Изоморфные замещения

2.2 Изоморфные замещения

Минеральные фазы природной костной ткани, дентина и эмали содержат значительные количества биологически важных элементов: фтор, хлор, магний, натрий, и анионных групп: карбонат- и силикат-группы. При синтезе частично-замещенных гидроксиапатитов специально вводят в структуру ГА некоторые анионы и катионы с целью либо компенсации заряда (натрий и аммоний вводят при синтезе карбонатгидроксиапатитов), либо для регулирования дисперсности и химических свойств (кремнийзамещенные апатиты, фторгидроксиапатиты). Анионные и катионные замещения оказывают значительное влияние на биологическое поведение ГА. В этой связи вопрос об изоморфных замещениях в гидроксиапатитах представляется весьма важным.

Анионные замещения

Структура ГА нестехиометрична и позволяет разного рода замещения одних элементов другими. Ионы кислорода не находятся строго в плоскости Са-треугольника. Однако расстояние от групп ОНˉ до плоскости небольшое. Смещение атомов кислорода гидроксильных групп относительно плоскости симметрии составляет 0,34 Å [103]. В усреднённой структуре ГА половина всех элементарных ячеек должна содержать гидроксил-ионы, смещённые в одном направлении, тогда как вторая половина – в противоположном направлении относительно плоскости симметрии. Однако разупорядочение такого рода не может быть абсолютно «беспорядочным» и существует, по-видимому, ближний порядок типа ОН-ОН-ОН…НО-НО-НО. Изменение ориентации в расположении ОН-групп может быть результатом их замещения ионами фтора или хлора, а также наличием вакансий [86].

Ион Fֿ в фторапатите кальция (химическая формула Ca₁₀(PO₄)₆F₂, далее ФА) не смещён из центров Са-треугольников, в отличие от ионов OHֿ и Clֿ (рис. 8). Отсутствие полярного момента может обеспечивать большую химическую устойчивость ФА [103, 104]. Параметры решетки ФА: а = b = 9,367 Å и с = 6,884 Å [105]. В работе [106] изучено изменение параметров решетки и объема элементарной ячейки при частичном замещении гидрокси-групп фтором, происходящем в результате твердофазного взаимодействия ГА с ФА при высоких температурах. С увеличением содержания фтора происходит монотонное снижение параметра а, причем интенсивность влияния фтора на изменение параметра решетки зависит от температуры термической обработки (рис. 9а). Сделано предположение о том, что снижение параметра решетки а может быть обусловлено упорядочением, удалением гидрокси-групп и тенденцией к образованию оксиапатита с меньшим параметром решетки. Возрастание а при температурах выше 1200 ⁰С (рис. 9б) отнесено к повышению нестабильности кристаллической решетки перед фазовым превращением ГА в -ТКФ, сопровождающимся снижением сингонии с гексагональной до моноклинной с большим периодом решетки (а = 12,887 Å, b = 27,280 Å, с = 15,219 Å).

На рис. 10 показаны участки ИК спектров, соответствующие деформационным колебаниям связи Са₃–ОН, для образцов ФГА с замещением фтором гидроксильных групп от 0 до 95 мол. %. Пик при 631 см^-1, характерный для чистого ГА, по мере замещения гидроксильных групп фтором смещается в область больших волновых чисел, достигая положения при 747 см^-1 в случае 95%-ного замещёния гидроксильных групп.

На рис. 11 показано, как меняются расстояния в цепочке гидроксильных групп между её составляющими при введении атома фтора. Своё стабилизирующее действие фтор оказывает не только в случае полного замещения групп ОН^-, но и при частичном, с образованием соединения ФГА. Известно, что растворимость чистого ГА выше, чем как у чистого ФА, так и у ФГА [107]. В табл. 5 приведены данные, полученные в ходе определения растворимости ГА и ФА в 0,5 моль/л ацетатном буферном растворе с рН=4 при температуре 37°С [107]. Видно, что растворимость ФА приблизительно на порядок меньше чем у ГА.

О меньшей растворимости ФГА в сравнении с ГА говорят и величины произведений растворимости, которые составляют для ГА и ФГА, соответственно 1,022·10^-122 и 4,3·10^-126 [109].

Таким образом, можно сделать вывод, что использование ФГА в качестве материала для имплантата должно улучшать его стабильность в химически активной среде человеческого организма (за счёт присутствия Fֿ), при сохранении биоактивности и биосовместимости, присущих ГА. Полагают [29], что степень замещения групп ОНֿ ионами фтора не должна превышать 10%, во избежание отрицательных биологических последствий, в частности флюороза. Известно относительно небольшое количество опубликованных исследований поведения ФГА-керамики в биологических средах. Необходимы дополнительные исследования как в области технологии ФГА-керамики, так и оценки её биологического поведения в экспериментах in vitro и in vivo.

