Введение
Гидроксиапатит (название IMA: гидроксилапатит) (Hap, HAp или HA) – это природная минеральная форма апатита кальция с формулой Ca5(PO4)3(OH), которую часто записывают как Ca10(PO4)6(OH)2, чтобы указать, что элементарная ячейка кристалла состоит из двух единиц. Это гидроксильный конечный член сложной группы апатитов. Ион OH− может замещаться фтором или хлором, образуя фторапатит или хлорапатит. Он кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе. Чистый порошок гидроксиапатита имеет белый цвет. Однако, природные апатиты могут также иметь коричневую, желтую или зеленую окраску, сопоставимую с обесцвечиванием при зубном флюорозе. До 50% по объему и 70% по весу человеческой кости составляют модифицированные формы гидроксиапатита, известные как костный минерал. Дефицитный по кальцию карбонатный гидроксиапатит является основным минералом, из которого состоят зубная эмаль и дентин. Кристаллы гидроксиапатита также встречаются при патологических кальцификациях, например, в опухолях молочной железы, а также в кальцификациях шишковидной железы (и других структурах мозга), известных как тела Аренцеи или "мозговой песок".
Hydroxyapatite (IMA name: hydroxylapatite) (Hap, HAp, or HA) is a naturally occurring mineral form of calcium apatite with the formula |Ca5(PO4)3(OH), often written |Ca10(PO4)6(OH)2 to denote that the crystal unit cell comprises two entities. It is the hydroxyl endmember of the complex apatite group. The |OH− ion can be replaced by fluoride or chloride, producing fluorapatite or chlorapatite. It crystallizes in the hexagonal crystal system. Pure hydroxyapatite powder is white. Naturally occurring apatites can, however, also have brown, yellow, or green colorations, comparable to the discolorations of dental fluorosis. Up to 50% by volume and 70% by weight of human bone is a modified form of hydroxyapatite, known as bone mineral. Carbonated calcium deficient hydroxyapatite is the main mineral of which dental enamel and dentin are composed. Hydroxyapatite crystals are also found in pathological calcifications such as those found in breast tumors, as well as calcifications within the pineal gland (and other structures of the brain) known as corpora arenacea or "brain sand".
млекопитающие и человек
Гидроксилапатит содержится в костях и зубах; кость состоит главным образом из кристаллов HA, рассеянных в коллагеновом матриксе — 65–70% массы кости приходится на HA. Аналогично, HA составляет 70–80% массы дентина и эмали зубов. В эмали матрицей для HA служат амелогенины и эмалины, а не коллаген. Отложение гидроксилапатита в сухожилиях вокруг суставов приводит к развитию кальцифицирующего тендинита. Гидроксилапатит является компонентом кальций-фосфатных камней в почках.
Реминерализация зубной эмали
Реминерализация зубной эмали заключается в повторном внедрении минеральных ионов в деминерализованную эмаль. Гидроксиапатит является основным минеральным компонентом эмали зубов. В процессе деминерализации из гидроксиапатита выводятся ионы кальция и фосфора. Минеральные ионы, поступающие в ходе реминерализации, восстанавливают структуру кристаллов гидроксиапатита.
Креветки-мантисы
Клювистые придатки Odontodactylus scyllarus (креветки-богомола) состоят из чрезвычайно плотной формы минерала, обладающего более высокой удельной прочностью; это послужило причиной изучения его для возможного синтеза и применения в инженерии. Их дактильные придатки демонстрируют отличную ударопрочность благодаря тому, что область воздействия состоит главным образом из кристаллического гидроксиапатита, обеспечивающего значительную твердость. Периодический слой, расположенный под ударным слоем и состоящий из гидроксиапатита с пониженным содержанием кальция и фосфора (что приводит к значительно более низкому модулю упругости), препятствует росту трещин, заставляя новые трещины изменять направление. Этот периодический слой также снижает энергию, передаваемую через оба слоя из-за большой разницы в модулях упругости, и даже отражает часть падающей энергии.
Использование в стоматологии
, использование гидроксиапатита или его синтетически полученной формы, наногидроксиапатита, пока не является широко распространенной практикой. Некоторые исследования указывают на его эффективность в борьбе с гиперчувствительностью дентина, предотвращении чувствительности после процедур отбеливания зубов и профилактике кариеса. Гидроксиапатит, полученный из яичной скорлупы птиц, может быть перспективным наполнителем при операциях по регенерации костной ткани в челюстно-лицевой хирургии.
Чувствительность зубов
Наногидроксиапатит обладает биоактивными компонентами, способными инициировать процесс минерализации зубов, устраняя гиперчувствительность. Считается, что гиперчувствительность зубов регулируется жидкостью, находящейся в дентинных канальцах. Гидроксиапатит продемонстрировал значительный среднесрочный и долгосрочный десенсибилизирующий эффект при дентинной гиперчувствительности, вызванной испарительными стимулами, что подтверждено использованием визуальной аналоговой шкалы (вместе с нитратом калия, аргинином, глутаральдегидом с гидроксиэтилметакрилатом, гидроксиапатитом, адгезивными системами, стеклоиономерными цементами и лазером).
