Preview

Травматология и ортопедия России

Расширенный поиск

Влияние воды, различных включений и замещений на физико-химические свойства биоапатита и механические свойства минерализованных тканей

https://doi.org/10.21823/2311-2905-2015-0-3-37-50

Полный текст:

Аннотация

На основе результатов собственных исследований и данных литературы охарактеризованы влияние на физико-химические и механические свойства биоапатита, инкорпорации в его структуру и абсорбции на его поверхности различного рода ионов и воды, а также определены дальнейшие пути изучения механизмов межкритсталлитных взаимодействий в наномасштабе. Внутренняя структура кристаллитов апатита более гибкая, чем у большинства других минералов, и относительно легко приспосабливается к химическим замещениям, которые и определяют его биологически значимые характеристики, такие как размер, растворимость, твердость, хрупкость, деформируемость и тепловая стабильность. В этих условиях молекулы воды, включенные в структуру кристаллита и адсорбированные на его поверхности, являются стабилизирующим фактором. При сближении поверхностей кристаллитов на расстоянии <10 нм они связываются между собой через адсорбированную на их поверхности воду. Эта связь лежит в основе механических свойств костной ткани. Высказано предположение, что исследования с использованием сверхъярких источников рентгеновского излучения (синхротроны и рентгеновские лазеры на свободных носителях) позволят измерять локально ближнюю тонкую структуру рентгеновских спектров поглощения с высоким энергетическим разрешением. Это даст возможность на основе современных теоретических методов описания взаимодействия рентгеновского излучения с веществом представить характеристики электронной и атомной структуры, в том числе зарядов атомов, межатомные расстояния, координацию атомов, потенциалы межатомного взаимодействия и в результате сформировать общую наноуровневую модель с морфологически обоснованной структурой минерального матрикса с учетом механизмов его механического контроля.

Об авторах

А. С. Аврунин
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России
Россия


Ю. И. Денисов-Никольский
ФБНУ «Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений»
Россия


А. А. Докторов
ФБНУ «Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений»
Россия


Ю. С. Кривосенко
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»
Россия


Д. О. Самойленко
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»
Россия


А. А. Павлычев
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»
Россия


И. И. Шубняков
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России
Россия


Список литературы

1. Аврунин А.С., Корнилов Н.В. Асимметрия параметров - основа структуры пространственно-временной организации функций. Морфология. 2000; (2):80-85.

2. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Суханов А.В., Паршин В.А. Объективное деление посттравматического адаптационного каскада на основе хронобиологических характеристик асимметрии пространственновременной организации функций. Травматология и ортопедия России. 2000; (2-3):20-25.

3. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Аболин А.Б., Щербак И.Г. Лекция по остеологии. Многоуровневый характер структуры минерального матрикса и механизмы его формирования. Гений ортопедии. 2005; (2):89-94.

4. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Аболин А.Б., Щербак И.Г., уровни организации минерального матрикса костной ткани и механизмы, определяющие параметры их формирования (аналитический обзор). Морфология. 2005; (2):78-82.

5. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Паршин Л.А., Мельников Б.Е., Плиев Д.Г. Иерархия спиральной организации структур скелета. Взаимосвязь структуры и функции Морфология. 2010; (6):69-75.

6. Аврунин А.С., Тихилов Р.М. Остеоцитарное ремоделирование костной ткани: история вопроса, морфологические маркеры. Морфология. 2011; (1):86-94.

7. Аврунин А.С. Остеоцитарное ремоделирование. История вопроса, современные представления и возможности клинической оценки. Травматология и ортопедия России. 2012; (1):128-134.

8. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Паршин Л.К., Мельников Б.Е. Критический анализ теории механостата. Часть I. Механизмы реорганизации архитектуры скелета. Травматология и ортопедия России. 2012; (2):105-115.

9. Виноградов А.С., Акимов В.Н., Зимкина Т.М., Павлычев А.А. Припороговые резонансы в рентгеновских спектрах поглощения молекул и твердых тел. Известия АНСССР (серия физ.). 1985; 49(8):1458-1462.

