Блог

Лемешева С.А., Измайлов Р.Р., Голованова О.А.

ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО КОСТНОГО АПАТИТА ИЗ ПРОТОТИПОВ СИНОВИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Одним из способов получения биосовместимых материалов, используемых  для восстановления костных дефектов, является их синтез из прототипов биологических жидкостей. В связи, с чем возникает необходимость в изучении состава и последовательности осаждения в данных условиях малорастворимых соединений.
Цель: изучение характера образования минеральных фаз в суставной жидкости человека и синтез гидроксилапатита на основе её прототипов.

В работе проведено моделирование электролитного состава суставной синовиальной жидкости здорового взрослого среднестатистического человека при минимальных, средних, максимальных концентрациях ионов (C, ммоль/л [Матвеева, 2007; Кирсанов, 2001]: Ca2+ – 2.25–2.80; Na+ – 130.00–150.00; Mg2+ – 0.70–1.50; K+ – 3.80–5.40; Cl- – 95.00–111.00; CO32- – 24.00–30.00; PO43- – 2.42–6.34; SO42- – 9.90–12.90 ) с учетом ионной силы (0.156–0.193) и рН растворов в интервале (рН = 7.40–7.80). Для оценки возможности образования труднорастворимых соединений рассчитаны индексы пересыщения SI [Mullin, 1993] и энергии Гиббса кристаллизации [Koutsopoulos, Dalas, 2000] (при SI>0 и ∆G<0 термодинамически вероятно образование твердой фазы из раствора при данных условиях).

По результатам термодинамических расчетов установлено, что в рамках модели возможно осаждение Са10(РО4)6(ОН)2 – гидроксилапатита, β-Ca3(РО4)2 – витлокита, MgHPO4•3Н2О – ньюбериита, Ca4H(РО4)3•2.5Н2О – октакальция фосфата, СaHРО4•2Н2О – брушита, CaCO3 – кальцита, CaCO3 – арагонит, α-Ca3(РО4)2.

Наибольшая термодинамическая вероятность образования и устойчивость в модельных условиях характерна для гидроксилапатита, составляющего кристаллическую основу костной ткани. Устойчивой фазой также является β-Ca3(РО4)2 – исходная  аморфная  компонента из которой в результате перекристаллизации образуются кристаллы гидроксилапатита кости. Осаждение в рамках данной модели α-Ca3(РО4)2 и карбонатов кальция маловероятно. Остальные соединения обладают промежуточной термодинамической устойчивостью, и их участие в формировании костной ткани зависит от концентрации осадкообразующих ионов, ионной силы, кислотности моделируемой среды.

При рН = 7.40±0.05 раствора термодинамическая вероятность образования убывает в ряду MgHPO4•3Н2О > Ca4H(РО4)3•2.5Н2О > СaHРО4•2Н2О и аналогична для всего рассматриваемого диапазона концентраций. Это указывает,  на то, что при данном значении рН среды влиянием ионной силы можно пренебречь. С увеличением рН растворов (рН = 7.60±0.05 и рН = 7.80±0.05) и концентраций ионов, возрастают силы межионного отталкивания, что приводит к уменьшению  коэффициентов активностей и, следовательно, возрастает вероятность образования наиболее растворимой и термодинамически неустойчивой фазы. Вслед за осаждением Ca4H(РО4)3•2.5 Н2О отмечается последовательное образование ньюбериита и брушита.

Результаты расчетов подтверждены на модельном эксперименте (кристаллизация фаз – 1 месяц). В процессе синтезов твердых фаз из прототипов синовиальной жидкости при средних электролитных концентрациях, значениях рН = 7.40±0.05 в «норме» и 7.60±0.05, 7.80±0.05 при повреждении получен гидроксилапатит разной кристалличности (рис. 1).
 
Рис. 1. Дифрактограммы образцов, синтезированных при рН = 7.4 (1) и рН = 7.8 (2).

Установлено, что при рН = 7.8±0.05 гидрокислапатит содержит меньшее число примесных фаз. Коэффициент Са/Р данного осадка соответствует рассчитанному нами ранее значению для поврежденных костных проб (Са/Р  = 1.82).
 
Таким образом, показано, что при отклонениях от «нормы» костная минерализация протекает с участием синовиальной жидкости, которая является «маточной» средой образования неорганических малорастворимых соединений  костной ткани.

Литература

Матвеева Е. Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: Автореф. дис. … докт. биол. наук. Тюмень: Тюменский гос. ун-т, 2007. 24 с.
Кирсанов А. И., Долгодворов А. Ф., Леонтьев В. Г., Горбачева И. А., Романова В. Д., Величко Л. С., Александров В. В. Концентрация химических элементов в разных биологических средах // Клиническая лабораторная диагностика. 2001. № 3. С. 16–20.
Mullin J. W. Crystallization. Butterworth-Heinemann. Oxford, 1993. P. 118–122.
Koutsopoulos S. Hydroxyapatite crystallization in the presence of serine, tyrosine and hydroxyproline amino acids with polar side groups / S. Koutsopoulos, E. Dalas // Journal of Crystal Growth. 2000. № 216. P. 443–449.