В рамках структурно-термохимической модели вычислены энергии химических связей ионов F^-, Cl^- и ОН^- c ионами кальция в Са-каналах для основного состояния кристалла: ΣD₀(CaCl)=701,8 кДжּмоль^-1, ΣD₀(CaOH)=326,4 кДжּмоль^-1, ΣD₀(CaF)=953,3 кДжּмоль^-1.

Обмен ионов ОН^- на ионы фтора должен быть эффективным в силу большей разности в энергиях связей. Однако изоморфное замещение РО₄^3- группы на иные анионы может приводить к изменениям в ряду устойчивости к обмену ионов в Са-каналах. Оценка показала, что частичное замещение PO₄^3--группы на СО₃^2- может сделать ионы ОН^- более устойчивыми, чем F^- ионы, т. е. ионы ОН^- будут при определенных условиях замещать ионы F^- во фторапатите.

Параметры решетки хлорапатита (ХА) гексагональной сингонии составляют а=b = 9,598 Å, с = 6,776 Å [110]. Расположение ионов хлора в ХА неупорядочено, подобно ионам ОН^- в структуре ГА, они смещены в обе стороны относительно плоскости кальциевых треугольников на примерно 1,2 Å. Столь значительно смещение сопровождается образованием химической связи между хлором и ионами кальция соседнего треугольника. Стехиометрический ХА может, так же, как и ГА, кристаллизоваться в моноклинной сингонии с упорядочением в расположении ионов хлора.

Карбонат-замещенные гидроксиапатиты (КГА) представляют особый интерес для применения в качестве биологически активного материала. Биологический апатит костных и зубных тканей - всегда дефицитный по кальцию и содержат значительные количества карбонат-групп. В зависимости от возраста человека, содержание групп СО₃^2- в КГА достигает от 2,3 до 8,0 масс. % [111,112]. Есть оценки того, что минеральная составляющая эмали, дентина и костной ткани содержит, соответственно, 3,5, 5,6 и 7,4 масс.% групп СО₃^2- [113]. Карбонатные группы создают решеточные искажения, микронапряжения и дефекты кристаллической решетки, влияя на биологическое поведение, повышая, в частности, способность к остеоинтеграции.

Карбонат-группы могут занимать два положения в структуре ГА, замещая соответственно ОН-группы (А-тип замещения), либо РО₄^3--группы (Б-тип) [114]. Замещение РО₄^3- карбонат-группами приводит к уменьшению размеров кристаллов и степени кристалличности ГА. Замещение ОН-групп приводит к расширению элементарной ячейки вдоль оси а и небольшому сжатию вдоль оси с, что сопровождается изменением пространственной группы с P6₃/m на P2₁/b. В случае КГА Б-типа наоборот наблюдается уменьшение параметра а и увеличение с [115]. Параметры решетки КА: а= 9,48 Å, с = 6,89 Å.

Как природная костная ткань, так и синтетический КГА, получаемый осаждением из растворов, имеет смешанный АБ-тип замещения, в котором соотношение между А- и Б-составляющими зависит от многих факторов. В частности, при химическом синтезе это соотношение может зависеть от условий проведения реакции.

Было предложено несколько моделей для описания процесса вхождения карбонат-групп в структуру апатита. В ряде моделей предполагается необходимость компенсации различия валентностей РО₄^3- и СО₃^2- групп посредством частичного замещения кальция одновалентным катионом. В моделях второй группы рассматривается образование вакансий по кальцию. В частности, предложена следующая формула для КГА:

Ca_10-y+u(PO₄)_6-y(CO₃)_y(OH)_2-y+2u, (4)

где 0 < y < 2 и 0 < 2u < y. В этой модели предполагается, что при замещении одной фосфатной группы карбонатной образуются по одной кальциевой и гидроксильной вакансии, причем доля u этих вакансий может быть заполнена [114]. Формула (4) может быть модифицирована следующим образом:

Ca_10-y+u y-u(PO₄)_6-y(CO₃  )_y-u(CO₃ OH)_u(OH)_2-y+2u y-u, (5)

где 0 £ y £ 2 и 0 £ 2u £ y;   - вакансия.

Обе рассмотренные модели не учитывают экспериментально наблюдаемого замещения по А-типу при низких концентрациях карбонат групп. Авторы работы [115] синтезировали КГА осаждением из раствора ортофосфата аммония, нитрата кальция и карбоната натрия с варьируемой концентрацией последнего и исследовали соотношение Са/Р в продуктах синтеза. Продемонстрировано, что механизм замещения изменяется в зависимости от степени замещения. При малых концентрациях карбонат замещает в примерно равных пропорциях ОН^- и PO₄^3- группы с получением кальций-дефицитного продукта:

Ca_10-р(PO₄)_6-р(CO₃)_р(OH)_2-р(CO₃)_р (6)

где 0 < р < 1.

