Изучение кристаллизации оксалатов кальция при варьировании состава раствора

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 102-108.

УДК 54.057.548.52

О.А. Голованова, А.А. Кузьменко, В.И. Блинов, Ю.О. Пунин

ИЗУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОКСАЛАТОВ КАЛЬЦИЯ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ СОСТАВА РАСТВОРА*

По результатам РФА и ИК-спектроскопии было установлено влияние неорганических добавок (оксалат- и гидрофосфат-ионов) и рН раствора на процесс кристаллизации моногидрата оксалата кальция. Показано, что с увеличением концентрации гидрофосфат-ионов уменьшается содержание оксалата кальция в составе твёрдой фазы, а с увеличением рН раствора существенно изменяется фазовый состав осадков. Создана модель установки, которая приближает условия кристаллизации к физиологическим.

Ключевые слова: кристаллизация, биоминералы, оксалаты кальция, неорганические добавки, модель почки.

Введение

Одним из самых актуальных направлений в области кристаллизации из растворов является изучение кристаллизации в биологических средах из прототипов физиологических жидкостей. Необходимость таких исследований очевидна [1]. В мире постоянно возрастает число заболеваний, связанных с патогенным минералообразованием в организме человека, это может быть связано как с ухудшением экологической обстановки в промышленных мегаполисах [2], так и с понижением стрессоустойчивости населения. Однако причины и механизмы процессов, приводящих к формированию органоминеральных агрегатов (почечных, зубных и слюнных камней), остаются дискуссионными [3]. Результаты, полученные в ходе экспериментальной части работы, могут быть использованы для предупреждения и лечения различных заболеваний, связанных с патогенным минералообра-зованиями в живом организме. В данное время это направление науки интенсивно развивается и требует дальнейших исследований.

Установлено [4], что патогенные органоминеральные агрегаты (ОМА) имеют сложный и неоднородный состав, в связи с чем некоторые авторы такие образования предлагают называть смешанными [5]. Так, доля смешанных оксалат-фосфатных камней, по данным разных исследователей, колеблется от 6,9 до 59,4 %, уратных - от 5 до 50 % и т. д. [6]. Однако в целом наиболее распространёнными среди ОМА патогенного характера являются оксалаты кальция - уевеллит СаС204 • Н20 и уедделлит СаС204 • 2Н20 [7]. Эти вещества - наиболее частые компоненты камней мочеполовой системы [7], кроме того, они могут входить в состав зубных, желчных камней, камней слюнных желез, их обнаруживают в минеральных отложениях в лёгких, сосудах, селезёнке, в предстательной и поджелудочной железах, в мышцах и суставах [8].

Известно, что образование биоминералов происходит в многокомпонентной системе, в связи с этим изучение совместной кристаллизации оксалатов и фосфатов кальция и установление влияния различных факторов на этот процесс, в том числе и состава физиологического раствора, является весьма актуальным на данный момент.

Новые данные по изучению совместной кристаллизации фосфатов и оксалата кальция из растворов были бы интересны как с медицинской

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-03-98011-р_сибирь_а и № 10-05-00881-а) и в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК № 16.740.11.0602).

© О.А. Голованова, А.А. Кузьменко, В.И. Блинов, Ю.О. Пунин, 2012

точки зрения (для предупреждения образования оксалатных биоминералов в организме человека), так и с точки зрения фундаментальной перспективы, нацеленной на понимание ряда вопросов биоминерализации.

На данный момент в различных научных источниках опубликовано немало работ о влиянии состава раствора на фазовый состав осадков [5-9], несмотря на это сведений о характере кристаллизации оксалата кальция в сложных по составу физиологических растворах недостаточно.

Целью данной работы является установление влияния параметров физиологического раствора на кристаллизацию оксалата кальция.

Экспериментальная часть

При проведении эксперимента использовались значения диапазона концентраций основных неорганических компонентов мочи здорового взрослого среднестатистического человека [9]. Концентрация добавок в различных сериях экспериментов отвечала их минимальному, среднему и максимальному значениям биологического диапазона данного показателя (табл. 1 и 2). Поведение систем изучалось при значениях рН 4,00±0,05, 6,00±0,05 и 8,00±0,05. Время проведения опыта составило трое суток (72 часа). Температура опыта - 25 оС.