Коагент для отбеливания
Отбеливающие средства для зубов высвобождают активные формы кислорода, которые могут повреждать эмаль. Помимо реминерализации, исследования in vitro показали, что зубные пасты, содержащие наногидроксиапатит, обладают потенциалом снижать образование биопленки как на эмали зубов, так и на поверхностях композитных реставраций на основе смол.
В качестве зубного материала
Гидроксиапатит широко используется в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии благодаря своему химическому сходству с твердыми тканями. В будущем существуют перспективы применения наногидроксиапатита в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Основное и наиболее значимое свойство наногидроксиапатита – его биосовместимость. Он химически подобен природному гидроксиапатиту и способен имитировать структуру и биологические функции структур, присутствующих в резидентном внеклеточном матриксе. Поэтому его можно использовать в качестве каркаса для выращивания тканей, таких как костная и цементная ткань. В 2023 году Научный комитет Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) опубликовал обновленное заключение, в котором снял опасения относительно генотоксичности наногидроксиапатита в форме стержней, разрешив содержание в потребительских продуктах до 10% наногидроксиапатита в зубных пастах и 0,465% в ополаскивателях для полости рта. Однако в заключении содержится предупреждение об использовании наногидроксиапатита в форме игл и о риске ингаляции при применении спреев. В нем говорится:
Хроматография
Наряду с медицинскими применениями, гидроксиапатит также используется в последующих процессах при хроматографии со смешанным режимом на стадии полировки. Ионы, присутствующие на поверхности гидроксиапатита, делают его идеальным кандидатом, обладающим уникальной селективностью, разделением и очисткой биомолекулярных смесей. В хроматографии со смешанным режимом гидроксиапатит используется в качестве стационарной фазы в хроматографических колонках. Совместное присутствие ионов кальция (С-сайты) и фосфатных сайтов (Р-сайты) обеспечивает, соответственно, аффинную связывание с металлами и свойства ионного обмена. На С-сайтах поверхности смолы происходит аффинное взаимодействие с металлами с фосфатными или карбоксильными группами, присутствующими на биомолекулах. Одновременно эти положительно заряженные С-сайты склонны отталкивать положительно заряженные функциональные группы (например, аминогруппы) на биомолекулах. Р-сайты подвергаются катионному обмену с положительно заряженными функциональными группами на биомолекулах и проявляют электростатическое отталкивание с отрицательно заряженными функциональными группами на биомолекулах. Для элюирования молекул используется буфер с высокой концентрацией фосфата и хлорида натрия. Природа различных заряженных ионов на поверхности гидроксиапатита обеспечивает основу для уникальной селективности и связывания биомолекул, облегчая эффективное разделение биомолекул. Гидроксиапатит доступен в различных формах и размерах для очистки белков. Преимущества гидроксиапатитных сорбентов – высокая стабильность продукта и однородность между различными партиями при производстве. Обычно гидроксиапатит используется для полировки моноклональных антител, выделения плазмид, свободных от эндотоксинов, очистки ферментов и вирусных частиц.
Использование в археологии
В археологии гидроксиапатит из человеческих и животных останков может быть проанализирован для реконструкции древних диет, миграций и палеоклимата. Минеральные фракции костей и зубов служат резервуаром микроэлементов, включая углерод, кислород и стронций. Стабильный изотопный анализ гидроксиапатита человека и животных может использоваться для определения, была ли диета преимущественно наземной или морской (углерод, стронций), для установления географического происхождения и миграционных путей животных или человека (кислород, стронций), а также для реконструкции прошлых температур и климатических изменений (кислород). Постдепозиционные изменения костей могут приводить к разрушению костного коллагена – белка, необходимого для стабильного изотопного анализа.
Дефторирование
Гидроксилапатит является потенциальным адсорбентом для дефторирования питьевой воды, поскольку он образует фторапатит в трехстадийном процессе. Гидроксилапатит удаляет ионы фтора (F−) из воды, замещая гидроксид-ионы (OH−) и образуя фторапатит. Однако в процессе дефторирования гидроксилапатит растворяется, что приводит к повышению pH и концентрации фосфат-ионов, делая очищенную воду непригодной для питья. Недавно был предложен метод дефторирования с использованием "гидроксилапатита, модифицированного кальцием", для предотвращения выщелачивания фосфатов из гидроксилапатита. Этот метод также может способствовать обращению флюороза, обеспечивая поступление кальций-обогащенной щелочной питьевой воды в районы, пораженные флюорозом.