Поликристаллический образец природного фторапатита из месторождения Хибины (Кольский полуостров). Кристаллы фторапатита имеют зеленовато-серый оттенок.

Монокристалл природного апатита в куске породы.

Окаменевшие ракушки древних морских обитателей - плеченогих животных рода Lingula - в куске породы.

Толщина нанокристаллов биологического апатита составляет всего 2-4 нанометра. <...>

Кости млекопитающих имеют пористую структуру.

Игольчатые кристаллы биологического апатита зубной эмали.

Поверхность имплантируемой в десны титановой втулки для крепления искусственных зубов покрыта слоем фосфатов кальция.

Для лучшей биосовместимости искусственные тазобедренные суставы человека, сделанные из титана, частично покрывают слоем фосфатов кальция.

Цилиндрическая заготовка для имплантата, изготовленная из пористого фосфата кальция.

Образцы изделий из фосфатов кальция - готовые имплантаты и заготовки для них.

Неорганических веществ, накапливаемых в значительных количествах живыми организмами, не так уж много. К ним относятся: карбонат кальция - из него состоят кораллы и ракушки подавляющего большинства моллюсков; оксалат кальция, встречающийся в растениях, а также у млекопитающих (например, в составе камней, образующихся в почках); двуокись кремния, из которой образованы скелеты большинства морских одноклеточных организмов, в частности радиолярий; сульфаты щелочноземельных металлов (встречаются в некоторых растениях и медузах); оксиды железа (присутствуют в бактериях, моллюсках, некоторых растениях) и, наконец, фосфаты кальция - основной строительный материал костей и зубов всех позвоночных животных. О фосфатах кальция и пойдет разговор в этой статье.

Фосфаты кальция состоят из трех химических элементов: кальция, фосфора в степени окисления +5 и кислорода, который входит в состав фосфат-иона. Кроме того, в состав многих фосфатов кальция может входить и водород в виде кислого фосфат-аниона (например, HPO₄^2- и H₂PO₄^-) либо в виде воды с образованием кристаллогидратов. Многообразные комбинации оксидов кальция и фосфора (как в присутствии воды, так и без нее) дают достаточно большое разнообразие различных фосфатов кальция. По виду фосфат-иона различают орто- (PO₄^3-), мета- (PO₃^-), пиро- (P₂O₇^4-) и поли- ((PO₃)_n^n-) фосфаты кальция, а в случае многозарядных анионов (верно только для орто- и пирофосфатов) по количеству оставшихся ионов водорода различают одно-, двух-, трех- и четырехзамещенные фосфаты кальция (последнее верно только для пирофосфатов).

Все химически чистые фосфаты кальция имеют белый цвет; однако встречающиеся в природе минералы фосфатов кальция чаще всего окрашены, причем четко установлено, что окраску им придают ионы примесей, наиболее распространенные из которых - примеси ионов железа и редкоземельных элементов. Большинство фосфатов кальция малорастворимы в воде, зато все они растворимы в кислотах.

Наиболее важные минералы фосфора - апатит Са₅(РО₄) ₃Х, где Х - это фтор, реже хлор или гидроксильная группа; и фосфорит, основа которого - ортофосфат кальция (Са₃(РО₄) ₂). Кроме того, фосфор входит в состав некоторых белковых веществ и содержится в растениях и организмах животных и человека.

Фосфатная руда обычно состоит из мелких кристалликов размером менее 1 мм. Более крупные кристаллы встречаются редко, а наиболее красивые шестигранные кристаллы или друзы природного фторапатита представляют коллекционный интерес.

В биологических системах главное место фосфатов кальция - кости и зубы позвоночных животных, то есть рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. Помимо этих нормальных и необходимых для живых организмов твердых тканей существуют еще и нежелательные твердые отложения (например, зубной камень, камни в мочевом пузыре, а также атеросклерозные бляшки кровеносных сосудов), которые тоже содержат фосфаты кальция. Кроме того, обнаружено несколько видов ископаемых моллюсков, чьи раковины состоят не из обычного для моллюсков карбоната кальция, а из фосфата кальция.

Все эти биологически образованные фосфаты кальция в научной литературе принято называть термином "биологический апатит". Главное отличие биологического апатита от просто апатита заключается в их химическом составе. Многочисленными исследованиями установлено, что в биологическом апатите часть ионов кальция, фосфата или гидроксида замещена другими ионами. Например, места ионов кальция могут занимать ионы стронция, магния, натрия или калия; ионы фосфата частично замещены ионами карбоната, а в качестве Х-ионов присутствуют гидроксид, фторид, хлорид или даже карбонат. Внимательный читатель непременно обратит внимание на то, что многие ионы-заместители имеют отличную от исходных ионов величину заряда. Например, среди заместителей двухзарядного иона кальция присутствуют однозарядные ионы натрия и калия, а заместителем трехзарядного иона ортофосфата часто служит двухзарядный ион карбоната. Компенсация электрических зарядов в биологическом апатите происходит путем образования необходимого количества ионных вакансий, что приводит к нестехиометрическому (то есть переменному) химическому составу биологического апатита.

