Теоретическое моделирование состава синовиального раствора

С. А. Лемешева, О. А. Голованова, Р. Р. Измайлов ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА СИНОВИАЛЬНОГО

РАСТВОРА

Ключевые слова: термодинамика, теоретическое моделирование, биологические среды, фазообразование. thermodynamics, theoretical modelling, biological environments, formation

of phases

В работе проведен термодинамический расчет возможности образования минеральных фаз в модельной суставной синовиальной жидкости человека. В рамках модели учтено влияние ионной силы и рН. Показано, что в моделируемых системах при рН=7.00-8.00 наиболее вероятно образование основного минерала костной ткани - гидроксилапатита.

In work thermodynamic calculation of an opportunity offormation of mineral phases in modelling articulate synovial liquids of the person. Within the limits of model influence of ionic force and рН is considered. It is shown, that in modelled systems at рН=7.00-8.00 formation of the basic mineral of a bone fabric -hydroxyapatatite is the most probable

Изучению состава и свойств биологических жидкостей посвящено большое количество работ [1-3]. Имеющиеся литературные данные, как правило, касаются узкого круга задач (изменение СОЭ, глюкозы в сыворотке крови и т.д.) и не всегда дают полное представление о характере протекающих в биосредах изменений. С одной стороны, это обусловлено их поликомпонентностью; с другой - отсутствием взаимодействия между физико-химическим и медицинским научными направлениями. В связи с чем, исследования в данной области являются актуальными и требуют использования новых идей. Одним из подходов является термодинамическое и экспериментальное моделирование состава биологических растворов, что может служить основой для прогнозирования фазообразования в «норме» и при различных заболеваниях, а также позволяет получить биоактивные материалы максимально идентичные к тканям организма человека (трансплантаты, порошки и т. д.).

Цель работы: теоретическое моделирование образования минеральных фаз в среде, обеспечивающей питание костной ткани суставов человека.

Экспериментальная часть

Для построения модели был взят водный раствор с близким электролитным содержанием к суставной синовиальной жидкости здорового взрослого среднестатистического человека (табл.1) при минимальных, средних и максимальных концентрациях ионов. Их электростатическое взаимодействие учитывалось с помощью ионной силы раствора в интервале физиологических значений рН 7.00-8.00. При этом в изучаемых системах не рассматривался микроэлементный и органический состав биологических растворов.

Основными положениями предложенной термодинамической модели являются:

- прототипом синовиальной жидкости выступает раствор неорганический состав, температура, рН которого близки к таковому для здорового взрослого среднестатистического человека;

- теоретической характеристикой возможности образования минеральных фаз, являются справочные значения произведений растворимости, определенные при температуре 310 К (pK0s) (SCQUERY Version 1.37, 1993), которые могут образовываться гипотетически в исследуемом растворе;

- коэффициенты активности осадкообразующих ионов рассчитаны по уравнению Девиса, основанном на теории Дебая-Гюккеля, описывающим их величины для диапазона ионной силы

0.1-0.2 М [4];

- условные произведения растворимости малорастворимых веществ (рК/) рассчитаны с учетом гидролиза осадкообразующих ионов, молярных долей форм анионов слабых кислот, полученных в результате гидролиза при соответствующих значениях рН раствора (табл. 2);

- участие катионов в реакциях гидролиза с образованием гидроксокоплексов пренебрежимо мало вследствие их малой устойчивости (Са2+, Мд2 +) и комплексообразующей способности (Ма+, К+);

- ионная сила раствора в исследуемом интервале рН постоянная и равна среднему значению, рассчитанному для каждой изучаемой системы;

- возможность образования труднорастворимого соединения оценивается по величине значений индексов пересыщения Б! [5] (при Б!>0 термодинамически вероятно образование твердой фазы из раствора);

- физико-химические процессы являются равновесными и протекают в моделируемых растворах при постоянной температуре.

