Гидроксиапатит ( название IMA : гидроксилапатит [5] ) (Hap, HAp или HA) — это встречающаяся в природе минеральная форма апатита кальция с формулой Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) , часто записываемой как Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , чтобы обозначить, что кристаллическая ячейка состоит из двух объектов. [6] Это гидроксильный конечный член сложной группы апатита . Ион OH − может быть заменен фторидом или хлоридом , образуя фторапатит или хлорапатит . Он кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе . Чистый порошок гидроксиапатита имеет белый цвет. Однако встречающиеся в природе апатиты могут также иметь коричневую, желтую или зеленую окраску, сопоставимую с изменениями цвета при флюорозе зубов .
До 50% по объему и 70% по весу человеческой кости представляет собой модифицированную форму гидроксиапатита, известную как костный минерал . [7] Карбонизированный гидроксиапатит с дефицитом кальция является основным минералом, из которого состоят зубная эмаль и дентин . Кристаллы гидроксиапатита также обнаруживаются в патологических кальцификациях, таких как те, что обнаруживаются в опухолях молочной железы , [8] а также в кальцификациях внутри шишковидной железы (и других структур мозга), известных как corpora arenacea или «мозговой песок». [9]
Гидроксиапатит можно синтезировать несколькими методами, такими как мокрое химическое осаждение, биомиметическое осаждение, золь-гель- метод (мокрое химическое осаждение) или электроосаждение. [10] Суспензию нанокристаллов гидроксиапатита можно приготовить с помощью реакции мокрого химического осаждения, следуя уравнению реакции ниже: [11]
10 Ca(OH) 2 + 6 H 3 PO 4 → Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18 H 2 O
Возможность синтетического копирования гидроксиапатита имеет неоценимое клиническое значение, особенно в стоматологии. Каждая методика дает кристаллы гидроксиапатита с различными характеристиками, такими как размер и форма. [12] Эти изменения оказывают заметное влияние на биологические и механические свойства соединения, и поэтому эти продукты гидроксиапатита имеют различные клинические применения. [13]
Кальцийдефицитный (нестехиометрический) гидроксиапатит, Ca10 − x (PO4 ) 6 − x (HPO4 ) x ( OH) 2− x (где x находится между 0 и 1) имеет соотношение Ca/P между 1,67 и 1,5. Соотношение Ca/P часто используется при обсуждении фаз фосфата кальция. [14] Стехиометрический апатит Ca10 (PO4 ) 6 ( OH) 2 имеет соотношение Ca/P 10: 6 , обычно выражаемое как 1,67. Нестехиометрические фазы имеют структуру гидроксиапатита с вакансиями катионов ( Ca2 + ) и вакансиями анионов ( OH− ). Места , занятые исключительно анионами фосфата в стехиометрическом гидроксиапатите, заняты фосфатом или гидрофосфатом, HPO2−4, анионы. [14] Приготовление этих фаз с дефицитом кальция может быть осуществлено путем осаждения из смеси нитрата кальция и диаммонийфосфата с желаемым соотношением Ca/P, например, для получения образца с соотношением Ca/P 1,6: [15]
Спекание этих нестехиометрических фаз образует твердую фазу, которая представляет собой тесную смесь трикальцийфосфата и гидроксиапатита, называемую двухфазным фосфатом кальция : [16]
Гидроксиапатит присутствует в костях и зубах ; кость состоит в основном из кристаллов HA, вкрапленных в коллагеновую матрицу — 65–70% массы кости составляет HA. Аналогично HA составляет 70–80% массы дентина и эмали зубов. В эмали матрица для HA образована амелогенинами и эналенинами вместо коллагена. [17]
Отложения гидроксиапатита в сухожилиях вокруг суставов приводят к заболеванию кальцифицирующий тендинит . [18]
Гидроксиапатит является компонентом фосфатно-кальциевых почечных камней . [19]
Реминерализация зубной эмали включает повторное введение минеральных ионов в деминерализованную эмаль. [20] Гидроксиапатит является основным минеральным компонентом эмали зубов. [21] Во время деминерализации ионы кальция и фосфора вытягиваются из гидроксиапатита. Минеральные ионы, введенные во время реминерализации, восстанавливают структуру кристаллов гидроксиапатита. [21] Если во время реминерализации присутствуют ионы фтора , посредством фторирования воды или использования зубной пасты , содержащей фторид, вместо кристаллов гидроксиапатита образуются более прочные и кислотоустойчивые кристаллы фторапатита . [22]
Булавовидные отростки Odontodactylus scyllarus (павлиньего креветки-богомола) сделаны из чрезвычайно плотной формы минерала, которая имеет более высокую удельную прочность; это привело к его исследованию для потенциального синтеза и инженерного использования. [23] Их пальцеобразные отростки обладают превосходной ударопрочностью благодаря тому, что область удара состоит в основном из кристаллического гидроксиапатита, который обеспечивает значительную твердость. Периодический слой под ударным слоем, состоящий из гидроксиапатита с более низким содержанием кальция и фосфора (что приводит к гораздо более низкому модулю), препятствует росту трещин, заставляя новые трещины менять направление. Этот периодический слой также уменьшает энергию, передаваемую через оба слоя из-за большой разницы в модуле, даже отражая часть падающей энергии. [24]
