Hydroxyapatite: Cấu trúc, Tổng hợp, Tinh thể và Công dụng
Hydroxyapatite là một khoáng chất canxi phốt phát, có công thức hóa học là Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 . Cùng với các khoáng chất và chất hữu cơ khác vẫn bị nghiền nát và nén chặt, nó tạo thành nguyên liệu thô được gọi là đá photphoric. Thuật ngữ "hydroxy" dùng để chỉ anion OH-.
Nếu thay vì anion đó là florua, khoáng chất sẽ được gọi là fluoroapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2, và với các anion khác (Cl-, Br-, CO 3 2-, v.v.)., hydroxyapatite là thành phần vô cơ chính của xương và men răng, chủ yếu ở dạng tinh thể.
Sau đó, nó là một yếu tố quan trọng trong các mô xương của sinh vật. Sự ổn định tuyệt vời của nó chống lại canxi phốt phát khác cho phép nó chịu được các điều kiện sinh lý, tạo cho xương có độ cứng đặc trưng. Hydroxyapatite không đơn độc: nó hoàn thành chức năng của nó kèm theo collagen, protein sợi của các mô liên kết.
Hydroxyapatite (hoặc hydroxylapatite) chứa các ion Ca2 +, nhưng nó cũng có thể chứa các cation khác (Mg2 +, Na +) trong cấu trúc của nó, các tạp chất can thiệp vào các quá trình sinh hóa khác của xương (như tu sửa).
Cấu trúc
Hình trên minh họa cấu trúc của canxi hydroxyapatite. Tất cả các hình cầu chiếm thể tích của một nửa "hộp" hình lục giác, trong đó nửa còn lại giống hệt với hình đầu tiên.
Trong cấu trúc này, các quả cầu xanh tương ứng với các cation Ca2 +, trong khi các quả cầu đỏ tương ứng với các nguyên tử oxy, các quả cầu màu cam tương ứng với các nguyên tử phốt pho và các quả cầu trắng tương ứng với nguyên tử hydro của OH-.
Các ion photphat trong hình ảnh này có khuyết điểm là không thể hiện hình dạng tứ diện; thay vào đó, chúng trông giống như những kim tự tháp có đế vuông.
OH- tạo ấn tượng rằng nó nằm cách xa Ca2 +. Tuy nhiên, đơn vị tinh thể có thể lặp lại trên mái nhà đầu tiên, do đó cho thấy sự gần gũi giữa cả hai ion. Ngoài ra, các ion này có thể được thay thế bằng các ion khác (ví dụ Na + và F-).
Tổng hợp
Hydroxylapatite có thể được tổng hợp bằng phản ứng của canxi hydroxit với axit photphoric:
10 Ca (OH) 2 + 6 H 3 PO 4 => Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18 H 2 O
Hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) được biểu thị bằng hai đơn vị công thức Ca 5 (PO 4 ) 3 OH.
Tương tự như vậy, hydroxyapatite có thể được tổng hợp thông qua các phản ứng sau:
10 Ca (NO 3 ) 2. 4H 2 O + 6 NH 4 H 2 PO 4 => Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 20 NH 4 NO 3 + 52 H 2 O
Kiểm soát tốc độ kết tủa cho phép phản ứng này tạo ra các hạt nano hydroxyapatite.
Tinh thể hydroxyapatite
Các ion được nén và phát triển để tạo thành một tinh thể cứng và kháng. Điều này được sử dụng như một vật liệu sinh học để khoáng hóa xương.
Tuy nhiên, nó cần collagen, một chất hỗ trợ hữu cơ đóng vai trò là khuôn mẫu cho sự phát triển của nó. Những tinh thể này và quá trình hình thành phức tạp của chúng sẽ phụ thuộc vào xương (hoặc răng).
Những tinh thể này phát triển được tẩm chất hữu cơ và ứng dụng các kỹ thuật kính hiển vi điện tử mô tả chi tiết chúng trong răng dưới dạng tập hợp với các dạng que gọi là lăng kính.
