Кристаллизация фосфатов кальция из растворов, моделирующих состав плазмы крови человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кристаллизация фосфатов кальция из растворов, моделирующих состав плазмы крови человека

Голованова Ольга Александровна и Солодянкина Анна Андреевна

Кафедра неорганической химии. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского. Проспект Мира, 55-А. г. Омск, 644077. Россия. Тел.: (3812) 26-81-99.

E-mail: golovanoa2000@mail.ru, solodyankina.a@gmail.com

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследований кинетики нуклеации и процесса роста кристаллов в растворах, моделирующих состав плазмы крови человека. Приведены результаты рентгенофазового анализа и оптической микроскопии. Установлено, что при изменении пересыщения изменяется состав осадка - октофосфат кальция переходит в гидроксиапатит. Показано влияние некоторых неорганических (ионов магния) и органических (аланина и глюкозы) добавок на кинетику кристаллизации.

Ключевые слова: кристаллизация, пересыщение, фосфат кальция, плазма крови, кинетика.

кинетика нуклеация плазма кровь

Введение

Процессы кристаллизации малорастворимых соединений всегда привлекали внимание исследователей [1, 2]. Интерес вызван тем, что данные соединения входят в состав патогенных минералов и являются болезнями организма человека, например, артериосклероз - заболевание, связанное с отложением солей кальция в сосудах. Это заболевание - второе по распространенности среди всех склеротических поражений артериальных сосудов после атеросклероза. Кроме того, изучение данных соединений вызывает интерес при синтезе перспективных биоматериалов [3]. Сведения о кристаллизации патогенных и физиогенных малорастворимых соединений из биологических жидкостей весьма малочисленны [4].

Основной сложностью при изучении таких систем является их состав. Биологические жидкости состоят из множества компонентов, как неорганических, так и органических [5].

Например, плазма крови служит связующим звеном между всеми, находящимися вне кровеносных сосудов жидкостями, именно поэтому она была выбрана в качестве модельной среды. Кровь - жидкая ткань, осуществляющая в организме транспорт химических веществ. Кроме того, кровь выполняет защитную, регуляторную, терморегуляторную и другие функции.

На долю плазмы приходится 55-60% от объема крови. Плазма содержит 90-91% воды и 9-10% сухого вещества. Среди растворенных в плазме веществ - низкомолекулярные органические соединения (мочевина, мочевая кислота, аминокислоты и так далее); большие и очень сложные по структуре молекулы белков; частично ионизированные неорганические соли [5].

За последние годы увеличился процент патогенного минералообразования в кровеносных сосудах, сердечных клапанах. Это связано с целым рядом факторов, как экзогенного характера, так и эндогенного [1, 6]. Поэтому, изучение процессов кристаллизации малорастворимых соединений образующихся в организме человека с целью профилактики и предотвращения заболеваний является перспективным направлением исследований.

В данной работе приведены результаты исследования характера кристаллизации малорастворимых соединений из растворов, моделирующих состав плазмы крови человека, в условиях, близких к физиологическим.

Экспериментальная часть

Для изучения кристаллизации раствора, моделирующего состав плазмы крови (табл. 1), были приготовлены растворы, содержащие ионы, совместное присутствие которых не дает малорастворимых соединений. Корректировку рН до физиологического значения проводили путем добавления 30 %-ного раствора NaOH или HCl (конц.).

Табл. 1. Неорганический состав плазмы крови человека [5]

После сливания эквивалентных объемов растворов (рис. 1) определяли следующие показатели: периоды индукции, оптическую плотность, электропроводность, остаточную концентрацию кальция.

На основании данных, полученных при определении периодов индукции, для кинетических исследований были выбраны следующие пересыщения: 5, 10, 20, 30, 40.

В ходе последующих экспериментов варьировали рН от 7.0 до 8.0 с шагом в 0.1.

Рис. 1. Схема эксперимента

Кинетику кристаллизации исследовали кондуктометрическим и фотометрическим методами [7]. Потенциометрическим методом определяли остаточную концентрацию ионов кальция.

