Локальное увеличение содержания фосфатов в тканевых житкостях приводит к минерализации [58,59]. Впервые мнение о ведущей роли щелочной фосфатазы в локальном повышении концентрации фосфатов высказано в работе [60]. Подобный эффект достигается при отщеплении остатков фосфорных кислот от гексозофосфатов или глицерофосфатов под ее влиянием. В результате меняется пропорция свободных фосфат ионов и ионов кальция, что стимулирует процесс формирования минеральных структур.

Минералы кости отличаются от минералов в других тканях [61-62]. Так, зубная эмаль состоит из призматических или стержневидных кристаллов ГА диаметром около 4 мкм. Эмаль имеет наибольшую твердость из всех тканей организма. Дентин представляет собой минерализованную ткань с распределенными органической и минеральной составляющими, подобным токовому в костной ткани. Дентин пронизан дентинными канальцами, имеющими диаметр 3-5 мкм и связанными с пульпой зуба.

Минеральный матрикс в частности, как и костная ткань в целом, находится в состоянии постоянной перестройки. Этот процесс получил название ремоделирования или «костного оборота». Ремоделирование включает удаление старой кости – резорбцию, вслед за которой происходит синтез нового матрикса с последующей его минерализацией – формирование кости. Цикл ремоделирования сопровождается выходом в кровоток кальция, компонентов костной ткани, ферментов, секретированных костными клетками. Цикл ремоделирования состоит из трех фаз: резорбция, реверсия и формирование (Рис.3). Процесс резорбции кости осуществляется остеокластами и мононуклеарными клетками, процесс формирования кости – остеобластами [63,64]. Соотношение между резорбцией и формированием новой костной ткани регулируется ионами кальция, паратиреоидным гормоном, кальцитонином, метаболитами витамина D, а также половыми и тиреоидными гормонами, глюкокортикоидами, гормоном роста и инсулином, простагландинами и соответствующим местным действием цитокинов. Биологический смысл феномена ремоделирования кости состоит в приспособлении механических свойств кости к постоянно меняющимся условиям окружающей среды [65].

Кость весьма неоднородна по микроструктуре и механическим свойствам. Механические свойства определяются пористостью (содержание пор изменяется от 5 до 95 %), степенью минерализации и ориентацией волокон коллагена [51]. Кортикальная кость является композиционным материалом, на наноструктурном уровне представляющим собой взаимопроникающий каркас, состоящий из минералов на основе ГА и волокон коллагена. Данный каркас формирует слоистую микроструктуру, которая, в свою очередь, является основной для ориентированных цилиндрических образований на макроуровне [70]. Такая сложная структура обусловливает высокую прочность и, особенно, сопротивление разрушению костной ткани, в соответствии с известными представлениями механики разрушения композиционных материалов с хрупкими матрицами [71]. Главными механизмами упрочнения, ответственными за высокое сопротивление разрушению, по всей видимости, являются отклонение трещины границами раздела, и вытягивание волокон коллагена. Разрушение кости происходит при деформациях свыше 3 %. Жёсткость кости увеличивается с увеличением содержания минеральной составляющей.

В табл.2 приведены данные по прочности, модулю нормальной упругости, трещиностойкости и удельной работе разрушения кортикальной кости, дентина и зубной эмали [21]. Различие в свойствах этих тканей определяется различиями в составе и микроструктуре. Показатели механических свойств костной ткани резко снижаются с увеличением пористости. Предложено экстраполированное соотношение как для трабекулярной, так и кортикальной кости, для описания зависимости модуль упругости (Е) от пористости (р) [72-75]:

Е = 15(1-р)3 (1)

Согласно данным [35], прочность при сжатии губчатого вещества из проксимальной области большеберцовой кости составляет всего лишь около 3,5 МПа, прочность этого вещества из головки тазобедренного сустава равна 1-15 МПа, а прочность кортикальной кости верхней суставной поверхности большеберцовой кости – 3-23 МПа. По некоторым оценкам, прочность кортикальной кости может достигать значения 150 МПа.

