HYDROXYAPATIET: STRUCTUUR, SYNTHESE, KRISTALLEN EN TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2025

Het hydroxyapatiet is een mineraal calciumfosfaat, waarvan de chemische formule Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ . Samen met andere mineralen en overblijfselen van gemalen en verdicht organisch materiaal vormt het de grondstof die bekend staat als fosfaatgesteente. De term hydroxy verwijst naar het OH ^- anion .

Als het in plaats van dit anion fluoride was, zou het mineraal fluorapatiet (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (F) _{2 genoemd worden} ; en zo verder met andere anionen (Cl ^- , Br ^- , CO ₃ ^2– , etc.). is hydroxyapatiet de belangrijkste anorganische component van botten en tandglazuur, voornamelijk aanwezig in kristallijne vorm.

Het is dus een essentieel element in het botweefsel van levende wezens. Door zijn grote stabiliteit tegen andere calciumfosfaten is het bestand tegen fysiologische omstandigheden, waardoor botten hun karakteristieke hardheid krijgen. Hydroxyapatiet is niet de enige: het vervult zijn functie samen met collageen, een vezelachtig eiwit in bindweefsel.

Hydroxyapatiet (of hydroxylapatiet) bevat Ca ²⁺ -ionen , maar het kan ook andere kationen (Mg ²⁺ , Na ⁺ ) in zijn structuur bevatten , onzuiverheden die interveniëren in andere biochemische processen van botten (zoals het hermodelleren ervan).

Structuur

De bovenste afbeelding illustreert de structuur van calciumhydroxyapatiet. Alle bollen bezetten het volume van de ene helft van een zeshoekige "lade", waar de andere helft identiek is aan de eerste.

In deze structuur, de groene gebieden overeenkomen met de Ca ²⁺ kationen , terwijl de rode gebieden overeenkomen met de zuurstofatomen, de oranje bollen aan de fosforatomen en witte bollen aan het waterstofatoom van OH ^- .

De fosfaationen in dit beeld hebben het nadeel dat ze geen tetraëdrische geometrie vertonen; in plaats daarvan zien ze eruit als piramides met vierkante bases.

OH ^- geeft de indruk dat het ver van Ca ^{2+ ligt} . De kristallijne eenheid kan zichzelf echter herhalen op het dak van de eerste, waardoor de nabijheid tussen beide ionen wordt getoond. Evenzo kunnen deze ionen worden vervangen door andere (bijvoorbeeld Na ⁺ en F ^- ).

Synthese

Hydroxylapatiet kan worden gesynthetiseerd door calciumhydroxide te laten reageren met fosforzuur:

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

Hydroxyapatiet (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) wordt uitgedrukt door twee eenheden met formule Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH.

Evenzo kan hydroxyapatiet worden gesynthetiseerd door de volgende reactie:

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

Door de neerslagsnelheid te regelen, kan deze reactie hydroxyapatiet-nanodeeltjes genereren.

Hydroxyapatiet-kristallen

De ionen verdichten en groeien tot een sterk en stijf biokristal. Dit wordt gebruikt als biomateriaal voor de mineralisatie van botten.

Het heeft echter collageen nodig, een organische ondersteuning die fungeert als een schimmel voor zijn groei. Deze kristallen en hun gecompliceerde vormingsprocessen zijn afhankelijk van het bot (of de tand).

Deze kristallen groeien geïmpregneerd met organisch materiaal, en de toepassing van elektronenmicroscopietechnieken detailleren ze op de tanden als staafvormige aggregaten die prisma's worden genoemd.

Toepassingen

Medisch en tandheelkundig gebruik

Vanwege de gelijkenis in grootte, kristallografie en samenstelling met hard menselijk weefsel, is nanohydroxyapatiet aantrekkelijk voor gebruik in protheses. Nanohydroxyapatiet is ook biocompatibel, bioactief en natuurlijk, naast niet-toxisch of ontstekingsremmend.

Bijgevolg heeft nanohydroxyapatiet-keramiek een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder:

- Bij botweefselchirurgie wordt het gebruikt om holtes te vullen bij orthopedische, trauma-, maxillofaciale en tandheelkundige ingrepen.

- Het wordt gebruikt als coating voor orthopedische en tandheelkundige implantaten. Het is een desensibiliserend middel dat wordt gebruikt na het bleken van tanden. Het wordt ook gebruikt als remineralisatiemiddel in tandpasta's en bij de vroege behandeling van gaatjes.