Таблица 1 - Минеральный состав синовиальной жидкости человека [2, 3] ммоль/л

Компонент Минимальная Максимальная Среднее значение

концентрация концентрация концентрации

Кальций 2.25 2.80 2.53

Натрий 130.00 150.00 140.00

Магний 0.70 1.50 1.10

Калий 3.80 5.40 4.60

Хлориды 95.00 111.00 103.00

Карбонаты 24.00 30.00 27.00

Фосфаты 2.42 6.34 4.38

Сульфаты 9.90 12.90 11.40

Таблица 2 - Молярные доли ионов в растворе при различных значениях рН

рН Н2РО4' НРОд2' РОд3' НСОз' С О СО ю

7 6.17-10"1 3.8-10"1 1.91-10"6 8.17-10"1 3.91-10"4

7.1 5.63-10"1 4.37-10"1 2.76-10"6 8.49-10"1 5.11-10"4

7.2 5.06-10"1 4.94-10"1 3.93-10"6 8.76-10"1 6.64-10"4

7.3 4.48-10"1 5.52-10"1 5.52-10"6 8.98-10"1 8.57-10"4

7.4 3.92-10"1 6.08-10"1 7.65-10"6 9.17-10"1 1.10-10'3

7.5 3.39-10"1 6.61-10"1 1.05-10"5 9.33-10"1 1.41-10"3

7.6 2.89-10"1 7.11-10-1 1.42-10"5 9.45-10"1 1.80-10"3

7.7 2.45-10"1 7.56-10"1 1.90-10"5 9.55-10"1 2.29-10"3

7.8 2.05-10"1 7.96-10"1 2.52-10"5 9.63-10"1 2.91-10"3

7.9 1.70-10"1 8.30-10"1 3.3110-5 9.69-10"1 3.68-10"3

8 1.40-10"1 8.60-10"1 4.31-10"5 9.74-10"1 4.66-10"3

Результаты и их обсуждение

Согласно справочным данным рК°3 в исследуемых условиях теоретически возможно осаждение следующих соединений, причем термодинамическая вероятность их образования уменьшается в ряду: Са-|°(РО4)6(ОН)2 > р-Са3(РО4)2 > а-Са3(РО4)2 >

Мд3(Р04)2 > Мд(ОН)2 > СаС03 (кальцит) > СаС03 (арагонит) > СаНРО42Н2О > МдНР04-3Н20 > Са(0Н)2 > МдС03'3Н20 > СаБ04 > Са^РО^^О > Са(Н2РО4)2.

Анализ рассчитанных значений реальных условных произведений растворимости рК.' показал, что из представленного ряда веществ в диапазоне рН от 7.00 до 8.00 при средних и минимальных концентрациях ионов в исследуемых растворах вероятно образование следующих малорастворимых соединений: Са-|°(РО4)6(ОН)2, р-Са3(РО4)2, СаС03 (кальцит), а-Са3(РО4)2, МдНр043Н20, СаС03 (арагонит), СаНРО42Н2О (табл. 3). При этом наиболее узкий интервал варьирования показателя кислотности среды характерен при осаждении карбонатов кальция и а-фосфата кальция, а при минимальном содержании электролитов образование СаС03 (арагонита) не наблюдается.

Таблица 3 - Интервалы рН образования минеральных фаз и степеней пересыщения в модельных растворах

Соединение Минимальные Средние Максимальные

концентрации концентрации концентрации ионов

ионов ионов

рН !Б рН !Б рН !Б

1. р-Са3(РО4)2 7.00 - 8.00 0.21 - 0.75 7.00-8.00 0.32- 0.86 7.00 - 8.00 0.39 - 0.93

2. МдНР04-3Н20 7.00 - 8.00 0.07 - 0.24 7.00-8.00 0.18 - 0.36 7.00 - 8.00 0.25 - 0.42

3. Саю(РО4)6(ОН)2 7.16 - 8.00 0.80 -2.30 7.00-8.00 0.89 -1.45 7.00 - 8.00 0.95 -1.51

4. СаНР042Н20 7.16 - 8.00 0.01 - 0.14 7.00-8.00 0.10 - 0.28 7.00 - 8.00 0.19 - 0.36

