Обжигом при 10000С смеси нанодисперсного SiО2 (10-100 нм) и осажденного ГА стехиометрического состава в мол. соотношении (0-2)/1 получали кремний-замещенный ТКФ моноклинной сингонии с параметрами решетки a= 12,863 Å, b= 9,119 Å, c= 15,232 Å, (при соотношении SiO2:ГА = 1:1) [99]. Параметры а иbпрактически не зависят от содержания кремнезема, тогда как параметр решетки с существенно возрастает (от 15,222 Å) с увеличением содержания кремнезема до 1 моля в смеси. Кремнезем дестабилизирует структуру ГА, способствуя потере радикалов ОН-, за которой следует превращение ГА в кремний-замещенный ТКФ состава от Ca3(Si0,1P0,9O3,95)2 до Ca3,08(P0,92Si0,08O4)2. Механизм компенсации избыточного заряда иона кремния по сравнению с фосфором- образование вакансий по кислороду, либо избыточное содержание кальция. Отмечена аморфизация продукта взаимодействия кремнезема с ГА.
Так называемый аморфный кальцийфосфат, АФК, в общем случае описываемый формулой Са3(РО4)2·nН2О, может также рассматриваться как ТКФ [100]. Это соединение может играть важную роль в процессах минерализации костных тканей в качестве переходной фазы по отношению к ГА. Рентгеноструктурными исследованиями с использованием метода функций радиального распределения показано, что структурной единицей АФК является примерно сферический кластер ионов Са9(РО4)6 размером около 9.5 Å [101]. Молекулы воды расположены в пространстве между агрегатами таких кластеров.
ДКФД имеет моноклинную структуру типа брушита с пространственной группой Ia и параметрами элементарной ячейки а = 5,812 Å, b= 15,180 Å, с = 6,239 Å и = 116,420, Z= 4. Молекулы воды связаны с ионами кальция и расположены между плоскостями, образованными ионами НРО42- и Са2+. Безводный ДКФ кристаллизуется в триклинной сингонии, пространственная группа Р 1, с параметрами элементарной ячейки а = 6,910 Å, b= 6,627 Å, с = 6,998 Å, = 96,340, = 103,820 и = 88,330, Z= 4.
Существует мнение, что все ортофосфаты кальция могут быть описаны в как соединения со структурой типа глазерита, если допустить существование вакансий, приводящих к отклонению от соотношения катионов и анионов 2:1, характерного для глазерита [102].
Минеральные фазы природной костной ткани, дентина и эмали содержат значительные количества биологически важных элементов: фтор, хлор, магний, натрий, и анионных групп: карбонат- и силикат-группы. При синтезе частично-замещенных гидроксиапатитов специально вводят в структуру ГА некоторые анионы и катионы с целью либо компенсации заряда (натрий и аммоний вводят при синтезе карбонатгидроксиапатитов), либо для регулирования дисперсности и химических свойств (кремнийзамещенные апатиты, фторгидроксиапатиты). Анионные и катионные замещения оказывают значительное влияние на биологическое поведение ГА. В этой связи вопрос об изоморфных замещениях в гидроксиапатитах представляется весьма важным.
Анионные замещения
Структура ГА нестехиометрична и позволяет разного рода замещения одних элементов другими. Ионы кислорода не находятся строго в плоскости Са-треугольника. Однако расстояние от групп ОНˉ до плоскости небольшое. Смещение атомов кислорода гидроксильных групп относительно плоскости симметрии составляет 0,34 Å [103]. В усреднённой структуре ГА половина всех элементарных ячеек должна содержать гидроксил-ионы, смещённые в одном направлении, тогда как вторая половина – в противоположном направлении относительно плоскости симметрии. Однако разупорядочение такого рода не может быть абсолютно «беспорядочным» и существует, по-видимому, ближний порядок типа ОН-ОН-ОН…НО-НО-НО. Изменение ориентации в расположении ОН-групп может быть результатом их замещения ионами фтора или хлора, а также наличием вакансий [86].
Ион Fֿв фторапатите кальция (химическая формула Ca10(PO4)6F2, далее ФА) не смещён из центров Са-треугольников, в отличие от ионов OHֿи Clֿ(рис. 8). Отсутствие полярного момента может обеспечивать большую химическую устойчивость ФА [103, 104]. Параметры решетки ФА: а = b= 9,367 Å и с = 6,884 Å [105]. В работе [106] изучено изменение параметров решетки и объема элементарной ячейки при частичном замещении гидрокси-групп фтором, происходящем в результате твердофазного взаимодействия ГА с ФА при высоких температурах. С увеличением содержания фтора происходит монотонное снижение параметра а, причем интенсивность влияния фтора на изменение параметра решетки зависит от температуры термической обработки (рис. 9а). Сделано предположение о том, что снижение параметра решетки а может быть обусловлено упорядочением, удалением гидрокси-групп и тенденцией к образованию оксиапатита с меньшим параметром решетки. Возрастание а при температурах выше 1200 0С (рис. 9б) отнесено к повышению нестабильности кристаллической решетки перед фазовым превращением ГА в -ТКФ, сопровождающимся снижением сингонии с гексагональной до моноклинной с большим периодом решетки (а = 12,887 Å, b= 27,280 Å, с = 15,219 Å).
На рис. 10 показаны участки ИК спектров, соответствующие деформационным колебаниям связи Са3–ОН, для образцов ФГА с замещением фтором гидроксильных групп от 0 до 95 мол. %. Пик при 631 см-1, характерный для чистого ГА, по мере замещения гидроксильных групп фтором смещается в область больших волновых чисел, достигая положения при 747 см-1 в случае 95%-ного замещёния гидроксильных групп.
На рис. 11 показано, как меняются расстояния в цепочке гидроксильных групп между её составляющими при введении атома фтора. Своё стабилизирующее действие фтор оказывает не только в случае полного замещения групп ОН-, но и при частичном, с образованием соединения ФГА. Известно, что растворимость чистого ГА выше, чем как у чистого ФА, так и у ФГА [107]. В табл. 5 приведены данные, полученные в ходе определения растворимости ГА и ФА в 0,5 моль/л ацетатном буферном растворе с рН=4 при температуре 37°С [107]. Видно, что растворимость ФА приблизительно на порядок меньше чем у ГА.
О меньшей растворимости ФГА в сравнении с ГА говорят и величины произведений растворимости, которые составляют для ГА и ФГА, соответственно 1,022·10-122 и 4,3·10-126 [109].
Таким образом, можно сделать вывод, что использование ФГА в качестве материала для имплантата должно улучшать его стабильность в химически активной среде человеческого организма (за счёт присутствия Fֿ), при сохранении биоактивности и биосовместимости, присущих ГА. Полагают [29], что степень замещения групп ОНֿ ионами фтора не должна превышать 10%, во избежание отрицательных биологических последствий, в частности флюороза. Известно относительно небольшое количество опубликованных исследований поведения ФГА-керамики в биологических средах. Необходимы дополнительные исследования как в области технологии ФГА-керамики, так и оценки её биологического поведения в экспериментах invitroи invivo.
В рамках структурно-термохимической модели вычислены энергии химических связей ионов F-, Cl- и ОН- c ионами кальция в Са-каналах для основного состояния кристалла: ΣD0(CaCl)=701,8 кДжּмоль-1, ΣD0(CaOH)=326,4 кДжּмоль-1, ΣD0(CaF)=953,3 кДжּмоль-1.
Обмен ионов ОН- на ионы фтора должен быть эффективным в силу большей разности в энергиях связей. Однако изоморфное замещение РО43- группы на иные анионы может приводить к изменениям в ряду устойчивости к обмену ионов в Са-каналах. Оценка показала, что частичное замещение PO43--группы на СО32- может сделать ионы ОН- более устойчивыми, чем F- ионы, т. е. ионы ОН- будут при определенных условиях замещать ионы F- во фторапатите.
Параметры решетки хлорапатита (ХА) гексагональной сингонии составляют а=b= 9,598 Å, с = 6,776 Å [110]. Расположение ионов хлора в ХА неупорядочено, подобно ионам ОН- в структуре ГА, они смещены в обе стороны относительно плоскости кальциевых треугольников на примерно 1,2 Å. Столь значительно смещение сопровождается образованием химической связи между хлором и ионами кальция соседнего треугольника. Стехиометрический ХА может, так же, как и ГА, кристаллизоваться в моноклинной сингонии с упорядочением в расположении ионов хлора.
Карбонат-замещенные гидроксиапатиты (КГА) представляют особый интерес для применения в качестве биологически активного материала. Биологический апатит костных и зубных тканей - всегда дефицитный по кальцию и содержат значительные количества карбонат-групп. В зависимости от возраста человека, содержание групп СО32- в КГА достигает от 2,3 до 8,0 масс. % [111,112]. Есть оценки того, что минеральная составляющая эмали, дентина и костной ткани содержит, соответственно, 3,5, 5,6 и 7,4 масс.% групп СО32- [113]. Карбонатные группы создают решеточные искажения, микронапряжения и дефекты кристаллической решетки, влияя на биологическое поведение, повышая, в частности, способность к остеоинтеграции.
Карбонат-группы могут занимать два положения в структуре ГА, замещая соответственно ОН-группы (А-тип замещения), либо РО43--группы (Б-тип) [114]. Замещение РО43- карбонат-группами приводит к уменьшению размеров кристаллов и степени кристалличности ГА. Замещение ОН-групп приводит к расширению элементарной ячейки вдоль оси а и небольшому сжатию вдоль оси с, что сопровождается изменением пространственной группы с P63/mна P21/b. В случае КГА Б-типа наоборот наблюдается уменьшение параметра а и увеличение с [115]. Параметры решетки КА: а= 9,48 Å, с = 6,89 Å.