10. Данильченко С.Н. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения (обзор). Вiсник СумДУ. Серiя Фiзика, математика, механiка. 2007; (2):33-59.

11. Денисов-Никольский Ю.И., Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Матвейчук И.В. Актуальные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии. М. : ОАО «Типография «Новости»; 2005. 336 с.

12. Докторов А.А., Денисов-Никольский Ю.И. Особенности рельефа минерализованной поверхности лакун и канальцев в пластинчатой кости. Бюл. эксперим. медицины. 1993; 119(1):61-65.

13. Докторов А.А., Денисов-Никольский Ю.И., Жилкин Б.А. Структурная организация костного минерала. Бюл. эксперим. медицины. 1996; 122(12):687-691.

14. ЖилкинБ.А.,Денисов-НикольскийЮ.И.,ДокторовА.А. Особенности строения пластинчатой кости позвонков человека при возрастной инволюции и остеопорозе. Бюл. эксперим. медицины. 2003; 135(4):476-480.

15. Жилкин Б.А., Денисов-Никольский Ю.И., Докторов А.А., Структурная организация минерального компонента пластинчатой кости и процесс его формирования. Успехи современной биологии. 2003; 123(6):590-598.

16. Клюшина Е.С., Кривосенко Ю.С., Павлычев А.А. Пространственно-временные динамические системы в фотоионизации внутренней оболочки для свободных молекул, кластеров и твердых тел. Совр. математика. Фундам. направления. 2013; 48:61-74.

17. Корнилов Н.В., Аврунин А.С. Причинно-следственная связь характера экстремального воздействия, его силы и структуры пространственно-временной организации функций организма. Процесс адаптации. Медицинский академический журнал. 2002; (3):99-103

18. Ньюман у., Ньюман М. Минеральный обмен кости. М., Изд-во иностранной литературы, 1961. 270 с.

19. Павлычев А.А., Виноградов А.С., Степанов А.П., Шулаков А.С. Динамические эффекты формирования локализованных состояний в ультрамягкой рентгеновской области спектра. опт. спектроскопия. 1993; 75:554-578.

20. Aziz E.F., Ottosson N., Faubel M., Hertel I.V., Winter B. Interaction between liquid water and hydroxide revealed by core-hole de-excitation. Nature. 2008; 455(7209):89-91.

21. Baig A.A., Fox J.L., Young R.A., Wang Z., Hsu J., Higuchi W.I., Chhettry A., Zhuang H., Otsuka M. Relationships among carbonated apatite solubility, crystallite size, and microstrain parameters. Calcif Tissue Int. 1999; 64(5):437-449.

22. Blair H.C., Simonet S., Lacey D.L., Zaidi M. Osteoclast biology. P.113-139. In book: Fundamentals of Osteoporosis. Amsterdam, Boston, Heidelberg, London: Elsevier Inc.; 2010. 122 s.

23. Brown M.A., Faubel M., Winter B. X-ray photo- and resonant Auger-electron spectroscopic studies of liquid water and aqueous solutions. Annu Rep Prog Chem. 2009; 105:174-212.

24. Currey J. Sacrificial bonds heal bone. Nature. 2001; 414(6865):699.

25. Dauphin Y., Cuif J.-P., Salome M., Susini J., Williams C.T. Microstructure and chemical composition of giant avian eggshells. Anal Bioanal Chem. 2006; 386:1761-1771.

26. Eisa M.H., Hao Shen, Yong Mi, Kamarualaziz I., Khalid M.H. Measurement of chemical composition of bone by X-ray absorption fine structure. J Science Technology. 2011; 13:109-117.

27. Fantner G.E., Hassenkam T., Kindt J.H., Weaver J.С., Birkedal H., Pechenik L., Cutroni J.A., Cidade G.A.G., Stucky G.D., Morse D.E., Hansma P.K. Sacrificial bonds and hidden length dissipate energy as mineralized fibrils separate during bone fracture. Nat mater. 2005; 4(8):612-616.

