Новости стоматологии - гидроксиапатит защищает зубы от кариеса. Гидроксиапатит: «жидкая эмаль Как придать ГАПу новые свойства
Гидроксиапатит кальция является главной неорганической составляющей костей, зубной эмали, дентина. Это природный минерал, отлично усваивающийся нашим организмом. Купить гидроксиапатит кальция в составе препаратов для укрепления костной ткани вы сможете прямо на нашем сайте. Однако давайте сначала выясним преимущественное отличие данного вещества от других кальцийсодержащих солей.
Что представляет собой гидроксиапатит кальция?
В природе гидроксиапатит кальция встречается в горных породах. Молекулярная формула минерала Сa 10 (PO 4) 6 (OH) 2) . Его основные составляющие – кальций и фосфор – два основные микроэлемента, ответственные за минерализацию, целостность, твердость костей. Для медицинских и косметических нужд минерал добывают из морских кораллов или костей крупного рогатого скота.
Где и для чего используют гидроксиапатит кальция?
Широкое применение минерал нашел в косметологии для устранения морщин, безоперационного лифтинга или ринопластики. На основе гидроксиапатита создан широкий ассортимент косметических средств, улучшающих структуру и внешний вид кожи.
В стоматологии его применяют для восстановления эмали , а в челюстно-лицевой хирургии – для изготовления имплантатов. Минерал интактный, не вызывает реакции отторжения, поэтому его использование безопасно.
Много людей принимают препараты, содержащие гидроксиапатит, с целью профилактики дефицита кальция, деструкции костной ткани, для лечения , быстрого восстановления костей после травм, переломов.
В чем преимущественное отличие минерала?
Если сравнить с остальными солями Ca 2+ , гидроксиапатит кальция более щадяще действует на организм. Он легче усваивается , не раздражает желудочно-кишечный тракт, его биодоступность во много раз выше, чем, к примеру, у карбоната кальция.
По структуре минерал идентичен тому, что находится в наших костях, образуя их минеральный матрикс. Соотношение фосфора и кальция составляет 1:2 . Как известно, для укрепления костей нужны оба микроэлементы, поэтому принимать их по отдельности неэффективно.
К сожалению, большинство препаратов на украинском рынке (Кальций D3 Никомед, Кальций-Актив, Натекаль D3 и другие) содержат карбонат кальция, в составе которого совершенно нету фосфора. Это негативно влияет на усвоение Ca 2+ , кальций-фосфорный обмен и на костную систему в целом. К тому же, биодоступность карбоната кальция намного ниже, а усваиваться он может лишь при повышенной или нормальной кислотности.
Гидроксиапатит всасывается кишечником при любой кислотности желудочного сока, а его выведение почками сведено к минимуму . Это дополнительный плюс, поскольку оседание Ca 2+ в почках зачастую вызывает развитие мочекаменной болезни.
Помимо индивидуальной непереносимости, препараты на основе гидроксиапатита не имеют противопоказаний и побочных эффектов.
Где можно купить гидроксиапатит кальция?
Как мы уже сказали, подавляющее большинство кальцийсодержащих препаратов в Украине состоят из карбоната кальция. Однако купить гидроксиапатит кальция все-таки можно.
Помимо гидроксиапатита кальция, содержит массу других, необходимых для усвоения кальция, микроэлементов (магний, цинк, марганец, кремний). В состав препарата также входит витамин D и хондроитинсульфаты.
Является отменным источником гидроксиапатита, обеспечивает крепость костей, служит для профилактики и лечения остеопороза. Препарат стоит принимать для ликвидации дефицита кальция.
Купить гидроксиапатит кальция в составе Кальцимакса Вы можете прямо у нас на сайте!
И игл, сферолитов , реже отмечаются короткостолбчатые, тупо-пирамидальные или таблитчатые по {0001} кристаллы. Агрегаты массивные, зернистые до плотных, также в виде волокнистых корок.
Под п. тр. с трудом сплавляется по краям. Растворим в HCl и HNO 3 .
Гидроксилапатит как биоминерал
До 50 вес.% костей состоят из специфической формы гидроксиапатита (известен как костная ткань
). Гидроксиапатит является основным минеральным компонентом зубной эмали и дентина (нестехиометрический гидроксилапатит с кристаллами в форме пластин размерами 40х20х5 нм и осью "с" кристаллической структуры, лежащей в плоскости кристалла). Кристаллы гидроксилапатита находятся в небольших кальцификатах живых организмов (в шишковидной железе и других органах). Также входит в состав патогенных биоминералов (зубных, слюнных, почечных камней и др.).
Актуально создание биоматериалов на основе гидроксилапатита для замены поврежденной костной ткани и тд. Он часто используется в качестве наполнителя вместо ампутированной кости или в качестве покрытия для содействия костного врастания в протез имплантатов (на многие другие фазы, пусть и с аналогичным или даже идентичным химический составом, организм реагирует совсем по-другому). Показано, что не только химический состав, но и морфология синтетических кристаллов гидроксилапатита является важной характеристикой, определяющей отклик организма на чужеродный материал (Puleo D.A., Nanci A., 1999).
