Hydroksyapatyt (HAp)

Hydroksyapatyt (HAp, HA, OHAp) jest minerałem z grupy fosforanów wapniowych o wzorze sumarycznym Ca10(PO4)6OH2. Związek ten charakteryzuje się wysoką biozgodnością, osteoindukcyjnością i bioaktywnością. W postaci niestechiometrycznej (Ca/P ≠ 1,667) HAp stanowi podstawowy budulec kości i zębów. U zdrowego człowieka około 70% tkanki kostnej stanowi faza nieorganiczna zbudowana z HAp, która zapewnia odpowiednią sztywność i wytrzymałość kości oraz

50

stanowi rusztowanie dla fazy organicznej. Obecnie HAp, jako biomateriał ceramiczny, szeroko wykorzystywany jest w chirurgii kostnej i stomatologii do leczenia ubytków tkanki kostnej. Z HAp wykonywane są porowate rusztowania do wypełniania niewielkich ubytków kostnych, gdzie dochodzi do stopniowego przerastania biomateriału tkanką kostną z jednoczesną stopniową resorpcją rusztowania (124). HAp wykorzystywany jest również jako składnik kompozytów oraz powłok na powierzchni materiałów wykonanych ze stopów metali, materiałów węglowych oraz polimerów zarówno bioresorbowalnych (np. polilaktyd, poli(-kaprolakton) (PCL)) jak i biostabilnych (polietylen, poli(metakrylan metylu), polisulfon). Dodatek HAp do materiału polimerowego poprawia jego zachowanie w środowisku biologicznym, zwiększając powinowactwo kompozytowego implantu do tkanki kostnej, poprzez tworzenie wiązań chemicznych pomiędzy tkanką kostną a cząsteczkami HAp w biomateriale (125).

3.2.1 Budowa chemiczna i odmiany HAp

HAp jest nieorganicznym związkiem chemicznym o właściwej nazwie chemicznej: sześcioortofosforan (V) diwodorotlenku dziesięciowapnia. Istnieje możliwość częściowej wymiany pierwiastków i grup wchodzących w skład HAp. Możliwe jest podstawienie grup fosforanowych grupami węglanowymi, a także jonów wapnia jonami takich pierwiastków jak: magnez, sód, potas, chlor, fluor i inne. Również grupy hydroksylowe mogą zostać podstawione m.in. przez jony

oraz F^-. Zmiany w składzie pierwiastkowym HAp będą wpływać na szereg właściwości takich jak rozpuszczalność, krystaliczność, jego stabilność termiczna oraz chemiczna.

Ze względu na pochodzenie wyróżnia się trzy rodzaje HAp:

• HAp pochodzenia mineralogicznego (skały osadowe i metamorficzne),

• HAp pochodzenia biologicznego (tkanka kostna, zęby, patologicznie zmineralizowane tkanki tzw. kamienie: ślinowe, nerkowe, moczowodowe i inne),

• HAp pochodzenia syntetycznego (otrzymywany metodami syntezy suchej oraz mokrej). HAp pochodzenia naturalnego charakteryzuje się brakiem stechiometrii w budowie (Ca/P ≠ 1,667) co jest związane z obecnością defektów sieci krystalicznej oraz podstawieniem pewnej ilości innych atomów i grup funkcyjnych w sieci krystalicznej HAp. W HAp pochodzenia biologicznego obecne są niewielkie ilości jonów fluoru, magnezu, sodu, węglanowe oraz cytrynianowe. W konsekwencji HAp pochodzenia naturalnego (mineralogicznego i biologicznego) krystalizuje w układzie heksagonalnym. Parametry sieci wynoszą: a=b=0,943 nm, c=0,688 nm, γ=120° (Rys. 23 A, B).

51 Rys. 23. Struktury krystalograficzne HAp: A, B – układ heksagonalny, C, D – układ jednoskośny

(126)

Większe znaczenie praktyczne, zwłaszcza w zastosowaniach biomateriałowych, znalazł HAp syntetyczny o zachowanej stechiometrii i stosunku wapnia do fosforu Ca/P=1,667. Syntetyczny HAp częściej krystalizuje w układzie jednoskośnym (Rys. 22 B, C), który stanowi bardziej uporządkowaną i stabilną termodynamicznie fazę. Dla tego układu wymiary komórki elementarnej wynoszą: a=0,942 nm, b=2a=1,885 nm, c=0,688 nm oraz γ=120° (126, 127).

