HYDROXYLAPATIT: STRUKTUR, SYNTHESE, KRISTALLE UND VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Der Hydroxylapatit ist ein Calciumphosphatmineral, dessen chemische Formel Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ lautet . Zusammen mit anderen Mineralien und Resten von zerkleinertem und verdichtetem organischem Material bildet es den Rohstoff Phosphatgestein. Der Begriff Hydroxy bezieht sich auf das OH ^- Anion .

Wenn es anstelle dieses Anions Fluorid wäre, würde das Mineral Fluorapatit (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (F) ₂ ; usw. mit anderen Anionen (Cl ^- , Br ^- , CO ₃ ^2– usw.) genannt. Hydroxylapatit ist der anorganische Hauptbestandteil von Knochen und Zahnschmelz, der überwiegend in kristalliner Form vorliegt.

Es ist also ein wichtiges Element im Knochengewebe von Lebewesen. Seine große Stabilität gegenüber anderen Calciumphosphaten ermöglicht es ihm, physiologischen Bedingungen standzuhalten und den Knochen ihre charakteristische Härte zu verleihen. Hydroxyapatit ist nicht allein: Es erfüllt seine Funktion, begleitet von Kollagen, einem faserigen Protein im Bindegewebe.

Hydroxyapatit (oder Hydroxylapatit) enthält Ca ²⁺ -Ionen , kann aber auch andere Kationen (Mg ²⁺ , Na ⁺ ) in seiner Struktur aufnehmen , Verunreinigungen, die in andere biochemische Prozesse in Knochen eingreifen (z. B. deren Umbau).

Struktur

Das obere Bild zeigt die Struktur von Calciumhydroxylapatit. Alle Kugeln nehmen das Volumen einer Hälfte einer sechseckigen "Schublade" ein, wobei die andere Hälfte mit der ersten identisch ist.

In dieser Struktur entsprechen die grünen Kugeln den Ca ²⁺ -Kationen , während die roten Kugeln den Sauerstoffatomen, die orangefarbenen Kugeln den Phosphoratomen und die weißen Kugeln dem Wasserstoffatom von OH ^{- entsprechen} .

Die Phosphationen in diesem Bild haben den Defekt, keine tetraedrische Geometrie aufzuweisen; stattdessen sehen sie aus wie Pyramiden mit quadratischen Grundflächen.

OH ^- erweckt den Eindruck, dass es weit entfernt von Ca ^{2+ liegt} . Die kristalline Einheit kann sich jedoch auf dem Dach der ersten wiederholen und zeigt so die Nähe zwischen beiden Ionen. Ebenso können diese Ionen durch andere ersetzt werden ( z. B. Na ⁺ und F ^- ).

Synthese

Hydroxylapatit kann durch Umsetzung von Calciumhydroxid mit Phosphorsäure synthetisiert werden:

10 Ca (OH) ₂ + 6 H ₃ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 18 H ₂ O.

Hydroxyapatit (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) wird durch zwei Einheiten der Formel Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH ausgedrückt .

Ebenso kann Hydroxylapatit durch die folgende Reaktion synthetisiert werden:

10 Ca (NO ₃ ) _2. 4H ₂ O + 6 NH ₄ H ₂ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 20 NH ₄ NO ₃ + 52 H ₂ O.

Durch Steuern der Ausfällungsrate können bei dieser Reaktion Hydroxylapatit-Nanopartikel erzeugt werden.

Hydroxylapatitkristalle

Die Ionen verdichten sich und wachsen zu einem starken und starren Biokristall. Dies wird als Biomaterial für die Mineralisierung von Knochen verwendet.

Es benötigt jedoch Kollagen, einen organischen Träger, der als Form für sein Wachstum dient. Diese Kristalle und ihre komplizierten Bildungsprozesse hängen vom Knochen (oder vom Zahn) ab.

Diese Kristalle wachsen mit organischer Substanz imprägniert, und die Anwendung elektronenmikroskopischer Techniken zeigt sie auf den Zähnen als stabförmige Aggregate, sogenannte Prismen.