Гидроксилапатит (англ. APATITE-(CaOH)) - C a 5 (P O 4) 3 (O H )
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 7/B.39-30 |
|---|---|
| Dana (8-ое издание) | 41.8.1.3 |
| Hey"s CIM Ref. | 19.4.2 |
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Цвет минерала | белый, серый, жёлтый, зелёный, фиолетовый, пурпурный, красный или коричневый |
|---|---|
| Цвет черты | белый |
| Прозрачность | прозрачный, полупрозрачный |
| Блеск | стеклянный |
| Спайность | весьма несовершенная по {0001) и по {1010} |
| Твердость (шкала Мооса) | 5 |
| Излом | раковистый |
| Прочность | хрупкий |
| Плотность (измеренная) | 3.14 - 3.21 g/cm3 |
| Плотность (расчетная) | 3.16 g/cm3 |
| Радиоактивность (GRapi) | 0 |
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Тип | одноосный (-) |
|---|---|
| Показатели преломления | nω = 1.651 nε = 1.644 |
| Максимальное двулучепреломление | δ = 0.007 |
| Оптический рельеф | умеренный |
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Точечная группа | 6/m - Дипирамидальный |
|---|---|
| Сингония | Гексагональная |
| Параметры ячейки | a = 9.41Å, c = 6.88Å |
| Отношение | a:c = 1: 0.731 |
| Объем элементарной ячейки | V 527.59 ų (рассчитано по параметрам элементарной ячейки) |
| Двойникование | Редко двойники срастания по {1121}. Twin plane {10_13} rare. Also twinning reported on {1010} and {11_23}. |
Перевод на другие языки
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Заболевания, связанные с повышенной скоростью деградации костной ткани у пожилых людей, все острее ощущаются населением. Во многом это связано с увеличением продолжительности жизни вообще и состариванием так называемого «золотого миллиарда». Новые материалы на основе фосфатов кальция, пригодные для имплантации больным остеопорозом, могут частично решить эту проблему.
Современная наука ставит одной из главных своих целей продление длительности человеческой жизни. Разрабатываются новые методы лечения заболеваний, облегчается жизнь стариков, многие болезни, считавшиеся неизлечимыми ранее, практически полностью побеждены человечеством. Однако некоторые возрастные изменения заложены в организм генетически, и обычными методами с ними бороться практически невозможно.
Заболевания костной ткани занимают одну из первых строчек в рейтинге наиболее часто встречающихся у пожилых людей проблем. С возрастом нарастает потеря массы кости. Особенно от этого страдают женщины - из-за более активного вымывания из организма катионов кальция, служащего основой нашего скелета. Потеря массы костной ткани может достигать 40% у женщин старше 70 лет !
Это заболевание называется остеопорозом . Пораженные им кости становятся хрупкими, с трудом справляясь с возложенной на них нагрузкой. В случае перелома срастаться такая кость будет значительно дольше, чем здоровая. Как уже упоминалось выше, главной причиной таких изменений является постепенное вымывание кальция из организма. На протяжении всей жизни у нас в организме происходят два равновесных процесса: непрерывное образование новой костной ткани и резорбция (растворение) старой. К старости равновесие смещается в сторону резорбции, и новая ткань просто не успевает занять место растворенной. А избыток катионов кальция, являющегося основным продуктом этого процесса, выводится из организма естественным путем.
Что же представляет собой человеческая кость? На рисунке 1 схематически изображено строение кости человека. Основа состоит из композита (материала, составленного из других материалов и обладающего свойствами, отличными от свойств «родителей»), представляющего собой кристаллы нестехиометрического гидроксилапатита с химической формулой:
Ca 10−x−y/2 (HPO 4) x (CO 3) y (PO 4) 6−x−y (OH) 2−x ,
Таким образом, полная замена кости на искусственный материал нежелательна. Наиболее предпочтительным путем к регенерации костной ткани на сегодняшний день стала замена поврежденной части ткани на биоактивный протез, который срастется с окружающими тканями, затем ускорит естественную регенерацию и постепенно растворится без следа, оставив на костном дефекте новую ткань.
Рисунок 2. Индивидуальный протез фрагмента нижней челюсти для больного саркомой нижней челюсти. Протез изготовлен из полимера и гидроксилапатита.
Традиционно в ортопедии для этих целей применяется гидроксилапатит . Стехиометрически гидроксилапатит (далее для краткости мы будем называть его ГАП) наиболее приближен по составу к минеральной составляющей кости (по сравнению с другими фосфатами кальция). Его формула:
Что собой представляет гидроксилапатит?
Долгое время считалось, что гидроксилапатит Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 - идеальный в плане биосовместимости материал для восстановления поврежденных костей и зубов. Первая документированная попытка использовать ГАП в качестве остеозамещающего материала относится к 1920-м годам. Однако успешное применение ГАП в указанных целях совершилось только через 60 лет. Гидроксилапатит прекрасно совместим с мускульной тканью и кожным покровом; после имплантации он может напрямую срастаться с костной тканью в организме. Высокая биосовместимость гидроксилапатита объясняется кристаллохимическим подобием искусственного материала костному «минералу» позвоночных.
Название минерала происходит от греческого «апатао» - обманываю, поскольку красиво окрашенные природные разновидности апатитов часто путали с бериллами и турмалином. Несмотря на очень широкий спектр окраски природных апатитов, вызванных различными примесями, низкая твердость (он является эталоном значения 5 по 10-балльной шкале Мооса) не позволяет рассматривать его как полудрагоценный поделочный камень.
Известно, что костный минерал содержит в заметном количестве (~8% по массе) карбонат-ионы; существует также природный минерал сходного состава - даллит. Считается, что карбонат-ионы могут занимать две разные позиции в структуре ГАП, замещая гидроксил и/или фосфат-ионы с образованием карбонатгидроксилапатита (КГАП) А- и Б-типа, соответственно. Апатит биологического происхождения относится к Б-типу. Замещение фосфат-ионов карбонат-ионами приводит к уменьшению размеров кристаллов и степени кристалличности ГАП, а это сильно затрудняет исследование природных биоминералов. Увеличение доли карбонат-ионов в составе гидроксилапатита вызывает закономерные изменения в равновесной форме кристалла. Игольчатые кристаллы «сплющиваются» до пластин, которые очень похожи на кристаллиты существующего в организме апатита . Таким образом, внесением в синтезируемый минерал небольшой доли карбонат-ионов можно получить материал, аналогичный биогенному и по химическому составу, и геометрически.
