Гидроксилапатит — самый главный из фосфатов кальция. Физические свойства кристаллов гидроксиапатита (ГА) Гидроксиапатит химические свойства

Зубная эмаль – это внешняя защитная оболочка коронковой части зубов. Это самая твёрдая ткань человеческого организма, которая на 97% состоит из кристаллов гидроксиапатита. В структуре эмали также присутствует небольшое количество воды (2-3 %) и органических веществ (1-2 %).

Деминерализация эмали – это утрата из эмали зубов минералов и солей, в первую очередь солей кальция. Процесс деминерализации начинается при длительном контакте эмали с кислотами, которые выделяются живущими во рту бактериями. Постоянное употребление продуктов с высоким содержанием углеводов и плохая гигиена полости рта способствуют отложению зубного налета, в котором эти бактерии живут и размножаются. Если не удалять налет вовремя, деминерализация эмали продолжается, приводя через какое-то время к появлению меловидного пятна, а затем и к появлению кариеса.

На стадии белого пятна кариес обратим. Предпринятые вовремя меры по укреплению эмали способствуют уменьшению и даже полному исчезновению пятна. Укрепление эмали (реминерализация) - это насыщение эмали недостающими минералами, способствующее ее восстановлению и повышению устойчивости к кислотам. Оно может осуществляться как в кабинете стоматолога, так и в домашних условиях.

Показания к укреплению эмали

• Наличие кариеса.
• Детский возраст.
• Беременность и период грудного вскармливания.
• Начальная стадия кариеса (стадия белого пятна).
• Повышенная чувствительность зубов.
• Периоды до и после отбеливания зубов.
• Наличие установленных ортодонтических конструкций (брекет-систем).

Способы укрепления эмали

Другой эффективный способ укрепления эмали, - реминерализация с помощью медицинского нано-гидроксиапатита (nano"mHAP"), идентичного по составу главному компоненту зубной эмали и дентина. Медицинский нано-гидроксиапатит используется в качестве компонента зубных паст, регулярное применение которых, способствует восстановлению и укреплению эмали. Встраиваясь в кристаллическую решетку зубной эмали, медицинский гидроксиапатит запечатывает микротрещины, снижает чувствительность зубов и устраняет кариес на стадии белого пятна. Этот уникальный компонент содержится в пастах Apadent , Apagard , Biorepair , Miradent и др.

Укрепить эмаль и предотвратить кариес можно также с помощью средств, содержащих аморфный кальций фосфат . Взаимодействуя со слюной и гидроксиапатитом, он образует на поверхности зубов биопленку, которая защищает эмаль от вредного воздействия кислот. Также благодаря этой пленке биодоступный кальций проникает в эмаль – происходит ее реминерализация. Аморфный кальций фосфат является главным действующим компонентом паст GC Tooth Mousse и Mi Paste Plus , которые используются как зубной крем – наносятся на поверхность эмали на несколько минут. Этот препарат нельзя применять пациентам с непереносимостью белков молока, так как аморфный кальций фосфат извлекается из казеина коровьего молока.

Новейшим способом укрепления эмали стало использование теобромина – экстракта какао-бобов. Эффективность теобромина в укреплении эмали основана на способности этого вещества стимулировать образование собственных кристаллов гидроксиапатита, в результате чего эмаль становится более кислотоустойчивой. Укрепляющие зубные пасты с теобромином выпускаются компанией Theodent и относятся к косметике класса «люкс».

Неорганическая часть костной ткани зуба состоит из ортофосфатов кальция [ОФК]. Гидроксиапатит кальция [ГAП; Ca10(PO4)6(OH)2] и β-трикальцийфосфат [ТКФ; Ca3(PO4)2] являются основными минеральными компонентами костной ткани. Вследствие химического сходства с биологическими кальцинированными тканями, все ортофосфаты являются биосовместимыми материалами. Несмотря на постоянное растущее применение ортофосфатов кальция в медицине, существует очень мало статей описывающих свойства не только традиционно используемых ортофосфатов кальция (β-трикальцийфосфат и гидроксиапатит), но и других биосовместимых ОФК.

