Этапы обмена элементов кристаллической решетки апатитов

Образуясь в растворах, кристаллы апатитов могут изменяться за счёт обмена с ионами, находящимися в этом же растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высокочувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости, а он, в свою очередь, зависит от характера пищи и состава потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решётки протекает в несколько этапов, каждый из которых имеет свою скорость.

Первый этап протекает довольно быстро – в течение нескольких минут. Это обмен посредством диффузии между гидратной оболочкой кристалла и подвижной жидкостью, в которую погружен кристалл. Обмен ведёт к повышению концентрации отдельных ионов в непосредственной близости кристалла. В этом этапе участвуют многие ионы, разные по размерам и свойствам.

На втором этапе идёт обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристаллов. Здесь происходит отрыв элементов с поверхности кристалла и замена их на ионы, поступающие из гидратной оболочки. В процесс преимущественно включаются ионы кальция, магния, стронция, натрия, фосфорной и угольной кислот, фтора, хлора, иногда другие приблизительно равные им по размерам ионы. Многим ионам данный этап не под силу. Длительность этапа – несколько часов.

На третьем этапе происходит проникновение ионов вглубь кристаллической решётки. Это самый медленный процесс, длится недели, месяцы, иногда более года. Этап проходит в форме изоморфного замещения или заполнения вакантных мест. Главные здесь ионы кальция, магния, фосфата, стронция, фтора.

Стадии минерализации костной ткани

Нуклеация – начало образования кристаллов

В основе минерализации костного скелета и зубных тканей позвоночных лежит образование кристаллов с участием фосфатов кальция. В патологических условиях свыше 20 других солей могут подвергаться кристаллизации в составе зубных, мочевых, жёлчных камней.

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. Процесс осаждения можно разделить на 2 стадии: вначале идёт нуклеация, т.е. образование плотного остатка с точечными ядрами кристаллов, а затем – рост кристаллов из этого ядра.

Различают 2 типа нуклеации.

• Если нуклеация идёт в пересыщенном растворе без участия другой фазы, то её называют гомогенной. Гомогенная нуклеация характерна для первичных этапов формирования зубного дентина.

• Если нуклеацию инициирует другая фаза (часто твердая фаза), то процесс называют гетерогенной нуклеацией. Второй механизм встречается чаще, поскольку трудно создать чисто однофазный раствор.

В обоих случаях формируются небольшие ядра кристаллов 0,5–2,0 нм в диаметре.

Процесс гомогенной нуклеации может быть представлен следующим образом. Вначале небольшое число ионов образует пары или триплеты – так называемые кластеры. Кластеры могут объединяться между собой. Пока новые кластеры малы, они неустойчивы, быстро распадаются и вновь образуются. Когда имеется пересыщенный раствор, размер радиуса отдельных кластеров может достигнуть и даже превысить критический радиус кристалла (R_крит). Такие кластеры не распадаются, а становятся источниками дальнейшего роста кристаллов. В целом, если радиус ядра меньше R_крит, то зачаток кристалла растворяется, если выше – идёт рост кристалла.

В ходе гетерогенной нуклеации рост кристаллов «АБ» (например, А – кальций, Б – фосфат) может начаться, если в супернасыщенный раствор добавить другой кристалл «В» (матрицу). Образование кластера определённой величины (ядра) для роста кристаллов «АБ» на поверхности кристалла «В» происходит в 3 стадии: (1) поверхностная адсорбция компонентов А и Б, (2) их диффузия на поверхности, (3) включение в кластер. Матрица «В» при этом может играть роль направляющей в образовании кристаллов «АБ». Такой феномен называют «эпитаксис», а процесс образования критических кластеров называют эпитаксической нуклеацией.

Рост ионных кристаллов

Механические свойства таких сложных структур как кость и эмаль, состоящих из органических и неорганических компонентов, зависят от величины кристаллов.

В отличие от этапа нуклеации, для которого требуется значительная пересыщенность ионов в растворе, дальнейший рост кристаллов требует значительно более низких концентраций участников процесса. При этом используются другие механизмы, которые включают так называемый «спиралевидный рост». На образовавшемся ядре возникают спиралевидые структуры, рост которых идёт по обычному принципу добавления новых ионов. Шаг такой спирали равен высоте одной структурной единицы кристалла.

Рост кристалла очень чувствителен к присутствию других ионов и молекул, которые выполняют роль ингибиторов кристаллизации. Причем, их концентрация может быть небольшой. Эти молекулы оказывают влияние не только на скорость, но и форму, и направление роста кристаллов. С другой стороны, если такие же молекулы добавить к другой системе, в которой кристалл растворяется, степень растворения обычно не изменяется.

Однако некоторые комплексные неорганические ионы, ингибирующие рост кристаллов, способны также уменьшать и скорость их растворения. Эти соединения адсорбируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ионов. Подобными веществами являются: гексаметафосфат натрия – тормозит преципитацию карбоната кальция; пирофосфаты, полифосфаты, полифосфонаты и некоторые белки слюны – тормозят рост кристаллов и нуклеацию гидроксиапатитов.

Расположение атомов и молекул в кристалле можно исследовать при помощи рентгеноструктурного анализа кристаллических решеток. Частички, из которых построен кристалл, называются элементарными ячейками кристалла. Как правило, ячейки располагаются в кристалле симметрично. Сеточка, образуемая ячейками, называется матрицей кристалла. Имеется 7 разных категорий ячеек кристаллов и, соответственно, 7 типов кристаллов: моноклинные, триклинные, тригональные, тетрагональные, гексагональные, орторомбические и кубические.