CC BY
39
УДК 549
ПСЕВДОМОРФОЗЫ БИОАПАТИТА 00 ОКТАКАЛЬЦИЙФОСФАТУ
В. И. Каткова
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар Ka tko va @geo .komisc.ru
Обсуждаются вопросы, касающиеся механизма трансформации октакальцийфосфата в гидроксилапатит в уроли-тах. В результате исследований их состава, морфологических особенностей и анализа литературы выявлено, что фосфатные сферолиты и сферокристаллы мономинерального состава в уролитах являются псевдоморфозами апатита-(СаОН) по октакальцийфосфату.
Ключевые слова: уролиты, октакальцийфосфат, гидроксилапатит, трансфомация, гидролиз.
PSEUDOMORPHS OF BIOAPATITE AFTER OCTACALCIUMPHOSPHATE
V. I. Katkova Institute of Geology Komi SC UB RAS, Syktyvkar
The questions, concerning the mechanism of transformations (pseudomorphism) of octacalciumphosphate in bioapatitae in uroliths are discussed. As a result of the researches of structure, morphological features and the analysis of the literature it is revealed, that phosphatic spherulite aggregates and sphere-shaped crystal of monomineral composition in uroliths are pseudomorphs hydroxyapatite after octacalciumphosphate.
Keywords: uroliths, octacalciumphosphate, hydroxyapatite, transformation, hydrolysis.
Одним из нерешенных вопросов в области биоминералогии остается механизм формирования биоапатита в биологических тканях. Известно, что минеральной составляющей костных тканей организмов является плохо окрис-таллизованный карбонатсодержащий апатит-(СаОН). Апатит выявляется в составе патогенных конкрементов, формирующихся в тканях и органах чело -века. Считается, что октакальцийфосфат (ОКФ) Са8Н2(Р04)6-5Н20 является минеральной фазой, предшествующей биоапатиту Са10(Р04)б'(0Н)2 в составе костной и зубной тканей в связи с их структурной схожестью (рис. 1) [5—8]. Экспериментальным путем У. И. Брауном было выявлено, что существует несколько возможных механизмов образования апатита-(СаОН) [1]. В первом варианте синтезированные крупные кристаллы ОКФ после обработки раствором щелочи покрываются пленкой апатита-(СаОН), т. е. происходит неполный гидролиз вещества. В итоге кристаллы апатита-(СаОН) морфологически будут похожи на кристаллы ОКФ, для которых характерна пластинчатая или лезвиеподобная форма. Такой процесс является псевдомор-физацией, и соответственно состав образовавшегося вещества будет промежуточным. Во втором случае формирование кристаллов апатита-(СаОН) не
сопровождается ростом предшествующих минеральных фаз, например ОКФ. Третий механизм можно рассматривать как комбинацию первых двух: сначала происходит рост слоя ОКФ толщиной в элементарную ячейку на плоскости (100)
апатита-(СаОН), затем следует гидролиз ОКФ до гидроксилапатита. Каждый слой ОКФ толщиной в одну элементарную ячейку превращается в слой апатита-(СаОН), толщина которого равна двум элементарным ячейкам.
Рис. 1. Структура октакальцийфосфата. Проекция на плоскость (001) [6]
Исследования У. И. Брауна и его соавторов показали, что формирование псевдоморф оз нестехиометрического апатита наблюдается при нагревании ОКФ при температуре ниже 180 °С [6]. Согласно рентгеновским данным удаление 2/3 содержащейся в ОКФ кристал-логидратной воды сопровождается исчезновением в его спектре основного диагностического экстремума d=18.7 А (hkl = 010). Было выявлено, что кипящая вода также разлагает ОКФ на составные части. В результате дегидратации ОКФ трансформируется в плохо окрис-таллизованный дефектный апатит, аналогичный минеральной составляющей живых организмов.
Экспериментальные работы in vitro Яао-Ханг Тсенг с соавторами позволили уточнить механизм трансф ормации ОКФ в апатит-(СаОН) на молекулярном уровне [8]. Исследования с использованием порошковой дифрактометрии, сканирующей, просвечивающей микроскопии и высокоразрешающей ЯМР-спектроско-пии показали, что пластинчатые кристаллы ОКФ могут трансформироваться в палочковидные кристаллы апатита-(СаОН) по мере увеличения рН раствора. Экспериментально было установлено, что при полном гидролизе трансформация окта-кальцийфосфата в апатит сопровождается изменением размеров и морфологии кристаллической фазы [5, 8]. Образование апатита-(СаОН) из ОКР можно изобразить следующим образом [5]:
5Са8Н2(Р04)в 5Н20
Октакал ьци й фосфат
ЗНгО
I илроксилапатит
В фосфатных уролитах, как правило, основными минеральными составляющими являются струвит, карбонатсодержащий гидроксилапатит и ньюбериит. Уро-литы мономинерального состава, состоящие из апатита-(СаОН), формируются в редких случаях.
