Гидроксиапатит ( название IMA : гидроксиапатит [5] ) (Hap, HAp или HA) представляет собой встречающуюся в природе минеральную форму апатита кальция с формулой Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) , часто обозначаемой Ca 10 (PO 4 ) 6. (OH) 2 для обозначения того, что кристаллическая элементарная ячейка состоит из двух объектов. [6] Это концевой гидроксильный элемент сложной апатитной группы . Ион OH- может быть заменен фторидом или хлоридом , образуя фторапатит или хлорапатит . Кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе . Чистый порошок гидроксиапатита имеет белый цвет. Однако встречающиеся в природе апатиты могут также иметь коричневую, желтую или зеленую окраску, сравнимую с изменениями цвета при флюорозе зубов .
До 50% по объему и 70% по весу человеческой кости представляет собой модифицированную форму гидроксиапатита, известного 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 кальцинатах, например, в опухолях молочной железы [8] , а также в кальцификатах шишковидной железы (и других структурах головного мозга), известных как corpora arenacea или «мозговой песок». [9]
Гидроксиапатит можно синтезировать несколькими методами, такими как мокрое химическое осаждение, биомиметическое осаждение, золь-гель (мокрое химическое осаждение) или электроосаждение. [10] Суспензию нанокристаллов гидроксиапатита можно приготовить с помощью реакции влажного химического осаждения по приведенному ниже уравнению реакции: [11]
10 Ca(OH) 2 + 6 H 3 PO 4 → Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18 H 2 O
Способность синтетически воспроизводить гидроксиапатит имеет неоценимое клиническое значение, особенно в стоматологии. Каждый метод дает кристаллы гидроксиапатита с различными характеристиками, такими как размер и форма. [12] Эти вариации оказывают заметное влияние на биологические и механические свойства соединения, и поэтому эти продукты из гидроксиапатита имеют различное клиническое применение. [13]
Гидроксиапатит с дефицитом кальция (нестехиометрический) Ca 10- x (PO 4 ) 6- x (HPO 4 ) x (OH) 2- x (где x находится между 0 и 1) имеет соотношение Ca/P от 1,67 до 1,5. Соотношение Ca/P часто используется при обсуждении фаз фосфата кальция. [14] Стехиометрический апатит Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 имеет соотношение Ca/P 10:6, обычно выражаемое как 1,67. Нестехиометрические фазы имеют структуру гидроксиапатита с катионными ( Ca 2+ ) и анионными ( OH - ) вакансиями. Места, занятые исключительно фосфат-анионами в стехиометрическом гидроксиапатите, заняты фосфатом или гидрофосфатом HPO .2-4, анионы. [14] Получение этих дефицитных по кальцию фаз можно получить 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 смесь трикальцийфосфата и гидроксиапатита, называемую двухфазным фосфатом кальция : [16]
Гидроксилапатит присутствует в костях и зубах ; Кость состоит в основном из кристаллов ГК, вкрапленных в коллагеновый матрикс: от 65 до 70% массы кости составляет ГК. Аналогичным образом ГК составляет от 70 до 80% массы дентина и эмали зубов. В эмали матрикс ГК образован амелогенинами и эмалинами вместо коллагена. [17]
Отложения гидроксилапатита в сухожилиях вокруг суставов приводят к кальцифицирующему тендиниту . [18]
Гидроксилапатит входит в состав кальций-фосфатных камней в почках . [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 при реминерализации, восстанавливают структуру кристаллов гидроксиапатита. [21] Если ионы фтора присутствуют во время реминерализации, в результате фторирования воды или использования фторидсодержащей зубной пасты , вместо кристаллов гидроксиапатита образуются более прочные и кислотостойкие кристаллы фторапатита . [22]
Булавообразные придатки Odontodactylus scyllarus (креветки-богомола-павлина) состоят из чрезвычайно плотной формы минерала, обладающей более высокой удельной прочностью; это привело к его исследованию на предмет потенциального синтеза и инженерного использования. [23] Их дактильные придатки обладают превосходной ударопрочностью, поскольку 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 упругости), подавляет рост трещин, заставляя новые трещины менять направление. Этот периодический слой также уменьшает энергию, передаваемую через оба слоя, из-за большой разницы в модулях, даже отражая часть падающей энергии. [24]
По состоянию на 2019 год [обновлять]использование гидроксиапатита или его синтетической формы, наногидроксиапатита, еще не стало обычной практикой. Некоторые исследования показывают, что он полезен для противодействия гиперчувствительности дентина, предотвращения чувствительности после процедур отбеливания зубов и профилактики кариеса. [25] [26] [27] Гидроксиапатит яичной скорлупы птиц может быть жизнеспособным наполнителем в процедурах регенерации кости в челюстно-лицевой хирургии. [28]
