The influence of multidentate organic phosphonates on the crystal growth of hydroxyapatite

Abstract

The rate of crystal growth of hydroxyapatite seed crystals in stable supersaturated solutions of calcium phosphate has been studied under reproducible conditions at 25° and at a constant pH of 7.40 in the presence of the organic phosphonates HEDP, 1-hydroxyethylidine 1,1-diphosphonic acid, NTMP, nitrilotri (methylene phosphonic acid); ENTMP, N,N,N′N′ ethylenediamine-tetra (methylene phosphonic acid); TENTMP, triethylenediamine tetra (methylene phosphonic acid). It is suggested that the marked inhibitory influence of the additives upon the rate of crystal growth is due to the formation of strong, substitution inert chelate bonds with the calcium ions present at kinks and dislocations on the crystal surface of HAP. The results of this study show that the potentially hexadentate ligand ENTMP is more effective as a crystal growth inhibitor than the tetradentate NTMP or the tridentate HEDP. The general ineffectiveness of the monophosphonates as crystal growth inhibitors supports the conclusion that the calcium ions are chelated at the surface thereby preventing further deposition of calcium phosphate at that growth site. The relatively low concentration of added phosphonate as compared with the calcium ion concentration rules out calcium chelation in the bulk of the solution as a significant factor in the observed crystal growth inhibition.

Résumé

Le taux de croissance cristalline de l'hydroxyapatite dans des solutions supersaturées stables de phosphate de calcium a été étudié dans des conditions reproductibles à 25° et à un pH constant de 7,4 en présence de phosphonates organiques HEDP, 1-hydroxyethylidine 1, d'acide 1-diphosphonique, NTMP, nitrilo-tri (méthylène acide phosphonique), ENTMP N,N,N′N′ éthylène diamine-tetra (méthylène acide phosphonique), TENTMP triethylène-diamine tetra-(méthylène acide phosphonique). Il semble que l'action nette d'inhibition des produits surajoutés sur le taux de croissance cristalline est en rapport avec des liaisons de chélation fortes et de substitution inerte avec les ions calcium situés au niveau des noeuds et zones de dislocations de la surface cristalline d'HAP. Les résultats de cette étude montre que le ligand ENTMP potentiellement hexadenté est plus efficace comme inhibition de croissance cristalline que le NTMP tétradenté ou le HED tridenté. L'inéfficacité générale des monophosphonates comme inhibiteurs de croissance cristalline confirme la conclusion que les ions calcium sont complexés à la surface, empêchant par suite un dépôt ultérieur de phosphate de calcium au niveau de cette zone. La concentration relativement faible de phosphonate surajouté, comparée à la concentration en ion calcium, exclut la chélation du calcium dans la solution comme facteur important de l'inhibition de croissance cristalline observée.

Zusammenfassung

Die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von Hydroxyapatit-Kristallkeimen in stabilen übersättigten Calciumphosphatlösungen wurde unter reproduzierbaren Bedingungen studiert und zwar: bei 25°, bei einem konstanten pH von 7,4 und in Anwesenheit der organischen Phosphate HEDP=1-Hydroxy-äthylidin-1,1-Diphosphonsäure; NTMP=Nitrilo-trimethylen-Phosphonsäure; ENTMP=N,N,N′N′-Äthylendiamin-tetramethylen-Phosphonsäure; TENTMP=Triäthylendiamin-tetramethylen-Phosphonsäure. Es wird vorgeschlagen, daß die deutliche Hemmwirkung dieser zugesetzten Substanzen auf die Geschwindigkeit des Kristallwachstums durch die Bildung von starken, Substitutions-unempfindlichen Chelat-Bindungen mit den Calciumionen bedingt ist, welche an Knick- und Verschiebungsstellen auf der Kristalloberfläche von HAP vorkommen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, daß das potentiell sechswertige Anion ENTMP ein wirksamerer Hemmer des Kristallwachstums ist als das vierwertige NTMP oder das dreiwertige HEDP. Die allgemeine Unwirksamkeit der Monophosphonate als Kristallwachstums-Hemmer bekräftigt den Schluß, daß die Calciumionen an der Oberfläche als Chelatkomplexe gebunden sind, wodurch eine weitere Ablagerung von Calciumphosphat an dieser Wachstumsstelle verhindert wird. Die relativ niedrige Konzentration des beigefügten Phosphonats, im Vergleich mit der Konzentration der Calciumionen, schließt die Bildung von Calciumchelatkomplexen in der Lösung als wichtigen Faktor in der beobachteten Kristallwachstums-Hemmung aus.