Для определения периодов индукции был использован визуальный метод. Он представляет собой визуальное наблюдение за процессом кристаллизации, и фиксирование времени, в течение которого не наблюдается выпадение осадка из раствора. Все опыты проводили при одинаковой температуре, в отсутствии перемешивания. Полученные данные обрабатывали с помощью уравнения (1).

(1)

где t - время индукции,

S - пересыщение,

n - порядок реакции.

Зависимость периода индукции от пересыщения дает возможность экспериментального определения свободной поверхностной энергии образующихся зародышей. Значение у находили по уравнению (2):

(2)

Используя полученные при изучении кинетики данные, графическим методом определили поря-док реакции роста кристаллов (уравнения 3-5)

(3)

1/C = kt - 1/C0 (4)

1/C2 = kt - 1/C02 (5)

Известно, что неорганические и органические добавки влияют на процесс кристаллизации [6]. Для изучения их влияния использовали растворы с пересыщением 10. В колбы во время приготовления растворов вводили добавки ионов магния, аланина или глюкозы. Концентрации используемых веществ в эксперименте приведены в табл. 2.

Табл. 2. Концентрации используемых добавок, ммоль/л

По окончании времени эксперимента твердые фазы отфильтровывали, высушивали и анали-зировали рентгенофазовым анализом (РФА) - качественный и количественный фазовый анализ. РФА был выполнен на порошковом рентгеновском дифрактометре D8 Advance, Bruker (Германия) в монохроматизированном Сu-kб излучении. Морфологию осадков изучали с помощью микроскопа МБР-1.

Результаты и их обсуждение

1. Кинетика нуклеации

В результате исследования выявили, что по мере увеличения степени пересыщения модельного раствора время индукции уменьшается (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость времени индукции от степени пересыщения системы

На полученных экспериментальных кривых можно выделить три участка, для которых характерна разная скорость изменения времени индукции: пересыщения 3-15, пересыщения 15-30 и пересыщения 30-90. На первом участке время индукции меняется довольно быстро. На третьем участке время индукции уже не зависит от степени пересыщения системы и практически не изменяется.

Аналогичные закономерности получены при изучении влияния пересыщения на исследуемые растворы кондуктометрическим и фотометрическим методом (рис. 3а,б).

а) б)

Рис. 3. Зависимость электропроводности (а) и оптической плотности (б) от степени пересыщения системы

По полученным значениям периодов индукции (табл. 3) рассчитали общий порядок реакции (урав. 1).

Рассчитанный общий порядок реакции оказался дробным и равным 1.6. Установленное значение константы скорости составило 88.61. Известно, что значение порядка указывает на количество частиц, входящих в состав зародыша, а значение константы характеризует общее количество образовавшихся частиц [6].

На основании данных зависимости периодов нуклеации от пересыщения рассчитали удельную поверхностную энергию по теории Гиббса-Фольмера по уравнению (2). Получено, что с увеличением пересыщения растет значение поверхностной энергии (табл. 3).

Это говорит о том, что с ростом пересыщения наблюдается переход от гетерогенного механизма образования зародышей к гомогенному, что хорошо согласуется с раннее полученными данными [6].

Влияние используемых добавок на скорость зародышеобразования представлено в табл. 4.

Из полученных данных видно, что ионы магния промотируют процесс нуклеации, причем данный эффект снижается при увеличении концентрации добавки. По нашему мнению, это связано с образованием малорастворимых фосфатов магния (рПР (Mg3(PO4)2) = 13).

В свою очередь, аланин и глюкоза достаточно сильно ингибируют скорость стадии зародышеобразования (в ? 50 раз).

Табл. 3. Зависимость удельной поверхностной энергии от пересыщения

Табл. 4. Величина периодов индукции при различных концентрациях добавок (S = 10, рН = 7.4)

Причем, рост концентрации данных добавок увеличивает значение периода индукции, при этом во всех случаях зависимость времени индукции от пересыщения носит линейный характер. Такое поведение изучаемой системы в присутствии аланина и глюкозы можно объяснить процессами комплексообразования с ионами кальция и адсорбцией данных соединений на поверхности образующихся зародышей [8-10].

Рис. 4. Пример кинетической кривой для пересыщения 20

2. Кинетика кристаллизации

Для пяти выбранных пересыщений (5, 10, 20, 30, 40) был снят ряд кинетических кривых при варьировании рН раствора (рис. 4).