Наногидроксиапатит содержит биологически активные компоненты, которые ускоряют процесс минерализации зубов, устраняя гиперчувствительность. Считается, что гиперчувствительность зубов регулируется жидкостью в дентинных канальцах. [25] Считается, что движение этой жидкости в результате различных раздражителей возбуждает рецепторные клетки в пульпе и вызывает ощущение боли. [25] Физические свойства наногидроксиапатита могут проникать и запечатывать канальцы, останавливая циркуляцию жидкости и, следовательно, ощущения боли от раздражителей. [26] Наногидроксиапатит был бы предпочтительнее, поскольку он аналогичен естественному процессу реминерализации поверхности. [27]
Было показано, что по сравнению с альтернативными методами лечения гиперчувствительности дентина лечение, содержащее наногидроксиапатит, дает лучшие клинические результаты. Было доказано, что наногидроксиапатит лучше, чем другие методы лечения, снижает чувствительность к испарительным раздражителям, таким как поток воздуха, и тактильным раздражителям, таким как постукивание по зубу стоматологическим инструментом. Однако не было обнаружено никакой разницы между наногидроксиапатитом и другими методами лечения холодовых раздражителей. [29] Гидроксилапатит продемонстрировал значительное среднесрочное и долгосрочное десенсибилизирующее воздействие на гиперчувствительность дентина с использованием испарительных стимулов и визуальной аналоговой шкалы (наряду с нитратом калия, аргинином, глутаровым альдегидом с гидроксиэтилметакрилатом, гидроксиапатитом, адгезивными системами, стеклоиономерными цементами и лазером). [30]
Средства для отбеливания зубов выделяют активные формы кислорода, которые могут разрушать эмаль. [26] Чтобы предотвратить это, в отбеливающий раствор можно добавить наногидроксиапатит, чтобы уменьшить воздействие отбеливающего агента за счет блокировки пор внутри эмали. [26] Это снижает чувствительность после процесса отбеливания. [27]
Наногидроксиапатит оказывает реминерализирующее действие на зубы и может использоваться для предотвращения повреждений от кариозных поражений. [27] В случае кислотной атаки кариесогенных бактерий частицы наногидроксиапатита могут проникнуть в поры на поверхности зуба, образуя защитный слой. [26] Кроме того, наногидроксиапатит может обладать способностью устранять повреждения, вызванные кариесом, либо напрямую заменяя испорченные поверхностные минералы, либо действуя в качестве связующего агента для потерянных ионов. [26]
В некоторых зубных пастах гидроксиапатит можно найти в виде нанокристаллов (поскольку они легко растворяются). В последние годы нанокристаллы гидроксиапатита (nHA) используются в зубной пасте для борьбы с гиперчувствительностью зубов. Они способствуют восстановлению и реминерализации эмали , тем самым помогая предотвратить чувствительность зубов. Зубная эмаль может деминерализоваться из-за различных факторов, включая кислотную эрозию и кариес . Если не лечить, это может привести к обнажению дентина и последующему обнажению пульпы зуба . 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, могут снижать образование биопленок как на зубной эмали, так и на композитных поверхностях на основе смол. [32]
Гидроксиапатит широко используется в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии из-за его химического сходства с твердыми тканями. [33]
В будущем есть возможности использования наногидроксиапатита для тканевой инженерии и восстановления. Главной и наиболее выгодной особенностью наногидроксиапатита является его биосовместимость. [34] Он химически подобен встречающемуся в природе гидроксиапатиту и может имитировать структуру и биологическую функцию структур, обнаруженных в резидентном внеклеточном матриксе. [35] Таким образом, его можно использовать в качестве каркаса для инженерных тканей, таких как кость и цемент. [26] Его можно использовать для восстановления расщелины губы и неба, а также для усовершенствования существующих практик, таких как сохранение альвеолярной кости после удаления для лучшей установки имплантата. [26]
Научный комитет Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) в 2021 году опубликовал официальное заключение, в котором рассмотрел вопрос о том, безопасен ли наноматериал гидроксиапатит при использовании в несмываемых и смываемых дермальных и оральных косметических продуктах, принимая во внимание разумно прогнозируемые последствия. условия воздействия. В нем говорилось: [36]
Рассмотрев предоставленные данные и другую соответствующую информацию, доступную в научной литературе, SCCS не может сделать вывод о безопасности гидроксиапатита, состоящего из наночастиц стержнеобразной формы, для использования в косметических продуктах для ухода за полостью рта в максимальных концентрациях и спецификациях, приведенных в этом Заключении. Это связано с тем, что имеющихся данных/информации недостаточно, чтобы исключить опасения по поводу генотоксического потенциала HAP-nano.