Таблица 1 Химический состав модельного раствора

Компонент-ион С, ммоль/л Вещество

Катионный раствор

N8+ 161 N80

К+ 50 КСІ

Са2+ 7 С8СІ2  2Н2О

Мд2+ 4 МдСІ2  6Н2О

N44+ 40 N^0

СІ- 171-177

Анионный раствор

СОз2- 7 NaHCOз

РО43- 10 N82HPO4  12Н2О

БО42- 10 КНБО4

С2О42- 1 (NH4)2C2O4  Н2О

Таблица 2 Изменяемые концентрации

Компонент-ион Стіп, ммоль/л Стіб, ммоль/л Стах, ммоль/л

Са2+ 4 7

РО43- 5 10 20

С2О42- 1 2 4

В качестве исходных реагентов использовались соли марок «ч.д.а.» и «х.ч.» и дистиллированная вода. Выбор исходных реагентов и их соотношение в растворе определялись таким образом, чтобы пересыщения раствора и концентрации добавок были максимально приближены к параметрам моделируемой системы, а также достигалась необходимая масса твёрдой фазы.

Условия экспериментов по кристаллизации одноводного оксалата кальция были

выбраны исходя из свойств естественной кристаллобразующей среды (мочи). Пересыщение по оксалату кальция (уевеллиту) создавалось за счет химической реакции, которая реализовалась при смешении в кристаллизаторе исходных растворов легкорастворимых соединений хлорида кальция и оксалата аммония в стехиометрических соотношениях:

СаС12 + (N^20204 ^ СаС204| + 2Ш4С1.

Для каждой серии экспериментов были приготовлены растворы, содержащие катионы и анионы, при совместном присутствии которых в данных условиях не образуются малорастворимые соединения. Затем растворы смешивались в эквивалентных объемах в ячейке для синтеза, и в ней создавалось соответствующее значение рН.

Одноводный оксалат кальция получался путем смешения двух растворов: двухводного хлорида кальция, в который добавлялись Mg2+, №+, К+, NH4+, и двухводного окса-лата аммония, к которому добавлялись гидрофосфат-, карбонат- и гидросульфат-ионы (табл. 1 и 2).

В колбах на 1 л растворяли двуводный хлорид кальция с соответствующими добавками и дигидрат оксалата аммония (также с добавками), перемешивали и доводили рН до необходимого значения при помощи 30 %-ного раствора ^ОН и 0,1 н раствора НС1.

Модельный эксперимент на лабораторной установке

С целью большего приближения к биологическим условиям была сделана попытка воспроизвести работу человеческой почки. Для этого использовались те же условия, что и для модельных экспериментов, однако растворы, содержащие ионы кальция и ок-салат-ионы, смешивались в специальной установке, схема которой представлена на рисунке 1.

Скорость вытекания растворов из воронок - 1 капля/10 с. Скорость вытекания растворов из ячеек 1 или 2 капли/5 с. Время работы установки - 1 сутки (24 часа). Кроме того, были сделаны попытки максимально приблизить условия кристаллизации к физиологическим, а именно: эксперименты

проводились при температуре 37 оС, соответствующей температуре тела человека.

В ходе опытов при помощи ионоселективного электрода контролировалась концентрация ионов кальция в левой ячейке, правой ячейке и на выходе из кристаллизатора, а также рН раствора и его электропроводность.

Определение концентрации ионов кальция в ходе эксперимента проводили методом прямой потенциометрии с использованием ионоселективного электрода и по градуировочному графику определяли значение концентрации ионов Са2+. Измерения проводились каждые три часа в течение опыта в пробах, взятых из правой и левой ячеек, а также на выходе.

Ч Ч

¥ ¥

Щ4:Ш'г

Рис. 1. Схема установки для синтеза:

1 - капательная воронка с катионным составом:

2 - капательная воронка с анионным составом:

3 - правая ячейка: 4 - левая ячейка: 5 - магнитная мешалка:

6 - наполнитель: 7 - якорёк: 8 - слив: 9 - стакан с воронкой и фильтром

Для изучения минерального (фазового) состава синтезированных твёрдых фаз ок-салата кальция, был проведён рентгенофазовый анализ (РФА). Дифрактограммы были получены методом порошка на рентгеновском стационарном аппарате «ДРОН-3». Качественный анализ фазового состава образца проводился путём сопоставления экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей дифракционных максимумов с набором соответствующих табличных значений для каждой из предложенных фаз [10]. Идентификация фаз производилась с использованием международной картотеки Л8ТМ и таблиц [11]. Чувствительность метода РФА для данных измерений составляла 3 %.