Важной характеристикой ГАП является стехиометрия его состава, которую принято выражать соотношением Ca/P. Переменный состав вызван тем, что при синтезе ГАП из раствора нельзя защититься от ионов H 3 O + и HPO 4 2 − , которые могут замещать соответственно ионы Са 2+ и РО 4 3 − в кристаллической структуре гидроксилапатита.
Как используется гидроксилапатит?
Существуют различные методы синтеза гидроксилапатита. Их можно условно разделить на высоко- и низкотемпературные. Высокотемпературные методы не представляют для нас большого интереса, так как полученные таким образом материалы практически не биоактивны. Низкотемпературные методы можно разделить на две большие группы: гидролиз (в том числе так называемые гидротермальные методы синтеза) и осаждение из раствора . Интересен так же комбинированный метод так называемого золь–гель синтеза . В нем сухой остаток геля подвергается разложению при относительно невысокой температуре 400–700 °С (по сравнению с высокотемпературным синтезом). Материалы, полученные таким образом, представляют собой твердую, пористую керамику, по химическому составу и физическим свойствам напоминающую минерал кости.
Как реагирует организм на кальций-фосфатную керамику?
Биоактивность - комплексная характеристика совместимых с организмом материалов, учитывающая, помимо воздействия на биологические процессы роста и дифференциации клеток, также:
- скорость растворения материала в средах, создаваемых определенными группами клеток (биорезорбируемость);
- скорость осаждения материала из межтканевой жидкости на поверхность материала.
Среди требований, которые предъявляются к биоактивным материалам, применяемым в медицинской практике для восстановления целостности костной ткани, на первом месте стоят относительно высокая скорость растворения (порядка десятков мкм в год) - так называемая биорезорбируемость . Активную роль в биохимических реакциях, протекающих на границе раздела кость/имплантат с участием клеток специфических для процесса остеосинтеза, играет поверхность. Говоря о скорости резорбции материала, находящегося в межтканевой жидкости, принято сравнивать новые материалы с уже используемыми в медицине - керамикой на основе гидроксилапатита или β-трикальцийфосфата. Крупнокристаллическая керамика на основе ГАП резорбируется медленно, так что включения искусственного материала можно обнаружить в кости и через много лет. Керамика, полученная с использованием β-Ca 3 (PO 4) 2 , растворяется столь быстро, что растущая кость не успевает заполнить образующиеся полости. Скорость растворения материала зависит от множества факторов: площади поверхности, строения, состава, дефектности материала. Эти характеристики определяют отклик организма на инородный имплантат. Биоактивные материалы характеризуются быстрым срастанием с костной тканью через образование промежуточного слоя ГАП, образующегося двумя возможными путями:
- Растворение фосфата кальция - осаждение гидроксилапатита.
- Осаждение ГАП из пересыщенного раствора в тканевой жидкости.
Важная процедура оценки биоактивности подразумевает тестирование in vivo . Это дорого и долго, а также сопряжено с риском. Однако ведется активная разработка методик, позволяющих уже на раннем этапе доклинических испытаний ранжировать материалы по степени биоактивности в ходе относительно простых экспериментов in vitro , моделирующих процессы в организме человека - растворение материала и осаждение ГАП на поверхности материала из растворов, подобных жидкостям организма.
Исследование биоактивности материалов проводят с использованием раствора, имитирующего ионный состав межтканевой жидкости человека. Компактные образцы исследуемого материала помещают в раствор на несколько суток при 37 °С. Процесс осаждения карбонатгидроксилапатита из модельного раствора на поверхность материала контролируют методами рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии и растровой электронной микроскопии.
Существует необходимость регулировать биорезорбируемость искусственных материалов, в зависимости от их назначения. Такая возможность существует благодаря различию свойств материалов с разным составом. Чтобы сделать образец более резорбируемым, нужно увеличить долю карбонат- и силикат-ионов в кристаллической решетке материала.
Рисунок 3. Ажурный слой частично резорбированной керамики. Снимок со сканирующего электронного микроскопа. Здесь изображен фрагмент материала, подвергнутый растворению в модельном растворе in vitro . Справа можно увидеть, каким был материал до начала резорбции.
Наилучшую биоактивность в таких исследованиях проявляет кремнийсодержащий материал. На его поверхности образуются силанольные (-SiOH) группы, активно участвуя в минерализации внешнего слоя имплантата. Такой материал интенсивно обменивается ионами с раствором: силанольные группы прочно связывают ионы кальция, способствуя формированию слоя аморфного фосфата кальция на поверхности, расслоение и кристаллизация которого приводит к образованию ажурного слоя, состоящего из частиц ГАП размером ~10 нм (рис. 3). Различия в толщине такого слоя могут служить мерой биоактивности материала: чем он толще, тем проще кость будет встраивать этот материал в свою структуру.
Еще одним из важнейших свойств современных имплантационных материалов является остеоиндуктивность - способность поддерживать жизнедеятельность остеобластов и стимулировать эктопическое (вне кости) образование костной ткани de novo . Это важнейшее свойство для искусственных имплантов. Дело в том, что для инициации костеобразования вокруг импланта необходимо микроокружение частицами живой кости. Вновь образующаяся кость постепенно срастается с окружающими имплантированными частицами, «перескакивая» с одной на другую.
Считается, что наиболее активным с точки зрения остеосинтеза является аморфная модификация гидроксилапатита. Однако в достаточной степени кристалличный ГАП с размерами кристаллитов, приближающимися к размерам кристалла в костной ткани (20–40 нм 3), может показывать результаты на порядок выше аморфных цементов, использующихся в настоящее время .
Биоинертные материалы никак не влияют на процесс остеосинтеза. На поверхности изготовленных из них имплантатов происходит образование фиброзной ткани, препятствующей образованию связи имплантата с костью. Существует значительная вероятность отторжения таких материалов организмом, часто сопровождающегося воспалительными процессами. Тем не менее, полностью отказаться от этих материалов пока нельзя, поскольку они дешевы и легки в обработке. Основные проблемы, которые решаются при проектировании имплантатов из биоинертных материалов, - приближение упругих характеристик имплантата к характеристикам кости, а также снижение скорости коррозионных процессов.
