Минеральные компоненты кости. Структура апатитовых кристаллов, реакции изоморфного замещения, примеры.

Костное вещество состоит из двоякого рода химических веществ: органических , главным образом оссеина, и неорганических (2/з), главным образом солей кальция, особенно фосфорнокислой извести (более половины - 51,04 %). У взрослого человека количество минеральных составных частей (главным образом, гидроксиапатита) составляет около 60—70 % веса кости, а органическое вещество (главным образом коллаген тип I) — 30—40 %

Гидроксиапатит – член группы апатитов, состав которых можно описать следующей формулой M10(ZO4)6X2, где в качестве М могут выступать I – III валентные катионы, такие как Ca, Pb, Cd, Sr, Ni, Eu, Al, Y, La, Ce, Na, K и т.д. Положение Z может заниматься следующими элементами: P, As, V, Cr, Si, C, Al, S, Re и т.д. И наконец OH, F, Cl, Br, I, O, CO3, H2O и т.д могут занимать положение Z в структуре апатита [1]. Поэтому неудивительно, что существует большое число как встречающихся в природных условиях минеральных апатитов, так и искусственно синтезированных. Например, фторапатит кальция Ca10(PO4)6F2, гидроксиапатит кальция Ca10(PO4)6(OH)2

Структура гидроксиапатита характеризуется наличием двух зеркальных плоскостей симметрии при z=1/4 и z=3/4. Атомы фосфора, также как два атома кислорода тетраэдра РО43- расположены на зеркальных плоскостях, в то время как два других атома кислорода занимают симметричные положения выше и ниже этих плоскостей. Следует также отметить, что межатомные расстояния Р – О в тетраэдре РО43- слегка отличаются друг от друга, что свидетельствует о незначительном искажении тетраэдра . Кроме того, для структуры гидроксиапатита характерно наличие двух структурно неэквивалентных позиций Са(1) и Са(2). Позиция Са(1) с кратностью 4 имеет окружение из девяти атомов кислорода, входящих в состав тетраэдров РО4 (координационный полиэдр – девятивершинник) и обладает более высокой точечной симметрией С3 ., расположенные в этой позиции ионы Са2+ образуют колонку при z=0 и z=1/2. Позиция Са(2) с кратностью 6 окружена шестью атомами кислорода, входящих в состав тетраэдров РО4, и гидроксильной группой (координационный полиэдр – семивершинник) и характеризуется точечной симметрией Сs . Расположенные в этой позиции ионы Са2+ образуют треугольники при z=1/4 и z=3/4 которые повернуты друг относительно друга на 60° относительно оси z и образуют винтовую ось 63. Описанные выше треугольник образуют канал, в котором и располагаются ОН группы.
Изоморфизм – это способность атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах . В результате изоморфизма образуются твердые растворы замещения. Если два вещества дают изоморфные смеси любых концентраций (непрерывный ряд твердых растворов), изоморфизм называют совершенным. В противном случае говорят о несовершенном изоморфизме

Если замещающие друг друга атомы имеют одинаковую степень окисления, такой изоморфизм называют изовалентным (например, KH2PO4 – KH2AsO4), если разную – гетеровалентны