Apatit. Velká ruská encyklopedie
Mezi organismy existujícími na Zemi je mnoho těch, které mají tvrdé tkáně buď ve formě kostěného skeletu (obratlovci) nebo ve formě schránky (měkkýši). Kostry a skořápky jsou složitým kompozitem minerální a organické hmoty. Tyto materiály jsou svými vlastnostmi jedinečné a není snadné za ně najít náhradu.
Polykrystalický vzorek přírodního fluorapatitu z ložiska Khibiny (poloostrov Kola). Krystaly fluorapatitu mají zelenošedý odstín.
Jediný krystal přírodního apatitu v kusu skály.
Zkamenělé schránky starověkého mořského života – ramenonožci rodu Lingula – v kusu skály.
Tloušťka biologických nanokrystalů apatitu je pouze 2-4 nanometry.
Kosti savců mají porézní strukturu.
Jehlovité krystaly biologického apatitu zubní skloviny.
Povrch titanového pouzdra implantovaného do dásní pro uchycení umělých zubů je pokryt vrstvou fosforečnanů vápenatých.
Pro lepší biokompatibilitu jsou lidské umělé kyčelní klouby vyrobené z titanu částečně potaženy vrstvou fosforečnanů vápenatých.
Válcový polotovar implantátu vyrobený z porézního fosforečnanu vápenatého.
Vzorky produktů fosforečnanu vápenatého – hotové implantáty a polotovary k nim.
Anorganických látek, které jsou ve významném množství akumulovány živými organismy, není tolik. Patří mezi ně: uhličitan vápenatý – z něj se skládají korály a schránky velké většiny měkkýšů; oxalát vápenatý, který se vyskytuje v rostlinách a také u savců (například v ledvinových kamenech); oxid křemičitý, ze kterého se tvoří kostry většiny mořských jednobuněčných organismů, zejména radiolariů; sírany kovů alkalických zemin (nacházejí se v některých rostlinách a medúzách); oxidy železa (přítomné v bakteriích, měkkýších, některých rostlinách) a konečně fosforečnany vápenaté – hlavní stavební materiál kostí a zubů všech obratlovců. Fosforečnany vápenaté budou diskutovány v tomto článku.
Fosforečnany vápenaté se skládají ze tří chemických prvků: vápník, fosfor v oxidačním stupni +5 a kyslík, který je součástí fosforečnanového iontu. Kromě toho může mnoho fosforečnanů vápenatých obsahovat také vodík ve formě kyselého fosforečnanového aniontu (například HPO 4 2- a H 2 PO 4 – ) nebo ve formě vody za tvorby krystalických hydrátů. Různé kombinace oxidů vápníku a fosforu (jak v přítomnosti vody, tak bez ní) produkují poměrně širokou škálu různých fosforečnanů vápenatých. Podle typu fosforečnanového iontu se rozlišují orto- (PO 4 3- ), meta- (PO 3 — ), pyro- (P 2 O 7 4- ) a poly- ((PO 3 ) n n- ) fosforečnany vápenaté a v případě vícenásobně nabitých aniontů (platí pouze pro počet ortho- a pyrofosforečnanů) je v závislosti na počtu vodíku, tri- a pyrofosforečnanů. a tetrasubstituované fosforečnany vápenaté (poslední uvedené platí pouze pro pyrofosforečnany).
Všechny chemicky čisté fosforečnany vápenaté jsou bílé; Přirozeně se vyskytující minerály fosforečnanu vápenatého jsou však nejčastěji zbarveny a je dobře známo, že jejich barvu dodávají ionty nečistot, z nichž nejběžnější jsou ionty železa a prvků vzácných zemin. Většina fosforečnanů vápenatých je mírně rozpustná ve vodě, ale všechny jsou rozpustné v kyselinách.
Nejvýznamnějšími fosforovými minerály jsou apatit Ca 5 (PO 4 ) 3 X, kde X je fluor, méně často chlor nebo hydroxylová skupina; a fosforit, jehož základem je orthofosforečnan vápenatý (Ca 3 (PO 4 ) 2 ). Fosfor je navíc součástí některých bílkovinných látek a nachází se v rostlinách, zvířatech i lidech.
Fosfátová ruda se obvykle skládá z malých krystalů o velikosti menší než 1 mm. Větší krystaly jsou vzácné a sběratelsky zajímavé jsou ty nejkrásnější šestihranné krystaly nebo drúzy přírodního fluorapatitu.