В отличие от биоинертных синтетических материалов на основе полимеров и металлов, керамика на основе фосфатов кальция биосовместима и биоактивна, а значит, является наиболее перспективным материалом для костных имплантатов. Главным ее недостатком является хрупкость. Пока что наилучшим выходом является применение композитов из покрытых кальцийфосфатной керамикой металлов или полимеров (рис. 4). Они хорошо обеспечивают интеграцию материала в костную ткань, не позволяя образовываться фиброзной ткани вокруг биоинертного металла. Со временем протез очень прочно срастется с окружающей костью, которая заменит слой ГАПа. Процент отказа таких протезов значительно ниже, чем у металлических и пластиковых аналогов.
Рисунок 4. Покрытие из биоактивной керамики на протезе тазобедренного сустава. а - Пористая структура керамического покрытия. б - Рентгеновский снимок протеза, имплантированного на место тазоберенного сустава. Сам протез изготовлен из титана и полимеров.
Как придать ГАПу новые свойства?
Не все свойства, необходимые для протезирования, заложены в гидроксилапатит природой. Однако какие-то терапевтические эффекты к материалам можно добавить, усложняя состав композита дополнительными веществами. Однако это не очень удобно, так как усложнит клинические испытания, да и разрабатывать такой материал значительно труднее. Но можно добиться прогресса и получить уникальные свойства, незначительно модифицируя состав и вводя в решетку гидроксилапатита примеси других катионов и анионов. Изменяя состав керамики, можно варьировать ее прочность, размер и форму кристаллитов, скорость растворения и множество других параметров.
Модифицировать кальций-фосфатную керамику можно введением множества компонентов. Возможности для выбора такого модификатора (легирующего компонента) довольно широки: в зависимости от размеров замещаемого иона можно менять состав как на доли, так и на десятки процентов. Например, малые концентрации ионов кремния активируют регенерацию костной ткани, играя роль антигена для соответствующих клеток.
Интересны, например, биологические свойства катионов лантаноидов . Применение ионов лантаноидов в пероральных препаратах ограничено их низкой способностью проходить сквозь стенки желудка и кишечника. Для улучшения доступности катионов лантаноидов можно использовать липофильные оболочки комплексов. Вещества, способные проникать сквозь клеточные мембраны, называются ионофорами . (Подробнее о них можно прочитать в статье «Неизвестные пептиды: „теневая“ система биорегуляции » .) Такая оболочка позволит им проникать сквозь мембрану клетки. Этот метод доставки ионов в остеобласты может стать принципиально новым подходом к лечению целого ряда заболеваний кости.
Благодаря высокому сродству к фосфатам лантаноиды прочно связываются в структуре минералов, составляющих основу костной ткани, не нарушая при этом их структуру. Лантаноиды способны даже замещать кальций в костях, параллельно подавляя развитие клеток, отвечающих за разрыв и резорбцию костной ткани. Эта способность «подражать» функциям ионов кальция позволяет рассматривать лантаноиды в качестве компонента для терапии заболеваний кости.
Частичный обмен катионов кальция на катионы лантаноидов открывает широкие перспективы для целого ряда различных материалов на основе фосфатов кальция. С помощью лантаноидов можно влиять на физические свойства получаемой керамики, регулировать скорость резорбции и даже использовать этот материал как препарат для лечения остеопороза.
На практике ГАП используют в виде цемента или пористых вкладок для заполнения трещин, каверн и других дефектов в ортопедии и челюстно-лицевой хирургии. В виде пленки его наносят на протезы из других материалов (чаще всего металлических или полимерных) для снижения риска отторжения и лучшей фиксации за счет образования новых тканей вокруг протеза. Как правило, это протезы тазобедренного сустава и различные зубные протезы.
Разумеется, искусственно синтезированный гидроксилапатит далек от идеала, и в качестве материала для имплантации при создании полноценных протезов крупных костей или суставов его пока использовать нельзя. Но использование его замечательных свойств, таких как сравнительно простое регулирование состава и морфологии кристаллитов, биоактивность и способность ускорять естественную регенерацию, позволяет делать на его основе препараты для исправления и профилактики костных дефектов уже сейчас. А это значит, что в обозримом будущем мы сможем значительно упростить лечение остеопороза, ускорить излечение переломов, а, возможно, даже и возвращать утраченные конечности с помощью искусственных костей.
Литература
- Larry L. Hench. (2005). Bioceramics . Journal of the American Ceramic Society . 81 , 1705-1728;
- Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. (2000). Достижения в области керамических материалов. «Рос. Хим. Журн.» 6 , 32–46;
- Larry L. Hench. (2006). The story of Bioglass® . J Mater Sci: Mater Med . 17 , 967-978;
- Дорожкин С.В. и Агатопоулус С. (2002). Биоматериалы: Обзор рынка. «Химия и жизнь» . 2 , 8;
- E. D. Eanes, A. W. Hailer. (1998). The Effect of Fluoride on the Size and Morphology of Apatite Crystals Grown from Physiologic Solutions . Calcif Tissue Int . 63 , 250-257;
- Qinghong Hu, Zhou Tan, Yukan Liu, Jinhui Tao, Yurong Cai, et. al.. (2007). Effect of crystallinity of calcium phosphate nanoparticles on adhesion, proliferation, and differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells . J. Mater. Chem. . 17 , 4690;
- Cheri A. Barta, Kristina Sachs-Barrable, Jessica Jia, Katherine H. Thompson, Kishor M. Wasan, Chris Orvig. (2007). Lanthanide containing compounds for therapeutic care in bone resorption disorders . Dalton Trans. . 5019;
- Неизвестные пептиды: «теневая» система биорегуляции ;
- G. Renaudin, P. Laquerrière, Y. Filinchuk, E. Jallot, J. M. Nedelec. (2008). Structural characterization of sol–gel derived Sr-substituted calcium phosphates with anti-osteoporotic and anti-inflammatory properties . J. Mater. Chem. . 18 , 3593.