Anwendungen

Medizinische und zahnmedizinische Verwendung

Aufgrund seiner Ähnlichkeit in Größe, Kristallographie und Zusammensetzung mit hartem menschlichem Gewebe ist Nanohydroxyapatit für die Verwendung in der Prothetik attraktiv. Nanohydroxyapatit ist außerdem biokompatibel, bioaktiv und natürlich und nicht nur ungiftig oder entzündlich.

Folglich hat Nanohydroxyapatit-Keramik eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich:

- In der Knochengewebechirurgie werden damit Hohlräume in orthopädischen, traumatischen, maxillofazialen und zahnärztlichen Operationen gefüllt.

- Es wird als Beschichtung für orthopädische und Zahnimplantate verwendet. Es ist ein Desensibilisierungsmittel, das nach dem Aufhellen der Zähne verwendet wird. Es wird auch als Remineralisierungsmittel in Zahnpasten und bei der frühen Behandlung von Hohlräumen verwendet.

- Implantate aus rostfreiem Stahl und Titan werden häufig mit Hydroxylapatit beschichtet, um die Abstoßungsrate zu verringern.

- Es ist eine Alternative zu allogenen und xenogenen Knochentransplantaten. Die Heilungszeit ist in Gegenwart von Hydroxylapatit kürzer als in Abwesenheit.

- Synthetischer Nanohydroxyapatit ahmt den natürlich in Dentin und Schmelzapatit enthaltenen Hydroxylapatit nach und ist daher für die Verwendung bei der Zahnschmelzreparatur und beim Einbau in Zahnpasten sowie in Mundwässern von Vorteil

Andere Verwendungen von Hydroxylapatit

- Hydroxylapatit wird in Luftfiltern von Kraftfahrzeugen verwendet, um deren Effizienz bei der Absorption und Zersetzung von Kohlenmonoxid (CO) zu erhöhen. Dies reduziert die Umweltverschmutzung.

- Es wurde ein Alginat-Hydroxylapatit-Komplex synthetisiert, der in Feldversuchen gezeigt hat, dass er Fluorid über den Ionenaustauschmechanismus absorbieren kann.

- Hydroxylapatit wird als chromatographisches Medium für Proteine ​​verwendet. Es hat positive Ladungen (Ca ⁺⁺ ) und negative Ladungen (PO ₄ ^-3 ), so dass es mit elektrisch geladenen Proteinen interagieren und deren Trennung durch Ionenaustausch ermöglichen kann.

- Hydroxylapatit wurde auch als Träger für die Nukleinsäureelektrophorese verwendet. Es ist möglich, DNA von RNA sowie einzelsträngige DNA von zweisträngiger DNA zu trennen.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Hydroxyapatit ist ein weißer Feststoff, der Grau-, Gelb- und Grüntöne annehmen kann. Da es sich um einen kristallinen Feststoff handelt, weist er hohe Schmelzpunkte auf, was auf starke elektrostatische Wechselwirkungen hinweist. für Hydroxylapatit sind dies 1100ºC.

Es ist dichter als Wasser mit einer Dichte von 3,05 - 3,15 g / cm ³ . Darüber hinaus ist es in Wasser (0,3 mg / ml) praktisch unlöslich, was auf Phosphationen zurückzuführen ist.

In sauren Medien (wie in HCl) ist es jedoch löslich. Diese Löslichkeit beruht auf der Bildung von CaCl ₂ , einem in Wasser gut löslichen Salz. Außerdem werden Phosphate protoniert (HPO ₄ ^2– und H ₂ PO ₄ ^- ) und interagieren in besserem Maße mit Wasser.

Die Löslichkeit von Hydroxylapatit in Säuren ist wichtig für die Pathophysiologie von Karies. Bakterien in der Mundhöhle scheiden Milchsäure aus, ein Produkt der Glukosefermentation, das den pH-Wert der Zahnoberfläche auf weniger als 5 senkt, sodass sich der Hydroxylapatit aufzulösen beginnt.

Fluor (F ^- ) kann OH ^- Ionen in der Kristallstruktur ersetzen . In diesem Fall widersteht es dem Hydroxylapatit des Zahnschmelzes gegen Säuren.

Möglicherweise kann dieser Widerstand auf die Unlöslichkeit des gebildeten CaF _{2 zurückzuführen sein} , das sich weigert, den Kristall zu "verlassen".

Verweise

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