Benutzer:Nothingserious/Calciumphosphate

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Hydroxylapatit hat ein Löslichkeitsprodukt von pK_S = 116,8 bei 25 °C, was einer Löslichkeit von 0,3 mg/L entspricht. Es ist als Feststoff stabil in einem pH-Bereich von 9,5 bis 12,0.^[1][2]

Das natürlich vorkommende Calciumphosphat entspricht nicht dem chemischen reinen und zu 100 % kristallinen Hydroxylapatit, sondern weist Substitutionen im Kristallgitter auf. In erster Linie findet bei Kontakt mit Carbonationen, zum Beispiel aus dem Blut und der Interstitialflüssigkeit, eine Substitution von PO₄³⁻ durch CO₃²⁻ statt. Weitere wichtige Substituenten in vivo sind vor allem Magnesium-, aber auch Natrium- und Zinkionen, ebenso biologische Spezies wie Citrat und Proteine.^[3][4][5]

Knochen, Zahnbein und Zahnschmelz bestehen allerdings nicht ausschließlich aus mineralischem Apatit. Vielmehr sind flache Partikel aus carbonatsubstituiertem Hydroxylapatit in eine Matrix aus Proteinen, vornehmlich Kollagen, eingebettet, wodurch das Knochenmaterial die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs erhält.^[6][7]

Für die Herstellungen spielen die Löslichkeit und die pH-Stabilität verschiedener Calciumphosphate eine Rolle. Um aus wässriger Lösung Hydroxylapatit zu erhalten, muss ein molares Calcium-zu-Phosphat Verhältnis von 1,67 vorliegen, und idealerweise ein pH-Wert von 9,5 bis 12,0 eingehalten werden. Werden sehr geringe Konzentrationen verwendet, können die nanoskaligen Kristallisationskeime durch Zusatz von ionischen Spezies oder Polymeren wie SDS, CTAB, PEI, PVP und anderen, an der weiteren Agglomeration zu größeren Partikeln gehindert werden.^[8] Man erhält dadurch Hydroxylapatit-Nanopartikel, die wie im Abschnitt Verwendung beschrieben für die biologische und medizinische Forschung genutzt werden können.

Für die Beschichtung von Implantaten mit Hydroxylapatit gibt es den Ansatz, Oberflächen aus bioaktiver Glaskeramik über mehrere Tage in simulierter Körperflüssigkeit zu inkubieren. Die Konzentration von Calcium- und Phosphationen in der Lösung überschreitet das Löslichkeitsprodukt und es fällt nach und nach Calciumphosphat aus.^[9] Sind bezüglich pH-Wert und Zusammensetzung der simulierten Körperflüssigkeit die richtigen Voraussetzungen gegeben, wird eine dem Hydroxylapatit ähnliche bis gleiche Modifikation erhalten.^[10][11] Durch dieses Vorgehen ist es möglich, andere Stoffe im entstehenden Calciumphosphat als Kopräzipitat einzulagern. In Frage dafür kommen anorganische Bestandteile, wie Silizium, die durch eine veränderte Oberflächenbeschaffenheit die Osteokonduktivität fördern können.^[11] Ebenfalls erforscht wird die Einlagerung von Proteinen, vornehmlich Wachstumsfaktoren wie zum Beispiel BMPs, um dadurch auch Osteoinduktivität zu erreichen.

In der biologischen Nanotechnologie wird Hydroxylapatit, neben anderen Calciumphosphaten, zunehmend als Wirkstofftransporter erforscht, da es als im Körper vorkommender Stoff sehr gut biokompatibel ist. In vielen Ansätzen werden Nanopartikel aus Hydroxylapatit nasschemisch ausgefällt, zum Beispiel wie im Abschnitt Synthetische Herstellung beschrieben. Die Nanopartikel können dann entweder durch selbstorganisierende Monolagen mit weiteren Stoffen modifiziert werden, oder als Kern-Schale-Partikel einen Wirkstoff einkapseln. Die so erhaltene Suspension wird dann per Injektion verabreicht. Die Partikel werden über WORÜBER? in die Zelle aufgenommen. Die Elimination des Calciumphosphat aus den Partikeln findet teilweise über Lyse in den Lysosomen statt, teilweise werden die Nanopartikel auch unverändert renal ausgeschieden.QUELLEN

Mit solchen Partikeln ist es zum Beispiel möglich, Photosensibilisator wie Temoporfin für die photodynamische Therapie zielgerichtet in Tumorgewebe zu akkumulieren. Dazu werden die Nanopartikel zusätzlich zusätzlich zum Photosensibilisator mit tumorspezifischen RGD-Peptiden versehen. Um die Verteilung im Körper zu verfolgen, können die selben Nanopartikel mit einem Fluoreszenzfarbstoff als drittem funktionalisierendem Agenz versehen werden.^[12] Ebenfalls erforscht werden die Verwendung als DNA- beziehungsweise Gentransporter^[13][14] und als Transporter für interferierende RNA wie siRNA^[15] und microRNA.^[16]