Гидроксиапатит - эффективный гелеобразующий и реструктурирующий зубную эмаль агент, который широко применяется в составе косметики, гигиенических и мезотерапевтических продуктов. Гидроксиапатит отличается в первую очередь своей биодоступностью: данное минеральное вещество демонстрирует прекрасную совместимость с кожей.
Благодаря своим активным восстанавливающим свойствам, которые широко известны стоматологам, гидроксиапатит получил название «жидкая эмаль». Не менее широко известен гидроксиапатит как основной компонент косметики и препаратов для мезотерапии: с этой целью он используется уже десятилетие.
Синонимы: Hydroxyapatite, Calcium Phosphate Hydroxide; Durapatite; Alveograf; Apatite, Hydroxy; Monite; Periograf; Supertite 10; Win 40350. Запатентованные формулы: Kalident, Kalilight, Apalight, Radiesse (филлеры).
Действие гидроксиапатита в косметике
Гидроксиапатит - один из тех компонентов, который применяются в абсолютно разных косметических и гигиенических средствах: его действие настолько разностороннее, что позволяет использовать этот ингредиент как для ухода за кожей, так и для поддержания здоровья зубов и полости рта. В частности, в продуктах для ухода за зубами и полостью рта гидроксиапатит выступает в качестве агента, способствующего активной повторной минерализации. Его физиологическое действие обусловлено в данном случае активных гидроксильных микрочастиц - они проникают в микропоры на поверхности зубов и таким образом восстанавливает физиологически нормальную плотность эмали, а также ее естественный белый цвет.
Гидроксиапатит в водных формулах действует как эффективный физический солнцезащитный фильтр на основе микроэлементов. Благодаря высокой биосовместимости с кожей человека, как санскрин он превосходит один из лучших солнцезащитных агентов - диоксид титана. Так, при использовании в составе солнцезащитного крема, гидроксиапатит обеспечивает на 9% большую защиту, чем диоксид титана. Помимо этого, гидроксиапатит продемонстрировал эффективность в борьбе против морщин - он способствует снижению выраженности глубоких морщин, «разглаживает» поверхностные и в целом улучшает структуру кожи и ее упругость. Филлеры на основе кальций гидроксилапатита используются в инъекционной косметологии с 2006 года.
Не менее широко гидроксиапатит включается в формулы в комплексе с аминокислотами (такими как глутатион и цистеин), где он действует как депигментирующий агент, который способствует равномерному осветлению кожи. Комплекс с гидроксиапатитом постепенно выпускает глутатион и цистеин в поверхностные слои эпидермиса, которые уменьшают выработку меланина и формирование пятен на участках кожи, подвергшихся воздействию солнца. К этому действию присовокупляется синергетический эффект гидроксиапатита, который способствует более равномерному распределению молекул и визуально улучшает цвет кожи и ее внешний вид в целом.
Также гидроксиапатит используют при производстве косметики в качестве вспомогательного вещества - он выступает как стабилизатор, эмульгатор и наполнитель. Не так часто бывают воздействованы абразивные свойства гидрокисапатита. Он также способствует проявлению немедленного и прямого действия косметики, то есть выступает бустером для других активных компонентов.
Кому показан гидроксиапатит
- Для гигиены полости рта. Гидроксиапатит помогает успешно уменьшить недостатки по отношению к образованию зубного налета вследствие его естественной дезинфекции свойств. Гигиенические средства для ухода за полостью рта с гидроксиапатитом - отличная альтернатива для людей, которые не могут использовать по каким-то причинам продукты, содержащие соединения фтора (фториды).
- Для защиты от фотоповреждений , а также для профилактики возникновения пигментных пятен на коже или других проявлений старения, в том числе морщин. Мезотерапия с применением этого вещества показана для восстановления объема контуров лица и заполнения носогубных складок. В случаях уменьшения выраженности глубоких морщин филлеры на основе гидроксиапатита кальция действуют значительно эффективнее и продолжительнее, чем препараты на основе коллагена.
- Для решения проблем с тоном или цветом кожи. Гидроксиапатит может быть использован в косметических препаратах, предназначенных для лечения проблем с гиперпигментациями на коже (продуктов для депигментации). Его включают в состав продуктов для «отбеливания кожи» (осветления). Этот косметический компонент также помогает получить более однородный цвет кожи.
Кому противопоказан гидроксиапатит
Противопоказания к применению этого компонента зависят от области его применения. Так, в составе зубной пасты или крема для лица он абсолютно безвреден. Однако при использовании в мезотерапии он несет потенциальный риск образования уплотнений и бугров в коже: так как гидроксиапатит легко соединяется с липидами, протеинами и другими молекулы, он может образовывать своеобразные комки.
Косметика, содержащая гидроксиапатит
В первую очередь гидроксиапатит можно найти в гигиенических средствах по уходу за полостью рта, включая зубные пасты и ополаскиватели для полости рта. Средства для душа и ванны, солнцезащитные серии, косметика для ухода за кожей лица и тела (очищающая и поддерживающая), отбеливающие кремы - подобные продукты также часто включают этот ингредиент. Отдельно представлены солнцезащитные кремы с anti-age свойствами. Гидроксиапатит нередко включают в состав косметики в форме наночастиц.
Источники гидроксиапатита
Гидроксиапатит - исключительно минеральный компонент (его химическая формула Ca 10 (Po 4) 6 (OH) 2). Гидроксиапатит получают из фосфоритов, осадочных горных пород, по большей части состоящих из фосфатных минералов группы апатита с незначительными включениями органических веществ и других макро- и микроэлементов. В природной среде фосфориты встречаются или в скрытой, или микрокристаллической форме. Но, по сути, этот косметический ингредиент изготавливают из минералов, которые являются органическими структурными компонентами организма человека, что и объясняет его высокую биосовметстимость.