По состоянию на 2019 год [обновлять]использование гидроксиапатита или его синтетической формы, наногидроксиапатита, пока не является общепринятой практикой. Некоторые исследования показывают, что он полезен для противодействия гиперчувствительности дентина, предотвращения чувствительности после процедур отбеливания зубов и профилактики кариеса. [25] [26] [27] Гидроксиапатит из скорлупы птичьих яиц может быть жизнеспособным наполнителем в процедурах регенерации костей в хирургии полости рта. [28]
Наногидроксиапатит обладает биоактивными компонентами, которые могут стимулировать процесс минерализации зубов, устраняя гиперчувствительность. Считается, что гиперчувствительность зубов регулируется жидкостью в дентинных канальцах. [25] Говорят, что движение этой жидкости в результате различных стимулов возбуждает рецепторные клетки в пульпе и вызывает ощущения боли. [25] Физические свойства наногидроксиапатита могут проникать и запечатывать канальцы, останавливая циркуляцию жидкости и, следовательно, ощущения боли от стимулов. [26] Наногидроксиапатит был бы предпочтительнее, поскольку он параллелен естественному процессу поверхностной реминерализации. [27]
По сравнению с альтернативными методами лечения гиперчувствительности дентина, лечение, содержащее наногидроксиапатит, показало лучшие клинические результаты. Было доказано, что наногидроксиапатит лучше других методов лечения снижает чувствительность к испарительным стимулам, таким как струя воздуха, и тактильным стимулам, таким как постукивание по зубу стоматологическим инструментом. Однако не было обнаружено никакой разницы между наногидроксиапатитом и другими методами лечения холодными стимулами. [29] Гидроксилапатит продемонстрировал значительные среднесрочные и долгосрочные десенсибилизирующие эффекты на гиперчувствительность дентина с использованием испарительных стимулов и визуальной аналоговой шкалы (наряду с нитратом калия, аргинином, глутаральдегидом с гидроксиэтилметакрилатом, гидроксиапатитом, адгезивными системами, стеклоиономерными цементами и лазером). [30]
Отбеливающие средства для зубов выделяют активные формы кислорода, которые могут разрушать эмаль. [26] Чтобы предотвратить это, в отбеливающий раствор можно добавить наногидроксиапатит, чтобы уменьшить воздействие отбеливающего средства путем блокирования пор в эмали. [26] Это снижает чувствительность после процесса отбеливания. [27]
Наногидроксиапатит обладает реминерализующим эффектом на зубы и может использоваться для предотвращения повреждений от кариозных поражений. [27] В случае кислотной атаки кариесогенных бактерий частицы наногидроксиапатита могут проникать в поры на поверхности зуба, образуя защитный слой. [26] Кроме того, наногидроксиапатит может обладать способностью устранять повреждения от кариозных поражений, либо напрямую заменяя испорченные поверхностные минералы, либо действуя как связующее вещество для потерянных ионов. [26]
В некоторых зубных пастах гидроксиапатит можно найти в форме нанокристаллов (так как они легко растворяются). В последние годы нанокристаллы гидроксиапатита (nHA) использовались в зубных пастах для борьбы с гиперчувствительностью зубов. Они способствуют восстановлению и реминерализации эмали , тем самым помогая предотвратить чувствительность зубов. Зубная эмаль может стать деминерализованной из-за различных факторов, включая кислотную эрозию и кариес зубов . Если не лечить, это может привести к обнажению дентина и последующему обнажению зубной пульпы . В различных исследованиях использование наногидроксиапатита в зубной пасте показало положительные результаты в содействии реминерализации зубной эмали. [31] В дополнение к реминерализации, исследования in vitro показали, что зубные пасты, содержащие наногидроксиапатит, обладают потенциалом для уменьшения образования биопленки как на зубной эмали, так и на композитных поверхностях на основе смолы . [32]
Гидроксиапатит широко используется в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии из-за его химического сходства с твердыми тканями. [33]
В будущем появятся возможности использования наногидроксиапатита для тканевой инженерии и восстановления. Главной и наиболее выгодной особенностью наногидроксиапатита является его биосовместимость. [34] Он химически похож на встречающийся в природе гидроксиапатит и может имитировать структуру и биологическую функцию структур, обнаруженных в резидентном внеклеточном матриксе. [35] Поэтому его можно использовать в качестве каркаса для инженерных тканей, таких как кость и цемент. [26] Его можно использовать для восстановления расщелины губы и неба и усовершенствования существующих практик, таких как сохранение альвеолярной кости после удаления для лучшего размещения имплантата. [26]
Научный комитет Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) в 2021 году опубликовал официальное заключение, в котором рассматривался вопрос о том , безопасен ли наноматериал гидроксиапатит при использовании в смываемых и несмываемых дермальных и пероральных косметических средствах с учетом разумно прогнозируемых условий воздействия. В нем говорилось: [36]
Рассмотрев предоставленные данные и другую соответствующую информацию, имеющуюся в научной литературе, SCCS не может сделать вывод о безопасности гидроксиапатита, состоящего из стержневых наночастиц, для использования в косметических продуктах по уходу за полостью рта в максимальных концентрациях и спецификациях, указанных в настоящем Мнении. Это связано с тем, что имеющиеся данные/информация недостаточны для исключения опасений относительно генотоксического потенциала HAP-nano.
