P1-Biomineralizacija Na vseh raziskovalnih področjih je biomineralizacije splošna tema raziskav; uporabiti strategijo narave za kreiranje funkcionalnih materialov. Z razumevanjem (posnemanjem) načinov kako narava producira trdne in močne materiale, lahko razvijemo podobne lastnosti man-made materialov...
Biomateriali Anorgansko kemijo in vede o življenju lahko združimo v novo področje, kar je na prvi pogled protislovje. Kljub temu je veliko raziskav usmerjenih k procesom biomineralizacije in k t.i. bioinspired anorganski kemiji materialov. Na tem področju imamo dve vrsti materialov: Trdni biomateriali, ki jih proizvajajo živi organizmi (kosti, zobje hrbtenica, ). Pri teh materialih nam narava ponuja raznovrstnost morfologij, specifične, mehanske, strukturne in druge funkcionalnosti. Na drugi strani imamo: Substance, pridobljene z biomimetičnim pristopom, oz. tiste ki se bodo uporabljale za proteze ali druge medicinske naprave (pripomočke), ki so načrtovani za kontakt s človeškim telesom (sintetični biomateriali). 2
Biominerali lahko tvorijo: KEMIJSKE VEZI neskončne kovalentne vezi ali pa so vezi ionske. Primer za prve so silikati, ki ki se pojavljajo v velikem obsegu v rastlinskem svetu. Listi, celo cele rastline, so pogosto prekriti s povrhnjico iz kremena (dlake ali bodice), ki nudi zaščito pred plenilskimi rastlinojedimi živalmi. 3*
Ionski biominerali bazirajo na Ca-soleh in izkoriščajo visoko mrežno energijo in nizke topnosti teh spojin. Kalcijev karbonat (kalcit, aragonit*) je material, ki je prisoten v školjkah ali lupini jajc. Ti materiali ostanejo še dolgo po tem, ko organizem odmre, dejansko gre za biogeni mineral, ki je rezultat procesa kalcifikacije predzgodovinskih organizmov. 4
5
Kalcijev fosfat (hidroksiapatit) Je mineralna komponenta kosti in zobovja, dober primer, kako organizem proizvaja žive kompozitne materiale. Različne lastnosti kosti pri posameznih organizmih (kot je togost) se razvijejo zaradi različne vsebnosti organskih komponent, večinoma vlaknaste beljakovine kolagena, s katerim je povezan hidroksiapatit. Visoka razmerja hidroksiapatit / kolagen najdemo pri velikih morskih živalih, medtem ko nizka razmerja najdemo pri živalih, za katere je značilna spretnost in elastičnost.. 6
7
8
Raztopina okrog mineralov kosti in zob v izvenceličnem matriksu in slini mora biti nasičena, da se kostni in zobni minerali ne raztapljajo. Hkrati pa ta sistem omogoča remodeliranje kosti in njihovo popravljanje npr. pri razvoju skeleta in ob zlomih. Pri prevelikem prenasičenju pa lahko pride do patološke mineralizacije, ki vodi v ledvične, žolčne in druge kamne. Rast kosti in remodeliranje
Kristalna zgradba hidroksiapatita 10
11
Kaj je biomineralizacija? Proces, v katerem živi organizmi tvorijo minerale, pogosto zato, da postane obstojece tkivo bolj trdo. Je biološko kontrolirana kristalizacija. Poteka v številnih organizmih: v algah nastajajo silikati, v diatomejah in nevretencarjih karbonati, pri vretencarjih kalcijevi karbonati in fosfati. 12
Kaj je biomineralizacija? Ne moremo jo primerjati s kristalizacijo v laboratoriju.* Najbolj poznan primer je na sliki: eksoskelet morskega ježka, ki ga sestavljajo velike, gobi podobne ploščice, ki vsebujejo makropore s premerom15 μm.** Vsaka ploščica je je monokristal iz kalcita bogatega z Mg. Veliki monokristali podpirajo tudi druge organizme: diatomeje in druge s skeleti iz SiO 2 kletk; slika1 Fig1 The porous silica structure of a radiolarian microskeleton showing The large radial spines. 13