Одним из важнейших свойств ортофосфатов кальция является их растворимость в воде, поскольку из растворимости можно предсказать их поведение в организме. Если растворимость ОФК, например гидроксиапатита кальция, меньше растворимости минеральной составляющей кости, он деградирует исключительно медленно. Скорость деградации ортофосфатов кальция в организме (in vivo) можно предсказать в следующем порядке:

МКФМ › ТЕКФ = α-ТКФ › ДКДФ › ДКФ › β-ТКФ › ОГАП аморфный ГАП› ГАП

где:

МКФМ - монокальций фосфат

ТЕКФ - тетракальций фосфат

α-ТКФ - - α - трикальций фосфат

ДКФД - дикальцийфосфат дигидрат

β-ТКФ - β - трикальций фосфат

ОГАП - осажденный ГА

ГАП - гидроксиапатит кальция

Несмотря на общее понятие, существуют различия между осажденным из водных растворов гидроксиапатитом кальция (ОГАП), аморфным гидроксиапатитом кальция (АГАП) и гидроксиапатитом кальция (ГАП). Осажденный гидроксиапатит кальция обычно слабозакристаллизован, может иметь молярное соотношение ортофосфатов кальция между 1.50 и 1.67 и замещает минеральную часть кости. Аморфный гидроксиапатит кальция отличается тем, что в нем не проявляются пики при рентгенофазном анализе. Гидроксиапатит кальция определяют как гидроксиапатит, полученный термической обработкой при 900oС. Вследствие термической обработки, гидроксиапатит имеет кристаллическую структуру и менее растворим, чем минеральная составляющая кости.

Особенно интересен осажденный гидроксиапатит кальция вследствие отличной биосовместимости и развитой поверхностной области. Считают, что осажденный гидроксиапатит кальция наиболее сходен с биологическим гидроксиапатитом, присутствующим в кости. Основное различие – отсутствие примесей в структуре, в основном, карбонатов и ионов магния.

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее перспективным материалом, как биодеградируемый заместитель костной ткани и носитель лекарств, являетсяосажденный гидроксиапатит кальция.

Все ортофосфаты кальция являются антиоксидантами и разрешены к применению в качестве пищевой добавки. В основном, соединения ортофосфатов кальция изучали до недавнего времени как материалы, восстанавливающие костную ткань. Синтезированные гидроксиапатит кальция и β-трикальцийфосфат обладают способностью замещать минеральную фазу при контакте с костью и стимулировать регенерацию костной ткани. Известны также способность гидроксиапатита кальция и β-трикальцийфосфата к ранозаживлению, кровеостанавливающие свойства, митогенный эффект. Анализ литературных данных в области стоматологии показал, что гидроксиапатит и β-трикальцийфосфат приводят к нормализации функционального состояния пульпы зуба и вызывают реминерализацию дентина дна кариозной полости. При лечении глубокого кариеса и пульпита используется большое количество лекарственных средств, но наиболее перспективными являются вещества, обеспечивающие реминерализацию дентина и стимулирующие одонтотропную функцию пульпы зуба. Клинически подтверждено, что в итоге, формируются полноценные тканевые структуры зуба, стабилизирующих дальнейшее развитие кариеса и его осложнений.

Гидроксиапатит кальция и β-трикальцийфосфат входят в состав лечебно-профилактических зубных паст, предназначенных для предупреждения и лечения кариеса зубов, пародонта, болезней слизистой оболочки и полости рта, уменьшению повышенной чувствительности эмали.

Статья предоставлена "ЗАО БИОМЕД"

И игл, сферолитов , реже отмечаются короткостолбчатые, тупо-пирамидальные или таблитчатые по {0001} кристаллы. Агрегаты массивные, зернистые до плотных, также в виде волокнистых корок.

Под п. тр. с трудом сплавляется по краям. Растворим в HCl и HNO 3 .