Однако, происходит смена механизма еще до полного замещения всех позиций, занимаемых ОН^--группами, согласно данным ИК-спектроскопии. По достижении р = 1 с увеличением содержания СО₃^2- групп механизм замещения соответствует предложенному в работе [116], то есть описывается формулой:

Са_9-y(PO₄)_5-y(CO₃)_1+y(OH)_1-y (7)

где y < 0,8.

В противоположность этому, исследованиями методом ЯМР-спектроскопии ³¹Р и ¹Н продуктов синтеза КГА в системе хлорид кальция - однозамещенный фосфат аммония - карбонат аммония - аммиак показано, что СО₃^2--группы замещают группы ОН^-, а замещения фосфатных групп не происходит [118]. По-видимому, характер замещения зависит не только от условий проведения, но и от реакции синтеза.

Ряд работ [119-122] посвящен изучению анионного замещения фосфатных групп анионами SiO₄^4- . Несмотря на то, что многими исследователями отмечается сильное влияние наличия кремния в структуре ГА на его биоактивность, количественных данных по степени замещения фосфатных групп силикатами в кристаллической решетки ГА нет. Поскольку силикатный ион обладает большим размером ((Si-O) – 1,7 Å, (Р-О) – 1,5 Å) и более высокозарядный, чем фосфатный, не следует ожидать значительной степени замещения без использования приема двойного гетеровалентного замещения. Так при дополнительном введении La³⁺ возможно получения всего ряда твердых растворов. Если такой прием не использовать, то компенсация избыточного заряда происходит за счет уменьшения числа гидроксильных групп, и такой гидроксиапатит можно представить формулой:

Ca₁₀(PO₄)_6-x(SiO₄)_x(OH)_2-xx (8)

Кремний-замещенный ГА проявляет большое сродство к карбонат-аниону, который компенсирует заряд силикатного аниона; присутствие СО₃^2- -группы наблюдается в Si-ГА даже в случаях, когда синтез проводится в инертной атмосфере аргона. При этом степень СО₃^2--замещения возрастает с увеличением содержания кремния. Учитывая большой размер SiO₄^4- группы, при их введении должно происходить увеличение параметров элементарной ячейки ГА.

Катионные замещения

Существенное влияние на химические и биологические свойства ГА оказывают катионные замещения. Например, известно, что свинец из физиологической среды имеет тенденцию накапливаться в костных тканях и зубной эмали, оказывая отрицательное влияние на их жизнедеятельность. В структуре апатита малое межатомное расстояние связи Pb-O обусловлено вкладом ковалентной составляющей в межатомное взаимодействие [123]. Содержание ионов магния составляет от 0,5 масс.% в эмали до 1,23 масс.% в дентине. Магний играет важнейшую роль в физиологических процессах. Содержание натрия в костной ткани достигает 0,9 масс.%. Концентрация калия на порядок величины ниже (табл. 1). Для катионных замещений важное значение имеет размерное соответствие ионов. В таблице 6 приведены ионные радиусы некоторых катионов и анионов [124].

Наиболее близким к кальцию по эффективному ионному радиусу является натрий, легко входящий в структуру гидроксиапатита при синтезе и присутствующий в естественных твердых тканях в значительных количествах. Магний, имеющий существенно меньший ионный радиус по сравнению с кальцием, дестабилизирует структуру апатита. Вхождение Mg²⁺ в структуру и-ТКФ происходит со следующими особенностями. В небольших количествах магний стабилизирует структуру-ТКФ и замещение происходит по позициям, смежным катионными вакансиями в ромбоэдрической структуре. При высоких содержаниях магния он стабилизирует структуру ТКФ, замещая кальций в катион-анионных колоннах элементарной ячейки [87]. Ионы серебра, меди и цинка входят лишь в малых количествах в структуру апатита, замещая ионы кальция, при синтезе осаждением из растворов.

в случае заполнения катионных позиций, определяющим фактором является характер химической связи, образуемой двухвалентным катионом в определенном положении кристаллической структуры, фактор размерного подобия катиона заместителя с катионами кальция менее значим. Предложены различные механизмы катионных замещений в структуре апатита, например:

M²⁺ = Ca²⁺; + 2 = Ca²⁺ + 2OH^-; + 2ZO₄^2- = Ca²⁺ + 2PO₄³

Для одно- и трехзарядных катионов более характерно заполнение позиции СаII, поскольку в этом случае больше возможностей для зарядовой компенсации при соответствующем гетеровалентном замещении в анионных подрешетках. Предложенные механизмы замещения фосфатных PO₄^3- групп включают [125,126]:

Z1O₄^3- = PO₄^3-; Z2O₄^2- + = PO₄^3- + OH^-; Z3O₄^2- + Z4O₄^4- = 2PO₄^3-.

3.Синтез и спекание порошков ортофосфатов кальция