Изучение кристаллизации фосфатов кальция из прототипа ротовой жидкости в присутствии фторид ионов

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 2. С. 123-126.

УДК 544.77

О.А. Голованова, А.С. Строгина, А.П. Солоненко

ИЗУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ ИЗ ПРОТОТИПА РОТОВОЙ ЖИДКОСТИ В ПРИСУТСТВИИ ФТОРИД ИОНОВ*

Изучены условия образования фосфатов кальция в присутствии фторид-ионов. Показано, что при концентрации фторид-ионов 0,106 ммоль/л происходит кристаллизация брушита, а при концентрациях фторид-ионов 0,530 и 1,06 ммоль/л - гидро-ксилапатита. Масса твердой фазы из растворов с различной концентрацией фторид-ионов увеличивается со временем, а наибольшее значение массы наблюдается при выдерживании осадка под маточным раствором в течение двух дней.

Ключевые слова: гидроксилапатит, брушит, фторид-ион, синтез, кристаллизация, твердая фаза, маточный раствор.

Введение. Среди огромного числа природных образований последнее время большое внимание уделяется большой группе соединений, таких как фосфаты кальция. Этот тип материалов имеет особое значение для людей, поскольку фосфаты кальция являются главной неорганической частью физиогенных (кости, зубы) и патологических (т. е. тех, которые появляются из-за различных болезней) твердых тканей [1-10]. Например, атеросклероз вызван блокировкой кровеносных сосудов твердым композитом холестерина с ортофосфатами кальция, зубной кариес и остеопороз - частичным удалением известкового вещества (декальцинирование) зубов и, соответственно, костей, что является результатом замещения менее растворимого и более твердого биологического апатита более растворимыми и мягкими гидрофосфатами кальция. В связи с этим, процессы и физиогенной, и патологической кристаллизации в естественных условиях представляют собой кристаллизацию фосфатов кальция [11].

Известно, что фтор содержится во всех тканях организма [5-8; 12-

21]. Он может находиться в нескольких формах: 1) кристаллический фто-рапатит: зубы, кости; 2) в комплексе с органическими веществами гликопротеидами; 3) образуется органический матрикс эмали, дентина, костей;

4) 2/3 общего количества фтора существует в ионном состоянии в биологических жидкостях: кровь, слюна.

Изучение влияния данной добавки на процессы кристаллизации фосфатов кальция связано с тем, что фтор принимает участие в процессе минерализации зубов и костей, он связывается с белками органического матрикса, способствует образованию более прочных кристаллов ГАП и К-апатитов, влияет на бактерии полости рта, принимает участие в регуляции поступления кальция в твердые ткани зуба.

В данной работе в качестве прототипа биологической среды была выбрана ротовая жидкость, которая по составу представлена как неорганическими, так и органическими составляющими. Неорганические компоненты состоят из макро- и микроэлементов (Н, К, Ма, Са, Mg, Ке, Си, Р, 8, С1, К), они могут находиться в ионизированной форме в виде простых и сложных ионов. Из органических веществ в слюне преобладают аминокислоты, мочевина, моносахариды [2].

Цель работы - исследование влияния фторид-ионов на процесс формирования фосфатов кальция.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК № 16.740.11.0602) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 10-05-00881-а, грант № 11-05-90425-Укр_ф_а).

© О.А. Голованова, А.С. Строгина, А.П. Солоненко, 2012

Эксперимент. Кристаллизацию фосфатов кальция изучали in vitro в среде, по электролитному составу приближенной к ротовой жидкости человека (см. табл.). В отдельных опытах в модельные растворы вводили добавки фторид-ионов, концентрация которых соответствовала 0,106, 0,530 и 1,06 ммоль/л (превышает норму присутствия в ротовой жидкости человека в 10, 50 и 100 раз соответственно). С интервалом 10, 20, 30 и 40 дней определяли массу образовавшейся твердой фазы.

Состав модельного раствора

Компонент Концентрация, ммоль/л

CaC\2 • 2H2O 4,78

(NH4)2HPO4 1,80

K2HPO4 21,93

NaF 0,106

MgC\2 • 6H2O 0,65

NaHCO3 7,40

Состав полученных осадков определяли с помощью РФА, ИК-спектроскопии, потен-циометрии и химических методов.

Рентгенофазовый анализ (РФА) всех образцов вели «методом порошка» на дифрактометре типа ДРОН по стандартной методике (СоКа, СиКа, №Ка, графитовый монохроматор) [11]. Идентификацию фаз проводили с использованием стандартных данных из БД ЛСРЭС [22].

ИК-спектры осадков были получены на спектрофотометре «ФТ-801». Образцы гото-

вились методом прессования таблеток с КВг. Запись спектра исследуемых образцов проводили в области от 4000 до 470 см-1. Для расшифровки использовалась программа «ZaIR 3.5», в базах данных которой содержится более 130 тысяч спектров.