Природные минералы измельчают на мелкие частицы: как сырье гидроксиапатит представляет собой порошок белого цвета, хорошо растворимый в масле с pH 6.5 - 8.5. Для дальнейшего использования в косметических целях его суспендируют в водном растворе.
Минерализованные ткани, к которым относятся костная ткань, дентин, клеточный и бесклеточный цемент и эмаль зуба, характери- зуются высоким содержанием минерального компонента, главной составной частью которого являются фосфорнокислые соли кальция.
3.1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
Образование и распад минерального компонента в этих тканях тесно связан с обменом кальция и фосфора в организме. В межклеточном матриксе минерализованных тканей происходит депонирование кальция, который выполняет также структурную функцию. В клетках кальций исполняет роль вторичного посредника в механизмах внутриклеточного переноса сигналов.
Особенностью всех минерализованных тканей, за исключением эмали и бесклеточного цемента, является малое количество клеток с длинными отростками, а большой межклеточный матрикс заполнен минералами. В белках матрикса формируются центры кристаллизации для формирования кристаллов минерального компонента - апатитов. Эмаль и бесклеточный цемент зубов образуются из эктодермы, а остальные минерализованные ткани из стволовых клеток мезодермы. Насыщенность минеральными соединениями зависит от вида твёрдой ткани, топографической локализацией внутри ткани, возраста и экологических условий.
Все минерализованные ткани различаются по содержанию воды, минеральных и органических соединений (табл. 3.1).
В эмали по сравнению с другими твёрдыми тканями определяется наиболее высокая концентрация кальция и фосфатов, и количество этих минералов снижается в направлении от поверхности к эмалеводентинной границе. В дентине, наряду с ионами кальция и фосфатов, определяется достаточно высокая концентрация магния и натрия. Наименьшее количество кальция и фосфатов присутствует в костной ткани и цементе (табл. 3.2).
В состав твёрдых тканей зубов и костей входят соли HPO 4 2- , или PO 4 3- . Ортофосфаты кальция могут быть в форме однозамещен-
Таблица 3.1
Процентное распределение воды, неорганических и органических веществ
в минерализованных тканях
Ткань | Вещества, % |
||
минеральные | органические | вода |
|
Эмаль | |||
Дентин | |||
Цемент | |||
Кость | |||
Таблица 3.2
Химический состав минерализованных тканей
Ткань | Химические элементы, в % от сухой массы |
|||||
Са 2+ | ро 4 3- | Mg 2+ | К + | Na + | Cl - |
|
Эмаль | 32-39 | 16-18 | 0,25-0,56 | 0,05-0,3 | 0,25-0,9 | 0,2-0,3 |
Дентин | 26-28 | 12-13 | 0,8-1,0 | 0,02-0,04 | 0,6-0,8 | 0,3-0,5 |
Цемент | 21-24 | 10-12 | 0,4-0,7 | 0,15-0,2 | 0,6-0,8 | 0,03-0,08 |
Кость | 22-24 | 0,01 |
||||
ных (H 2 PO 4-), двузамещенных (HPO 4 2-) или фосфат ионов (PO 4 3-). Пирофосфаты встречаются только в зубных камнях и костной ткани. В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция, что выражается в регуляции величины кристаллов.
Характеристика кристаллов
Большинство фосфорно-кальциевых солей кристаллизуются с образованием кристаллов разной величины и формы в зависимости от входящих элементов (табл. 3.3). Кристаллы присутствуют не только в минерализованных тканях, но и способны образовываться в других тканях в виде патологических образований.
Расположение атомов и молекул в кристалле можно исследовать при помощи рентгеноструктурного анализа кристаллических реше- ток. Как правило, частички располагаются в кристалле симметрично; их называют элементарными ячейками кристалла. Сеточка, образуемая ячейками, называется матрицей кристалла. Имеется 7 разных
Таблица 3.3
Кристаллические образования, присутствующие в различных тканях
В минерализованных тканях животного мира преобладают апатиты. Они имеют общую формулу Ca 10 (PO 4) 6 X 2 , где X представлен анионами фтора или гидроксильной группой (OH -).
Гидроксиапатит (гидроксилапатит) - основной кристалл мине- рализованных тканей; составляет 95-97% в эмали зуба, 70-75% в дентине и 60-70% в костной ткани. Формула гидроксиапатита - Са 10 (PO 4) 6 (ОН) 2 . В этом случае молярное соотношение Са/Р (кальциево-фосфатный коэффициент) равно 1,67. Решётка гидроксиапатита имеет гексагональную структуру (рис. 3.1, А). Гидроксильные группы расположены вдоль гексагональной оси, тогда как фосфатные группы, имеющие наибольшие размеры по сравнению с ионами кальция и гидроксилами, распределяются как равнобедренные треугольники вокруг гексагональной оси. Между кристаллами имеются микропространства, заполненные водой (рис. 3.1, Б). Гидроксиапатиты являются
Рис. 3.1. Гидроксиапатит:
А - гексагональная форма молекулы гидроксиапатита; Б - расположение
кристаллов гидроксиапатита в эмали зуба.
довольно устойчивыми соединениями и имеют очень стабильную ионную решётку, в которой ионы плотно упакованы и удерживаются за счёт электростатических сил. Сила связи прямо пропорциональна величине заряда ионов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Гидроксиапатит электронейтрален. Если в структуре гидроксиапатита содержится 8 ионов кальция, то кристалл приобретает отрицательный заряд. Он может заряжаться и положительно, если количество ионов кальция достигает 12. Такие кристаллы обладают реакционной способностью, возникает поверхностная электро- химическая неуравновешенность и они становятся неустойчивыми.