1. ↑ Noam Eliaz, Noah Metoki: Calcium Phosphate Bioceramics: A Review of Their History, Structure, Properties, Coating Technologies and Biomedical Applications. In: Materials. Band 10, Nr. 4, 2017, S. 334–438, hier S. 17, doi:10.3390/ma10040334, PMC 5506916 (freier Volltext). 
2. ↑ Sergey V. Dorozhkin: Calcium Orthophosphate-Containing Biocomposites and Hybrid Biomaterials for Biomedical Applications. In: Journal of Functional Biomaterials. Band 6, Nr. 3, 2015, S. 708–832, doi:10.3390/jfb6030708, PMC 4598679 (freier Volltext). 
3. ↑ Brigitte Wopenka, Jill D. Pasteris: A mineralogical perspective on the apatite in bone. In: Materials science & engineering. C, Materials for biological applications. Band 25, Nr. 2, 2005, S. 131–143, doi:10.1016/j.msec.2005.01.008. 
4. ↑ Racquel Z. LeGeros, Besim Ben-Nissan: Introduction to Synthetic and Biologic Apatites. In: Besim Ben-Nissan (Hrsg.): Advances in Calcium Phosphate Biomaterials (= Springer Series in Biomaterials Science and Engineering). Band 2. Springer, Berlin / Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-53979-4, S. 1–17, doi:10.1007/978-3-642-53980-0_1. 
5. ↑ Pierre Layrolle, Guy Daculsi: Physicochemistry of Apatite and Its Related Calcium Phosphates. In: Betty León, John A. Jansen (Hrsg.): Thin Calcium Phosphate Coatings for Medical Implants. Springer, New York, NY 2009, ISBN 978-0-387-77718-4, S. 9–24, doi:10.1007/978-0-387-77718-4_2. 
6. ↑ Rainer Deutzmann, Peter Bruckner: Knorpel- und Knochengewebe. In: Peter C. Heinrich, Matthias Müller, Lutz Graeve (Hrsg.): Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie. Springer, Berlin / Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-17972-3, S. 952–960, doi:10.1007/978-3-642-17972-3_72. 
7. ↑ Huipin Yuan, Klaas de Groot: Calcium Phosphate Biomaterials: An Overview. In: R. L. Reis, S. Weiner (Hrsg.): Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes: Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, held in Alvor, Algarve, Portugal, 13-24 October 2003 (= NATO Science Series II). Band 171. Springer Science + Business Media, Dordrecht 2005, ISBN 978-1-4020-2647-8, S. 37–57, doi:10.1007/1-4020-2648-X_3. 
8. ↑ Thea Welzel, Wolfgang Meyer-Zaika, Matthias Epple: Continuous preparation of functionalised calcium phosphate nanoparticles with adjustable crystallinity. In: Chemical communications (Cambridge, England). Nr. 10, 2004, S. 1204–1205, doi:10.1039/B402521K. 
9. ↑ T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi, T. Yamamuro: Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W3. In: Journal of Biomedical Materials Research. Band 24, Nr. 6, 1990, S. 721–734, doi:10.1002/jbm.820240607. 
10. ↑ Jianguo Li, Hailhong Liao, Malena Sjöström: Characterization of calcium phosphates precipitated from simulated body fluid of different buffering capacities. In: Biomaterials. Band 18, Nr. 10, 1997, S. 743–747, doi:10.1016/S0142-9612(96)00206-2. 
11. ↑ ^{a b} Akiyoshi Osaka: Self-Assembly and Nano-layering of Apatitic Calcium Phosphates in Biomaterials. In: Besim Ben-Nissan (Hrsg.): Advances in Calcium Phosphate Biomaterials (= Springer Series in Biomaterials Science and Engineering). Band 2. Springer, Berlin / Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-53979-4, S. 97–169, doi:10.1007/978-3-642-53980-0_5. 
12. ↑ Katja Haedicke, Diana Kozlova, Susanna Gräfe, Ulf Teichgräber, Matthias Epple, Ingrid Hilger: Multifunctional calcium phosphate nanoparticles for combining near-infrared fluorescence imaging and photodynamic therapy. In: Acta biomaterialia. Band 14, 2015, S. 197–207, doi:10.1016/j.actbio.2014.12.009. 
13. ↑ Vuk Uskoković, Dragan P. Uskoković: Nanosized hydroxyapatite and other calcium phosphates: chemistry of formation and application as drug and gene delivery agents. In: Journal of biomedical materials research. Part B, Applied biomaterials. Band 96, Nr. 1, 2011, S. 152–191, doi:10.1002/jbm.b.31746. 
14. ↑ M. Epple, K. Ganesan, R. Heumann, J. Klesing, A. Kovtun, S. Neumann, V. Sokolova: Application of calcium phosphate nanoparticles in biomedicine. In: J. Mater. Chem. Band 20, Nr. 1, 2010, S. 18–23, doi:10.1039/B910885H. 
15. ↑ Annika Frede, Bernhard Neuhaus, Torben Knuschke, Munisch Wadwa, Sebastian Kollenda, Robert Klopfleisch, Wiebke Hansen, Jan Buer, Dunja Bruder, Matthias Epple et al.: Local delivery of siRNA-loaded calcium phosphate nanoparticles abates pulmonary inflammation. In: Nanomedicine. Band 13, Nr. 8, 2017, S. 2395–2403, doi:10.1016/j.nano.2017.08.001. 
16. ↑ Hyosook Jung, Seung An Kim, Yong Geun Yang, Hyundong Yoo, Soo-Jeong Lim, Hyejung Mok: Long chain microRNA conjugates in calcium phosphate nanoparticles for efficient formulation and delivery. In: Archives of pharmacal research. Band 38, Nr. 5, 2015, S. 705–715, doi:10.1007/s12272-014-0451-0.