Табл. 5. Константы скорости реакции роста кристаллов в зависимости от пересыщения и рН

Полученные кинетические кривые были обработаны и, графическим методом определен порядок реакции роста кристаллитов. Наиболее адекватно описывает кинетику роста в изучаемой системе, уравнение для реакции второго порядка (урав. 4). Исходя, из этого были, рассчитали константы скорости (табл. 5).

Отмечена зависимость константы от рН, и величины пересыщения, но при этом порядок значений констант отличается не значительно.

По нашему мнению зависимость констант от рН связана с фор-мой нахождения фосфат-ионов в растворе [11]. В диапазоне рН от 7 до 8 присутствуют гидрофосфат- и дигидрофосфат-ионы, поэтому в данном диапазоне рН могут кристаллизоваться октофосфат кальция (рН = 5.5-7.0), кальций дефицитный гидрокси-апатит (рН = 6.5-9.5) и аморфный фосфат кальция (рН = 5-12), что подтверждает сложность протекающих процессов.

3. Кинетика кристаллизации в присутствии добавок

По аналогии с процессом нуклеации, для изучаемых добавок были получены кинетические кривые (рис. 5).

а) б)

в)

Рис. 5. Кинетические кривые для растворов с добавками ионов магния (а), аланина (б) и глюкозы (в), при (S = 10, рН = 7.4)

Как видно, все добавки уменьшают концентрацию ионов кальция в исходном растворе. В случае ионов магния (рис. 5а) видно, что при увеличении концентрации ионов магния в растворе увеличивается остаточная концентрация кальция.

Это связано с тем, что ионы магния могут изоморфно встраиваться в кристаллиты образующихся фосфатов кальция, тем самым увеличивая концентрацию ионов кальция в растворе, кроме того часть фосфат-ионов расходуется на образование нерастворимого фосфата магния, а не кристаллизацию фосфатов кальция.

Для аланина и глюкозы (рис. 5б,в) обратная зависимость: чем больше концентрация аланина и глюкозы в растворе, тем меньше остаточная концентрация ионов кальция. Для аланина характер зависимости концентрации кальция от времени такой же, как для магния (постепенное увеличение).

Табл. 6. Константы скорости роста кристаллов в присутствии добавок

В случае глюкозы видно, что через некоторый промежуток времени концентрация ионов кальция начинает уменьшаться. Это, возможно, происходит из-за образования комплексных соединений кальция с глюкозой [3].

По полученным кинетическим кривым графическим методом определили порядок реакции и константы скорости. Наиболее адекватно описывает кинетику роста в изучаемой системе, уравнение для реакции второго порядка (урав. 4). Исходя из этого, рассчитали константы скорости (табл. 6).

Сравнение констант скорости роста кристаллов с участием добавок и без них, подтверждает их ингибирующее действие на стадию роста кристаллитов. При этом для ионов магния константы скорости не изменяются с увеличением концентрации добавки. В случае аланина и глюкозы зависимость одинаковая: с увеличением концентрации добавки незначительно возрастает константа скорости реакции роста кристаллов.

Причем у глюкозы увеличение концентрации в 100 раз приводит к увеличению константы скорости на порядок. Вероятно частицы ионов кальция с аланином и глюкозой образовавшиеся на стадии нуклеации (за счет процессов комплексообразования) способны выступать в качестве зародышей для дальнейшего роста на их поверхности кристаллов фосфатов кальция.

4. Результаты РФА и оптической микроскопии

Рентгенофазовый анализ полученных твердых фаз (рис. 6а,б) показал, что в полученных осадках при небольших пересыщениях (3-20) кристаллизуется октофосфат кальция, а при больших пересыщениях (20-50) - октофосфат кальция с примесями гидроксиапатита. Известно, что октофосфат кальция может образовываться как промежуточное метастабильное соединение во время осаждения термодинамически более устойчивых ортофосфатов кальция в водных растворах [12].

