-содержащем апатите и повышению растворимости (Terpstra, Driessens, 1986; LeGeros et al., 1989).

Стронций легко включается в апатиты как типа А (из безводных систем) так и типа В (из водных систем), приводя к замещению кальция. Это сопровождается увеличением размеров по осям а и с вследствие большего ионного радиуса Sr²⁺.

Количественные эффекты некоторых "заместителей" на параметры решеток и степень кристалличности апатитов (LeGeros, 1984, 1991)

Примечание. (+) - увеличение; (-) - уменьшение; (+-) - без изменений; (ам) -аморфный; а - β-ТСР фаза образовалась в дополнение. Сравнение сделано с незамещенным ОН-апатитом, приготовленным из водных систем

В апатитах типа В включение Sr происходит сильнее в щелочных (рН=9) средах, чем в кислых (рН=5). Sr-замещение в апатите не показало значительных различий в степени кристалличности. У Sr-замещенного апатита растворимость выше, чем у апатита без Sr (LeGeros, 1967, 1991). Другие многовалентные ионы, например алюминий Аl³⁺, марганец Мn²⁺, цинк Zn²⁺, вызывают уменьшение степени кристалличности апатитов. О проведении систематических исследований возможного замещения этих катионов в апатите и их эффекта на растворимость не сообщалось (LeGeros, 1980, 1991).

Помимо НРO₄^2- и СO₃^2-, другими возможными заместителями РO₄^3- в апатитовой решетке являются сульфаты SO₄^2-, манганаты MnO₄^-, ванадаты VO₄^2-, бораты ВO₃^2-. Подобно НРO₄^2- и СO₃^2-, замещения этих анионов могут быть связаны с катионными замещениями, например, натрия вместо кальция, для сохранения электронейтральности. Другие анионы, например Р₂O₇^4-, возмущают кристаллизацию АР и благоприятствуют образованию АКФ. Включение Р₂O₇^4- в апатиты еще должно быть изучено более детально. Некоторые характеристики анионных заместителей представлены в таблице.

Влияние включения F (замещения) на свойства апатитов (LeGeros, 1991)

Примечание. Эффект показывается сравнением с безфтористыми синтетическими и биологическими апатитами

Одновременное замещение СO₃^2- и F- в синтетическом апатите приводит к следующим эффектам:

• аддитивному влиянию на укорочение размеров по оси а и единственно удлиняющему эффекту замещения СO₃^2- на размеры по оси с;
• влияние F на степень кристалличности (повышение) и на растворимость (уменьшение) более доминирует, чем эффект действия СO₃^2-.

Исследования растворимости синтетических апатитов, содержащих как СO₃^2-, так и F-, показали предпочтительное растворение СO₃^2--богатого/F^--бедного апатита и повторное осаждение СO₃^2--бедного/F^--богатого апатита, становящегося более устойчивым к воздействию кислот (LeGeros, Suda, 1980).

Одновременное присутствие СO₃^2- и Mg²⁺ в растворе приводит к повышению степени включения Mg²⁺ в апатит по сравнению с его отсутствием. Повышенная концентрация Mg²⁺ в растворе обычно благоприятствует образованию β-ТКМФ. Однако, когда вместе с Mg²⁺ присутствуют ионы СO₃^2- или F^-, образуется АР за счет β-ТКМФ. Включение СO₃^2- и Mg²⁺ или СO₃^2- и Sr²⁺ в апатит оказывает синергический эффект на степень кристалличности и на растворимость апатитов (LeGeros, 1984, 1991).


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