Диссертация: Изоморфизм, условия образования и свойства биогенного апатита и ассоциирующих с ним ортофосфатов

Актуальность исследования. Академик А. Е. Ферсман (1934) назвал фосфор, который играет исключительно важную роль в биогеохимических процессах, связанных с жизнедеятельностью живых организмов, "элементом жизни и мысли". В литосфере фосфор присутствует в виде солей ортофосфорной кислоты (ортофосфатов), среди которых наиболее распространен фосфат кальция апатит. Фторапатит является полигенным минералом, образующимся как в глубинных, так и гипергенных (в том числе биогенных) геологических процессах. Он широко используется в народном хозяйстве в качестве сырья для производства фосфорных удобрений, фосфора и фосфорной кислоты, а также в черной и цветной металлургии, в производстве керамики и стекла. Гидроксилапатит (ГАП), которому посвящена настоящая работа, является основным минеральным компонентом костной и зубной тканей человека и других позвоночных (животных, рыб, птиц). Вместе с другими ортофосфатами кальция и магния (брушитом, струвитом, Mg-витлокитом и не имеющим минерального аналога октакальцийфосфатом) апатит очень распространен и в патогенных минеральных агрегатах, образующихся в живом организме (в почечных, слюнных, зубных и других камнях, а также в кальцификатах, образующихся на сердечных клапанах, в сосудах, мышцах, селезенке и др.). Постоянно возрастающий интерес научной общественности к изучению биогенного апатита и ассоциирующих с ним фосфатов связан, в первую очередь, с тем, что их синтетические аналоги широко используются для создания инновационных материалов медицинского назначения (имплантов, биометок, скаффолдов, средств доставки лекарств и др.) (Баринов и Комлев 2005; Баринов 2010; Zhang 2013). Кроме того, изучение механизмов образования ортофосфатов в живом организме позволяет продвинуться в разработке новых подходов профилактики и лечения ряда социально значимых заболеваний, таких как мочекаменная болезнь, атеросклероз, остеопороз и др. Известно, что изоморфные замещения оказывают существенное влияние на свойства апатита (биосовместимость, антибактериальную активность, люминесценцию и др.) (Lin et. al. 2007, Iconaru et. al. 2013, Zhang 2013, Kaygili et. al. 2014). Закономерности этого явления исследованы недостаточно. В частности, практически отсутствуют данные по влиянию карбонат-иона, замещающего в биологическом гидроксилапатите фосфат-ион, на изоморфные замещения в позиции кальция.
В результате развития модельного подхода в изучении механизмов образования апатита и других минералов в живом организме в настоящее время наметился существенный прогресс (Simon et al. 2009, Xie et al. 2014, Golovanova et al. 2016). Однако многие вопросы биогенного минералообразования по-прежнему остаются нерешёнными. Не изучено влияние низких температур на образование костной ткани позвоночных. Практически не разработана теория бактериального образования патогенных агрегатов.
Цель исследования.
Получение новых знаний об изоморфизме, условиях образования и свойствах биогенного апатита, а также ассоциирующих с ним ортофосфатов.
Основные задачи.
1. Изучить кристаллохимические особенности минеральной компоненты костной ткани ледяной рыбы Champsocephalus gunnari и, привлекая данные биомиметического синтеза, сделать заключение о возможности фосфатной биоминерализации при температуре вблизи 0 оС.
2. Изучить in vivo и in vitro кристаллохимические особенности апатита кальцификатов сердечных клапанов человека (кардиолитов) и выявить его отличия от других патогенных апатитов, образующихся в организме человека. Осуществить биомиметический синтез апатита кардиолитов.
3. Изучить в условиях биомиметического синтеза влияние белкового вещества и болезнетворных бактерий на образование фосфатов кальция и магния мочевых камней человека.
4. Изучить в условиях эксперимента влияние карбонат-иона в растворе на образование и кристаллохимические особенности CaГАП ─ SrГАП твёрдых растворов.
5. Изучить в условиях эксперимента влияние вхождения примесей трехвалентных редкоземельных элементов на люминесценцию гидроксилапатита и предложить на этой основе способ получения наноразмерного высоколюминесцентного апатита.
Объекты и методы исследования.
Фактическую основу диссертации составляют результаты исследования физиогенных и патогенных апатит-органических агрегатов, образовавшихся в живом организме (костной ткани Ледяной рыбы Champsocephalus gunnari и кальцификатов сердечных клапанов человека), а также продуктов синтезов, в том числе биомиметических. Синтез REE3+ и Sr2+-содержащих гидрокслапатитов, перспективных для создания материалов медицинского назначения, был проведен методом осаждения из водных растворов при температуре 90 оС, pH = 7 – 12. CaГАП–SrГАП твердые растворы были получены при наличии карбонат-иона в среде кристаллизации (C/P = 0; 0.05; 0.1; pH = 10 – 12), REE3+-гидроксилапатиты (REE3+ = La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Dy, Ho, Er) ─ из ратворов с соотношением REE/Ca=0.05 и 0.10, pH= 6 — 8; Eu3+- и Се3+-гидроксилапатиты — из растворов с соотношением REE/Ca = 0 — 0.05, pH = 7. Моделирование фосфатной биоминерализации в условиях низких температур проводили с использованием катион- и анион-селективных мембран на органическом субстрате при температуре 0 и -2 оС, рН=7. Биомиметический синтез апатита кальцификатов сердечных клапанов человека — из раствора, моделирующего состав плазмы крови по неорганическим компонентам при значениях пересыщения по фосфату кальция от 25 до 100 и времени эксперимента от 2 до 12 недель (Т= 37оС, рН= 7). Биомиметический синтез фосфатов кальция и магния мочевых камней человека — из растворов, моделирующих физиологический по неорганическим компонентам (Т= 37оС, рН = 5.5 — 8.5) в присутствии добавок питательной среды Мюллера-Хинтона (МХС), мясо-пептонного бульона (МПБ) и болезнетворных бактерий: кишечной палочки Escherichia coli K-12 (e), синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853 (ps), Клебсиелла Klebsiella pneumoniae 4140 (kl) и золотистого стафилококка Staphylococcus aureus 474-ВПХ (s).
Костная ткань ледяной рыбы, кардиолиты и продукты синтезов были исследованы широким комплексом методов: порошковая рентгенография, колебательная и фотолюминесцентная спектроскопия, электронная микроскопия, различные химические анализы. Порошковую рентгенографию применяли для фазового анализа, в том числе количественного с использованием метода Ритвельда, а также для определения параметров элементарной ячейки и размеров ОКР природных и синтетических апатитов; ИК и КР –спектроскопию – для фазового анализа, а также для определения наличия молекул воды, гидроксильных групп, гидрофосфат- и карбонат-ионов в апатите; фотолюминесцентную спектроскопию – для изучения люминесцентных свойств РЗЭ-апатитов; cканирующую электронную микроскопию (СЭМ), в том числе высокого разрешения (field emission SEM) – для характеристики микроморфологии природных и синтетических кристаллов и их агрегатов; высокоразрешающую просвечивающую электронную микроскопию (ВРПЭМ) с электронной микродифракцией – для определения размеров и характера распределения кристаллитов апатита в костной ткани ледяной рыбы. Определение элементного состава исследуемых биоагрегатов и синтезированных осадков проводили путем локального EDX-анализа, содержание карбонат-иона в апатите определяли потенциометрическим методом. При статистической обработке результатов был применен корреляционный анализ.