Гидроксилапатит как биоминерал

До 50 вес.% костей состоят из специфической формы гидроксиапатита (известен как костная ткань ). Гидроксиапатит является основным минеральным компонентом зубной эмали и дентина (нестехиометрический гидроксилапатит с кристаллами в форме пластин размерами 40х20х5 нм и осью "с" кристаллической структуры, лежащей в плоскости кристалла). Кристаллы гидроксилапатита находятся в небольших кальцификатах живых организмов (в шишковидной железе и других органах). Также входит в состав патогенных биоминералов (зубных, слюнных, почечных камней и др.).
Актуально создание биоматериалов на основе гидроксилапатита для замены поврежденной костной ткани и тд. Он часто используется в качестве наполнителя вместо ампутированной кости или в качестве покрытия для содействия костного врастания в протез имплантатов (на многие другие фазы, пусть и с аналогичным или даже идентичным химический составом, организм реагирует совсем по-другому). Показано, что не только химический состав, но и морфология синтетических кристаллов гидроксилапатита является важной характеристикой, определяющей отклик организма на чужеродный материал (Puleo D.A., Nanci A., 1999).

Гидроксилапатит (англ. APATITE-(CaOH)) - C a 5 (P O 4) 3 (O H )

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Перевод на другие языки

При изготовлении керамики стараются не использовать дополнительных связующих веществ.Сформированные из гидроксиапатитового порошка пористые вещества уплотняют, кристализуют и перекристализовывают при высокой температуре (1473-1573 К), а иногда и с приложением давления. В зависимости от целей использования синтетического гидроксиапатита предъявляются различные требования относительно таких свойств, как фазовая и химическая чистота, кристалличность, дефектность, пористость и т.д.

Если гидроксиапатит вводится в костный дефект, то нет необходимости обеспечения его структурного совершенства (стехиометрический состав и высокая степень кристалличности). В костной ткани, речь идет о дефектном ГА, с большим числом вакансий и замещений в структуре, а также аморфного материала как максимально дефектного.

Если же ГА применять в качестве инертного материала вводимого в организм,то основными требованиями к нему являются биологическая совместимость и отсутствие резорбции.В этом случае необходимо использовать стехиометрический гидроксиапатит высокой степени кристалличности. Такой гидроксиапатит вводят в состав пломбировочных материалов, когда необходимо максимально приблизить физические и физико –химические свойства пломбы к свойствам зубных тканей.

Значительное повышение эффективности остеоинтеграции обеспечивают, при ""подсадке ""титановых имплантатов, трикальцийфосфат (ТКФ) и гидроксиапатит (ГА) . Эксперименты показали,что для создания таких имплантатов целесообразно синтезировать гидроксиапатит с заданным содержанием ТКФ, а не смешивать компоненты механически.

В клинической практике все большее значение приобретают пористые гидроксиапатитовые гранулы. Материал с такой структурой ""работает"" в качестве биофильтра, обеспечивая ток крови, необходимый для роста образующихся тканевых структур.

Биологические свойства гидроксапатита.

Многочисленные эксперименты на животных показали не только прекрасную биосовместимость гидроксиапатита, но и способность в зависимости от состава и способа изготовления служить основой, вокруг которой формируется костная ткань,активно стимулируя при этом,в отличие от других биоинертных материалов, костеобразование.

Экспериментальные работы показали, что препарат по микробиологической чистоте соответстует стандарту ГФ-XI издания. Он относится к малотоксичным веществам, не вызывает нарушений функций жизненно важных органов и систем организма. Применение ГА не вызывает нежелательных отдаленных последствий: не обладает аллергизирующим, мутационным и иммуномодулирующим действием,не влияет на течение беременности, развитие плода и потомства.

Результаты проведенного анализа гидроксиапола позволяют рекомендовать его для медицинского применения без каких – либо ограничений в качестве средства для замещения костных дефектов и замещения костных полостей, в качестве компонента зубных пломбирующих паст, материалов имплантатов

На повышение остеоинтеграции влияет не только структура,форма или покрытие имплантата, но и особенности строения организма пациента.

