NUCLEAZIONE E CRESCITA DI NANOCRISTALLI DI APATITE: APPLICAZIONI ALLA BIOMINERALOGIA

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Natalia Ferraro
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1 NUCLEAZINE E CRESCITA DI NANCRISTALLI DI APATITE: APPLICAZINI ALLA BIMINERALGIA The Natural History Museum of London E. Valsami-Jones, P.F. Schofield, I. R. Sneddon, J. Wilson, C. A. Kirk Diamond Light Source Ltd N. J. Terrill CCLRC Daresbury Laboratory C. M. Martin Università degli Studi Di Firenze G. I. Lampronti, M. Benvenuti, P. Bonazzi Cardiff University D. Lammie, T. J. Wess

Kirk Diamond Light Source Ltd N. J. Terrill CCLRC Daresbury Laboratory C. M.

2 Il tessuto osseo Struttura gerarchica delle ossa Pattern tessiturali idrossiapatite

3 L idrossiapatite (HAP) Formula chimica ideale: Ca 5 (P 4 ) 3 H Gruppo spaziale: P6 3 /m (P2 1 /b) Parametri reticolari: a = Å; c = Å a 2 a 1 Ca H P 4 2

4 apatiti che cristallizzano in condizioni fisiologiche T ~ 37 ph = soluzione diluita formula e morfologia variabile a seconda della funzione del tessuto presenza di C 3 2- in sostituzione di P 4 3- e forti deficienze in H - habitus lamellare/aciculare dimensioni nanometriche: 100 x 50 x 10 nm alto rapporto area / volume bassa cristallinità Le bioapatiti

presenza di C 3 2- in sostituzione di P 4 3- e forti deficienze in H - habitus

5 Meccanismi di precipitazione? Come agisce il collagene? Ruolo degli altri organici? Controllo da parte dei gruppi carbossilici? Biomineralizzazione problematica? Bioapatite (HAP, CDHA se povera in Ca) Monetite (dicalciofosfato anidro, DCPA) Brushite (dicalciofosfato diidrato, DCPD) Whitlockite ctacalciofosfato (CP) Bobierrite Magnesioidrogenofosfato Struvite Diammoniocalciofosfato Pirofosfato di calcio diidrato (Ca,Na) 5 (HP 4,P 4,C 3 ) 3 (,H,F) CaHP 4 CaHP 4 2H 2 Ca 9 Mg(P 4 ) 6 (P 3 H) Ca 8 (HP 4 ) 2 (P 4 ) a 5H 2 Mg 3 (P 4 ) 2 8H 2 MgHP 4 (?) Mg(NH 4 )(P 4 ) 6H 2 (NH 4 ) 2 Ca 2 (P 4 ) 2 (?) Ca 2 P 2 7 2H 2 ossa, denti e la maggior parte delle calcificazioni patologiche calcificazioni patologiche, ossa calcificazioni patologiche (dentali, urinarie, delle articolazioni), denti e ossa calcificazioni patologiche (dentali, polmonari e cartilaginee), denti calcificazioni patologiche (dentali e urinarie), ossa e denti calcificazioni patologiche calcificazioni patologiche calcificazioni patologiche urinarie calcificazioni patologiche calcificazioni patologiche delle articolazioni

Diammoniocalciofosfato Pirofosfato di calcio diidrato (Ca,Na) 5 (HP 4,P 4,C 3 ) 3 (,H,F) CaHP 4 CaHP 4 2H 2 Ca 9 Mg(P 4 ) 6 (P 3 H) Ca 8 (HP 4 ) 2 (P 4 ) a 5H 2 Mg 3 (P 4 ) 2 8H 2 MgHP 4 (?

6 Small Angle X-ray Scattering (SAXS) Legge di Bragg: 2dsenθ = λ Si possono studiare materiali nanostrutturati, ma anche nanoparticelle in soluzione. per θ abbastanza piccoli è possibile studiare periodicità dell ordine dei nanometri Infatti, se la soluzione è: monodispersa (particelle delle stesse dimensioni, forma e chimismo), omogenea (il gradiente di concentrazione delle particelle è nullo), diluita (la distanza tra una particella e l altra è molto maggiore della dimensione delle particelle stesse) la soluzione può essere vista come un materiale nanostrutturato.

per θ abbastanza piccoli è possibile studiare periodicità dell ordine dei nanometri Infatti, se la soluzione è: monodispersa (particelle delle

7 Precipitazione di bioapatiti in presenza o meno di determinati organici effetto sul tempo di induzione, cioè del tempo che precede la nucleazione dei primi cristalliti effetto sulla velocità di crescita di detti cristalli effetto sulla morfologia dei precipitati Gli esperimenti sono stati e saranno effettuati presso il CCLRC Synchrotron Radiation Source, Daresbury, UK

velocità di crescita di detti cristalli effetto sulla morfologia dei precipitati Gli