Kaj je biomineralizacija? Biomineralizacija je proces, pri katerem se urejeno nalagajo anorganski kristali v celičnem ali zunajceličnem matriksu organizmov 14
V večini so morske školjke zgrajene iz kristaliničnega CaCO 3. Ti biološki objekti so neprimerljivi* z ostalimi sintetičnimi analogi. Narava: ustvarja izredno kontrolo nad velikostjo kristalov, obliko, orientacijo. Prav tako tudi nad njihovimi lastnostmi, kot so jakost, krhkost, izgled Pri sintetičnih analogih CaCO 3 dobimo sicer mešanico kristalov vseh tipov in morfologij 15
Echinoderm (iglonožec) Temporal range: Cambrian recent
Biominerali *Slika 2 prikazuje kristale kalcita, ki so sestavni del centra za gravitacijo v notranjem ušesu. *Ti kristalčki so na membrani nad celicami senzorjev in vsaka sprememba drže, ki povzroči njihov premik rezultira v električnem signalu možganom. Kristali so enako veliki in vretenasti. Enake lastnosti imajo kristali magnetita (Fe 3 O 4 ) k jih najdemo v magnetotaktičnih bakterijah (sl.3). Slika 2 Slika 3 17
18
19
Tvorba biomineralov sledi naslednjim kontrolnim mehanizmom: 1. Kemijska kontrola (topnost, prenasičenost, nukleacija) 2. Prostorska ureditev (omejitev rasti kristalov zaradi velikosti celice, proteinov..) 3. Strukturna kontrola (nukleacija na specifični kristalni ravnini) 4. Morfološka kontrola (rast kristalov je omejena z mejami ki jih določa organski material) 5. Konstrukcijska kontrola (prepletajo se anorganski in organski materiali ki tvorijo urejene strukture, kot so kosti) Kosti se raztapljajo in reformirajo; Kost deluje kot skladišče Ca: demineralizacija/mineralizacija. 20
*
Biomateriali Na tem področju imamo torej dve vrsti materialov: Trdni biomateriali, ki jih proizvajajo živi organizmi (kosti, zobje hrbtenica, ). Pri teh materialih nam narava ponuja raznovrstnost morfologij, kompleksnosti s specifičnimi mehanskimi, strukturnimi in drugimi funkcionalnostmi. Na drugi strani imamo: o Materiale ki so pridobljeni z biomimetičnim pristopom, ali tisti ki se bodo uporabljali za proteze ali medicinske naprave (pripomočke), ki so načrtovani za kontakt s človeškim telesom (sintetični biomateriali).
Običajne sestavine bioloških mineralov so : karbonati, fosfati, halidi, sulfati, oksalati zemljoalkalijskih kovin, kot je Ca, ter oksidi Si in nekaterih prehodnih kovin (Fe..) Razlog za to, da prevladujejo minerali s Ca, je v nizkih topnostnih produktih: karbonatov fosfatov pirofosfatov sulfatov oksalatov, ter visoke koncentracije Ca 2+ v izvenceličnih tekočinah (10-3 M)
Delež ionov mineralne narave v telesnih tekočinah (mmol/l) Krvna plazma Znotrajcelični prostor
Mg soli, so npr. bolj topne, zato ni poznanih enostavnih Mg mineralov. Večina biomineralov so ionske soli (večinoma Ca soli), imajo visoko mrežno energijo, nizko topnost.. izjema je silika, zaradi stabilnosti Si - O - Si vezi v vodi. (kovalentna vez) Poznamo pa tudi druge strukturne tipe biomaterialov kot so, a) amorfni materiali b) urejeni mezoskopski kristalni agregati v obliki makroskopskih funkcionalnih materialov, kot so kosti ali zobje ter c) nanokristalinični materiali.