Содержание основных компонентов в фильтрате определяли с помощью химических методов анализа: Ca и Mg при их совместном присутствии - методом комплек-сонометрического титрования с отделением фосфатов (РД 52.24.403-2007); концентрацию фосфатов - фотометрически по молибденовой сини (Аэфф=690 нм, кюветы с толщиной слоя 2 см, ГОСТ 18309-72); содержание фторид-ионов в фильтрате - методом прямой потенциометрии.

Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).

Обсуждение результатов. Данные РФА и ИК-спектроскопии свидетельствуют о разном фазовом составе полученных твердых фаз. Так, при концентрации фторид-ионов 0,106 ммоль/л происходит кристаллизация брушита [CaHPO4'2H2O] - фазы-предшественника гидроксилапатита, тогда как при более высоких концентрациях фторид-ионов твердая фаза представлена гид-роксилапатитом (рис. 1).

Рис. 1. Состав синтезированных образцов по данным ИК-спектроскопии

Изучение кристаллизации фосфатов кальция из прототипа ротовой жидкости..

125

Установлено, что массы твердых фаз, полученных из растворов с различным исходным содержанием фторид-ионов, увеличиваются со временем (рис. 2). Причем наиболее резко возрастает масса осадков из раствора с концентрацией фторид-ионов 0,106 ммоль/л (рис. 2а). Следует также отметить, что соотношение Са/Р для исследуемых образцов изменяется противоположным образом: максимальные значения достигаются при концентрации фторид-ионов 1,06 ммоль/л (рис. 2б), что позволяет предположить образование в данном случае гидроксилапатита с более высокой окри-сталлизованностью и стехиометрией. Известно, что при данных концентрациях ионов фтора (1,06 ммоль/л) возможно также образование фторапатита совместно с гид-роксилапатитом, но его количество менее 5 масс. %, поэтому идентификация методами РФА затруднена.

.эе -| а, 34 -^ 0.32 -

I 13

^ 0,38 -I 0,2В -о 0.24-

п 0,22 -| 0.2 -0,18 -0,16 -

0.106 ммоль/л

1.06 ммоль/л

20 ЭО

Время, дн.

а

Время, дн. б

Рис. 2. Массы осадков (а) и соотношение Са/Р твердых фаз (б) от времени эксперимента

В следующем эксперименте на модельных растворах, которые по электролитному составу были приближены к слюне здорового среднестатистического человека [2], изучали влияние длительности проведения эксперимента на процессы кристаллизации. В исследуемые растворы вводили добавки фторид-ионов концентраций 0,106; 0,530 и 1,06 ммоль/л и с интервалом в 1, 2, 4, 8, 10, 12 суток определяли массу образовавшейся твердой фазы, а также остаточную концентрацию ионов фтора в растворе.

Установлено, что масса твердой фазы из растворов с различной концентрацией

фторид-ионов увеличивается со временем (рис. 3). Наибольшее значение массы наблюдается при выдерживании осадка под маточным раствором в течение двух дней, затем происходит ее уменьшение. Это может быть связано с процессами перекристаллизации и фазовыми переходами твердой фазы.

0,106 ммоль/л

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

-Линейный

а

0

15

5 10 Время, сут

—♦—0,53 ммоль/л ---Линейный

6

Рис. 3. Зависимость массы твердой фазы от времени эксперимента при различной концентрации фторид-ионов: а - 0,106 ммоль/л; б - 0,530 ммоль/л

При этом установлено, что при выдерживании твердой фазы под маточным раствором в течение двух дней наблюдается резкое уменьшение концентрации ионов фтора в растворе (рис. 4). Затем при продолжительности эксперимента до 12 суток концентрация фторид-ионов практически не меняется. Такое изменение наблюдается в модельных растворах с концентрацией ионов фтора 0,106 и 0,530 ммоль/л.

Важно отметить, что при наименьшей концентрации ионов фтора 0,106 ммоль/л в течение 4, 8, 10, 12 дней их содержание в растворе минимально, тогда как при концентрации 0,53 ммоль/л в ходе всего эксперимента содержание ионов фтора в растворе и твердой фазе практически одинаково. Такое поведение фторид-ионов указывает на то, что максимальное вхождение данных ионов в структуру гидроксилапатита происходит в течение двух суток.

В свою очередь, в модельном растворе с концентрацией ионов фтора 1,06 ммоль/л наблюдается уменьшение содержания ионов фтора на протяжении восьми суток проведения эксперимента. Через 8, 10, 12 дней в маточном растворе ионов фтора не обнаружено, таким образом, можно предположить, что они почти полностью перешли в твердую фазу [18; 20].

