Hydroxide and carbonate in rat bone mineral and its synthetic analogues

Abstract

Infrared spectral data indicate that both native rat bone mineral and synthetic apatites formed at physiological pH, ionic strength and temperature are extensively deficient in hydroxide ion content; the data also indicate that these biological and synthetic apatites contain considerable internal distortions (lattice defects). In addition, a significant portion of the CO₃ ^2- ions in rat bone mineral is loosely-structured in either an amorphous or surface environment. Carbonate ions in vacuum-heated bone or solution-ripened synthetic (physiological pH) apatites appear to be in multiple local environments. Internal CO₃ ^2- in these materials may be substituted in PO₄ ^3- and (in much lesser amounts) OH⁻ positions, although considerable deviation from or within these sites is probable due to lattice defects. Carbonateapatites produced by thermal conversion (600^o) of amorphous calcium phosphates containing 4–9% CO₃ ^2- exhibit CO₃ ^2- mainly in OH⁻ environments. Thermal recrystallization of biological and synthetic apatites in an air atmosphere increases OH⁻ content and reorganizes CO₃ ^2- locales. However, such extremely well-crystallized products are not at all representative of their native apatitic precursors.

Résumé

L'étude de spectres infra-rouges montre que le minéral osseux de jeune rat et les apatites synthétiques, formés à des pH, force ionique et température physiologiques sont très déficients en ion OH; ces apatites biologiques et synthétiques présentent d'importants défauts internes de maille. En outre, une proportion significative des ions CO₃ ^2- de mineral osseux de rat est structurée de façon lâche dans un environnement amorphe ou superficiel. Les ions carbonate dans l'os chauffé sous vide ou dans les apatites synthétiques formés à pH physiologique paraissent être situés dans des environnements locaux multiples. Le CO₃ ^2- contenu dans ces structures peut se substituer dans des positions PO₄ ^3- et (à un degré moindre) OH⁻, bien que des variations importantes de ou dans ces positions sont dues à des défauts de maille. Les carbonato-apatites, formés par transformation thermique (600^o) de phosphates calciques amorphes et contenant 4–9% de CO₃ ^2-, présentent surtout du CO₃ ^2- dans des environnements OH⁻. Une recristallisation thermique des apatites biologiques et synthétiques, dans une atmosphère d'air, augmente le contenu en OH⁻ et redispose les positions CO₃ ^2-. Cependant, de telles formations bien cristallisées sont différentes des précurseurs apatitiques.

Zusammenfassung

Die Infrarotspektroskopie ergab, daß sowohl natives Rattenknochenmineral als auch synthetische Apatite, welche bei physiologischem pH, Ionenstärke und Temperatur gebildet wurden, an Hydroxydionen stark defizient sind. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß diese biologischen und synthetischen Apatitkristalle beträchtliche innere Verzerrungen aufweisen (Gitterdefekte). Weiterhin zeigt ein bedeutender Anteil der CO₃ ^2--Ionen im Rattenknochenmineral eine lockere Struktur in amorpher Umgebung oder an der Oberfläche. In Vakuumerhitzem Knochen oder in synthetischen Apatit (mit physiologischem pH), welches in der Lösung gebildet wurde, scheinen sich die Carbonationen in verschiedenen Umgebungen zu finden. CO₃ ^2- im Inneren dieser Stoffe kann in PO₄ ^3--und (in viel kleineren Mengen) OH⁻-Positionen ausgetauscht werden, obwohl eine beträchtliche Abweichung von und innerhalb dieser Stellen wahrscheinlich auf Gitterdefekte zurückzuführen ist. Carbonat-Apatite, welche durch die thermische Umwandlung (600°C) von 4–9% CO₃ ^2- enthaltendem amorphem Calciumphosphat gebildet wurden, zeigen in erster Linie in OH⁻-Umgebung CO₃ ^2-. Die thermische Umkristallisierung von biologischen und synthetischen Apatiten in einer Luftatmosphäre erhöht den OH⁻-Gehalt und verteilt die CO₃ ^2--Lokalisationen neu. Solche sehr schön kristallisierten Produkte spiegeln jedoch durchaus nicht ihre nativen Apatitvorbilder wider.