Obecnie największym zainteresowaniem zarówno naukowców jak również inżynierów opracowujących biomateriały cieszy się HAp w formie nanocząstek. Nanocząstki posiadają lepsze właściwości w porównaniu z mikrocząstkami ze względu na swoje bardzo duże rozwinięcie powierzchni. Dodatkowo nanocząstki HAp można modyfikować na wiele sposobów, zarówno fizycznie jak i chemicznie, zmieniając tym samym ich właściwościami. W zależności od metody otrzymywania uzyskuje się HAp o różnej morfologii oraz różnym stopniu krystaliczności. Na morfologię HAp wpływa przede wszystkim temperatura otrzymywania oraz pH środowiska reakcji (128). Nanocząstki HAp mogą przyjmować różny kształt i wielkość (Rys. 24), np. sferyczny, igieł, czy pręcików.

Rys. 24. Mikrofotografie SEM nanocząstek HAp: A – nanoproszek HAp, B – nanoigły HAp, C – nanopręciki HAp (129-131)

52

3.2.2 Otrzymywanie syntetycznego HAp

Nanocząstki HAp mogą być otrzymywane wieloma metodami zarówno suchymi jak i mokrymi. Zaletą wytwarzania HAp metodami suchymi jest otrzymywanie materiału stechiometrycznego o wysokim stopniu krystaliczności. Ich podstawową wadą jest konieczność stosowania wysokich temperatur (>700°C) oraz długi czas trwania syntez. Metodami suchymi otrzymuje się zazwyczaj materiał lity, który wymaga zmielenia aby przyjął postać nanocząstek. Do produkcji HAp na skalę przemysłową częściej wykorzystuje się metody mokre. Metodami mokrymi łatwiej można uzyskać gotowe nanocząstki wykorzystując do syntezy mniejszy nakład energii (reakcje niskotemperaturowe) oraz czasu. Otrzymuje się jednak produkt o zaburzonej stechiometrii i niższej krystaliczności (132).

Metody suche

W przypadku otrzymywania HAp metodami suchymi prowadzi się wysokotemperaturową reakcję w stanie stałym, ze stechiometrycznie dobranymi reagentami będącymi źródłem wapnia i fosforu. Przykładowymi układami wykorzystywanymi do otrzymywania HAp są:

 (NH₄)₂HPO₄ + Ca(OH)₂,

 CaHPO4∙2H2O + CaCO3,

 CaHPO4 + CaO,

 Ca₂P₂O₇ + CaO i wiele innych.

Drugą z metod suchych otrzymywania HAp jest tzw. synteza mechanochemiczna, nazywana również mechanosyntezą, w której podobnie jak w pierwszym przypadku analogiczne reagenty dobrane w sposób stechiometryczny mielone są w młynie kulowym, gdzie w wyniku działania energii mechanicznej dochodzi do aktywacji reakcji chemicznych prowadzących do tworzenia się HAp. Jest to stosunkowo łatwa i tania metoda nie wymagająca dodatkowej obróbki materiału po syntezie jednak dotychczas nie znalazła ona zastosowania w syntezie HAp na skalę przemysłową (133).

Metody mokre

Synteza HAp metodami mokrymi opiera się na bezpośrednim strącaniu z odpowiednio przygotowanych roztworów. Substratami do produkcji HAp są tak jak w metodach suchych sole fosforowe i wapniowe, ale powszechnie stosuje się również kwasy i sole. Przykładami substratów do produkcji HAp są wodne roztwory z układów: Ca(OH)2 + H3PO4, CaCl2 + Na2HPO4 oraz Ca(NO3)2. Reakcję prowadzi się w temperaturze 90–110°C w środowisku zasadowym (pH=9÷12). Po zajściu reakcji, w wyniku której wytrąca się HAp, musi on zostać odfiltrowany i wysuszony. Aby zwiększyć jego krystaliczność stosuje się dodatkową obróbkę termiczną (300–1200°C). Istnieje możliwość bezpośredniego wpływu na morfologię HAp otrzymywanego metodą strącania z roztworu poprzez dobór regentów oraz ich stężenia, a także odpowiedni dobór temperatury reakcji i pH roztworu (128). Kolejną z mokrych metod otrzymywania HAp jest metoda zol-żel. Jako prekursorów do produkcji HAp w tej metodzie używa się odpowiednio alkoholanów wapnia lub fosforu.