При обследовании пациентов перед операцией имплантации специалистам нередко приходится констатировать наличие истонченного альвеолярного отростка. Подобное сужение костной ткани может быть следствием удаления, результатом воспалительных заболеваний или травмы, а также врожденной особенностью строения альвеолярного отростка и выявляется в отдельных участках или по всему протяжению гребня во время осмотра или во время операции. Предполагаемый способ позволяет одновременно увеличить объем костной ткани и выполнить операцию имплантации. Методика позволяет добиться путем продольного перелома челюстного гребня по типу ""зеленой веточки"", в результате чего происходит расширение альвеолярного отростка в необходимых участках и в объеме, достаточном для последующего внедрения имплантатов. Наличие нескольких насадок дает возможность расширять моделировать костную ткань на нужную величину и в необходимом месте без нарушения целостности надкостницы, что является гарантией последующего ""наращивания"" костной ткани. Травма альвеолярного отростка челюсти приводит к увеличению кровопотока, что способствует процессу остеогенеза и, значит, контролируемому росту костной ткани и остеоинтеграции имплантата.

Метод был использован у 63 больных, результаты отдаленных наблюдений показывают его надежность, эффективность и точность результата при доступности и простоте выполнения.

Физические свойства кристаллов сложных веществ, к которым можно отнести гидроксиапатит (ГА) , в отличии от более простых соединений типа металлов, графита, поваренной соли, носят характер гетеродесмических. Для них внутренние связи наряду с прочными ковалентными связями имеют другие, например, ионные, Ван-дер-ваальсовые, образующие фрагменты. Эти включения, состоящие, в частности, из SO 4 2- , NO 3 - , СO 3 2- , SiO 4 2- и др., могут быть представлены в виде «островов», каркасов, цепочек, слоев. Свободная энергия, которая определяется по формуле:

где U - энергия связи кристалла, S - энтропия, Т - температура, имеет наиболее высокое значение, равное около 20-100 ккал/ моль для ковалентных, а 1 — 10 ккал/моль - Ван-дер-ваальсовых сил. Последним принадлежит ключевая роль в процессах адгезии биополимеров и белков (Бокий, 1971; Киттель, 1978; Прохоров и др., 1995).

Определение свободной энергии в настоящее время возможно преимущественно для простых случаев с использованием зонной теории, предложенной в 1928-1934 гг. Ф. Блохом и Я. Бриллюэном, согласно которой атомы в твердом теле (TiO 2 , MgO, Ti-Ni и т.п.) находятся на расстояниях порядка размера самих атомов. При этом валентные электроны могут распространяться по всему кристаллу, формируя замкнутые энергетические зоны. В зависимости от характера этой зоны, как было показано А. Вильсоном (1931) (частично заполненной, незаполненной, запрещенной, проводимости, неопределенно-валентной и др.) кристаллы проявляют свойства проводника, диэлектрика, полупроводника. В аморфных телах, по-видимому, есть квазизапрещенные энергетические области, являющиеся аналогами зонной структуры, что позволяет им проявлять свойства металлов, диэлектриков и полупроводников (Каганов, Френкель, 1981; Киттель, 1978; Пайерлс, 1956). Характеристики строения кристаллической решетки ГА и ОКФ представлены в таблицах.

Кристаллографические свойства ОКФ и ГА: сравнение рассчитанных d-интервалов для возможных h00 пиков в ОКФ и в ГА (Brown, 1962, Brown et al., 1981)

Характеристика строения кристаллов ОКФ и ГА

Из биодеградируемых кальциофосфатных материалов, полученных из порошков дикальциофосфата безводного и тетракальций фосфата, готовились стержни или диски с начальным соотношением Са/Р-1,5 и, после дополнительной обработки и прессования, образовывался низкокристаллический гидроксиапатит (ГА). Стержни имплантировались в бедренную кость крысам, и изучалось врастание костной ткани в течение 1-5 недель. Диски культивировались с костными клетками в системе in vitro. При этом происходила замена кальциофосфатного материала новой костью за счет процесса его ремоделирования. Сначала остеокласты и мультиядерные клетки резорбировали материал, а затем остеобласты восстанавливали новую кость в течение 3 недель. В образовавшиеся в материале конусы шириной 0,75 мм, выстланные костными клетками, врастали сосуды, а сама зона неоостеогенеза постепенно расширялась (Foster et al., 1998).