V biologických systémech jsou hlavním místem fosforečnanů vápenatých kosti a zuby obratlovců, tedy ryb, obojživelníků, plazů, ptáků a savců. Kromě těchto normálních a pro živé organismy nezbytných tvrdých tkání existují i nežádoucí tvrdá usazenina (například zubní kámen, močové kameny, aterosklerotické pláty v cévách), které rovněž obsahují fosforečnany vápenaté. Kromě toho bylo objeveno několik druhů fosilních měkkýšů, jejichž schránky nejsou vyrobeny z uhličitanu vápenatého, který je typický pro měkkýše, ale z fosforečnanu vápenatého.
Všechny tyto biologicky vytvořené fosforečnany vápenaté jsou ve vědecké literatuře běžně označovány jako „biologický apatit“. Hlavním rozdílem mezi biologickým apatitem a jednoduchým apatitem je jejich chemické složení. Četné studie prokázaly, že v biologickém apatitu jsou některé ionty vápníku, fosforečnanu nebo hydroxidu nahrazeny jinými ionty. Například místo iontů vápníku mohou zaujímat ionty stroncia, hořčíku, sodíku nebo draslíku; Fosfátové ionty jsou částečně nahrazeny uhličitanovými ionty a jako X-ionty jsou přítomny hydroxidy, fluoridy, chloridy nebo dokonce uhličitany. Pozorný čtenář si jistě všimne, že mnoho substitučních iontů má nábojovou hodnotu, která se liší od původních iontů. Například mezi substituenty dvojmocného vápenatého iontu jsou dvojmocné sodné a draselné ionty a substituentem trojmocného orthofosfátového iontu je často dvojmocný uhličitanový iont. Ke kompenzaci elektrických nábojů v biologickém apatitu dochází vytvořením potřebného počtu iontových vakancí, což vede k nestechiometrickému (tj. proměnlivému) chemickému složení biologického apatitu.
Proto nelze hovořit o přesném chemickém složení biologického apatitu. Navíc chemické složení silně závisí na typu tvrdé tkáně; U zubů a kostí je to jiné. Kosti lidí a savců obsahují v průměru 60-70% fosforečnanů vápenatých, 20-30% kolagenu a až 10% vody (hodnoty se liší v závislosti na věku, výživě a zdravotním stavu).
Kosti jsou největší tvrdé části těla lidí a savců. V těle mají dvě hlavní funkce: mechanickou podporu těla a ukládání anorganických iontů. Savčí kosti jsou kompozitní materiál obsahující organické (hlavně kolagenový protein) a anorganické (fosforečnan vápenatý) fáze. V tomto kompozitu fosforečnany vápenaté dodávají kostem mechanickou pevnost, tvrdost, tuhost a vysokou odolnost vůči tlakovému zatížení a kolagen jim dodává určitou elasticitu a viskozitu. Na rozdíl od kosti je keramika, která je 100% fosforečnan vápenatý, křehká a snadno se rozbije nárazem nebo ohnutím. Vnitřek kostního materiálu je porézní a tyto póry jsou vyplněny kapalinou, která působí jako lubrikant, což zase dále zlepšuje plastické vlastnosti kostní tkáně.
Předpokládá se, že růst kostí začíná tvorbou určitého rámce molekul kolagenu stočených do spirál, ve kterých se rodí a rostou lamelární nanokrystaly biologického apatitu. Ploché nanokrystaly apatitu – některé jen 2-4 nanometry tlusté – jsou položeny paralelně k sobě a nějakým způsobem (dosud ne zcela pochopeným) jsou umístěny mezi svazky vláknitých molekul kolagenu.
Kosti živé bytosti nejsou něčím zmrzlým nebo mrtvým – jsou v nepřetržité dynamické rovnováze s okolními tkáněmi živého organismu. Buňky v těle zvané osteoklasty nepřetržitě rozpouštějí biologický apatit (tyto buňky vylučují kyselinu, která rozpouští fosforečnany vápenaté); Současně další buňky – osteoblasty – nově krystalizují biologický apatit. Procesy neustálého rozpouštění-krystalizace pomáhají udržovat nezbytnou koncentraci vápenatých a fosfátových iontů v tělesných tkáních a také udržovat zdraví kostní tkáně, protože jakékoli defektní oblasti kosti, které z nějakého důvodu vzniknou, jsou nejprve rozpuštěny osteoklasty a na oplátku osteoblasty krystalizují správnou a zdravou kostní tkáň.