Нашей целью было установить механизмы трансф ормации октакальцийф ос -фата в гидроксилапатит в уролитах. Объектами исследования послужили рецидивные уролиты фосфатного состава, удаленные из мочевой системы без хирургического вмешательства.
Изучение образцов проводилось методами оптической (МБС-10, 0ЬУМ-РиБ-БХ51) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) 1БМ-6400 (1Б0Ь). Рентгеновские исследования были выполнены методом порошковой дифракто -метрии (ДРОН-2).
На макроуровне изученные нами многочисленные уролиты представляют собой молочно-серые зерна размером 2—3 мм, имеющие округлую или неправильную форму и рыхлую консистенцию. По данным оптического метода в структуре патогенного твердого образования визуализируются агрегаты сферо-лито-зонального строения и сферокристаллические образования. Следует отметить, что сф еролиты в уролитах характеризуются выраженным проявлением геометрического отбора и часто отсутствием ядер (рис. 2). Морфология их поверхности также различается. Одни имеют почковидные формы, а другие состоят из радиально направленных игольчатых кристаллов. В шлиф ах при скрещенных николях хорошо просматривается характерный для сф еролитов не -погасающий крест. На РЭМ-изображе-ниях сколов и в шлифе, изготовленном из уролита, наблюдаются скопления сферокристаллических агрегатов размером около 20 мкм, состоящих из лезвиепо-добных и часто расщепленных индивидов (рис. 3), сходных по габитусу с кристаллами октакальцийфосфата. По данным микрозондового анализа выявлено, что индекс Са/Р по площади изображения кристаллов составляет 1.24, а их агрегатов — 1.34, что соответствует зна-
чению ОКФ. Согласно рентгеновским дифрактограммам и ИК-спектрам минеральная составляющая уролитов представлена слабо окристаллизованным апа-титом-(СаОН), а главный диагностический пик ё=18.7 А (Ьк1=010) ОКФ не обнаруживается (табл. 1).
Были выполнены электронно -зондо -вые исследования химического состава по отдельным зонам сферолита (рис. 4). В табл. 2 приведены индексы Са/Р, близкие к стехиометрическому значению ОКФ, и нестехиометрического апатита-(СаОН). Кроме того, исследования химического состава различных структурных элементов, слагающих уролиты, показали, что, как правило, превалирует индекс Са/Р, близкий к стехиометрическому значению октакальцийфосфата.
Ранее синтез соединений фосфатов кальция нами проводился в силикагеле с использованием встречной диффузии органических и неорганических веществ. В гелевой системе формировались сложные шаровидные агрегаты с внешней сферо-
Таблица 1 Основные дифракционные пики в ИК-спектрах фосфатного уролита
№ d, А I hkl
1 3.91 6 1 1 1
2 3.42 56 002
3 3.11 11 1 02
4 2.78 100 2 1 1
5 2.63 25 202
6 2.27 15 3 1 0
7 1.940 15 222
8 1.828 21 2 1 3
9 1.715 18 004
Примечание. ё — межплоскостное расстояние, I — относительная интенсивность дифракционных пиков
Рис. 2. Сферолиты биоапатита: PЭM-изобpажeниe (а), шлиф. Ник. парал. (б)
Рис. 3. Сферокристаллическая структура апатита в уролите Рис. 4. Сферолиты нестехиометрического биоапатита.
Цифры 1—7 — проанализированные точки по зонам
Таблица 2 Минеральный состав отдельных зон сферолитов по данным микрозондового анализа
Номер исслед. точки Са/Р Минерал
1 1.61 Апатит-(СаОН)
2 1.35 Октакальцийфосфат
3 1.40 Апатит-(СаОН)
4 1.28 Октакальцийфосфат
5 1.37 М
6 1.41 Апатит-(СаОН)
7 1.58 Апатит-(СаОН)
кристаллической структурой [2, 4]. Рентгеновским методом было подтверждено, что они состоят из ОКФ с незначительным содержанием апатита. В неравновесных условиях в геле октакальцийф осф ат крис -таллизуется в ф орме игольчатых, пластинчатых кристаллов, объединенных в сферические агрегаты. Было установлено, что атомные отношения Са/Р в фосфатных об-разованияхчасто не соответствуют пропорции ОКФ и могут варьироваться в различных точках от 1.24 до 2.16. Апатит-(СаОН) в неравновесных условиях в гелевой колонке не успевает кристаллизоваться в отличие от ОКФ и образует тонкие прослойки. Огранка игольчатых кристаллов ОКФ представлена комбинацией форм: {100}, {010}, {011}, {021} (рис. 5). Набор простых форм характерен и для пла -стинчатых кристаллов, за исключением формы {021}. Согласно нашим данным [4], гелевая система при абиогенных или био -генных (с бактериальной культурой) условиях кристаллизации фосфатов не позволяет осуществить процессы трансф ор -мации из-за недостаточной интенсивности химических процессов (малым производством энтропии).
