Минеральная фаза костной ткани

Минеральная фаза костной ткани в основном представлена кристаллами гидроксиапатита во внеклеточном матриксе. Общая формула гидроксиапатита: Са₁₀(РО₄)(ОН)_2. В твердых тканях гидроксиапатит составляет около 75% их минеральной фазы.

Ионная решетка апатитов очень стабильна. Кристаллы гидроксиапатита имеют форму пластинок или палочек. В костях почти 50% кристаллов имеют длину не более 45 нм при ширине в среднем 25 нм. Каждый из них покрыт собственной гидратной оболочкой толщиной 1нм. В целом упаковка частиц в кристалле гидроксиапатита представляет собой гексогональную структуру, где ионы фосфата чередуются с ионами Ca²⁺ и гидрата ОН^- (рис. 29).

Рисунок 29. Схема кристаллов гидроксиапатита.

Соотношение между гидроксильной группой, кальцием и другими атомами играет важную роль в устойчивости кристаллов. Замена отдельных ионов кристаллической решетки аналогами из жидкой фазы, сходными по размеру или физико-химическим свойствм приводят к изменению структуры кристаллов гидроксиапатита. В результате такой реакции ионного обмена (изоформного замещения) из-за различий в величине ионного радиуса происходит искажение решетки и, как правило, кристаллы становятся менее устойчивыми к различным воздействиям (кислоты, механические воздействия). Исключение составляют замена иона гидроксила НО^- на фторид F^-.

Наиболее часто выявляются следующие реакции ионного обмена в кристаллах гидроксиапатита:

1). Фосфатный ион РО₄^3- замещается гидрогенфосфатом (НРО₄^2-), карбонатом (СО₃^2-) или цитратом (С₆Н₃О₆^3-).

2). Ион Са²⁺ замещается ионами Mg²⁺, Sr²⁺, Na⁺, иногда ионами Ba²⁺, Pb²⁺, Mo²⁺ или гидроксония Н₃О⁺.

3). Гидроксильный ион обменивается на F^-, Cl^-, Br^-, I^-, а иногда на СО₃^2- или Н₂О.

Снижение концентрации Са²⁺ и/или фосфата в жидкостях, а также увеличение поступления из окружающей среды элементов, способных к изоморфным замещениям, приводит к активации реакции внутрикристаллического обмена ионов. Достаточное или повышенное поступление Са²⁺ в организм способствует вытеснению из ионной решетки его антагонистов, обеспечивая формирование в процессах ремоделирования «физиологической» структуры гидроксиапатитов.

В геохимических провинциях, отличающихся повышенным содержанием стронция (некоторые регионы Забайкалья), накопление стронциевых гидроксиапатитов [Са₉Sr(РО₄)6(ОН)₂] несколько повышает хрупкость минеральной фазы, что приводит к патологическим переломам костей как у людей, так и у животных.

Внутри кристаллической решетки апатитов и на поверхности кристаллов встречаются в небольших количествах разные микроэлементы: I, Zn, Co, Cu, Si, Se, As, Mo, Mn и другие, включая элементы, загрязняющие среду обитания человека: Sr, Ba, Pb, Al, Ti и другие.

В интенсивности и масштабе изоморфного замещения имеет значение не столько заряд внедряющегося иона, сколько его размер (ионный радиус), а также условия микроокружения (рН и другие физико-химические параметры). Высокий уровень бикарбонатов способствует образованию карбонатапатита [Са₁₀(РО₄)₄(СО₃)₃(ОН)]_. Они составляют в костях примерно 20% всех апатитов. Третью позицию занимают хлорапатиты [Са₁₀(РО₄)₆ClОН]. Снижение рН среды приводит замещению Са²⁺ протонами Н⁺ [Са₉(Н⁺)₂(РО₄)₆ (ОН)₂] или ионом гидроксония [Са₉(Н₃О⁺)(РО₄)₅ (ОН)₂], а высокие концентрации Н⁺ вызывают уже кислотное растворение кристаллов гидроксиапатита:

Са₁₀(РО₄)₆ (ОН)₂ + 8Н⁺ ® 10Са²⁺ + 6НРО₄^2- + 2Н₂О.

Наряду с гидроксиапатитом и его изомерных аналогов минеральная фаза кости содержит и аморфные соли фосфата кальция. Это пересыщенные растворы с более низким соотношением Са: Р, обнаруживаются в небольших количествах, но постоянно. В их составе встречаются моно-, ди-, три- и тетракальцитфосфаты в гидратированной форме, гидрат кальцийпирофосфата, гидрокарбонат [Са(НСО₃)₂], карбонат магния MgСО₃. Преобладают кислые фосфаты: гидратная форма кальция гидрофосфата [СаНРО₄·2Н₂О] и октакальцийфосфат [ Са₈Н₂(РО₄)₆·5Н₂О]. Указанные соединения выполняют роль легко мобилизуемого резерва ионов кальция и фосфата, который используется при построении кристаллической структуры гидроксиапатита, а октакальцийфосфат способен спонтанно превращаться в гидроксиапатит.

Зрелая, полностью минерализованная кортикальная кость содержит примерно 45% кристаллических минералов, до 28% коллагена, не менее 2% органических веществ и около 25% воды в весовом соотношении, а по объему минеральная фаза составляет около 23%, органические молекулы – 37% и вода – 40%.