Псевдоморфозы биоапатита по октакальцийфосфату

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 человека. Считается, что октакальцийфосфат (ОКФ) Са8Н2(РО4)6-5Н2О является минеральной фазой, предшествующей биоапатиту Саю(РО4)б'(ОН)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 О КФ, 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 О КФ толщиной в элементарную ячейку на плоскости (100)

Рис. 1. Структура октакальцийфосфата. Проекция на плоскость (001) [6]

апатита-(СаОН), затем следует гидролиз ОКФ до гидроксилапатита. Каждый слой О КФ толщиной в одну элементарную ячейку превращается в слой апатита-(СаОН), толщина которого равна двум элементарным ячейкам.

Исследования У. И. Брауна и его соавторов показали, что формирование псевдоморфоз нестехиометрического апатита наблюдается при нагревании О КФ при температуре ниже 180 °C [6]. Согласно рентгеновским данным удаление 2/3 содержащейся в О КФ кристаллогидратной воды сопровождается исчезновением в его спектре основного диагностического экстремума d=18.7 А (hkl = 010). Было выявлено, что кипящая вода также разлагает О КФ на составные части. В результате дегидратации О КФ трансформируется в плохо окрис-таллизованный дефектный апатит, аналогичный минеральной составляющей живых организмов.

Экспериментальные работы in vitro Яао-Ханг Тсенг с соавторами позволили уточнить механизм трансформации 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 О КФ могут трансформироваться в палочковидные кристаллы апатита-(СаОН) по мере увеличения рН раствора. Экспериментально было установлено, что при полном гидролизе трансформация октакальцийфосфата в апатит сопровождается изменением размеров и морфологии кристаллической фазы [5,8]. Образование апатита-(СаОН) из ОКР можно изобразить следующим образом [5]:

В фосфатных уролитах, как правило, основными минеральными составляющими являются струвит, карбонатсодержащий гидроксилапатит и ньюбериит. Уролиты мономинерального состава, состоящие из апатита-(СаОН), формируются в редких случаях.

Нашей целью было установить механизмы трансформации октакальцийфосфата 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, OLYM-PUS-BX51) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) JSM-6400 (JEOL). Рентгеновские исследования были выполнены методом порошковой дифрактометрии (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 сферолито-зонального строения и сферокристаллические образования. Следует отметить, что сферолиты 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 шлифах при скрещенных николях хорошо просматривается характерный для сферолитов непогасающий 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 О КФ. Согласно рентгеновским дифрактограммам и ИК-спектрам минеральная составляющая уролитов представлена слабо окристаллизованным апа-титом-(СаОН), а главный диагностический пик d=18.7 А (hkl=010) ОКФ не обнаруживается (табл. 1).

Были выполнены электронно-зондовые 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 встречнойдиффузии органических и неорганических веществ. В гелевой системе формировались сложные шаровидные агрегаты с внешней сферо-

“‡·Îˈ‡ 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	И	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. d — межплоскостное расстояние, I — относительная интенсивность дифракционных пиков

Рис. 2. Сферолиты биоапатита: РЭМ-изображение (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
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 октакальцийфосфат кристаллизуется в форме игольчатых, пластинчатых кристаллов, объединенных в сферические агрегаты. Было установлено, что атомные отношения Са/Р в фосфатных образованиях часто не соответствуют пропорции О КФ 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 О КФ представлена комбинацией форм: {100}, {010}, {011}, {021} (рис. 5). Набор простых форм характерен и для пластинчатых кристаллов, за исключением формы {021}. Согласно нашим данным [4], гелевая система при абиогенных или биогенных (с бактериальной культурой) условиях кристаллизации фосфатов не позволяет осуществить процессы трансформации из-за недостаточной интенсивности химических процессов (малым производством энтропии).

Рис. 5. Вероятный габитус кристаллов октакальцийфосфата из гелевой системы [4]

Большинство специалистов по изучению процессов трансформации фосфатов кальция показали, что апатит-(СаОН) формируется путем гидролиза О КФ [1, 5—8]. Однако следует иметь в виду, что различаются два основных типа гидролиза: по катиону и аниону. О КФ как гидратная соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, гидролизуется по аниону:

РО₄^3- + Н-ОН ^ НРО₄^2- + 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, добавки 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 псевдоморфоз 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 дегид-ратацци и перекристаллизапци с образованием псевдоморфоз в уролитах являются новообразования (индивиды и сростки) одноводного оксалата кальция (СаС 2 О 4 'Н 2 О), фиксирующиеся в пределах объема и формы двуводного оксалата кальция (СаС 2 О 4 ^^О) [3].

На основании проведенных нами исследований фосфатных уролитов можно сказать, что пластинчатые кристаллы и сферолиты апатита-(СаОН) являются псевдоморфозами по октакальцийфосфату. Выделяются два морфологических типа псевдоморфоз гидроксилапатита: сферолиты зонального строения с наличием или без ядер и сферокристаллические образования, состоящие из пластинчатых субиндивидов. Процессы псевдо-морфизацци О КФ 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.