Рис. 5. Вероятный габитус кристаллов ок-такальцийфосфата из гелевой системы [4]
Большинство специалистов по изучению процессов трансформации фосфатов кальция показали, что апатит-(СаОН) ф ормируется путем гидролиза ОКФ [ 1, 5—8]. Однако следует иметь в виду, что различаются два основных типа гидролиза: по катиону и аниону. ОКФ как гид-ратная соль, образованная сильным осно -ванием и слабой кислотой, гидролизуется по аниону:
РО43- + Н-ОН ^ НРО42- + ОН-.
Причиной гидролиза солей по аниону является смещение равновесия диссоциации воды под действием анионов соли в сторону накопления анионов ОН". Водные растворы будут иметь щелочную реакцию (рН>7). Поскольку гидролиз — обратимая реакция, на состояние его равновесия влияют температура, концентрации компонентов реакции, добав -ки посторонних веществ. В соответствии с принципом Ле Шателье повышение концентрации гидроксид-ионов в этой реакции приведет к смещению равновесия влево, т. е. степень гидролиза будет
уменьшаться. Следует отметить, что удаление кристаллизационной воды может происходить в том случае, если гидратированная соль (хотя бы в незначительной степени) подверглась гидролизу.
Из вышеизложенного следует, что псевдоморфизация ОКФ в апатит-(СаОН) происходит в результате потери кристаллизационной воды. На формирование псевдоморф оз биоапатита указывают морфологические особенности кристаллических образований, индекс Са/Р и кристаллографическое соответствие ОКФ с апатитом-(СаОН). Признаком трансформации, может быть отсутствие ядер в сферолитах. Наглядным примером дегидратации и перекристаллизации с образованием псевдоморфоз в уролитах являются новообразования (индивиды и сростки) одноводного оксалата кальция (СаС2О4'Н2О), фиксирующиеся в пределах объема и ф ормы двуводного оксалата кальция (СаС2О4 ^^О) [3].
На основании проведенных нами исследований фосфатных уролитов можно сказать, что пластинчатые кристаллы и сферолиты апатита-(СаОН) являются псевдоморф озами по октакальцийф осфа-ту. Выделяются два морфологических типа псевдоморфоз гидроксилапатита: сферолиты зонального строения с наличием или без ядер и сферокристаллические образования, состоящие из пластинчатых субиндивидов. Процессы псевдо-морфизации ОКФ сопровождаются реакциями гидролиза и дегидратации.
Исследования проводились при поддержке грантов по программе Президиума фундаментальных исследований РАН № 12-П-5-1011 и РФФИ № 11-05-00620-а.
Литература
1. Браун У. И. Растворимость фосфатов и других умеренно растворимых со-
единений // Фосфор в окружающей среде. М.: Мир, 1977. С. 233-250.
2. Каткова В. И. Фосфаты кальция бактериального генезиса // Материалы III Международного семинара «Новые идеи и концепции в минералогии». Сыктывкар, 2002. С. 89—90. 3. Каткова
B. И., Ракин В. И., Макеев Б. А. Псев-доморфизация удделлита в уролитах // Доклады РАН, 2007. Т. 413. № 3.
C. 375—378. 4. Ракин В. И., Каткова В. И. Термодинамическая мера неравно-весности физико-химической и особен-
ности неравновесной кристаллизации. Сыктывкар: Геопринт, 2006. 40 с. 5. Arel-lano-Jimenez M. J, Garcia-Gard R, Reyes-Gasga J. Synthesis and hydrolysis of octacalciumphosphate and its characterization by electron microscopy and x-ray diffraction // Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2009. V. 70. № 2. P. 390—395. 6. Brown W. E., Lehr J. R., Smith J. P., William A. F. Crystallography of octacalcium phosphate // Journal of the American Chemical Society, 1957. V. 79. № 19. P. 5318 — 5319. 7. Iijima M., Moradian-Oldak J. Control
of octacalcium phosphate and apatite crystal growth by amelogenin matrices // Journal of Materials Chemistry, 2004. № 14. P. 2189—2199. 8. Yao-Hung Tseng, Chung-Yuan Mou and Jerry C. C. Chan. Solid-State NMR Study of the Transformation of Octacalcium Phosphate to Hydroxyapatite: A Mechanistic Model for Central Dark Line Formation // Journal of American Chemical Society, 2006. 128. P. 6909—6918.
PeDpH3eHT fl. r.-M. h. B. H. PaKMH
