Трансформации аморфных кальциофосфатов (АКФ) в растворах

Аморфные кальциофосфаты (АКФ) в естественных условиях тесно связаны с нерастворимыми формами КФ, создавая вокруг них необходимую концентрацию ионов кальция и фосфора, влияющую на эволюцию гидроксиапатита в кости в норме и при патологии (LeGeros, 1991).

Аморфные кальциофосфаты, образовавшиеся в искусственных системах in vitro из растворов, содержащих преимущественно ионы кальция и фосфора (НРО₄^2- и РO₄^2-), характеризуются приблизительной формулой Са₃(РO₄)₁₈₇ (НРО₄)_0.2 nH_2O и молярным отношением Са/Р 1,5 (Heughebaert, Monel, 1984). Это нестабильное соединение, которое в водной суспензии разрушается при рН=7,4 в течение 20 мин при комнатной температуре и 6 минут при 37 °С (Eanes et al., 1973; Heughebaert, Monel, 1984). Было показано, что данный тип АКФ легко превращается в апатиты через ОКФ или ОКФ-подобные фазы (Eidelman et al., 1987; Palamara et al., 1986). Превращение АКФ в ДДКФ также наблюдалось при почти нейтральном или повышенном рН в присутствии ионов Mg²⁺ (Wultgens et al., 1981; LeGeros, 1991). АКФ также может превращаться в Mg-замещенный трикальций фосфат, β-ТКМФ, когда АКФ содержал Mg или раствор с Mg (Cheng et al., 1988; LeGeros et al., 1988).

Аморфные кальциофосфаты, образовавшиеся из растворов, содержащих другие ионы, например СO₃^2-, Р₂O₇^4-, включает эти ионы в свою структуру. При этом в той или иной мере происходит стабилизация фазы АКФ и торможение ее превращения в апатит (Boskey, Posner, 1974; Legeros et al., 1977).

На стабильность «замещенных» фаз влияют количество и тип включенных ионов. Например, Mg-содержащий АКФ (Mg-АКФ) более устойчив, чем фаза с СO₃-(СO₃-АКФ), но менее стабилен, чем фаза с Р₂O₇- (Р₂O₇-АКФ) (LeGeros et al., 1977). Однако количество каждого типа ионов, необходимое для стабилизации АКФ-фазы, еще не определено. Одновременное присутствие двух ионов, например Mg²⁺ и Р₂O₇^4- или Mg²⁺ и СO₃^2-, оказывает синергический эффект на стабильность АКФ к превращениям в другие фазы кальциофосфатов (LeGeros et al., 1967; 1973).

Ионы F^- в растворе препятствуют образованию фазы АКФ, но облегчают превращение АКФ → ГА в других системах. ГА, образовавшийся в результате АКФ → ГА превращения в присутствии ионов F^- включает некоторое количество F, образуя фторапатит (ФА) (LeGeros, 1991).

В растворе продукты превращения зависят от состава АКФ и рН среды. Mg-содержащий АКФ может превращаться в ДДКФ или плохо кристаллизовавшийся ГА, в зависимости от рН раствора (Wuthier et al., 1981; Cheng, 1988; LeGeros, 1984, 1991; LeGeros et al., 1973, 1989). Порядок этого усиления можно обозначить следующим образом:

(Mg + Р₂O₇) > (Mg + СO₃) > Р₂O₇ > Mg > СO₃.

Образовавшиеся АКФ, за исключением замещенных СO₃^2- форм, остаются стабильными, сопротивляясь своей трансформации за счет гидролиза в апатиты или ДДКФ, в зависимости от рН среды (Eanes et al., 1973; Boskey, Posner, 1974; Heughebaert, Montel, 1984; LeGeros, 1984, 1991).

АКФ, содержащий магний, карбонат или пирофосфат, наблюдается в зонах патологической кальцификации тканей. Незамещенный АКФ, по-видимому, является предшественником для биологического и синтетического апатитов, в том числе ГА (Termine, 1971; Eanes et al., 1973; LeGeros et al., 1973; Meyer, Eanes, 1978; Glimcher et al., 1981).

Переход АКФ, ДДКФ, ДКФ и ОКФ в апатит из растворов, содержащих или только ионы Са²⁺ или ионы фосфора, проявляется в образовании Са-дефицитных апатитов, с включением НРO₄^2- из растворов аналогично идущему процессу при рН ниже 12. Встраивание других ионов, присутствующих в растворе, например Mg²⁺, Sr²⁺, СO₃^2-, F^- и т.д., в образующийся «апатит» происходит благодаря процессам растворения и осаждения, т.е. растворения АКФ, ДДКФ, ДКФ или ОКФ, а также путем повторного осаждения апатитов (LeGeros, 1991).