53 Przykładowymi substratami do produkcji HAp są: czterowodny azotan wapnia z tlenkiem fosforu (V), czterowodny azotan wapnia z fosforynem trietylowym oraz wodorotlenek sodu z kwasem ortofosforowym (V). Prekursory przygotowywane są do syntezy w postaci rozcieńczonych roztworów wodnych, ewentualnie zamiast wody wykorzystywany jest etanol. Następnie jeden z roztworów prekursora wkraplany jest do drugiego roztworu z zachowaniem stechiometrii reakcji tak aby otrzymać HAp o stosunku Ca/P=1,67. Połączone roztwory miesza się przez określony czas w podwyższonej temperaturze. Podczas mieszania w roztworze zachodzą reakcje hydrolizy i kondensacji przekształcając go w zol. Dalej prowadzony jest proces odparowywania rozpuszczalnika, czyli odwadnianie zolu i dalszej kondensacji, co prowadzi do wzrostu lepkości zolu, który przekształca się w żel. Otrzymany żel poddaje się suszeniu otrzymując amorficzny półprodukt wapniowo-fosforowy, który poddawany jest dalszej obróbce cieplnej w temperaturze ok. 400–500°C w celu otrzymania wysoce krystalicznego HAp. Metodą zol-żel, HAp otrzymywany jest w formie polikrystalicznych agregatów, które wymagają zmielenia celem uzyskania nanocząstek o określonej wielkości. Możliwe jest również bezpośrednie nakładanie otrzymanego żelu na powierzchnie elementów wytwarzając tym samym bioaktywne warstwy HAp (134-136).

Alternatywę dla powyższych metod stanowi odzysk HAp ze źródeł naturalnych. Tak uzyskany HAp jest niestechiometryczny oraz cechuje się dużą zawartością innych pierwiastków i grup funkcyjnych kosztem redukcji ilości grup hydroksylowych. Jednak ze względu na pochodzenie wykazuje on większą biokompatybilność z ludzkim organizmem oraz szybszą resorpcję w porównaniu z syntetycznym HAp. Surowcami, z których dokonuje się odzysku HAp są m.in. szkielety koralowców, kości zwierząt, muszle skorupiaków oraz skorupki jaj. W przypadku koralowców prowadzi się tzw. konwersję węglanu wapnia do HAp wykorzystując metodę hydrotermalną. W tej metodzie szkielet koralowca, który w 99% składa się z aragonitu poddawany jest działaniu roztworu fosforanu (V) amonu, gdzie w wyniku reakcji wymiany jonowej dochodzi do konwersji CaCO3 do Ca10(PO4)6OH2. Reakcję prowadzi się w temperaturze 120–300°C pod ciśnieniem 0,2–8,5 MPa). Odzysk z kości zwierząt obejmuje przede wszystkim usunięcie fazy organicznej z tkanki kostnej. Dokonuje się tego poprzez jej rozkład termiczny lub wykorzystując procesy hydrotermalne (137, 138).

3.2.3 Właściwości fizykochemiczne HAp

HAp jest trójzasadową solą kwasu ortofosforowego słabo rozpuszczalną w wodzie oraz w roztworach zasadowych. Bardzo dobrze rozpuszcza się w kwasach. W czystej postaci przyjmuje postać białego proszku, jednak często obserwuje się niebieskawe zabarwienie HAp w produktach komercyjnie dostępnych związane z obecnością pewnej ilości manganu. Wartość gęstości teoretycznej syntetycznego HAp wynosi 3,16 g/cm³. W praktyce gęstość HAp jest zależna od jego składu chemicznego oraz stopnia obróbki cieplnej, w wyniku której dochodzi do spadku gęstości poprzez utratę wody obecnej w strukturze HAp. Masa cząsteczkowa HAp wynosi 502,31 g/mol. W Tabeli 10 przedstawiono najważniejsze właściwości termiczne i mechaniczne HAp.