- Roestvrijstalen en titanium implantaten zijn vaak bedekt met hydroxyapatiet om hun afstotingssnelheid te verminderen.

- Het is een alternatief voor allogene en xenogene bottransplantaten. De genezingstijd is korter in aanwezigheid van hydroxyapatiet dan in afwezigheid ervan.

- Synthetisch nanohydroxyapatiet bootst het hydroxyapatiet na dat van nature aanwezig is in dentine en glazuurapatiet, waardoor het gunstig is voor gebruik bij glazuurherstel en opname in tandpasta's, evenals in mondwater

Andere toepassingen van hydroxyapatiet

- Hydroxyapatiet wordt gebruikt in luchtfilters van motorvoertuigen om hun efficiëntie bij het absorberen en afbreken van koolmonoxide (CO) te verhogen. Dit vermindert de milieuvervuiling.

- Er is een alginaat-hydroxyapatiet-complex gesynthetiseerd dat uit veldtesten blijkt dat het in staat is fluoride te absorberen via het ionenuitwisselingsmechanisme.

- Hydroxyapatiet wordt gebruikt als chromatografisch medium voor eiwitten. Heeft positieve ladingen (Ca ⁺⁺ ) en negatieve ladingen (PO ₄ ^-3 ), zodat het kan interageren met elektrisch geladen eiwitten en maken hun scheiding door ionenuitwisseling.

- Hydroxyapatiet is ook gebruikt als ondersteuning voor nucleïnezuurelektroforese. Het is mogelijk om DNA van RNA te scheiden, evenals enkelstrengs DNA van dubbelstrengs DNA.

Fysische en chemische eigenschappen

Hydroxyapatiet is een witte vaste stof die grijsachtige, gele en groenachtige tinten kan aannemen. Omdat het een kristallijne vaste stof is, heeft het hoge smeltpunten, wat wijst op sterke elektrostatische interacties; voor hydroxyapatiet is dit 1100ºC.

Het is dichter dan water met een dichtheid van 3,05-3,15 g / cm ³ . Bovendien is het praktisch onoplosbaar in water (0,3 mg / ml), wat te wijten is aan fosfaationen.

In zure media (zoals in HCl) is het echter oplosbaar. Deze oplosbaarheid is te wijten aan de vorming van CaCl ₂ , een zeer oplosbaar zout in water. Evenzo zijn fosfaten geprotoneerd (HPO ₄ ^2– en H ₂ PO ₄ ^- ) en hebben ze een betere wisselwerking met water.

De oplosbaarheid van hydroxyapatiet in zuren is belangrijk bij de pathofysiologie van cariës. Bacteriën in de mondholte scheiden melkzuur af, een product van glucosefermentatie, dat de pH van het tandoppervlak verlaagt tot minder dan 5, zodat het hydroxyapatiet begint op te lossen.

Fluor (F ^- ) kan OH ^- ionen in de kristalstructuur vervangen. Wanneer dit gebeurt, biedt het weerstand aan het hydroxyapatiet van het tandglazuur tegen zuren.

Eventueel kan deze weerstand als gevolg van de onoplosbaarheid van de CaF ₂ gevormd, weigert "leave" het kristal.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde ed., Pp.349, 627). Mc Graw Hill.
2. Fluidinova. (2017). Hydroxylapatiet. Opgehaald op 19 april 2018, van: fluidinova.com
3. Victoria M., García Garduño, Reyes J. (2006). Hydroxyapatiet, het belang ervan in gemineraliseerde weefsels en de biomedische toepassing ervan. TIP Gespecialiseerd tijdschrift in chemisch-biologische wetenschappen, 9 (2): 90-95
4. Gaiabulbanix. (5 november 2015). Hydroxyapatiet. . Opgehaald op 19 april 2018, van: commons.wikimedia.org
5. Martin Neitsov. (2015, 25 november). Hüdroksüapatiidi kristallid. . Opgehaald op 19 april 2018, van: commons.wikimedia.org
6. Wikipedia. (2018). Hydroxylapatiet. Opgehaald op 19 april 2018, van: en.wikipedia.org
7. Fiona Petchey. Bot. Opgehaald op 19 april 2018, van: c14dating.com