Гидроксиапатиты легко обмениваются с окружающей средой, в результате чего в их составе могут появляться другие ионы (табл. 3.4). Наиболее часто встречаются следующие варианты обмена ионов: Са 2+ замещается катионами Sr 2+ , Ba 2+ , Mo 2+ , реже Mg 2+ , Pb 2+ .
Катионы Ca 2+ поверхностного слоя кристаллов, могут на короткое
время замещаться катионами К + , Na + .
PO 4 3- обменивается с НРО 4 2- , СО 3 2- .
ОН - замещается анионами галогенов Cl - , F - , I - , Br - .
Элементы кристаллической решётки апатитов могут обмениваться с ионами раствора, окружающего кристалл и изменяться за счёт ионов, находящихся в этом растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высокочувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости. В свою очередь, ионный состав крови и межклеточной жидкости зависит от характера пищи и потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решётки протекает в несколько этапов с разной скоростью.
Обмен ионов в кристаллической решётке гидроксиапатита изменяет его свойства, в том числе прочность, и существенно влияет на размеры кристаллов (рис. 3.2).
Некоторые ионы (К + , Cl -) в течение несколькольких минут путём диффузии из окружающей биологической жидкости заходят в гидрат-
Таблица 3.4
Замещаемые и замещающие ионы и молекулы в составе апатитов
Замещаемые ионы | Замещающие ионы |
РО 4 3- | AsO 3 2- , НРО 4 2- , СО 2 |
Са 2+ | Sr 2+ , Ba 2+ , Pb 2+ , Na + , K + , Mg 2+ , H 2 O |
ОН - | F - , Cl - , Br - , I - , H 2 O |
2ОН | СO 3 2- , O 2 - |
Рис. 3.2. Размеры кристаллов различных апатитов .
ный слой гидроксиапатита, а затем также легко его покидают. Другие ионы (Na + , F -) легко проникают в гидратную оболочку и, не задерживаясь, встраиваются в поверхностные слои криста лла. Проникновение ионов Са 2+ , PO 4 3- , СО 3 2- , Sr 2+ , F - в поверхность кристаллов гидроксиапатита из гидратного слоя происходит очень медленно, в течение нескольких часов. Только немногие ионы: Са 2+ , PO 4 3- , СО 3 2- , Sr 2+ , F - встраиваются вглубь ионной решётки. Это может продолжаться от нескольких дней до нескольких месяцев. Преимущественным фак- тором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения. Тем не менее, в ходе такого замещения поддерживается общее распределение зарядов по
принципу: Сa 10 х(HPO 4)х(PO 4) 6 х(OH) 2 х, где 0<х<1. Потеря Ca 2+ частич- -+ но компенсируется потерей OH и частично H , присоединённых к
фосфату.
В кислой среде ионы кальция способны замещаться протонами по
схеме:
Это замещение несовершенно, поскольку протоны во много раз меньше катиона кальция.
Такое замещение приводит к разрушению кристалла гидроксиапатита в кислой среде.
Фторапатиты Ca 10 (PO 4) 6 F 2 наиболее стабильные из всех апатитов. Они широко распространены в природе и прежде всего как почвенные минералы. Кристаллы фторапатита имеют гексагональную форму. В водной среде реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция зависит от концентрации фтора. Если она сравнительно невысока (до 500 мг/л), то образуются кристаллы фторапатита:
Фтор резко уменьшает растворимость гидроксиапатитов в кислой среде.
При высоких концентрациях фтора (>2 г/л) кристаллы не образуются:
Заболевание, развивающееся при избыточной концентрации фтора в воде и почве, зубах и костях в период формирования костного скелета и зубных зачатков назывется флюорозом.
Карбонатный апатит содержит в своем составе несколько процентов карбоната или гидрокарбоната. Процесс минерализации биологических апатитов в значительной степени определяется присутствием и локализацией карбонатных ионов в кристаллической решётке. Карбонатные радикалы СО 3 2- могут замещать как ОН - (А-узел), так и РО 4 3- (В-узел) в решётке гидроксиапатита. Например, около 4% апатита эмали зуба составляют карбонатные группы, которые замещают как фосфатные, так и гидроксильные ионы в пропорции 9:1 соответственно. Подобная ситуация характерна и для других гидроксиапатитов естественного происхождения. Условно химическая формула карбонированного гидроксиапатита может быть записана в виде Ca 10 [(PO 4) 6 -x(CO 3)x][(OH) 2 -2y(CO 3)y], где х характеризует В-замещение, а у - А-замещение. Для гидроксиапатита эмали зуба x =0,039, y =0,001. Карбонат уменьшает кристалличность апатита и делает его
более аморфным и хрупким. Чаще всего фосфат-анионы апатитов замещаются ионами НСО 3- по схеме:
Интенсивность замены зависит от числа образующихся гидрокарбонатов. В организме постоянно происходят реакции декарбоксилирования, и образующиеся молекулы СО 2 взаимодействуют с молекулами Н 2 O. Анионы НСО 3 - образуются в реакции, катализируемой карбоангидразой, и замещают фосфат-анионы.
Карбонатные апатиты более характерны для костной ткани. В тканях зуба они образуются в непосредственной близости от эма- лево-дентинной границы за счёт продукции анионов НСО 3 - одонтобластами. Возможно образование молекул НСО 3- за счёт активного метаболизма аэробной микрофлоры зубного налёта. Образующееся количество НСО 3- в этих участках может превышать PO 4 3- , что способствует образованию карбонатного апатита в поверхностных слоях эмали. Накопление карбонатапатита свыше 3-4% от общей массы гидроксиапатита повышает кариесвосприимчивость эмали. С возрастом количество карбонатных апатитов увеличивается.
Стронциевый апатит . В кристаллической решётке апатитов Sr 2+ может вытеснять или заменять вакантные места для Ca 2+ .
