Біомінералізація

Загальні уявлення про біомінералізаціі.

Що таке біомінералізація? Біомінералізація - це контрольоване освіта біокомпозітов.

В процесі біомінералізаціі організми формують свої тверді частини. Це дуже древній спосіб пристосування, його ми можемо зустріти скрізь-від одноклітинних до людини. У біосфері процеси біомінералізаціі грають велику роль. Наприклад, в океані осадові породи - в основному результат процесів біомінералізаціі. Термін охоплює дуже велику область, так що краще його розуміння прийде через розбір прикладів механізмів і типів біомінералізаціі.

Приклад застосування досліджень в області біомінералізаціі.

Для того, щоб зацікавити читача, наведемо приклад застосування досліджень процесів біомінералізаціі в медицині. (Автора завжди вганяли в сон голі викладення або звіти, особливо в новій для нього області без вказівки практичного застосування або хоча б перспектив використання даних досліджень). Отже на мій погляд самий яскравий приклад - «кістковий клей». Використовується при переломах. Являє собою суміш фосфату натрію і солі кальцію. Вводиться в місце перлома за допомогою шприца без хірургічного втручання. Суміш досить просто готувати. Затвердіння в плині 10 хвилин. При цьому одержувана тверда фаза майже збігається за складом з натуральною кісткою. В подальшому відбувається її заміщення на звичайну кісткову тканину. Особливо важливо її застосування при складних переломах, коли потрібна велика кількість спиць. Застосування кісткового клею допомагає дуже значно скоротити їх кількість (треба ще врахувати що спиці сильно пошкоджують кістку і вкрай болючі). Ну і звичайно вартість операції сильно скорочується. Хворий замість тижні перебування в лікарні (при складних переломах) проводить там 2-3 дні.

Тепер про створення «кісткового клею». У 1985 Студент (Констанц) каліфорнійського університету в Санта-Круз вивчав формування скелетів коралів. Основне відмінність цього процесу від людського - у людини мінералізація відбувається на білкової матриці (повільний процес досить), а у коралів - без матриці (тобто звичайне неорганічне утворення кристалів). Оскільки ще нікому не вдавалося відтворити процеси мінералізації на білкової матриці з достатньою швидкістю, то Констанц вирішив використати корали-подібну мінералізацію. Для проведення та застосування досліджень Констанцо була створена компанія. Незабаром було виявлено, що при змішуванні твердого джерела кальцію з з кристалічним джерелом фосфорної к-ти і при додаванні розчину фосфату натрію утворюється паста, яка швидко кристалізується у кістково-подібний матеріал. Подальші дослідження тривали декілька років і основною їхньою метою була оптимізація властивостей матеріалу і простоти ін'єкції. Ця стадія тривала кілька років. Підсумок цих зусиль такий-почалися клінічні випробування в 12 клініках в США. Якщо вони пройдуть успішно, то можливо це зробить революцію в лікуванні переломів.

Тепер від наочний приклад перейдемо до основної частини огляду. Розглянемо тканини, при утворенні яких найважливішу роль відіграють процеси біомінералізаціі. Почнемо з кістки.

Кость.

Кость має набір незвичайний фізико-механічних св-в:

1. Витримує різкі навантаження

2. Деформується без руйнації (в певних межах)

Так ж в організмі кістка є буферною системою - депо різноманітних іонів. Всі це досягається завдяки 3-х фазної структури кістки.

Склад цих фаз:

1. Колагеновий кістяк кістки (його можна порівняти з арматурою у залізобетоні).

2. Основна частина кістки - кристалічний гідроксоаппатіт.

3. Третя частина кістки несе швидше допоміжні ф-ції, ніж механічні. Вона складається з різних органічних матриць які направляють кристалізацію кістки і регулюють обмін.

В цілому кістка є вкрай складною системою володіє цінними властивостями.

Хочеться згадати про такий цікавий факт, що механічні св-ва кістки в основному залежать від вмісту неорганічної фази. (див. малюнок 1).

Кость складається з колагену 1-го типу які пов'язані з кристалами фосфату кальцію в певному порядку. Кісткові кристали вкрай малі ~ в середньому 50 нм довгою, шириною в 25 нм і товщиною в 3 нм. У зв'язку з великою поверхнею енергія взаємодії дуже велика. Гідроксоапатітовая фаза містить від 4 до 6% карбонатів. Середній склад кістки наступний: Ca8.3 (PO4) 4.3 (CO2) 3x (HPO4) y (OH) 0.3 . З віком х зростає, а у падає. Досить цікаво що сума х + у залишається постійною і рівним 1,7. Структура кістки змінюється в залежності від її ф-ції. (см малюнок 2).