54

Tab. 10. Podstawowe właściwości fizykochemiczne HAp (139)

Właściwość Wartość Jednostka

Temperatura topnienia 1550 °C

Ciepło topnienia 15,5 kJ/mol

Współczynnik rozszerzalności cieplnej 13,3∙10-6

K^-1 Ciepło właściwe 700 (100°C) J/kg∙K Przewodnictwo cieplne 1,4 – 2,3 (27 – 3227°C) W/m∙K Dyfuzyjność cieplna 5,7 ∙ 10-3 cm²/s Wytrzymałość mechaniczna

(wartości dla próbek porowatych)

na zginanie 38 – 250 (2 – 11) na ściskanie 120 – 900 (2 – 100) na rozciąganie 38 – 300 (~3) MPa MPa MPa

Moduł Young’a 35 – 120 GPa

Współczynnik Poisson’a 0,27 -

Ze względu na kruchość HAp związaną z niską odpornością HAp na kruche pękanie, materiał ten w czystej postaci wykorzystywany jest jako biomateriał na implanty nie przenoszące dużych obciążeń tj. elementy kosteczek słuchowych, wypełnienie niewielkich ubytków kostnych, a także pokrycia implantów dentystycznych oraz metalowych protez stawowych. Natomiast HAp dobrze sprawdza się jako dodatek do materiałów polimerowych tworząc bioaktywne nanokompozyty (140).

Charakter chemiczny HAp jest ściśle związany ze stechiometrią jego budowy. W przypadku niestechiometrycznego HAp z niedoborem jonów wapnia (Ca/P<1,67) ich niedobór rekompensowany jest protonami. Stąd stechiometryczny HAp posiada charakter zasadowy podczas gdy niestechiometryczny HAp ma charakter kwasowy z powodu obecności dodatkowych protonów. Ponadto zarówno stechiometryczny jak i niestechiometryczny HAp posiadają silne właściwości katalityczne w stosunku do alkoholi. Niestechiometryczny HAp katalizuje dehydratację alkoholi, np. etanolu, który w wyniku odłączenia grupy hydroksylowej ulega przemianie w etylen. Stechiometryczny HAp jest odpowiedzialny za proces dehydrogenacji alkoholu. Etanol w wyniku dehydrogenacji ulega przemianie w aldehyd octowy. Również grupy hydroksylowe obecne na powierzchni HAp wykazują charakter bardziej zasadowy tworząc tym samym zasadowe miejsca aktywne na powierzchni HAp zdolne do katalizy reakcji chemicznych (141, 142).

3.2.4 Bioaktywność HAp

HAp należy do grupy materiałów bioaktywnych. Oznacza to, że po umieszczeniu w żywym organizmie jest zdolny do wywoływania specyficznej odpowiedzi komórkowej na granicy HAp – tkanka kostna, która prowadzi do wytworzenia trwałych wiązań chemicznych pomiędzy żywą tkanką i powierzchnią HAp. Połączenie to realizowane jest poprzez tworzenie się na powierzchni materiału aktywnego biologicznie apatytu. Ponadto syntetyczny HAp wykazuje dużą biokompatybilność

55 z żywym organizmem ze względu na bliskie podobieństwo w budowie chemicznej oraz składzie fazowym z ludzką tkanką kostną.

Wśród materiałów bioaktywnych wyróżnia się ich dwie klasy: materiały osteokonduktywne i osteoproduktywne. HAp należy do materiałów osteokonduktywnych. Tym samym posiada zdolność do tworzenia wiązania chemicznego z tkanką kostną na swojej powierzchni, w rezultacie wspomagając proces zasiedlania i dojrzewania osteoblastów wokół kościozastępczego wszczepu z HAp. Materiały osteoproduktywne, tj. bioaktywne szkła, posiadają zdolność do tworzenia wiązań chemicznych również z tkankami miękkimi organizmu. Pomimo dobrych właściwości osteokonduktywnych, HAp charakteryzuje się słabą osteoinduktywnością, tj. zdolnością materiału kościozastępczego do stymulowania komórek osteogennych do różnicowania się do dojrzałych osteoblastów (143, 144).