2. Ортофосфаты кальция

Несмотря на значительное количество ортофосфатов, кристаллизующихся в системе СаО - Р2О5, широкое применение в медицине находят лишь два из них: трехкальциевый фосфат - модификации (-ТКФ) и гидроксиапатит. На рис.4 представлена диаграмма фазового равновесия в системе СаО - Р2О5 [76]. Детально вопросы, связанные со структурой, синтезом и свойствами ортофосфатов кальция рассмотрены в монографиях Ван Везера [76] и Эллиотта [77].

Предложено условно подразделять все ортофосфаты кальция на две категории: низкотемпературные, то есть синтезированные при относительно невысоких температурах и не подвергнутые термической обработке для кристаллизации продукта синтеза, и высокотемпературные, то есть подвергнутые термической обработке (табл. 3) [28].

Вопросы фазообразования при синтезе соединений в системах ортофосфатов кальция при физиологических условиях были рассмотрены в работе [28]. Наиболее близкими к естественной ткани и перспективными для практических применений являются дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД), октокальциевый фосфат (ОКФ), так называемый осажденный гидроксиапатит (ОГА) и аморфный фосфат кальция (АФК). Присутствие всех этих фосфатов обнаружено в костных тканях [78].

Октокальциевый фосфат, как полагают, является предшественником кристаллизации апатита в зубных и костных тканях [77,79]. Кристаллизация ОКФ при синтезе происходит затрудненно, сам ОКФ может появляться в качестве промежуточной фазы при синтезе ОГА [28].

Аморфный фосфат кальция имеет соотношение Са/Р, соответствующее таковому у ДКФД. Однако высокая скорость растворения АФК по сравнению с ДКФД существенно ограничивает возможности его применения для замещения костной ткани или реминерализации зубной эмали. В водной среде АФК переходит в кальций-дефицитный ОГА:

3Са3(РО4)2·nH2O ® Ca9(PO4)5(HPO4)OH + (3n-1)H2O (2)

Практическое применение в качестве материалов для имплантирования могут найти только два ортофосфата кальция, которые могут быть синтезированы при физиологических условиях, а именно ДКФД и ОГА.

ДКФД со структурой брушита наиболее простой по технологии синтеза при температуре, близкой к комнатной, ортофосфат кальция. Его рассматривают как прекурсор кристаллизации ГА в костной ткани в условиях слабощелочного рН (>7) [80]. Обнаружено, что в условиях in vivo ДКФД переходит в ОГА [81], либо подвергается резорбции, замещаясь костной тканью [82]. Превращение ДКФД в ГА происходит согласно реакции

5СаНРО4×2Н2О ® Са5(РО4)3ОН + 2Н3РО4 + 9Н2О (3)

с выделением ортофосфорной кислоты. Соответственно этому, слабощелочная среда, нейтрализующая ортофосфорную кислоту, должна сдвигать равновесие в сторону образования ГА. ДКФД легко получить методом химического осаждения из растворов солей кальция и ортофосфорной кислоты, например нитрата кальция и (кислого) фосфата аммония. Добавление к реакционной смеси источника гидрокси-групп, например гидроксидов аммония или щелочного металла, может привести в осаждению ОГА с регулируемым соотношением Са/Р выше 1,5, что может рассматриваться как некоторое промежуточное соединение между ДКФД и ГА. Важно, что ОГА менее подвержен резорбции жидкостями организма по сравнению с ДКФД и даже, чем бета-модификация трехкальциевого фосфата, который получают высокотемпературным разложением ОГА. Однако в кислой среде, при рН больше 5,0, скорость резорбции ДКФД становится ниже, чем скорость резорбции ГА и, тем более, ОГА [83]. Переход ДКФД в ОГА может быть подавлен введением ионов магния в реакционную смесь [28].