Jak z chemického hlediska probíhá proces tvorby kostní tkáně z vápníkových a fosfátových iontů rozpuštěných v krvi? Neexistuje úplná jasnost. Pokud smícháte vodné roztoky vápenatých solí (například dusičnanu vápenatého) a fosforečnanu (například fosforečnanu amonného) v určitých poměrech a za určitých podmínek, pak by teoreticky měl apatit krystalizovat. Četné studie však prokázaly, že věci nejsou tak jednoduché: apatit se skutečně tvoří, ale ne okamžitě: ke krystalizaci dochází prostřednictvím tvorby jednoho nebo více intermediárních fosforečnanů vápenatých, nazývaných prekurzorové fáze. Na základě těchto údajů se dospělo k závěru, že podobným způsobem vzniká i biologický kostní apatit. Je pravda, že do dnešního dne nebyl žádný výzkumník schopen jasně zaznamenat žádné přechodné fáze (nebo jejich nedostatek) v procesu růstu kostí. Všechno se to týká experimentálních obtíží: pokud můžete provést krystalizaci ve zkumavce a čekat tak dlouho, jak chcete, pravidelně odebírat vzorky k analýze, pak nemůžete provést takový experiment s živou kostí. Vědci jsou proto nuceni spokojit se pouze s nepřímými údaji: nyní se například zjistilo, že chemické složení biologického apatitu v mladých kostech (například u mláďat zvířat) se liší od složení apatitu u dospělých a starých zvířat.
Druhé nejdůležitější místo (po kostech) v tvrdých tkáních živých organismů zaujímají zuby. Z chemického hlediska se ukázalo, že struktura zubů lidí a všech savců je složitější než stavba kosti: zuby se skládají z vnější, velmi tvrdé části zvané sklovina a vnitřní měkčí části zvané dentin. Chemické složení a vlastnosti dentinu a kosti jsou si dosti podobné (proto téměř vše výše uvedené o kosti platí i pro dentin), zatímco chemické složení zubní skloviny je velmi odlišné, blíží se složení čistého apatitu.
Hlavní rozdíl mezi sklovinou a dentinem a kostí spočívá v tom, že sklovina neobsahuje téměř žádnou organickou fázi. To je důvod, proč je zubní sklovina nejtvrdším materiálem v těle lidí a savců. Fluoridové ionty mu dodávají další tvrdost, což má za následek vznik nejméně rozpustné a nejtvrdší formy apatitu – fluorapatitu. Právě proto se vyrábí zubní pasta obsahující fluor: při kontaktu se zubní sklovinou fluoridové ionty částečně vstupují do chemické reakce za vzniku fluorapatitu, který zvyšuje odolnost skloviny proti rozpouštění v kyselinách vylučovaných bakteriemi žijícími v dutině ústní. (Zde je třeba vysvětlit, že z chemického hlediska je zubní kaz procesem rozpouštění biologického apatitu ve slabých organických kyselinách.)
Předpokládá se, že mechanismus tvorby zubní skloviny se málo liší od tvorby kostní tkáně (stejná mineralizace organické matrice, stejná pravděpodobná přítomnost prekurzorových fází). V zubní sklovině je však mnohem méně organické fáze, neobsahuje kolagenový protein a krystaly skloviny jsou dlouhé až 100 mikronů. V literatuře však existují informace, že v počátečních fázích tvorby obsahuje zubní sklovina pouze asi 50 % biologického apatitu, jehož podíl se postupem času zvyšuje na 98–99 %. Poškozenou zubní sklovinu navíc buňky jako osteoklasty a osteoblasty neopravují. Proto lze sklovinu do určité míry považovat za „mrtvou“ tkáň živých organismů (na rozdíl od „živé“ kosti.)
Je třeba krátce zmínit přítomnost další fáze, anglicky nazývané „enameloid“ (dosud neexistuje odpovídající ruský termín), která existuje na fázové hranici mezi sklovinou a dentinem. Bylo zjištěno, že tato fáze se skládá z krystalů biologického apatitu, stejného jako v zubní sklovině, ale umístěného v organické matrici kolagenového proteinu, jako v dentinu a kosti. Dosud nebyly vlastnosti této mezifáze dobře prozkoumány.