Именно поэтому невозможно говорить о точном химическом составе биологического апатита. Более того, химический состав сильно зависит и от вида твердой ткани; он различен для зубов и костей. В среднем кости человека и млекопитающих содержат 60-70% фосфатов кальция, 20-30% коллагена и до 10% воды (значения меняются в зависимости от возраста, питания, состояния здоровья).

Кости - самые крупные твердые части тела человека и млекопитающих. В организме у них две основные функции: механическая поддержка тела и хранилище неорганических ионов. Кости млекопитающих - это композитный материал, содержащий органическую (в основном белок коллаген) и неорганическую (фосфаты кальция) фазы. В этом композите фосфаты кальция придают костям механическую прочность, твердость, жесткость и высокую сопротивляемость к сжимающим нагрузкам, а коллаген - некоторую эластичность и вязкость. В отличие от кости керамика, на 100% состоящая из фосфатов кальция, хрупка и легко разрушается при ударной нагрузке или изгибании. Внутри материал костей пористый, и эти поры заполнены жидкостью, которая играет роль смазки, что, в свою очередь, дополнительно улучшает пластические свойства костной ткани.

Считается, что рост кости начинается с формирования некоего каркаса из закрученных в спирали молекул коллагена, внутри которого зарождаются и растут пластинчатые нанокристаллы биологического апатита. Плоские нанокристаллы апатита - толщина некоторых составляет всего 2-4 нанометра - уложены параллельно друг другу и каким-то (точно еще не выясненным) образом располагаются между собранными в пучки нитевидными молекулами коллагена.

Кости живого существа не есть что-то застывшее или омертвевшее - они находятся в непрерывном динамическом равновесии с окружающими тканями живого организма. Существующие в организме клетки, называемые остеокластами, непрерывно растворяют биологический апатит (эти клетки выделяют кислоту, которая и растворяет фосфаты кальция); в то же время другие клетки - остеобласты - кристаллизуют биологический апатит заново. Процессы постоянного растворения-кристаллизации способствуют поддержанию необходимой концентрации ионов кальция и фосфата в тканях организма, а также поддержанию здоровья костной ткани, поскольку возникшие почему-либо дефектные участки кости растворяются остеокластами в первую очередь, а взамен остеобласты кристаллизуют правильную и здоровую костную ткань.

Как протекает процесс образования костной ткани из растворенных в крови ионов кальция и фосфата с химической точки зрения? Полной ясности нет. Если смешать водные растворы солей кальция (например, кальций азотнокислый) и фосфата (например, фосфат аммония) в определенных пропорциях и в определенных условиях, то, по идее, должен закристаллизоваться апатит. Однако многочисленными исследованиями доказано, что все не так просто: апатит, действительно, образуется, но не сразу: кристаллизация происходит через образование одного или нескольких промежуточных фосфатов кальция, называемых фазами-предшественниками. На основании этих данных был сделан вывод, что биологический апатит кости тоже формируется аналогичным образом. Правда, до сих пор никому из исследователей не удалось четко зафиксировать какие-либо промежуточные фазы (или их отсутствие) в процессе роста кости. Все упирается в эксперимен тальные трудности: если в пробирке можно провести кристаллизацию и ждать сколь угодно долго, периодически отбирая пробы на анализ, то с живой костью такой эксперимент не проведешь. Посему ученые вынуждены довольствоваться лишь косвенными данными: например, на сегодняшний день установлено, что химический состав биологического апатита молодых костей (например, детенышей животных) отличается от состава апатита взрослых и старых животных.

Второе по значимости место (после костей) в твердых тканях живых организмов занимают зубы. С химической точки зрения структура зубов человека и всех млекопитающих оказалась сложнее, чем структура кости: зубы состоят из наружной очень твердой части, называемой эмалью, и внутренней более мягкой части, называемой дентином. Химический состав и свойства дентина и кости довольно близки (поэтому почти все вышесказанное о кости относится и к дентину), в то время как химический состав зубной эмали сильно отличается, приближаясь к составу чистого апатита.

Главное отличие эмали от дентина и кости состоит в том, что первая почти не содержит органической фазы. Именно поэтому зубная эмаль - самый твердый материал в организме человека и млекопитающих. Дополнительную твердость ей придают ионы фтора, благодаря чему образуется наименее растворимая и наиболее твердая форма апатита - фторапатит. Именно по этой причине выпускают зубную пасту, содержащую фтор: при контакте с зубной эмалью ионы фтора частично вступают в химическое взаимодействие с образованием фторапатита, что повышает сопротивляемость эмали растворению в кислотах, выделяемых живущими в полости рта бактериями. (Здесь следует пояснить, что с химической точки зрения зубной кариес - это процесс растворения биологического апатита в слабых органических кислотах.)

