Μελέτη της διεπιφάνειας ηλεκτρολυτικού διαλύματος / στερεών με βιολογικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον

Abstract

Hydroxyapatite {Ca5(PO4)3OH, HAP}, which is the thermodynamically most stable crystalline phase of calcium phosphate, is known to be a highly biocompatible material. Hard tissues of higher mammals including bone, dentin, and dental enamel are natural composites that contain hydroxyapatite (or a similar mineral), bound with proteins, other organic materials and water. The interaction of biomolecules with the surface of HAP is of great importance in systems where biological fluids are in contact with hard tissues. Proteins and/or peptides strongly adsorbed on HAP have been implicated in the mineralization of hard tissues, in some cases as accelerators, while in others as inhibitors. The acid-base properties of synthetically prepared and well-characterized hydroxyapatite (HAP) in contact with KNO3 solutions were investigated at 25 oC, through potentiometric titrations, ζ potential measurements and surface complex modeling. Aliquots of suspension were withdrawn every 0.5 pH unit during the titration procedure and analyzed for calcium and phosphate. It was found that, even for rapid titration experiments, a remarkable amount of H+ ions () is consumed in the bulk solution reacting with species coming from the dissolution of HAP. These H+ ions must be taken into account in the H+ mass balance, in order that true value for the point of zero charge (pzc=6.5±0.2) and consequently true value for the surface charge (σo) to be obtained. Besides the conventional potentiometric titration technique, it was found that pzc may be determined much easier as the intersection point of the suspension titration curve and the blank one modified to include the amount of , obtained at one ionic strength. Finally, a surface complexation model was proposed for the development of surface charge. Experimental data were satisfactorily fitted by using the value of 4.2 F m-2 for the capacitance. A home made instrument was used for the measurement of the streaming potential, conductivity and permeability of plugs packed in different densities with hydroxyapatite (HAP) particles at 25 oC and pH = 7.0 ± 0.2. KCl solutions with ionic strength values in the range 0.3 - 300 mM, equilibrated with hydroxyapatite for three days, were forced to flow through the plugs. It was found that the particle volume fraction of the plug obtained from conductivity measurements was slightly higher than that obtained by weighing the solid. This suggested that in addition to the volume of the solid itself, a volume of liquid trapped in the cavities of the particles does not contribute to the conductivity of the plug. The pH change recorded in the solution passed through the plug, was attributed to the protonation/deprotonation of the HAP surface groups. Denser packing of the HAP crystallites resulted to higher surface conductivities. It was suggested that this trend was due to the easier inter-particle ion transport in close packed plugs. Considering ζ potential, the values computed by neglecting surface conductivity were significantly underestimated, especially at low ionic strength values and at dense packing. More realistic values for the HAP ζ potential were obtained taking into account the surface conductivity. These values were practically independent on the material packing during the plug preparation. Finally, the total surface conductivity was found to be limited behind the slipping plane of the electric double layer, developed at the interface of hydroxyapatite in contact with electrolyte solution.

Ο υδροξυαπατίτης {Ca5(PO4)3OH, HAP}, ο οποίος είναι θερμοδυναμικά η σταθερότερη κρυσταλλική φάση του φωσφορικού ασβεστίου, αποτελεί το βασικό ανόργανο συστατικό των σκληρών ιστών των ανώτερων θηλαστικών και ως εκ τούτου είναι ένα πολύ καλό βιοσυμβατό υλικό. Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων διαφόρων βιομορίων με την επιφάνεια του ΗΑΡ έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε συστήματα, στα οποία βιολογικά υγρά έρχονται σε επαφή με σκληρούς ιστούς. Έχει παρατηρηθεί ότι κάποιες σιελογόνες πρωτεϊνες ή/και πεπτίδια, όταν προσροφώνται στην επιφάνεια του ΗΑΡ παρεμποδίζουν ή επιταχύνουν την κρυσταλλική ανάπτυξή του. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν αρχικά οι οξεο-βασικές ιδιότητες του συνθετικού ΗΑΡ υπό μορφή αιωρήματος, το οποίο βρίσκεται σε επαφή με ηλεκτρολυτικό διάλυμα KNO3 στους 25 oC, με τη μέθοδο ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων και με μετρήσεις ηλεκτροφορητικής κινητικότητας. Κατά τη διάρκεια της τιτλοδότησης, μια μικρή ποσότητα από το κυρίως διάλυμα αφαιρείται κάθε 0.5 μονάδα pH και αναλύεται για φωσφορικά και ασβέστιο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα παρατηρήθηκε ότι ακόμη και σε πειράματα γρήγορων τιτλοδοτήσεων, μία ποσότητα ιόντων H+, (), καταναλώνεται στο κυρίως διάλυμα αντιδρώντας με τα ιοντικά είδη τα οποία προκύπτουν από τη διάλυση του ΗΑΡ. Αυτά τα ιόντα Η+ πρέπει να ληφθούν υπόψη στο ισοζύγιο μάζας των ιόντων Η+ προκειμένου να προσδιοριστεί το ΣΜΦ και στη συνέχεια το επιφανειακό φορτίο. Καταλήξαμε έτσι στο συμπέρασμα ότι, εκτός από την κλασική μέθοδο των ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων, το ΣΜΦ μπορεί να προσδιοριστεί πιο εύκολα από το σημείο τομής της καμπύλης τιτλοδότησης του αιωρήματος και της «διορθωμένης» καμπύλης τιτλοδότησης του διαλύματος (δηλαδή της καμπύλης στην οποία συμπεριλαμβάνεται η ποσότητα των ιόντων H+ που καταναλώνεται στο κυρίως διάλυμα αντιδρώντας με τα ιοντικά είδη τα οποία προκύπτουν από τη διάλυση του ΗΑΡ, ), σε μία τιμή ιοντικής ισχύος. Τέλος, προτάθηκε ένα μοντέλο για την ανάπτυξη του επιφανειακού φορτίου. Η χρήση του μοντέλου της σταθερής χωρητικότητας για τη δομή της ηλεκτρικής διπλοστοιβάδας με μια τιμή για τη χωρητικότητα ίση με 4.2 F m-2, οδήγησε σε πολύ καλή προσαρμογή των πειραματικών αποτελεσμάτων.