Научный комитет Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) в 2023 году переиздал обновленное заключение, в котором снял с стержнеобразного наногидроксиапатита опасения по поводу генотоксичности, разрешив потребительским продуктам содержать концентрации наногидроксиапатита до 10% для зубных паст и 0,465% для ополаскивателей для рта. Однако он предупреждает об игольчатом наногидроксиапатите и о вдыхании аэрозольных продуктов. В нем говорилось: [37]
На основании предоставленных данных SCCS считает гидроксиапатит (нано) безопасным при использовании в концентрациях до 10% в зубной пасте и до 0,465% в жидкости для полоскания рта. Эта оценка безопасности применима только к гидроксиапатиту (нано) со следующими характеристиками:
– состоят из частиц стержнеобразной формы, из которых не менее 95,8% (по числу частиц) имеют соотношение размеров менее 3, а остальные 4,2% имеют соотношение размеров не более 4,9;
– частицы не имеют покрытия и не имеют модифицированной поверхности.
Помимо медицинских применений, гидроксиапатит также используется в последующих применениях при 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 сродство к металлу и ионообменные свойства соответственно. С-сайты на поверхности смолы подвергаются сродству к металлам с фосфатными или карбоксильными группами, присутствующими в биомолекулах. Одновременно эти положительно заряженные С-сайты имеют тенденцию отталкивать положительно заряженные функциональные группы (например, аминогруппы) на биомолекулах. P-сайты подвергаются катионному обмену с положительно заряженными функциональными группами биомолекул. Они проявляют электростатическое отталкивание отрицательно заряженных функциональных групп на биомолекулах. Для элюирования молекул используется буфер с высокой концентрацией фосфата и хлорида натрия. Природа разнозарядных ионов на поверхности гидроксиапатита обеспечивает основу для уникальной селективности и связывания биомолекул, способствуя надежному разделению биомолекул.
Гидроксиапатит доступен в разных формах и разных размерах для очистки белков. Достоинствами гидроксиапатитовых сред являются высокая стабильность продукта и однородность различных партий в процессе его производства. Обычно гидроксиапатит использовался на стадии очистки моноклональных антител, выделения свободных от эндотоксинов плазмид, очистки ферментов и вирусных частиц. [38]
В археологии гидроксиапатит останков человека и животных можно анализировать для реконструкции древней диеты , миграций и палеоклимата. Минеральные фракции костей и зубов действуют как резервуар микроэлементов , включая углерод, кислород и стронций. Анализ стабильных изотопов гидроксиапатита человека и фауны можно использовать, чтобы указать, была ли диета преимущественно наземной или морской по своей природе (углерод, стронций); [39] географическое происхождение и миграционные привычки животного или человека (кислород, стронций) [40] и восстановить прошлые температуры и климатические сдвиги (кислород). [41] Постдепонационные изменения костей могут способствовать деградации костного коллагена, белка, необходимого для анализа стабильных изотопов. [42]
Гидроксилапатит является потенциальным адсорбентом для дефторирования питьевой воды , поскольку он образует фторапатит в трехстадийном процессе. Гидроксилапатит удаляет F − из воды, заменяя OH −, образуя фторапатит. Однако во время процесса дефторирования гидроксиапатит растворяется и увеличивает pH и концентрацию фосфат -ионов, что делает дефторированную воду непригодной для питья. [43] Недавно была предложена методика дефторирования «гидроксиапатита с поправками кальция» для предотвращения выщелачивания фосфата из гидроксиапатита. [43] Этот метод также может повлиять на обращение флюороза, обеспечивая обогащенную кальцием щелочную питьевую воду в пораженных флюорозом районах.
Неорганические вещества составляют около 50% сухого веса кости... кристаллы имеют дефекты и не идентичны гидроксилапатиту, обнаруженному в минералах горных пород.