Считается, что механизм образования зубной эмали мало чем отличается от образования костной ткани (та же минерализация органической матрицы, то же вероятное наличие фаз-предшественников). Однако органической фазы в зубной эмали гораздо меньше, она не содержит белка коллагена, а кристаллы эмали имеют длину до 100 микрон. Тем не менее в литературе имеются сведения, что на начальных этапах формирования зубная эмаль содержит только около 50% биологического апатита, доля которого со временем увеличивается до 98-99%. Кроме того, поврежденная зубная эмаль не восстанавливается клетками, подобными остеокластам и остеобластам. Следовательно, эмаль можно считать в некоторой степени "мертвой" тканью живых организмов (в отличие от "живой" кости.)

Нужно коротко упомянуть о наличии еще одной фазы, по-английски называемой "enameloid" (соответствующего русского термина еще нет), которая существует на границе раздела фаз между эмалью и дентином. Установлено, что эта фаза состоит из кристаллов биологического апатита, таких же, как в зубной эмали, но находящихся в органической матрице белка коллагена, как в дентине и кости. Пока что свойства этой промежуточной фазы недостаточно хорошо изучены.

Поскольку неорганический компонент костей и зубов человека и млекопитающих состоит из фосфатов кальция биологического происхождения, очевидно, что с точки зрения биосовместимости (то есть способности живых организмов принимать чужеродные вещества без отторжения) искусственные заменители костей и зубов (имплантаты), сделанные из фосфатов кальция, должны быть оптимальными. Так и есть, однако имплантаты, изготовленные из чистых фосфатов кальция, практически не применяют в медицине: во-первых, они слишком хрупкие, а во-вторых, из них трудно изготовить изделия заданной формы. Здесь нужно вспомнить, что кости и дентин имеют пористую структуру и содержат до 40% органической фазы, которая существенно улучшает их механические свойства. Следовательно, идеальный костный имплантат тоже должен содержать органическую фазу и быть пористым, чтобы в него могли прорастать мягкие ткани живого организма.

Существуют следующие "обходные" пути для преодоления плохих механических свойств фосфатов кальция.

Имплантат можно сделать из какого-нибудь прочного материала (титан, нержавеющая сталь и т.д.), а чтобы сделать его биосовместимым, покрыть сверху (например, путем плазменного напыления или осаждением из пересыщенного раствора) слоем фосфатов кальция. В этом случае все механические нагрузки лягут на прочную металлическую сердцевину, а поверхностный слой фосфатов кальция будет способствовать приживаемости. Таким способом изготавливают, например, искусственные тазобедренные суставы и имплантируемые в десны втулки для крепления на них искусственных (обычно сделанных из керамики) зубов.

Можно пойти по пути, проложенному природой, и приготовить органоминеральный композит, состоящий из фосфатов кальция и какого-либо биологически совместимого или хотя бы инертного полимера. Простейший способ приготовления - когда добавляют порошкообразный фосфат кальция в раствор или расплав полимера и тщательно перемешивают образовавшуюся смесь, а затем формируют готовые изделия. Такие композиты уже существуют, и их пытаются использовать для изготовления небольших костей.

Чтобы исправить мелкие дефекты крупных костей (заполнить трещины либо восстановить искусственно удаленные небольшие фрагменты), используют вязкие суспензии фосфатов кальция в водном растворе какого-либо биологически совместимого полимера (например, крахмала). Такие суспензии можно шприцем вводить в места костных дефектов, и тогда остеокласты и остеобласты используют их как строительный материал, чтобы построить новую кость.

Особую категорию представляют самозатвердевающие цементы, сделанные из порошков двух различных фосфатов кальция. Подбирают пару: кислый фосфат кальция (например, CaHPO₄) и щелочной фосфат кальция (например, Ca₄(PO₄)₂O или просто гидроксид или карбонат кальция), тщательно смешивают в необходимых пропорциях и добавляют либо воду, либо разбавленный водный раствор фосфорной кислоты. В результате протекающих химических реакций цемент затвердевает и образуется апатит. Этот способ хорош тем, что таким цементом легко заполнить костные дефекты, имеющие самую замысловатую геометрическую форму.

Можно приготовить из фосфатов кальция пористый имплантат. Например, окунуть обычную губку в водную суспензию фосфатов кальция, содержащую добавки, которые способствуют прилипанию, а затем прокалить ее при температуре около 1200°С: губка и все органические добавки сгорят и останется "голый скелет" из фосфатов кальция. Если покрыть его снаружи слоем биосовместимого полимера, получится структура, похожая на триплекс - лобовое стекло автомобиля, которое, благодаря полимерной пленке, при аварии не рассыпается на мелкие кусочки. Преимущества таких материалов очевидны: хирург может просто отрезать (отпилить) кусок необходимого размера и формы от большого куска пористой керамики, не опасаясь его разрушения.

№5, 2004