5. СаС03 (кальцит) 7.33 - 8.00 0.01 - 0.36 7.26-8.00 0.01 - 0.40 7.21 - 8.00 0.01 - 0.43

6. СаС03 (арагонит) 7.45 - 8.00 0.01 - 0.30 7.38-8.00 0.01 - 0.33 7.33 - 8.00 0.01 -0.36

7. а-Са3(РО4)2 - - 7.89 - 8.00 0.18 - 0.36 7.75 - 8.0 0.25 - 0.42

При сопоставлении индексов пересыщения образующихся твердых фаз выявлено, что величина Б! гидроксилапатита - кристаллической основы костной ткани максимальна, по сравнению с другими больше в 2 и более раз (рис. 1). Также высокие значения индексов пересыщения характерны для аморфного Р-Са3(РО4)2, являющегося исходным материалом при построения кристаллического каркаса кости. Наименьшая вероятность образования в моделируемых условиях характерна для брушита, арагонита, а-фосфата кальция.

Известно, что рН синовиальной жидкости в «норме» составляет 7.4 [2]. Согласно расчетам в данных условиях возможность образования приведенных выше соединений убывает в ряду: Са-|°(РО4)6(ОН)2 > в-Са3(РО4)2 > МдНР04-3Н20 > СаНРО42Н2О > СаС03 (кальцит) > СаС03 (арагонит) > а-Са3(РО4)2. При некоторых заболеваниях их осаждение происходит при больших значениях рН (например, при коксартрозе рН синовиальной

среды 7.51-7.61). Так, из данных диаграммы следует (рис. 1), что в этом случае наблюдается совместное осаждение ряда фаз: карбонатов кальция, ньюберита, брушита, что может отрицательно сказываться на свойствах костной ткани при патологии.

и

1,5

0.5

-0.5

-1,5

—t Т~ да — А ¥

pH

7,00

7,30

—^бруишт

-й— фосфат кальция-/?

арагонши —^ньюоерит

7,60 7,90

в-фосфат кал ь ция-а *-гидроксилапатит •*-кальцит

Рис. 1 - Зависимость индекса пересыщения от рН раствора для средних значений диапазона концентраций синовиальной жидкости

Таким образом, на основе данных о неорганическом составе синовиальной жидкости проведена термодинамическая оценка возможности образования минеральных фаз. Установлено, что в рамках выбранной модели в изучаемых системах наибольшую степень пересыщения во всем диапазоне рН имеет основной минерал костной ткани -гидроксилапатит.

Литература

1. Лунева, С.Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: дис. ... д-ра биол. наук / Лунева Светлана Николаевна. - Курган, 2003. - 297 с.

2. Десятниченко, К. С. Биохимический и клеточный состав синовиальной жидкости больных с дегенеративно-дистрофическими поражениями суставов / К. С. Десятниченко [и др.] // Актуальный проблемы теоретической и практической биохимии: Материалы конф. биохим. Урала, Поволжья, Зап. Сиб., псв. 70-лет. Р.И. Лифшица. Челябинск. 1999. - С. 36-38.

3. Кирсанов, А.И. Концентрация химических элементов в разных биологических средах человека / А. И. Кирсанов [и др.] // Клиническая лабораторная диагностика. - 2001. - №3. - С. 16-20.

4. Краснов, К.С. Физическая химия: в 2 кн. / К.С. Краснов [и др.]. К.С. Краснова. - М.: Высшая школа, 2001. - Т.1. - 512 с.

5. Mullin, J.W. Crystallization. Butterworth-Heinemann. Oxford, 1993. - P. 118-122.

© С. А. Лемешева - асп. каф. неорганической химии ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, s_lemesheva@mail.ru; О. А. Голованова - д-р геол.-мин. наук, доцент той же кафедры, golovanoa2000@mail.ru; Р. Р. Измайлов - студ. ОмГУ им. Ф.М. Достоевского izmailov_87@mail.ru.