С целью получения дополнительной информации о составе полученных образцов использован метод инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии). ИК-спектры получали на спектрофотометре «ФТ-801». Образцы готовились методом прессования таблеток с КВг. Запись спектра исследуемых образцов проводили в области от 4000 до 470 см-1. Программа ZaIR 3.5 использовалась для получения, обработки и поиска инфракрасных спектров в базах данных, которые содержат более 130 тысяч спектров. Чувствительность метода ИК-спектроскопии для данных измерений составляет < 5 %.

Результаты и обсуждение

Известно [12-15], что естественная кристаллообразующая среда является многокомпонентным раствором, в который входят неорганические соединения, влияющие на процесс кристаллизации одноводного окса-лата кальция. Из [7; 9] были выбраны неорганические добавки, которые значительно могут влиять на процесс образования фазы из исследуемого раствора.

При варьировании концентрации гидрофосфат-ионов в растворе было установлено, что совместно с одноводным оксалатом кальция (при С(НРО4+2) = 10 ммоль/л) в осадок выпадает и фосфат кальция (рис. 2).

Полученные данные подтверждаются результатами ИК-спектроскопии (рис. 3). Наблюдается совместная кристаллизация одноводного оксалата кальция с фосфатом кальция в виде брушита. Так, на спектре (рис. 3) присутствуют полосы, характерные для ок-салата кальция, это широкая полоса на 1640 см-1 и на 1316 см-1, имеющая большое значение для идентификации оксалатов в смесях. Также на спектре присутствуют полосы, характерные для РО43-, входящей в брушит, это полосы на 1135 см-1, 1060 см-1 и 986 см-1, а полосы на 653 см-1, 578 см-1 и 527 см-1 характерны для валентных колебаний этой группы.

Рис. 2. Дифрактограмма образца, полученного из модельного раствора, при составе раствора: Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л

- Волновое число

1 3481.8

0 И: 0.88

Г (В уу:4.63 3435.2

О & 3.08

с 60

о.

С 3256.'

Ь:0.41

чу:5.4£

&3.03

Рис. 3. ИК-спектры образцов при составе раствора:

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л

— Волновое число 2500

1000 5

521.46

И: 2.97

X '№:11.1;

1100.9 \ А а 33 !

И: 2.87 \

3435.7 И: 0.48 \лл4.75 а 2.43

547.62 М .17 'м 6.58 5:10.6

621.4 ІТ75.2 *№90 Э:7518

Рис. 4. ИК- спектры образцов при составе раствора:

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л

При увеличении концентрации фосфат-ионов С(НРО4-2) = 20 ммоль/л и С(С2О4-2) = 2 ммоль/ л видно, что пики, характерные для одноводного оксалата кальция, становятся менее интенсивными (рис. 4).

Такие результаты можно объяснить тем, что фосфат-ионы замедляют процесс образования оксалата кальция вследствие образования малорастворимого осадка фосфата

кальция ( ПРСа3(Р04)2 = 2,0x10-29 < ПРСаС204 =

= 2,3х10-9). В согласии находятся и РФА синтезированных образцов (рис. 5). В составе осадка отмечены пики, характерные для фосфата кальция, и практически отсутствуют пики, соответствующие оксалату кальция.

В последующих экспериментах изменяли концентрацию оксалат-ионов в изучаемой системе. Установлено, что варьирование концентрации оксалат-ионов не оказало

значительного влияния на фазовый состав осадка, при этом ИК-спектры иллюстрируют лишь увеличение интенсивности пиков оксалат-ионов (рис. 6).

Изучение влияния рН модельного раствора

Известно, что кислотность раствора, из которого происходит кристаллизация, существенно влияет на фазовый состав осадков

[15]. Для проведения эксперимента были выбраны рН, равные 4,00±0,05, 6,00±0,05 и 8,00±0,05. Такой выбор обусловлен тем, что рН мочи здорового человека равен 6,00, однако в течение дня кислотность в организме человека может варьироваться в диапазоне от 2,00 до 10,00 [15].