2,50Е-04

2,00Е-04 1,50Е-04 1,00Е-04 5,00Е-05 0,00Е+00

0 5 10 15

-♦-0,106 мМ

а

0,53

2,50Е-05 2,00Е-05 1,50Е-05 1,00Е-05 5,00Е-06 0,00Е+00

0 5 10 15

-♦-0,53 б

1,06

3,50Е-04 3,00Е-04 -2,50Е-04 -2,00Е-04 -1,50Е-04 -1,00Е-04 -5,00Е-05 -0,00Е+00--5,00Е-050

-♦-1,06

в

Рис. 4. Зависимость концентрации ионов фтора от времени эксперимента (сутки) при различной концентрации фторид-ионов: а - 0,106 ммоль/л; б - 0,530 ммоль/л, в - 1,06; ммоль/л

Заключение. В работе изучено влияние фторид-ионов на процесс формирования фосфатов кальция.

Отмечено, что при концентрации фторид-ионов 0,106 ммоль/л происходит кристаллизация брушита (фазы-предшественника гидроксилапатита), при концентрациях фторид-ионов 0,530 и 1,06ммоль/л твердая фаза представлена гидроксилапатитом.

Установлено, что масса твердой фазы из растворов с различной концентрацией фторид-ионов увеличивается со временем, а наибольшее значение массы наблюдается при выдерживании осадка под маточным раствором в течение двух дней.

Полученные результаты указывают на перспективность изучения фторсодержащих апатитов для дальнейшего их использования в биотехнологиях.

ЛИТЕРАТУРА

Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция. М., 2004. С. 52-63.

2] Леонтьев В. К., Галиулина М. В. // Стоматология. 1991. № 5. С. 17-20.

3] Данильченко С. Н. // Вестн. СумДУ. Серия: Физика, математика, механика. 2007. № 2. С. 45.

4] Dorozhkin S.V. Calcium Orthophosphate Cements and Concretes. Materials. 2009. № 2(1). Р. 221-291.

5] Кораго А. А. Введение в биоминералогию. СПб. : Недра, 1992. 280 с.

6] Пальчик Н. А, Столповская В. Н., Леонова И. В. и др. Минералогия техногенеза. Ми-асс : УрО РАН, 2001. С. 99-108.

7] Зузук Ф. В. // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. № 10. С. 281-295.

8] Максимова Н. В., Дарьин А. В., Золотарев К. В. и др. // Поверхность. 2003. № 12. С. 49-52.

9] Голованова О. А., Пятанова П. А., Красногоро-ва Е. В. // Изв. ВУЗов. Серия: Химия и химическая технология. Т. 46. 200з. Вып. 2. С. 94-97.

10] Голованова О. А, Пятанова П. А, Бор-бат В. Ф. // Там же. Т. 45. 2002. Вып. 1. С. б4-67.

11] Голованова О.А. // Там же. Т. 47. 2004. Вып. 1. С. 3-12.

12] Голованова О. А., Пятанова П. А, Струнина Н. Н., Байсова Б. Т. // Прикладная спектроскопии. Т. 70. 2003. Вып. 3. С. 432-434.

13] Миронов О. Л., Билобров В. М. Биоминералогия-92: тезисы Первой Межгосуд. конф. Сыктывкар, 1992. С. 19-20.

14] Каткова В. И., Симаков А. Ф. // Сыктывкарский минералогический сборник. 1998. № 27. 1998. С. 86-88.

15] Wandt M. A. E., Underhill L. G. J. // British journal of urology. 1988. № 61. 1988. Р. 474-481.

16] Бородин Е. А. Биохимический диагноз. Ч. 1. Благовещенск, 1989. 77 с.

17] Чиглинцев А. Ю., Удачин В. Н., Потапов С .С. // Минералогия техногенеза. Миасс : ИМин УрО РАН, 2001. С. 130-137.

18] Максимова Н. В., Дарьин А. В., Сокол Э. В. и др. // Биокосные взаимодействия: жизнь и камень : матер. I Междунар. симп. СПб., 2002. С. 169-170.

19] Ткаленко А.Ф. Влияние физико-химических характеристик слюны, слюнного изубного камня на исход лечения больных слюнно-каменной болезнью с применением метода литот-рипсии : автореф. дис. .. канд. мед. наук. М., 2004.

20] Франк-Каменецкая О. В., Голубцов В. В., Пи-вух О. Л., Зорина М. Л., Плоткина Ю. В. // ЗМО. 2004. № 5. С. 104-109.

21] Эмсли Дж. Элементы. М. : Мир, 1993.

22] Пальчик Н.А., Столповская В.Н., Мороз Т.Н. и др. // Журн. неорганической химии. 2004. № 4. С. 72-74.