Переход ОКФ в Mg-замещенный витлокит, β-ТКФ, in vitro не наблюдался. Это может объясняться стабилизирующим эффектом Mg на ОКФ, хотя известно, что Mg также стабилизирует ДДКФ. Тем не менее трансформация ДДКФ в Р-ТКФ легко происходит in vitro (Kijkowska et al., 1988; LeGeros, 1991).

Считается, что ОКФ играет определенную роль в качестве предшественника биологических апатитов костей и зубов, а при нарушении процессов минерализации вызывает патологическую кальцификацию тканей (Boskey, 1984; Eidelman et al., 1987; LeGeros, 1991). В последнем процессе важную роль играет еще один представитель КФ - трикальциофосфат (β-ТКФ, Ca₃(PO₄)₂) (LeGeros, 1967; LeGeros et al., 1989; Monma,1980; Daculsi et al., 1987).

Важно подчеркнуть, что стехиометрический апатит, ГА, как правило, в биологических системах не обнаруживается. Биологические апатиты обычно описываются как «Са-дефицитные», нестехиометрические, «грязные» или карбонатсодержащие апатиты (Featherstone et al., 1983; LeGeros, 1967, 1970, 1974, 1981, 1984).

В биологических жидкостях могут находится и другие соединения кальция, в частности, кальцит СаСO₃ и флюорит CaF₂ (LeGeros, 1991).

Переход СаСO₃^2- в апатит может происходить во время гидролиза СаСO₃ в растворе, содержащем РO₄^2- и/или СO₃ или F^-. Также наблюдался переход СаСO₃ →ДДКФ (LeGeros, LeGeros, 1984).

В присутствии ионов Са²⁺ и РO₄^3- могут происходить превращения CaF₂ в апатит, фторапатит или фторсодержащий гидроксиапатит (ФА) (LeGeros, 1991).

Биологические апатиты в нормальной (кость, эмаль, дентин) и патологической кальцификации относится преимущественно к типу В, отличаясь количеством карбонатов (LeGeros, 1991). ФА, содержащие СO₃^2-, определяются в эмалоидах акулы и других рыб. ФА с СO₃^2- появляется в костях крыс, получавших фтор в питьевой воде (LeGeros et al., 1982, 1983).

Фазовые диаграммы переходов КФ, представленные на рисунке, основанные на измерении термодинамических величин, могут быть полезными для прогнозирования стабильности фаз Са-Р в растворе, при определенном рН и степени насыщения его ионами неорганических кальциофосфатов.

Диаграмма фазовой растворимости для системы Са(OН)₂Н₃РO₄ Н₂O при 25 °С, показывающая стабильность кальциофосфатных фаз при различных рН и концентрациях кальция (LeGeros, 1991)

Такие фазовые диаграммы обычно точны при прогнозировании экспериментального выхода и определения условий, в которых будет образовываться та или иная форма кальций-фосфатов. Тем не менее, на практике всегда имеются разного рода ограничения. Так, например, несмотря на термодинамическое предсказание образования чистого Са₃(РO₄)₂, он никогда не был получен из водных систем, несмотря на то, что в растворе присутствуют другие катионы. Также экспериментально не наблюдалось теоретически предсказанное формирование ДКФ при температуре 25 °С. Оказалось, что этот процесс идет при температуре 60 °С или выше (Burnel et al., 1980). Интересно, что дополнительно к влиянию рН и температуры на тип стабильной Са-фазы необходимо учитывать скорость перемешивания раствора. Еще одним важным моментом, с которым требуется считаться, является то, что ряд ионов проявляют свою активность по отношению к стабильности кальциофосфатных фаз только в определенных температурных рамках. Так, ионы магния стабилизируют ДДКФ при рН 8, 37 и 60 °С. Mg²⁺ также позволяет образование Mg-замещенного витлокита или трикальций фосфата из растворов при температуре 25-100 °С (LeGeros, 1967, 1991; LeGeros et al., 1988, Daculsi et al., 1987; Cheng et al., 1988).

Эффект рН/температура модифицируется в случае присутствия других ионов, например Mg²⁺, СO₃^2-, Р₂O₇^4-.

Несмотря на то, что семейство фосфатных биоматериалов включает в себя многочисленные соединения, для производ ства имплантатов наиболее всесторонне изучены в системах in vivo и in vitro и разрешены к клиническому применению только два материала: β-трикальций фосфат (ТКФ) и гидроксиапатит (ГА) или их комбинация. Фторапатит находится на стадии доклинических испытаний, для которых разработан стандарт ASTM (ASTM F-1088-87) и другие нормативные Документы Госстандарта.


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