ИК-спектры образцов, полученных из одного состава, но разной кислотности, иллюстрируют отличие фазового состава (рис. 7, табл. 3). Например, в осадке, кристаллизо-

вавшемся из раствора при рН = 8,00, по результатам ИК-спектроскопии отмечено наличие одноводного оксалата совместно с гидроскилапатитом. На спектре

присутствуют полосы, характерные для ок-салата кальция, это широкая полоса на 1640 см-1 и на 1316 см-1, и полосы, характерные для РО43- группы, входящей в гидро-ксилапатит, это полосы на 1090 см-1,

1039 см-1 и 960 см-1, а полосы на 604 см-1,

564 см-1 и 471 см-1 характерны для валентных колебаний этой группы.

Съемка-05 06 2012 9:36:44; Си (АНаЭ);

3 5003 0003 2 500-

I

7 2 000-

1 500

1-М--------і------і-------і-------і-------і------і-------і-------і-------і-------і------і-------і-------і-------і-------і------і-------і-------і-------і-------і------і-------і-------і-------і------

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 ЗО 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Нач.угол = 10,00; Кон.угол = 60,00; Шаг = 0,020; Экспоз =1,0; Скорость = 16; Макс число имп. = 3770;

На заключительном этапе работы исследовали фазообразование из физиологического раствора, проводя его на предложенной лабораторной установке, моделирующей работу почки при температуре 37 оС [16]. Использовали системы того же состава, что и на предыдущем этапе работы. Также варьировали концентрацию ионов кальция, фосфат- и оксалат-ионов в исходном растворе. Интервалы варьирования остались те же.

Рис. 5. Дифрактограмма образца, полученного из модельного раствора, при составе раствора: Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л

•— Волновое число

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

665.51

Рис. 6. ИК-спектры образцов при составе раствора:

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л

— Волновое число 2500

2924.1

И: 0.43

Ґ \ ""ж:277

3053.3 аі .50

И: 1.8

ж 7.8В

3:15.5

1643.3

М.18 1385.1

¥ї:6.17 И: 4.59

Э:7.47 " ж:4.43

5:31.7

1403 1

И: 2.95

ж:9.12

34.4

1078.4

Її 3.33.........................

чу: 5.58 5:6.84

Рис. 7. ИК-спектры образцов при составе раствора:

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л

Результаты фазообразования при варьировании условий эксперимента

Таблица 3

Условия эксперимента Состав полученного осадка

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 4,00 Одноводный оксалат кальция + брушит

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 6,00 Одноводный оксалат кальция + брушит + ГА

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 8,00 Одноводный оксалат кальция + ГА

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л, рН = 4,00 Одноводный оксалат кальция

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л, рН = 6,00 Одноводный оксалат кальция + брушит

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л, рН = 8,00 Одноводный оксалат кальция + брушит

Результаты фазообразования на модельной установке

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 4,00 Одноводный оксалат кальция

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 6,00 Одноводный оксалат кальция + брушит + ГА

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 10 ммоль/л, С2О42- = 2 ммоль/л, рН = 8,00 Одноводный оксалат кальция + ГА

Са2+ = 7 ммоль/л, НРО42- = 20 ммоль/л, С2О42- = 4 ммоль/л, рН = 4,00 Одноводный оксалат кальция + ГА

Результаты, полученные на установке с терморубашкой, совпадают и дополняют данные, приведенные выше.

Обобщение всех результатов (табл. 3) позволяет сделать ряд выводов, которые дополняют существующие литературные данные [13; 14; 17-25].

Во всех случаях увеличение рН раствора приводит к ингибированию образования одноводного оксалата кальция, к аналогичному результату приводит также увеличение концентрации гидрофосфат-ионов. Варьирование концентрации оксалат-ионов не оказывает особого влияния на фазовый состав осадков.

Выводы

1. Установлено, что с увеличением концентрации гидрофосфат-ионов уменьшается содержание оксалата кальция в составе твёрдой фазы.

2. Доказано, что концентрация оксалат-ионов не оказывает значительного влияния на фазовый состав осадков.

3. Подтверждено, что с увеличением рН раствора существенно изменяется фазовый состав осадков (одноводный оксалат кальция ^ одноводный оксалата кальция + ГА),

увеличение способствует образованию фосфатов кальция и замедляет образование оксалатов.

4. Создана модель установки, которая приближает условия эксперимента к физиологическим. Использование этой установки, позволяет осуществлять исследование патогенного минералообразования в организме человека на примере образования почечных камней.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ларина Т. А., Кузнецова Т. А., Королева Л. Ю. Факторы риска мочекаменной болезни у детей Орловской области // Ученые записки Орловского гос. ун-та. Научные труды научноисследовательского центра педагогики и психологии. Т. 7. Орел, 2006. С. 135-138.