a) Amorfni materiali: Diatomeje (kremenaste alge).so mikroskopske enocelične alge, ki so pomembna sestavina fitoplanktona. Diatomeje imajo skelet, ki je sestavljen iz biogene amorfne silike: Nalagajo se na morskem dnu: Uporaba v komercialne namene: (polirne kreme, kozmetični izdelki )
Skelet porozne lupine je sestavljen iz amorfne silike, živi del je v notranjosti. Ko ta umre se SiO 2 lupine zbirajo na morskem dnu. Skelet iz biogene amorfne silike, ki bazira na kovalentni vezi, tvori polimerno mrežo iz tetraedrično koordiniranih Si centrov. Namesto do kristalizacije (kot pri drugih biomineralih ) pride do obarjanja amorfne mreže, zaradi stabilnih siloksanskih vezi v vodi. Vezi Si-O-Si variirajo od 104 do 180, zato imamo serijo različnih struktur. Površina je močno hidratizirana Jedro je utrjeno s kovalentno vezjo
Kremenaste alge, ki so po obliki in strukturi precej raznolike, so pomembne pri tvorbi sedimentov in kot proizvajalci kisika. Kremenaste alge so znane predvsem po zgradbi. Njihova celična stena je namreč dvodelna in oba dela se prekrivata kot 'škatlica s pokrovom'. Za diatomeje je značilno tudi to, da se v celični steni nalaga kremen, po čemer so dobile ime 29
b. Urejeni mezoskopski kristalni agregati - kosti Strukturni material z izjemnimi mehanskimi lastnostmi in hkrati rezervoar ionov. Obe funkciji sta odvisni od velikosti, oblike, kemijske sestave, kristalne strukture mineralne komponente in ureditve v organski matrici. Osnovna sestava: Ca 8.3 (PO 4 ) 4.3 (CO 3 ) x (HPO 4 ) y (OH) 0.3 y se znižuje in x narašča z leti (x+y =~ konstantno=1,7 )
Kosti so nanokompozitni material, ki vsebuje različne stopnje urejenosti: najnižja stopnja urejenosti: kristali in organske mreže (kolagenska vlakna) in njihovo povezanost srednja stopnja: urejenost daljšega dosega (kolagen in pripadajoči kristali) visoka stopnja: makroskopska struktura-zgradba kosti: Zunanja gosta plast, ki obdaja manj gosto porozno tkivo (kostni mozeg). 31
Kost: Izjemen biokompozit, iz hidroksiapatita Veliko poskusov je bilo narejenih, da bi nadomestili material kosti, ki je v glavnem iz hidroksiapatita Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) in mora imeti posebne mehanske lastnosti značilne za kosti, vključno s strukturo kosti. Kot nadomestni material kosti se lahko uporabijo modificirani biološki materiali kot so sterilizirane in kalcinirane kosti živali, ali pa korale in alge, ki jih hidrotermalno kemijsko obdelajo: CaCO 3 Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)
Zob: nasednji izjemni biokompozit Sklenina, 95wt% mineral, trdna, a krhka Zobovina, vsebuje kolagen, podobno kostem Pulpa, organska Trdna zunanja površina z mehkejšim notranjim jedrom, s tem se lahko ustavijo razpoke. Paličasta sklenina so monokristali, dolgi nekaj μm. Ca 5 (PO4,CO 3 ) 3 (OH) Carbonated calcium-deficient hydroxylapatite is the main mineral of which dental enamel and dentin are composed.
c) Kristalinični materiali Številne prehodne kovine tvorijo bogato biokoordinacijsko kemijo, med njimi imata Fe in v manjši meri Mg pomembno vlogo pri biomineralizaciji. V bioanorganski kemiji trdnega stanja teh elementov, prevladuje redoks kemija, kot izvor energije za biološke aktivnosti, kot afiniteta za O, S in OH ligande, ter lažjo hidrolizo v vodnih raztopinah. Podobno kot minerali s Ca, biološki Fe-oksidi služijo povečanju trdnosti mehkih tkiv in kot skladišče za shranjevanje (Fe 3+, OH -, in HPO 4 2- ) Magnetne lastnosti faz z večvalentnimi ioni, pa izkoristijo bakterije raznih tipov za navigacijo v okoliškem geomagnetnem polju:
Magnetotaktične bakterije s kristali magnetita Magnetotaktične bakterije sintetizirajo znotrajcelični magnetit (Fe 3 O 4 oz Fe III 2Fe II O 4 ), tudi Fe 3 S 4.