28. Filatova E.O., Pavlychev A.A. X-ray optics and inner-shell electronics of hexagonal BN (series: Biochemistry research trends). New York: Nova Science Publishers; 2011. 108 s.

29. Frank-Kamenetskaya O., Koltsov A., Kuzmina M., Zorina M., Poritskaya L. Ion substitutions and nonstoichiometry of carbonated apatite-(CaOH) synthesised by precipitation and hydrothermal methods. J Molecular Structure. 2011; 992(13):9-18.

30. Frost H.M. Defining osteopenias and osteoporoses: another view (with insights from a new paradigm). Bone. 1997; 20(5):385-391.

31. Frost H.M. New targets for the studies of biomechanical, endocrinologic, genetic and pharmaceutical effects on bones: bone’s»nephron equivalents», muscle, neuromuscular physiology. J Musculoskeletal Research. 2000; 4(2):67-84.

32. Krivosenko Yu.S., Pavlychev A.A. Photoion recoil effect on 1s photoelectron line as a probe of adsorbate-substrate interaction. Chem Phys Lett. 2013; 575:107-111.

33. Loong C.-K., Rey C., Kuhn L. T., Combes C., Wu Y., Chen S.-H., Glimch M.J. Evidence of hydroxyl-ion deficiency in bone apatites: an inelastic neutron-scattering study. Bone. 2000; 26(6):599-602.

34. Morris M.D., Finney W.F. Recent developments in Raman and infrared. spectroscopy and imaging of bone tissue. Spectroscopy. 2004; 18:155-159.

35. Nyman J.S., Ni Q., Nicolella D.P., Wang X. Measurements of mobile and bound water by nuclear magnetic resonance correlate with mechanical properties of bone. Bone. 2008; 42:193-199.

36. Olszta M.J., Odom D.J., Douglas E.P., Gower L.B. A new paradigm for biomineral formation: mineralization via an amorphous liquid-phase precursor. Connective Tissue Research. 2003; 44(Suppl. 1):326-334.

37. Pasteris J.D., Wopenka B., Valsami-Jones E. Bone and tooth mineralization: why apatite? Elements. 2008; 4:97-104.

38. Pasteris J.D., Yoder C.H., Wopenka B. Molecular water in nominally unhydrated carbonated hydroxylapatite: The key to a better understanding of bone mineral. American Mineralogist. 2014; 99:16-27.

39. Penel G., Leroy G., Rey C., Bres E. MicroRaman spectral study of the PO4 and CO3 vibrational modes in synthetic and biological apatites. Calcif Tissue Int. 1998; 63(6):475-481.

40. Rai R.K., Barbhuyan T., Singh C., Mittal M., Khan M.P., Sinha N., Chattopadhyay N. Total water, phosphorus relaxation and inter-atomic organic to inorganic interface are new determinants of trabecular bone integrity. PLoS One. 2013; 8(12)e83478:1-10. Rajendran J., Gialanella S., Aswath P.B. XANES analysis of dried and calcined bones. Materials Science and Engineering C. 2013; 33(7):3968-3979.

41. Rey C., Renugopalakrishnan V., Collins B., Glimcher M.J. Fourier transform infrared spectroscopic study of the carbonate ions in bone mineral during aging. Calcif Tissue Int. 1991; 49(4):251-258.

42. Rey C., Renugopalakrishnan V., Shimizu M., Collins B., Glimcher M.J. A resolution-enhanced Fourier transform infrared spectroscopic study of the environment of the CO3(2) ion in the mineral phase of enamel during its formation and maturation. Calcif Tissue Int. 1991; 49(4):259-268.

43. Rey C., Miquel J.L., Facchini L., Legrand A.P., Glimcher M.J. Hydroxyl groups in bone mineral. Bone. 1995; 16(5):583-586. a. Robinson R.A., Elliott S.R. The Water Content of Bone. I. The mass of water, inorganic crystals, organic matrix, and “CО2 space” components in a unit volume of dog bone. J Boneand Joint Surgery Аm. 1957; 39(1):167-188.