[2] Тиктинский О. Л., Александров В. П. Мочекаменная болезнь. СПб. : Питер, 2000. С. 384.

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

[4] Севостьянова О. А., Полиенко А. К. Минеральный состав уролитов // Известия Том. по-литехнич. ун-та. 2004. Т. 307. № 2. С. 62-64.

[5] Колпаков И. С., Глики Н. В. Морфология и ге-нез мочевых камней по данным поляризационного оптического исследования // Урология и нефрология. 1965. № 5. С. 15-22.

[6] Козловский Ю. Г. О минералогической классификации мочевых камней // Урология и нефрология. 1973. № 2. С. 24-26.

[7] Пальчик Н. А., Мороз Т. Н., Максимова Н. В., Дарьин А. В. Минеральный и микроэлемент-ный состав мочевых камней // Неорганическая химия. 2006. Т. 51. № 7. С. 1177-1184.

[8] Поспехова Г. П., Шайлиева Л. О., Федосеева Г. Б., Петрова М. А.. Хроническая обструктивная болезнь лёгких с респираторным окса-лозом // Врачу общей практики. 2001. № 1. С. 174-190.

[9] Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск : Изд-во Ом. гос. унта, 2007. 395 с.

[10] Ковба Л. М., Трунов В. К. Рентгенофазный анализ. М. : Изд-во Моск. ун-та. 1976. 232 с.

[11] ASTM. Powder diffraction file.

[12] Рашкович Л. Н., Петрова Е. В. Кристаллизация оксалата кальция // Химия и жизнь. 2006. № 1. С. 158-168.

[13] Изатулина А. Р., Голованова О. А., Пунин Ю. О., Войтенко Н. Н., Дроздов В. А. Изучение факторов, влияющих на кристаллизацию одноводного оксалата кальция // Вестн. Ом. ун-та. 2006. № 3. С. 45-47.

[14] Grases F., March J. G., Bibiloni F., Amat E. The crystallization of calcium oxalate in the presence of aminoacids // J. of Crystal Growth. 1988. Vol. 87. P. 299-304.

[15] Голованова О. А., Борбат В. Ф. Почечные камни. М. : Медицинская книга, 2005. 172 с.

[16] Пат. 2149027. Российская Федерация. Аппарат

«искусственная почка». Заявл. 16.04.1998;

опубл. 20.05.2000.

[17] Bretherton T., Rogers A. // J. of Crystal Growth. 1998. Vol. 192. P. 448-455.

[18] Millan A. Crystal morphology and texure in calcium oxalate monoxydrate renal calculi // J. Mat. Sci. : Mater. Med. 1997. Vol. 8. P. 247-250.

[19] Иванов М. А., Панин А. Г., Стецик О. В. Принципы структурно-вещественной классификации почечных камней // Тез. докл. Федоровской сессии. 2006. C. 18-20.

[20] Walter-Levy L., Laniepce J. Sur la termolise des hydratesde oxalate de calcium // J. of Crystal Growth, 1994. Vol. 54. № 3. P. 165-179.

[21] Сокол Э. В., Нигматуллина Е. Н., Максимова Н. В. Сферолиты оксалата кальция в почечных камнях: морфология и условия образования // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 11. С. 547-558.

[22] Власов Д. Ю., Зеленская М. С., Баринова К. В., Русаков А. В., Франк-Каменецкая О. В. Кристаллизация оксалатов кальция на карбонатном субстрате под действием микромицетов в условиях эксперимента // Биоминералогия -2008 : матер. Междунар. науч.-практ. конф. Луцьк, 2008. С. 26-29.

[23] Caneva G., Salvadori O. Biodeterioration of stone // Lazzarini L., Pieper R. (Eds.). The Deterioration and Conservation of Stone. UNESCO, Paris, 1989. Р. 182-234.

[24] Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека : дис. ... д-ра геол.-минерал. наук / Санкт-Петербургский государственный университет; Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского. СПб., 2008.

[25] Зузук Ф. В. МЫералопя уролтв : автореф. дис. ... д-ра геол. наук / Львiв. нац. ун-т ¡м. I. Франка. Л., 2005. 52 с.