Protože anorganickou složku kostí a zubů lidí a savců tvoří fosforečnany vápenaté biologického původu, je zřejmé, že z hlediska biokompatibility (tj. schopnosti živých organismů přijímat cizorodé látky bez odmítnutí) by měly být optimální umělé kostní a zubní náhrady (implantáty) vyrobené z fosforečnanů vápenatých. To je sice pravda, ale implantáty z čistých fosforečnanů vápenatých se v medicíně prakticky nepoužívají: za prvé jsou příliš křehké a za druhé je obtížné z nich vyrobit výrobky daného tvaru. Zde je nutné pamatovat na to, že kosti a dentin mají porézní strukturu a obsahují až 40 % organické fáze, což výrazně zlepšuje jejich mechanické vlastnosti. Ideální kostní implantát proto musí obsahovat i organickou fázi a být porézní, aby do něj mohly prorůstat měkké tkáně živého organismu.
K překonání špatných mechanických vlastností fosforečnanů vápenatých existují následující „prostupná řešení“.
Implantát může být vyroben z nějakého odolného materiálu (titan, nerezová ocel atd.), a aby byl biokompatibilní, může být svrchu potažen (například plazmovým nástřikem nebo vysrážením z přesyceného roztoku) vrstvou fosforečnanů vápenatých. V tomto případě veškeré mechanické zatížení dopadne na silné kovové jádro a povrchová vrstva fosforečnanů vápenatých podpoří přihojení. Touto metodou se vyrábí například umělé kyčelní klouby a pouzdra implantovaná do dásní pro připevnění umělých zubů (obvykle z keramiky).
Je možné jít cestou vytyčenou přírodou a připravit organominerální kompozit sestávající z fosforečnanů vápenatých a nějakého biologicky kompatibilního nebo alespoň inertního polymeru. Nejjednodušším způsobem přípravy je přidání práškového fosforečnanu vápenatého do roztoku polymeru nebo taveniny a výsledná směs se důkladně promíchá a poté se vytvoří hotové výrobky. Takové kompozity již existují a používají se k výrobě malých kostí.
Ke korekci drobných defektů ve velkých kostech (vyplnění prasklin nebo obnovení uměle odstraněných malých úlomků) se používají viskózní suspenze fosforečnanů vápenatých ve vodném roztoku některého biologicky kompatibilního polymeru (například škrobu). Takové suspenze mohou být injikovány do kostních defektů pomocí injekční stříkačky a poté je osteoklasty a osteoblasty používají jako stavební materiál pro stavbu nové kosti.
Zvláštní kategorii představují samotvrdnoucí cementy vyrobené z prášků dvou různých fosforečnanů vápenatých. Vybere se dvojice: kyselý fosforečnan vápenatý (například CaHPO 4 ) a alkalický fosforečnan vápenatý (například Ca 4 (PO 4) 2 O nebo jednoduše hydroxid nebo uhličitan vápenatý), důkladně promíchány v požadovaných poměrech a přidá se buď voda, nebo zředěný vodný roztok kyseliny fosforečné. V důsledku chemických reakcí, ke kterým dochází, cement tvrdne a vzniká apatit. Tato metoda je dobrá, protože je snadné vyplnit kostní defekty takovým cementem, dokonce i ty s nejsložitějšími geometrickými tvary.
Porézní implantát může být vyroben z fosforečnanů vápenatých. Například ponořte obyčejnou houbu do vodné suspenze fosforečnanů vápenatých obsahující přísady, které podporují přilnavost, a poté ji zahřejte na teplotu asi 1200 °C: houba a všechny organické přísady shoří a zanechají „holou kostru“ fosforečnanů vápenatých. Pokud jej z vnější strany pokryjete vrstvou biokompatibilního polymeru, získáte strukturu podobnou triplexu – čelnímu sklu auta, které se díky polymerové fólii při nehodě nerozpadne na malé kousky. Výhody takových materiálů jsou zřejmé: chirurg může z velkého kusu porézní keramiky jednoduše odříznout (odříznout) kus požadované velikosti a tvaru bez obav z jeho zničení.
Apatit (z řeckého ἀπάτη – podvod; často zaměňován za jiné minerály), obecný název skupiny rozšířených minerálů třídy fosfátů, Ca5(PO4)3(F,Cl,OH). Hlavní nečistoty: Mn, Sr, prvky vzácných zemin, CO3 2– (francolit, staffelit) atd. Podle složení se rozlišují: fluorapatit – Ca5(PO4)3F (nejčastější), hydroxyapatit – Ca5(PO4)3(OH), chlorapatit – Ca5(PO4)3Cl a další Krystalizuje v hexagonální syngonii.