Это приводит к нарушению структуры кристаллов. В Забайкалье, вдоль берегов небольшой реки Уров, описано заболевание, получившее название «уровская» болезнь. Оно сопровождается поражением костного скелета, уменьшением конечностей у людей и у животных. В местности, загрязненной радионуклидами, неблагоприятное значение стронциевого апатита для организма человека связано с возможностью депонирования радиоактивного стронция.
Магниевый апатит образуется при замещении Ca 2+ на ионы Mg 2+ .
Органические вещества минерализованных тканей в основном представлены белками, а также углеводами и липидами.
3.2. БЕЛКИ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА
МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ МЕЗЕНХИМНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Белки минерализованных тканей составляют основу для прикрепления минералов и определяют процессы минерализации. Особенностью всех белков минерализованных тканей является наличие остатков фосфосерина, глутамата и аспартата, которые способны связывать Ca 2+ и таким образом участвовать в образовании кристаллов апатита на начальном этапе. Второй особенностью является присутствие углеводов и последовательности аминокислотных остатков арг-гли-асп в первичной структуре белков, что обеспечивает их связывание с клетками или с белками, формирующими межклеточный матрикс.
Часть белков встречается в межклеточном матриксе большинства минерализованных тканей. Это белки адгезии, кальций-связывающие белки, протеолитические ферменты, факторы роста. Другие белки со специальными свойствами присущи только данной ткани и связаны с определёнными процессами, характерными для этого типа ткани.
Остеонектин - гликопротеин, присутствующий в большом количестве в минерализованной ткани. Белок синтезируется остеобластами, фибробластами, одонтобластами и в небольшом количестве хондроцитами и эндотелиальными клетками. В N-концевой области остеонектина располагается большое количество отрицательно заряженных аминокислот. В сформированной α-спирали на N-концевой области имеется до 12 участков связывания Ca 2+ , входящего в состав гидроксиапатита. Через углеводный компонент остеонектин связывается с коллагеном I типа. Таким образом, остеонектин обеспечивает взаимодействие компонентов матрикса. Он также регулирует пролиферацию клеток и принимает участие во многих процессах на этапе развития и созревания минерализованных тканей.
Остеопонтин - белок с мол. массой ~32 000 кДа, содержит несколько повторов, богатых аспарагиновой кислотой, которые придают остеопонтину способность связываться с кристаллами гидроксиапатита.
В средней части молекулы содержится последовательность RGD (аргглу-асп), ответственная за прикрепление клеток. Этот белок играет ключевую роль в построении минерализованного матрикса, взаимодействии клеток и матрикса и транспорте неорганических ионов.
Костный сиалопротеин - специфичный белок минерализованных тканей с мол. массой ~70 кДа, на 50% состоящий из углеводов (из них 12% составляет сиаловая кислота). Большинство углеводов представлены О-связанными олигосахаридами, которые содержатся в N-кон- цевой области белка. Этот белок подвергается в реакциях сульфатирования тирозина различным модификациям. В составе костного сиалопротеина определяется до 30% фосфорилированных остатков серина и повторяющихся последовательностей глутаминовой кислоты, которые участвуют в связывании Ca 2+ . Костный сиалопротеин выявлен в костях, дентине, цементе, гипертрофированных хондроци- тах и остеокластах. Данный белок отвечает за прикрепление клеток и участвует в минерализации матрикса.
Костный кислый гликопротеин-75 - белок с мол. массой 75 кДа, по своему составу на 30% гомологичный остеопонтину. Присутствие большого количества остатков глутаминовой (30%), фосфорной (8%) и сиаловых (7%) кислот обеспечивает его способность связывать Ca 2+ . Белок обнаружен в костной ткани, дентине и хрящевой ростовой пластинке и не определяется в неминерализованных тканях. Костный кислый гликопротеин-75 ингибирует процессы резорбции в минерализованных тканях.
Gla-белки . Отличительной особенностью семейства Gla-белков является присутствие в их первичной структуре остатков 7-кар- боксиглутаминовой кислоты. Они различаются по мол. массе и количеству остатков 7-карбоксиглутаминовой кислоты. Образование 7-карбоксиглутаминовой кислоты происходит в процессе посттрансляционной модификации в витамин К-зависимой реакции карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты. Наличие дополнительной карбоксильной группы в 7-карбоксиглутаминовой кислоте обеспечивает лёгкое связывание и отдачу ионов Ca 2+ .
К Gla-белкам относят остеокальцин и матриксный Gla-белок.
Остеокальцин (костный глутаминовый белок) - белок с мол. массой 6 кДа. Состоит из 49 аминокислотных остатков, из которых 3 представлены 7-карбоксиглутаминовой кислотой. Белок присутствует в костной ткани и дентине зуба. Синтезируется в виде предшественника (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Образование активной формы остеокальцина.
После отщепления сигнального пептида образуется про-остеокальцин, который далее подвергается посттрансляционной модификации. Вначале остатки глутаминовой кислоты окисляются, а затем происходит присоединение молекул СО 2 при участии витамин К-зависимой глутаматкарбоксилазы (рис. 3.4). Активность этого фермента снижается в присутствии варфарина - антагониста витамина К.
Нативный остеокальцин связывает Ca 2+ , идущие на образование кристаллов гидроксиапатита. В плазме крови содержится как нативный остеокальцин, так и его фрагменты.
Матриксный Gla-белок содержит 5 остатков 7-карбоксиглутами- новой кислоты и способен связываться с гидроксиапатитом. Белок обнаружен в пульпе зуба, легких, сердце, почках, хряще и появляется на ранних стадиях развития костной ткани.
Рис. 3.4. Посттрансляционная модификация остатков глутаминовой кислоты в молекуле про-остеокальцина. А - гидроксилирование глутаминовой кислоты; Б - связывание ионов кальция 7-карбоксиглутаминовой кислотой.
Протеин S содержит остатки 7-карбоксиглутаминовой кислоты и синтезируется главным образом в печени. Определяется в костной ткани, а при его дефиците обнаруживают изменения костного скелета.