Научный комитет Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) в 2023 году переиздал обновленное заключение, в котором он снял опасения по поводу генотоксичности стержневого наногидроксиапатита, разрешив потребительским товарам содержать концентрации наногидроксиапатита до 10% для зубных паст и 0,465% для ополаскивателей для полости рта. Однако он предупреждает об игольчатом наногидроксиапатите и о вдыхании в распыляемых продуктах. В нем говорится: [37]
На основании предоставленных данных SCCS считает гидроксиапатит (нано) безопасным при использовании в концентрациях до 10% в зубной пасте и до 0,465% в ополаскивателе для полости рта. Эта оценка безопасности применима только к гидроксиапатиту (нано) со следующими характеристиками:
– состоящие из стержнеобразных частиц, из которых не менее 95,8% (по количеству частиц) имеют соотношение сторон менее 3, а остальные 4,2% имеют соотношение сторон не более 4,9;
– частицы не имеют покрытия или поверхностной модификации.
Наряду с медицинскими применениями гидроксиапатит также используется в нисходящих приложениях в смешанной хроматографии на этапе полировки. Ионы, присутствующие на поверхности гидроксиапатита, делают его идеальным кандидатом с уникальной селективностью, разделением и очисткой смесей биомолекул. В смешанной хроматографии гидроксиапатит используется в качестве неподвижной фазы в хроматографических колонках.
Совместное присутствие ионов кальция (C-сайты) и фосфатных сайтов (P-сайты) обеспечивает свойства сродства к металлу и ионного обмена соответственно. C-сайты на поверхности смолы подвергаются взаимодействиям сродства к металлу с фосфатными или карбоксильными группами, присутствующими на биомолекулах. Одновременно эти положительно заряженные C-сайты имеют тенденцию отталкивать положительно заряженные функциональные группы (например, аминогруппы) на биомолекулах. P-сайты подвергаются катионному обмену с положительно заряженными функциональными группами на биомолекулах. Они 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, способствуя надежному разделению биомолекул.
Гидроксиапатит доступен в различных формах и размерах для очистки белков. Преимуществами гидроксиапатитовой среды являются ее высокая стабильность продукта и однородность в различных партиях во время его производства. Как правило, гидроксиапатит использовался на этапе полировки моноклональных антител, изоляции плазмид, свободных от эндотоксинов, очистки ферментов и вирусных частиц. [38]
В археологии гидроксиапатит из останков человека и животных может быть проанализирован для реконструкции древних диет , миграций и палеоклимата. Минеральные фракции костей и зубов действуют как резервуар микроэлементов , включая углерод, кислород и стронций. Стабильный изотопный анализ гидроксиапатита человека и фауны может быть использован для определения того, была ли диета преимущественно наземной или морской по своей природе (углерод, стронций); [39] географического происхождения и миграционных привычек животного или человека (кислород, стронций) [40] и для реконструкции прошлых температур и климатических сдвигов (кислород). [41] Постдепозитионное изменение кости может способствовать деградации костного коллагена, белка, необходимого для анализа стабильных изотопов. [42]
Благодаря своей высокой биосовместимости, биоактивности, остеокондуктивной и/или остеоиндуктивной способности, нетоксичности, неиммуногенным свойствам и невоспалительному поведению гидроксиапатит доступен и используется в качестве костного наполнителя и в качестве покрытий на протезах. [43] Разработка костных каркасов с более высокой способностью стимулировать регенерацию костей является актуальной темой исследований. Были разработаны композитные 3D-каркасы для инженерии костной ткани на основе наногидроксиапатита и поли-ε-капролактона. Композитные 3D-каркасы показали хорошую цитосовместимость и остеогенный потенциал, что особенно рекомендуется в случаях, когда требуется более быстрая минерализация, например, при лечении остеопороза. [44]
Гидроксилапатит является потенциальным адсорбентом для дефторирования питьевой воды , поскольку он образует фторапатит в трехэтапном процессе. Гидроксилапатит удаляет F − из воды, заменяя OH − , образуя фторапатит. Однако в процессе дефторирования гидроксиапатит растворяется и повышает pH и концентрацию фосфатных ионов, что делает дефторированную воду непригодной для питья. [45] Недавно была предложена технология дефторирования «гидроксиапатит с внесенным кальцием» для преодоления выщелачивания фосфата из гидроксиапатита. [45] Эта технология также может повлиять на обратимость флюороза путем подачи обогащенной кальцием щелочной питьевой воды в пораженные флюорозом области.
составляет около 50% сухого веса кости... кристаллы имеют дефекты и не идентичны гидроксилапатиту, обнаруженному в минералах горных пород.