Formy umístění. Vlastnosti
Tvoří prizmatické krystaly (protáhlé, jehlicovité, tabulkovité, někdy zakončené dipyramidami), které mohou někdy dosahovat gigantických rozměrů (v Kanadě a USA je známo, že byly nalezeny krystaly o hmotnosti 200 kilogramů a více). Charakteristické jsou zrnité, cukernaté, radiálně paprskovité a sloupcovité agregáty, zemité hmoty, konkrece, oolitické akumulace, pseudomorfy organických zbytků atd. Fyzikální vlastnosti se mění v závislosti na chemickém složení. Barva: nažloutlá, namodralá, šedozelená, růžová, fialová, modrá atd.; někdy bezbarvý.
Apatit (Ontario, Kanada). Apatit (Ontario, Kanada).
Lesk je skelný až mastný. Může mít efekt kočičího oka. Tvrdost na Mohsově stupnici je 5, hustota je asi 3,2 g/cm3. Dekolt je nedokonalý. Zlomenina je nerovná (až do lastury). Křehký.
Původ. Místo narození
Největší akumulace apatitu jsou omezeny na masivy nefelinických syenitů (např. alkalický masiv Khibiny, poloostrov Kola, Rusko); Vysoké obsahy apatitu byly zjištěny také v karbonatetech (v Rusku – ložisko Kovdor, Murmanská oblast; ložisko Beloziminskoje, Irkutská oblast; v zahraničí – Phalaborwa, provincie Limpopo, JAR; Mountain Pass, Kalifornie, USA aj.) a některých ložiskách železné rudy s vysokou teplotou. Apatit je typický akcesorický minerál vyvřelých hornin, nachází se také v pegmatitech, hydrotermálních žilách, metamorfovaných a sedimentárních horninách (viz Fosfority), ve fosilních kostech aj. Hydroxyapatit patří mezi tzv. biominerály, k jejichž krystalizaci dochází za účasti živých organismů, obsažené v zubech a kostech lidí, obratlovců atd.
Praktická hodnota
Hlavní složka apatitových rud . Používá se především k výrobě fosforečných hnojiv, kyseliny fosforečné, fosforu (využívá se především v zápalkovém průmyslu). Fasetovaný apatit žlutozelené barvy. Hmotnost 39,01 ct (provincie Sofala, Mosambik). Exponát ze sbírky drahokamů Národního přírodovědného muzea (Washington, USA). Smithsonova instituce. Fasetovaný apatit žlutozelené barvy. Hmotnost 39,01 ct (provincie Sofala, Mosambik). Exponát ze sbírky drahokamů Národního přírodovědného muzea (Washington, USA). Smithsonova instituce. Průhledné, krásně barevné krystaly apatitu se používají ve špercích. Kameny jakosti drahokamů se těží v Myanmaru, Brazílii, Srí Lance, Norsku, Finsku, Indii, Kanadě, Mosambiku a na ostrově Madagaskar a další; V Rusku se klenotnické apatity nacházejí na poloostrově Kola, v oblasti Bajkal a Transbaikalia. Při zpracování apatitu vyžaduje opatrné zacházení pro jeho nízkou tvrdost. Obvykle je opatřen fazetovým brusem a kabošony, korálky atd. jsou vyrobeny z méně průhledných krystalů a jejich agregáty jsou cenným sběrným materiálem. Peková Natalia Anatoljevna
Publikováno 26. července 2023 v 15:50 (GMT+3). Poslední aktualizace 26. července 2023 v 15:50 (GMT+3). Kontaktujte redakci
Oblasti odbornosti: Přírodní fosfáty Syngony: Hexagonální tvrdost na Mohsově stupnici (minimální hodnota): 5 konvenční jednotka Hustota (minimální hodnota): 3,2 g/cm³
- Vědecký a vzdělávací portál „Velká ruská encyklopedie“
Vytvořeno s finanční podporou Ministerstva digitálního rozvoje, komunikací a masových komunikací Ruské federace.
Osvědčení o registraci hromadných sdělovacích prostředků EL č. FS77-84198, vydané Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi (Roskomnadzor) dne 15. listopadu 2022.
ISSN: 2949-2076 - Zakladatel: Autonomní nezisková organizace „Národní vědecké a vzdělávací centrum „Velká ruská encyklopedie“
Šéfredaktor: Kravets S.L.
Telefon redakce: +7 (495) 917 90 00
E-mailem Redakční e-mail: [email protected]
- © ANO BRE, 2022 – 2024. Všechna práva vyhrazena.
- Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv. - Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv.