Апатит "живой" и "мертвый"

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 экспериментальные 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. Кристаллы фторапатита имеют зеленовато-серый оттенок.