Biogeni materiali in biomineralizacija Biomineralizacija pomeni mehanizem, kako živi organizmi proizvajajo anorganske trdne snovi. Biogene materiale najdemo skoraj povsod: školjke, korale, slonovina, ogrodje morskega ježa, magnetni kristali. Veliko jih nastane v biosferi, imajo velik vpliv na kemijo oceanov in so pomembne komponente morskih sedimentov, skal
Imena in kemijska sestava mineralov pridobljenih z biološko inducirano in kontrolirano mineralizacijo *
Proces mineralizacije Sinteza mnogih mineralov (tabela) iz vodnih raztopin je relativno enostavna laboratorijska tehnika. Medtem, ko pa je kontrola: o Velikosti delcev o Oblike o Orientacije o Urejenosti kristalov tipičnih za biominerale veliko bolj zahtevna. Fizikalno kemijski principi tvorbe mineralov : Prenasičenje Nukleacija Rast kristalov Te stopnje so v procesu biomineralizacije odvisne od: Koncentracije ionov v mediju, npr.: Ca 2+, CO 3 2- Narave faznih mej mineral-organska matrica; mineral-okolje
Proces mineralizacije Mineralizacija lahko poteka namreč v odprtem sistemu (celica ima semipermeabilno membrano)kar je daleč od TD ravnotežja. Celica permamentno izmenjuje energijo in material z okoljem. Proces mineralizacije je omejen na lokaliziran predel (vezikel), ki je obdan z lipidnimi membranami. Za doseganje prenasičenja (slika) mora ta prostor omogočiti pasivno difuzijo ionov in/ali akumuliranje ionov. Pomembne komponente pri procesu mineralizacije so zato t.i. ionske črpalke in kanali. Koncentracija topljenca pred in po nukleaciji
Predpogoj za nadzorovano izločanje biogenih materialov v živih organizmih je prisotnost supramolekularno organiziranih reakcijskih predelov, kjer je mineralizacijska cona izolirana od celičnega okolja. Ti predeli so lahko locirani : na ali v membranski steni bakterijskih celic (epicelularno) zunaj celice (ekstracelularno), kot je izvencelična tvorba proteinsko-polimerne mreže,npr. v kolagenski matrici za tvorbo kosti Znotraj celice (intracelularno)-redko!
Kontrolirana biomineralizacija ekstracelularno: Prikaz biološko kontrolirane izvencelične mineraliz., ki se razlikuje po nukleaciji izven celice: a,b a) Kationi se črpajo čez celično membrano in se premikajo s pasivno difuzijo preko izvenceličnih tekočin na mesto mineralizaciie. b) Kationi so skoncentrirani znotraj celice, kot vodni ioni v veziklu, ki se kasneje izloči. V smeri mineraliz. pride do prehoda ionov iz vezikla v smeri mesta mineralizacije.
Pri biološko nadzorovani inercelularni mineralizaciji, se epitelijske površine celic uporabijo kot organski substrat (matrica) za rast oz.nukleacijo. Kationi se črpajo iz celice, sestava fluida nadzoruje tip biominerala in obseg rasti. Ta tip mineral. je redek in značilen za enocelične organizme. Kontrolirana biomineralizacija intracelularno
a.) Biomineral nukleira (1) v znotrajceličnem območju. Rastne enote se lahko nahajajo v celici (2) in se kasneje izločijo(3a). Lahko pa se izločijo kot individualne enote (3b) za kasnejšo rast v strukture višjega reda kot masivne ali organsko-mineralne kompozite. b.) Manj pogosti tip mineralizacije je, da biomineralne enote ostanejo v celici (1), kot posamezna rastna enota, ali se organizirajo intracelularno (2) v strukturo višjega reda. Kontrolirana biomineralizacija intracelularno Nukleacija se zgodi v celici v veziklu:
PRIMER: Aktivacijsko energijo za nukleacijo dajo površine, ki kažejo afiniteto do substance, ki kristalizira. Takšno površino ustvarijo visoko specializirane biomolekule, ki se adsorbirajo na površino jedra in ustvarijo ugodno konformacijo. Slika, prikazuje kontrolirano nukleacijo preko biomolekul v primeru CaCO 3.
Nukleacija in rast kristala v supramolekularnem gostitelju lahko rezultira v omejeni velikosti kristala. Morfologijo kristala pa nadzoruje lokalno kemijsko okolje. Včasih nastanejo različni polimorfi v istem sistemu : Fe 2 O 3 xnh 2 O, γ-feooh in Fe 3 O 4 ali pa: kalcit in aragonit v nekaterih ogrodjih. Prostorsko organizirane ionske črpalke v določenem področju, lahko oblikujejo rastoče kristale z vklapljanjem in izklapljanjem pretoka ionov.
Kristalne oblike CaCO 3 51
53
Primer : kristal natrijevega klorida (NaCl) Pri NaCl je natrijev ion Na + obdan s šestimi kloridnimi anioni Cl, n = i = 6. Za vsakega od njih potrebuje centralni ion natrij +1/6 naboja za vezavo. V skladu s tem pravilom je naboj centralnega iona p i = 6 (+1/6) = +1 54
55
2,71 2,93 kalcit aragonit vaterit 2,6
vaterit
Magnezijev kalcit in dolomit
Dolomit