Setting sperimentale La BioLogic Cell permette di sincronizzare l iniezione delle soluzioni nella camera di miscelamento con lo shutter dei raggi X e la raccolta dei dati per studiare anche reazioni

8 Setting sperimentale La BioLogic Cell permette di sincronizzare l iniezione delle soluzioni nella camera di miscelamento con lo shutter dei raggi X e la raccolta dei dati per studiare anche reazioni cineticamente molto rapide. tutte le soluzioni contengono NaCl 0.1 M (condizione tipo SBF, Simulated Body Fluid) le due soluzioni contengono rispettivamente CaCl 2 6H 2 e Na 2 HP 4 2H 2, in modo tale che Ca:P 4 = 5:3 l indice di sovrassaturazione(si), (a Ca 2+ a P4 2+ ) / K ps, è compreso tra 12 e 13 * ph iniziale = 7.0 organici in soluzione: acido citrico acido glutammico acido ossalico osteocalcina * Calcolato utilizzando il software PHREEQC (Parkhurst & Appelo 1999)

1 M (condizione tipo SBF, Simulated Body Fluid) le due soluzioni contengono rispettivamente CaCl 2 6H 2 e Na 2 HP 4 2H 2, in modo tale che Ca:P 4 = 5:3 l indice di

9 Risultati preliminari osteocalcin control SI 12 oxalate citrate Time / sec SI 12 control increasing time (per 50s) increasing q (Å -1 ) Integrated Intensity

10 Risultati preliminari calculated ss13 control SI 12 SI 13 control: R g = 22 Å R g = 63 Å citrate: R g = 58 Å R g = 70 Å osteocalcin: R g = 31 Å R g = 62 Å L analisi della forma iniziale suggerisce che le particelle formatesi in presenza dell osteocalcina abbiano una forma appiattita pseudoesagonale

Å R g = 70 Å osteocalcin: R g = 31 Å R g = 62 Å 0.0001 0.

11 Propositi per un prossimo futuro imparare a fare queste benedette modellizzazioni, per capire quanto è frutto di fantasia e quanto è effettivamente affidabile fare altre misurazioni con altre tecniche (TEM, ESEM, diffrazione ecc.), per avere ulteriori informazioni e termini di paragone. Bibliografia Boulin, C., Kempf, R., Koch, M.H.J., Mc Laughlin, S.M. (1986) Nucl. Instrum. and Methods A249: : Eanes, E.D., Hailer, A.W. (2000) Calcif. Tissue Internat. 66: : Freeman, J.J., Wopenka, B., Silva, M.J., Pasteris, J.D. (2001) Calcif. Tissue Internat. 68: : Hoang, Q.Q., Sickeri, F., Howard, A.J., Yang, D.S.C. (2003) Nature 425: : Landis, W.J Connect. Tissue Res. 35: 1-8: Liu, X.Y. (2001) Appl. Phys. Lett. 79: : numa, K., yane, A., Kokubo, T., Treboux, G., Kanzaki, N., Ito, A. (2000) J. Phys. Chem. B 104: : Ferreira A., liveira C., Rocha F. (2002) J. Cryst. Growth 252: : Parkhurst D.L., Appelo C.A.J. (1999) U.S Geological Survey, Water-Resources Investigations Report , Denver, Colorado, 312pp: Pasteris, J.D., Wopenka, D., Freeman, J.J., Rogers, K., Valsami-Jones, E., van der Houwen, J.A.M., Silva, M.J. (2004) Biomaterials 25: : Robey, P.G. (1996) Connect. Tissue Res., 35, : Svergun, D.I. (1999) Biophys. J., 76, : Treboux, G., Layrolle, P., Kanzaki, N., numa, K., Ito, A. (2000) J. Phys. Chem. A 104: : Van der Houwen, J.A.M. (2002) Ph.D. Thesis, University of Reading, 323 pp: Van der Houwen, J.A.M., Valsami-Jones, E. (2001) Environ. Technol. 22: : Van der Houwen, J.A.M., Cressey, G., Cressey, B.A., Valsami-Jones, E. (2003) J. Cryst. Growth 249:

and Methods A249: 399-407: Eanes, E.D., Hailer, A.W. (2000) Calcif. Tissue Internat. 66: 449-455: Freeman, J.J., Wopenka, B., Silva, M.J., Pasteris, J.D. (2001) Calcif. Tissue Internat. 68: 156-162: Hoang, Q.

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