44. Robinson R.A. Crystal-Collagen-Water Relationships in Bone Matrix. Clin Ortopaedics. 1960; (17):69-76.

45. Roufosse A.H., Aue W.P., Roberts J.E., Glimcher M.J., Griffin R.G. Investigation of the mineral phases of bone by solid-state phosphorus-31 magic angle sample spinning nuclear magnetic resonance. Biochemistry. 1984; 23(25):6115-6120.

46. Rubin M.A., Jasiuk I., Taylor J., Rubin J., Ganey T., Apkarian R.P. TEM analysis of the nanostructure of normal and osteoporotic human trabecular bone. Bone. 2003; 33(3):270-282.

47. Rulis P., Ouyang L., Ching W.Y. Electronic structure and bonding in calcium apatite crystals: Hydroxyapatite, fluorapatite, chlorapatite, and bromapatite. Physical Review В. 2004; 70:155104-1-7.

48. Sowrey F.E., Skipper L.J., Pickup D.M., Drake K.O., Lin Z., Smith M.E., Newport R.J. Systematic empirical analysis of calcium-oxygen coordination environment by calcium K-edge XANES. Phys Chem. Chem Phys. 2004; 6:188-192.

49. Stöhr J. NEXAFS-spectroscopy. Berlin: Springer; 1992, 404 p.

50. Taylor A.J., Rendina E., Smith B.J., Zhou D.H. Analyses of mineral specific surface area and hydroxyl substitution for intact bone. Chemical Physics Letters. 2013; 588:124-130.

51. Thompson J.B., Kindt J.H., Drake B., Hansma I.G., Morse D.E., Hansma P.K. Bone indentation recovery time correlates with bond reforming time. Nature. 2001; 414(13):773-775.

52. Tong W., Glimcher M.J., Katz J.L., Kuhn L., Eppell S.J. Size and shape of mineralites in young bovine bone measured by atomic force microscopy. Calcif Tissue Int. 2003;72(5):592-598.

53. Wilson E.E., Awonusi A., Morris M.D., Kohn D.H., Tecklenburg M.M.J., Beck L.W. Highly ordered interstitial water observed in bone by nuclear magnetic resonance. Journal of bone and mineral research. 2005; 20(4):625-634.

54. Wilson E.E., Awonusi A., Morris M.D., Kohn D.H., Tecklenburg M.M.J., Beck L.W. Three structural roles for water in bone observed by solid-state NMR. Biophysical Journal. 2006; 90:3722-3731.

55. Wopenka B., Pasteris J.D. A mineralogical perspective on the apatite in bone. Materials Science and Engineering C. 2005; 25(2):131-143.

56. Yin X., Stott M.J. Biological calcium phosphates and Posner’s cluster. J Chem Phys. 2003; 118(8)3717-3723.

57. Yoder C.H., Pasteris J.D., Worcester K.N., Schermerhorn D.V. Structural water in carbonated hydroxylapatite and fluorapatite: confirmation by solid state 2H NMR. Calcif Tissue Int. 2012; 90(1):60-67.


Для цитирования:


Аврунин А.С., Денисов-Никольский Ю.И., Докторов А.А., Кривосенко Ю.С., Самойленко Д.О., Павлычев А.А., Шубняков И.И. Влияние воды, различных включений и замещений на физико-химические свойства биоапатита и механические свойства минерализованных тканей. Травматология и ортопедия России. 2015;(3):37-50. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2015-0-3-37-50

For citation:


Avrunin A.S., Denisov-Nikolsky Y.I., Doktorov A.A., Krivosenko Y.S., Samoylenko D.O., Pavlychev A.A., Shubnyakov I.I. The effect of water, various incorporations and substitutions on physical and chemical properties of bioapatite and mechanical properties of bone tissue. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2015;(3):37-50. (In Russ.) https://doi.org/10.21823/2311-2905-2015-0-3-37-50

Просмотров: 309


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2311-2905 (Print)
ISSN 2542-0933 (Online)