Стадії мінералізації кістки.

1. Освіта органічної матриці

2. Мінералізація органічної матриці

3. Вторинна мінералізація кістки (пов'язана з її постійним формуванням і розвитком).

Сам процес мінералізації кістки вкрай складний і до кінця не досліджено. Один з варіантів - Кристалізація відбувається не на колагенової матриці, а в бульбашках з мембраною структурою. Ступінь кристалічності/аморфності в бульбашках залежить від віддаленості їх від кістки - чим далі, тим аморфний. Ще одна теорія полягає в наступному - в матричних бульбашках знаходяться тільки тимчасові депо кальцієвих і фосфатних іонів. Кристалізація відбувається на органічній матриці. Існує можливість і двохстадійної біомінералізаціі - освіта зародкових кристалів і подальше їх зростання на білкової матриці.

Вважається що відразу утворюється гідроксоаппатіт (хоча велика ймовірність того, що початково освіта октокальцефосфата.)

Далі механізми біомінералізаціі будуть розглянуті більш докладно.

Моделі біомінералізаціі.

Для створення моделей біомінералізаці дуже важливі хімічні уявлення про процесах утворення кристалів і агрегування частинок в певних умовах. Приклади моделей засновані на наступних процесах -

1. мембранно-бульбашкової осадження

2. осадження з розчинів з наступною кристалізацією

3. осадження і зростання кристалів під впливом органічних в-в.

Може виникнути питання - навіщо нам мати уявлення про механізми біомінералізаціі? Відповідь - з огляду на механізми легше створювати біосумісні матеріали і лікувати хвороби пов'язані з порушенням утворення твердих тканин.

Почнемо наш розгляд з мембранно-бульбашкового осадження. Цей механізм відіграє величезну роль у формуванні неорганічних твердих речовин in vivo. Цей процес моделювався при осадженні в синтетичних фосфоліпідних мембранних бульбашках діаметром ~ 30 нм. Метою такого моделювання було визначення можливостей мембранно-бульбашкової мінералізації і способів контролю цих процесів. Для порівняння матеріали одержувані в такий спосіб можуть принципово відрізнятися від отриманих звичайним осадженням в розчині. Хімічні потенціали генеруються в мікрообьемах бульбашок ізміняют редокс-потенціали, кінетичні і структурні св-ва матеріалу.

Бульбашки з мембраною з фосфатиди холіну можна отримати, облуччя ультразвуком водну дисперсію ліпіду близько точки переходу гель-рідина. Якщо взяти р-р металу в цьому процесі, то іони металу будуть перебувати усередині бульбашок. Все тепер в бульбашках можна проводити процес біомінералізаціі при використанні таких мембренно-проникних в-в/іонов як H2S, OH-, та інші. Можна також ввести в мембрану іонопроводящіе канали.

До проведення р-ції більшість іонів міцно зв'язується з фосфатної частиною фосфоліпідів та нуклеація була локалізована на органічному шарі. При проведенні осадження розчину хлориду заліза (III) в розчині оюразовивался чистий Гоет (?-FeOOH), а в бульбашках утворився сферуліт-магнетит Fe2O3, і феррігідріт. Ці відмінності пояснюються в основному кінетичним контролем - мембрана пропускає іони з певною швидкістю, але також велику роль вносить і фосфоліпідний матриця.

Можливий також процес біомінералізаціі заснований на транспорті катіонів через фосфоліпідний мембрану. Але для цього транспорту не обходимо іонофори. Їх будова може бути вельми різноманітним. Найчастіше для селективного транспорту катіонів 2-ї групи використовують краун ефіри.

Величезним перевагою бульбашкової біомінералізаціі є можливість регулювання рН р-ра як у бульбашках так і в навколишньому середовищі. Прикладів і загальних закономірностей в цьому випадку я наводити не буду тому що вплив рН високоспецифічний для кожної р-ції.

Ми можемо видить що моделюючи бульбашкової мінералізацію ми отримали дуже гнучкий інструмент для створення біокомпозітов і просто матеріалів із заданими з-вами.

Наступний найважливіший клас моделей, де я розповім, детально це мінералізація на органічних матрицях. В якості матриці беремо плівки Лангмуіра - Блоджета. Мінералізація CaCO3 можна було регулювати, додаючи мономолекулярного плівки з стеаринової кислоти, або октадеціл аміну. Найбільш характерним фактом, на мій погляд, є те, що в присутності плівок з октодеціламіна тип кристалів CaCO3 переставав залежати від концентрації кальцію.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.ronl.ru/