Апатит — фосфатен минерал: състав, видове и роля в зъбите и костите

Апатит — фосфатен минерал: състав, разновидности и ключова роля в зъбния емайл и костите. Научете за хидроксиапатит, флуорапатит и влиянието на флуора.

Апатитът е група фосфатни минерали с висока концентрация на OH-, F-, Cl- или други йони в кристала.

Апатитът е характерен за биологичните системи. Той е един от малкото минерали, които се произвеждат и използват от биологичните микросреди. Твърдостта му е 5 по скалата на Моос. Хидроксиапатитът е основната съставка на зъбния емайл и костния минерал.

Голяма част от костния материал е в сравнително рядката форма на апатит. В тази форма повечето от ОН групите отсъстват и има много карбонатни и киселинни фосфатни замени.

Флуорапатитът (или флуороапатитът) е по-устойчив на киселинни атаки, отколкото хидроксиапатитът. В средата на 20-ти век е установено, че общностите, чиито водоснабдителни системи естествено съдържат флуор, имат по-ниски нива на зъбен кариес. Флуорираната вода позволява обмен в зъбите на флуорни йони за хидроксилни групи в апатита. По същия начин пастата за зъби често включва източник на флуорни аниони (напр. натриев флуорид, натриев монофлуорофосфат).

Състав и строеж

Класическата химична формула за апатитната група се дава като Ca5(PO4)3(OH,F,Cl), а често се среща и по-формално като Ca10(PO4)6(OH,F,Cl)2, когато се отчита целият елементарен блок. Кристалната структура е хексагонална и съдържа канали, в които могат да се разположат ОН-, F- или Cl- йони. В природата тези позиции често са частично заети или заместени от други йони (напр. Na+, Mg2+, Sr2+), както и от карбонатни групи.

Основни видове апатит

• Хидроксиапатит (Ca5(PO4)3OH или Ca10(PO4)6(OH)2) — основен минерал в зъбния емайл и в костите при гръбначните.
• Флуорапатит — съдържа F- вместо OH-; по-малко разтворим в кисела среда и по-устойчив на деминерализация.
• Хлорапатит — съдържа Cl-; също част от апатитната група, но по-рядко срещан в биологичен контекст.
• Карбонатен апатит — широко разпространен в костите и зъбите, при който PO4(3-) частично е заменен от CO3(2+) (т.нар. B-тип) или OH- е заменено от CO3(2+) (A-тип).

Физични и химични свойства

Типични свойства: твърдост около 5 по скалата на Моос, относителна плътност ~3.1–3.2 g/cm3, кристална система хексагонална, облик — призматични кристали или зърнести маси. Разтворимостта зависи силно от типа апатит: флуорапатитът е най-малко разтворим, хидроксиапатитът е по-реактивен към киселини, а карбонатният апатит е още по-реактивен и лесно подлежи на деминерализация.

Роля в зъбите и костите

Пригръбначните животни и хората минералната част на зъбите и костите е предимно апатит със значителни замени и дефекти в кристалната решетка:

• Зъбен емайл: около 90–96% минерал (главно хидроксиапатит), много плътно и твърдо съединение; това прави емайла най-твърдата тъкан в човешкото тяло.
• Дентин: около 70% минерал по тегло (по-малко минерален и по-органичен от емайла), структурата е по-пореста и по-податлива на кариес при деминерализация.
• Кост: около 60–70% минерал по тегло (карбонатен апатит), останалата част е органична матрица (предимно колаген), която придава гъвкавост и здравина.

Минералите в костите и зъбите се формират чрез биоминерализация — клетките (амелобласти при емайла, остеобласти при костта) контролират утаяването и растежа на апатитните нанокристали в присъствието на белтъчни матрици и йонни концентрации.

Биологични и медицински приложения

Синтетичният хидроксиапатит има широки приложения в стоматологията и ортопедията: използва се за имплантни покрития, костни заместители и във формули за реминерализация. Нанохидроксиапатитът в някои пасти за зъби подпомага възстановяването на повърхностни дефекти в емайла. В медицината апатитните материали се използват за биосъвместими покрития на метални импланти, поради добрата си съвместимост с костната тъкан.

Промишлено значение и екология

Апатитните руди (фосфатни скали) са основният източник на фосфор за производство на фосфорни торове (фосфорна киселина и нейни соли). Добивът и преработката на фосфатни камъни имат значително икономическо значение, но и екологични предизвикателства — ерозия, загуба на местообитания и риск от замърсяване с фосфати, водещо до евтрофикация на водни басейни.

Идентификация и находища

Апатит се среща в магматични, метаморфни и седиментни образувания — като кристали в пегматити, в метаморфни скали, и в големи натрупвания на фосфорити (sedimentary phosphorites). Кристалите могат да бъдат прозрачни до непрозрачни, в различни цветове (зелен, син, жълт, кафяв). За идентификация се използват твърдост, форма на кристалите, специфично тегло и реакции при киселини (карбонатните примеси могат да реагират).

Флуоризация и безопасност

Флуоридите намаляват разтворимостта на апатита и улесняват реминерализацията на зъбния емайл чрез заместване на OH- в хидроксиапатита с F-, което води до по-устойчива фаза. Въпреки това, прекомерно високи нива на флуор в питейната вода или продължителна голяма експозиция могат да причинят стоматологична флуороза (дистрофични промени в емайла) и при много високи дози — системни ефекти. Затова флуоризацията на водата и употребата на флуориди се регулират и се прилагат в безопасни граници.

Апатитът е ключов минерал както за геологията и промишлеността, така и за биологията и медицината — разбиране на неговата химия, структура и реактивност е важно за съхраняване на здравето на зъбите и костите, за ефективно използване на фосфорните ресурси и за намаляване на екологичните въздействия от добива му.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява апатитът?

В: Каква е характеристиката на апатита по отношение на биологичните системи?

В: Каква е твърдостта на апатита по скалата на Моос?

В: Какво представлява хидроксиапатитът?

В: Каква е рядката форма на апатита, която се среща в повечето костни материали?

В: Какво представлява флуорапатитът?

В: Каква е връзката между флуорида и зъбния кариес?

Търсене по буква