Công dụng
Sử dụng y tế và nha khoa
Do sự tương đồng về kích thước, tinh thể học và thành phần với mô người cứng, nanohydroxyapatite hấp dẫn để sử dụng trong phục hình. Ngoài ra, nanohydroxyapatite là tương thích sinh học, hoạt tính sinh học và tự nhiên, cũng như không độc hại hoặc viêm.
Theo đó, gốm nanohydroxyapatite có nhiều ứng dụng, bao gồm:
- Trong phẫu thuật mô xương được sử dụng trong việc trám răng sâu trong phẫu thuật chỉnh hình, chấn thương, maxillofacial và nha khoa.
- Nó được sử dụng như một lớp phủ cho cấy ghép chỉnh hình và nha khoa. Nó là một chất khử mẫn cảm được sử dụng sau khi làm trắng răng. Nó cũng được sử dụng như một tác nhân tái tạo trong kem đánh răng và trong điều trị sâu răng sớm.
- Thép không gỉ và titan cấy ghép thường được phủ hydroxyapatite để giảm tỷ lệ loại bỏ của chúng.
- Nó là một thay thế cho ghép xương allogenic và xenogen. Thời gian chữa bệnh ngắn hơn khi có mặt hydroxyapatite so với khi không có mặt.
- Nanohydroxyapatite tổng hợp bắt chước hydroxyapatite tự nhiên có trong ngà răng và apatit steroid, vì vậy việc sử dụng nó là thuận lợi trong việc sửa chữa men răng và kết hợp trong kem đánh răng, cũng như nước súc miệng
Các ứng dụng khác của hydroxyapatite
- Hydroxyapatite được sử dụng trong các bộ lọc không khí của xe cơ giới để tăng hiệu quả của chúng trong việc hấp thụ và phân hủy carbon monoxide (CO). Điều này làm giảm ô nhiễm môi trường.
- Một phức hợp alginate-hydroxyapatite đã được tổng hợp rằng các thử nghiệm thực địa đã chỉ ra rằng nó có khả năng hấp thụ flo thông qua cơ chế trao đổi ion.
- Hydroxyapatite được sử dụng làm môi trường sắc ký cho protein. Điều này thể hiện các điện tích dương (Ca ++) và điện tích âm (PO 4 -3), do đó nó có thể tương tác với các protein tích điện và cho phép tách chúng bằng cách trao đổi ion.
- Hydroxyapatite cũng đã được sử dụng như là một hỗ trợ cho điện di của axit nucleic. Tách DNA khỏi RNA, cũng như DNA từ một chuỗi DNA hai sợi.
Tính chất hóa lý
Hydroxyapatite là một chất rắn màu trắng có thể thu được các tông màu xám, vàng và xanh lục. Vì nó là chất rắn kết tinh, nó có điểm nóng chảy cao, biểu thị cho tương tác tĩnh điện mạnh; đối với hydroxyapatite, đây là 1100 ºC.
Nó đậm đặc hơn nước, với mật độ 3.05 - 3.15 g / cm3. Ngoài ra, nó thực tế không hòa tan trong nước (0, 3 mg / mL), đó là do các ion photphat.
Tuy nhiên, trong môi trường axit (như trong HCl), nó hòa tan. Độ hòa tan này là do sự hình thành CaCl 2, một loại muối hòa tan cao trong nước. Ngoài ra, phốt phát được proton hóa (HPO 4 2- và H 2 PO 4 -) và tương tác ở mức độ lớn hơn với nước.
Độ hòa tan của hydroxyapatite trong axit rất quan trọng trong sinh lý bệnh của sâu răng. Các vi khuẩn trong khoang miệng tiết ra axit lactic, sản phẩm của quá trình lên men glucose, làm giảm độ pH của bề mặt răng xuống dưới 5, do đó hydroxyapatite bắt đầu tan.
Fluorine (F-) có thể thay thế các ion OH- trong cấu trúc tinh thể. Khi điều này xảy ra, nó góp phần kháng hydroxyapatite của men răng chống lại các axit.
Có thể, sự kháng thuốc này có thể là do tính không hòa tan của CaF 2 được hình thành, từ chối "rời khỏi" tinh thể.