Макротекстурированные поверхности гидроксиапатита обладают более выраженной способностью к интеграции с костной тканью по сравнению с обычными гладкими материалами (Ricci et al., 1998).

Апатит зубов содержит большее количество карбоната и фтора, Mg 2+ , Na + . При этом происходящее замещение ОН на F увеличивает твердость и сопротивляемость к разрушению материала, однако снижает остеоиндуктивные и остеокондуктивные свойства ткани.

Ионы кальция и магния принимают участие в процессах клеточной адгезии (Гольдберг и др., 1992). Вполне логично предположить, что если в кальциофосфатную (КФ) керамику ввести ионы магния, то это может усилить способность поверхности материала прикреплять к себе остеогенные клетки и, тем самым, способствовать процессу связывания костной ткани. Это было подтверждено в опытах на кроликах, которым в бедро имплантировали стержни из TiAlV сплава, покрытые ГА керамикой, нанесенной плазменным напылением. В материал дополнительно с помощью ионной имплантации вносились ионы магния в дозе 1х10 7 см 2 . Оказалось, что через 3 недели, но не ранее, в опытной группе интеграция костной ткани с имплантатом достоверно превышала контрольные значения, что было доказано на ультратонких срезах с использованием флуоресцентных меток (тетрациклин, кальцеин синий, кальцеин зеленый, ализарин красный). Предполагается, что данный эффект обусловлен влиянием магния не только на адгезию костных клеток, но и на функциональную активность остеобластов (Zhang et al., 1998).

Рост костей включает начальное образование аморфного апатитного слоя, который в присутствии воды может частично гидролизироваться с образованием кристаллической структуры гидроксиапатита. Образования, возникающие при этом, очевидно, имеют сложную структуру и симметрию. В реальных условиях все кристаллы разбиты на мозаичные блоки, в которых структуры дезориентированы по отношению друг к другу на малые углы. В костной ткани кристаллы гидроксиапатита ориентированы вдоль коллагеновых волокон. Следует обратить внимание на то, что последние имеют сложную структуру с расположением коллагена по силовым линиям напряжения. Следовательно, процесс кристаллизации гидроксиапатита должен учитывать эту особенность за счет, например, деформации кристаллов в поликристаллической цепи, позволяющей повторять пространственную структуру волокон. Это подразумевает то, что для выполнения биомеханической роли кристаллов гидроксиапатита в костной ткани их форма, размеры и симметрия должны варьироваться. Иначе нарушится структурная и функциональная целостность кости как опорно-двигательного органа.

Из этого вытекает важный практический вывод: при разработке новых биоматериалов на основе гидроксиапатита следует использовать анизотропные кристаллы с изменяющейся формой.

Резюмируя вышесказанное, можно с большой степенью вероятности утверждать, что натуральный гидроксиапатит имеет строго специфическую пространственную организацию, анизотропию, которую чрезвычайно трудно воссоздать в искусственных усло виях. Нарушение структуры КФ, вызванное микроэлементами, анионами или катионами приводит к изменению физико-химических и биологических свойств гидроксиапатитных материалов, что является, очевидно, одной из причин, вызывающих различного рода осложнения при их использовании в травматологии и ортопедии. К сожалению, как мы уже говорили, пока ни одна из известных схем синтеза гидроксиапаптита не позволяет точно повторить особенности кристаллической структуры его естественного изомера. Уровень современной техники еще далек от того, чтобы в искусственных условиях воссоздать направленный рост кристаллов гидроксиапатита, даже из нативных зародышевых матриц. В первую очередь это происходит из-за нарушения равновесных условиях роста кристалла и захвата им технологических примесей, а также способов нанесения ГА покрытий на имплантаты. Следствием вышеуказанных процессов является возникновение точечных дефектов, дислокации и секторированию кристаллической структуры гидроксиапатита , со всеми вытекающими из этого последствиями.

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