а б

Рис. 6. Результаты рентгено-фазового анализа осадков с пересыщением 5 (а) и 30 (б)

Рис. 7. Результаты оптической микроскопии для пересыщения 5(а), 20 (б), 40 (в)

Полученные результаты подтверждаются данными оптической микроскопии исследуемых растворов. При большом пересыщении на снимках хорошо наблюдаются вкрапления агрегатов гидроксиапатита (рис. 7).

Заключение

Таким образом, процессы кристаллизации, имеющие место в прототипах биологических жидкостей: слюны [13] и плазмы крови, несомненно, разные, поэтому попытки авторов [14] заменить определение основных показателей крови на анализ слюны являются необосно-ванными.

Выводы

1. По данным оптической плотности, электропроводности и рН выявлены интервалы изменения свойств системы, моделирующей состав плазмы крови, в зависимости от пересыщения: 3-15, 15-30, 30-90.

2. Определен порядок и константа нуклеации (n = 1.6; k = 88.61) фосфатов кальция образующихся в модельном растворе плазмы крови.

3. Определены порядок и константы процесса роста кристаллов фосфатов кальция, образующихся в модельном растворе плазмы крови. Порядок равен двум. Значения констант варьируются в зависимости от рН и пересыщения, но не сильно отличают друг от друга по величине (k ? 4.4Е-06).

4. Проведено сравнение типов кристаллизации модельных растворов плазмы крови для систем с различным исходным пересыщением и в составе осадка обнаружено присутствие октокальцийфосфата и кальций-дефицитного гидроксиапатита.

5. Было изучено влияние добавок на процесс кристаллизации модельных растворов плазмы крови, показано, что:

Ш введение добавок магния, глюкозы, аланина не влияет на величину порядка реакции роста кристаллов (n = 2);

Ш константы скорости исследуемых систем при введении добавок разных концентраций магния не изменяются (k = 0.2Е-03), а с увеличением концентрации аланина и глюкозы возрастают.

Литература

1. Баринов С.М. Тенденции в разработке керамических и композиционных материалов на основе фосфатов кальция. Российский химический журнал. 2009. LIII. №2. С.123-130.

2. Герк С.А., Голованова О.А., Клушин В.А. Фазовый, элементный, аминокислотный и структурный состав физиогенных минералов. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №12. С.80-89.

3. Голованова О.А. Биоминеральные композиты из организма человека: теория, практика, перспективы. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №3. С.113-122.

4. Голованова О.А. Особенности патогенного минералообразования. Вестник Томского государственного университета. 2008. №313. С.215-224.

5. Биохимия. Под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАР Мед. 2003. 356с.

6. Биосовместимые материалы. Под ред. Севостьянова В.И. Физика и химия обработки материалов. 2011. №3. С.87.

7. Голованова О.А. Патогенные минералы в организме человека. Омск. 2007. 396с.

8. Голованова О.А., Пунин Ю.О., Высоцкий А.С., Ханнанов В.Р. Влияние неорганических и органических примесей на нуклеацию одноводного оксалата кальция. Химия в интересах устойчивого развития. 2011. №19. С.501-508.

9. Голованова О.А., Ачкасова Е.Ю., Пунин Ю.О., Желяев Е.В. Основные закономерности кристаллизации оксалата кальция в присутствии аминокислот. Кристаллография. 2006. Т.51. №2. С.376-382.

10. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия. 1989. 464с.

11. Васильев В.П. Аналитическая химия. Книга 1. Титриметрические и гравиметрические методы анализа. М.: Дрофа. 2003. 368с.

12. Орловский В.П., Ежова Ж.А., Родичева Г.В., Суханова Г.Е., Тезикова Л.А. Изучение условий образования гидроксилапатита в системе CaCl2 - (NH4)2HPO4 - NH4OH - H2O (25 °C). Журнал неорганической химии. 1992. Т.37. №4. С.881-883.

13. Голованова О.А., Чиканова Е.С. Особенности кристаллизации прототипов биожидкостей по данным клиновидной дегидратации. Материалы II Межд. конф. Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории, приложения. Астрахань. 2012. С.35-40.

14. Бельская Л.В., Коршунов А.С., Ивасенко П.И. Сравнительная оценка показателей крови и смешанной слюны пациентов на фоне обострения паренхиматозного паротита. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.33. №3. С.122-125.

Размещено на Allbest.ru