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Calcified Tissue Research

, Volume 6, Issue 1, pp 290–300 | Cite as

Factors modifying Ca/Sr discrimination by bone and synthetic “apatitic” mineralsin vitro

  • E. Storey
  • V. C. West
Original Papers

Abstract

Previous work suggests that bone mineral in rats discriminatesin vivo for Ca against Sr by a factor of about 1.6∶1. Modification of this has been observed in biological and synthetic apatites containing Sr prepared under the following conditionsin vivo andin vitro: rats fed 2.5% SrCO3 for 3–4 months; incorporation of Sr into pre-formed bone powder, or hydroxyapatite by equilibrationin vitro and by heating Sr minerals to 350–500°. Discrimination in mineral formedin vitro is at first similar to thatin vivo, but as the amorphous precipitate crystallizes it becomes much greater. Sequential dissolution of mineral specimens in 0.1–0.01 N acid-ethanol solutions indicates that Sr incorporation is a surface phenomena in preformed minerals, but is more homogeneously distributed in mineral heated, or grownin vivo orin vitro. During equilibration in tris buffer, discrimination ranged from over 50 to 2.4. This decreased with (1) decrease in pH, (2) decrease in solid/solution ratio, and (3) increased homogeneity of Sr in mineral. Discrimination in serum was negligible. It is postulated that equilibrium in buffer solutions involves a reprecipitated surface phase of different Ca/Sr ratio from the body of the crystal, which could account for the apparent discrimination against Srin vitro.

Key words

Calcium Strontium bone Apatite Solubility 

Résumé

D'après des travaux antérieurs, il semble que le minéral osseux, chez le Rat, effectue une discriminationin vivo du Sr de l'ordre de 1.6∶1. Des modifications de ce fait ont pu être observées dans des apatites biologiques et synthétiques, contenant du Sr, préparées dans les conditionsin vivo etin vitro suivantes: chez des rats soumis à 2,5% de SrCO3, pendant 3–4 mois: incorporation de Sr dans de la poudre d'os ou de l'hydroxyapatite, par équilibre in vitro; par chauffage des minéraux contenant du Sr à 350–500°. La discrimination, en minéral, forméin vitro, est initialement identique à celle forméein vivo, mais, à fur et à mesure de la cristallisation du précipité amorphe, elle augmente nettement. Une dissolution progressive de specimens dans des solutions à 0.1–0.01 N acide-alcool, montre que l'incorporation du Sr est un phénomène de surface au niveau de minéraux préformés. Le Sr est réparti de façon plus homogène dans les minéraux chaffés, ou obtenus par croissancein vivo ouin vitro. Pendant la mise en équilibre dans un tampon «tris», la discrimination varie de 50 à 2,4. Elle décroit avec 1. la chute du pH, 2. la décroissance du rapport solide/solution et 3. l'augmentation de l'homogénéité du Sr dans le minéral. La discrimination dans le sérum est négligeable. Il semble que l'équilibre dans des solutions tampons fait intervenir une phase de surface reprécipitée, dont le rapport Ca/Sr est différent de celui du corps cristallin, et qui pourrait rendre compte de la discrimination apparente envers le Srin vitro.

Zusammenfassung

Frühere Untersuchungen führen zur Annahme, daß das Verhältnis der Aufnahme von Calcium zu jenem von Strontium im Knochenmineral von Rattenin vivo ungefähr 1,6∶1 ist. Diese Resultate veränderten sich, wenn biologische und synthetische, Sr enthaltende Apatite unter folgendenin vivo undin vitro Bedingungen hergestellt wurden: 1. Ratten, die während 3–4 Monaten mit 2,5% SrCO3 gefüttert wurden; 2. Einbau von Sr durch Equilibrationin vitro in vorgebildetes Knochenpulver oder Hydroxyapatit; 3. durch Erhitzen von Sr-Mineralien auf 350–500°C. Die Diskriminierung imin vitro gebildeten Mineral ist zuerst derjenigenin vivo ähnlich, aber sobald sich der amorphe Niederschlag kristallisiert, wird sie viel größer. Die stufenweise Auflösung der Mineralproben in 0,1–0,01 N Säure-Alkohollösungen deutet darauf hin, daß der Sr-Einbau ein Oberflächenphänomen vorgeformter Mineralien ist, daß er jedoch in erhitztem oderon vivo, oderin vitro gewachsenem Mineral homogener verteilt ist. Während der Equilibration mit Tris-puffer variierte die Diskriminierung von über 50 bis 2,4. Sie nahm ab durch 1. Abnahme des pH, 2. Abnahme des Verhältnisses feste Masse/Lösung, 3. Zunahme der Homogenität von Sr im Mineral. Die Diskriminierung im Serum war belanglos. Es wird postuliert, daß das Gleichgewicht in Pufferlösungen eine Oberflächenphase mit erneutem Niederschlag bewirkt, bei welcher das Ca/Sr-Verhältnis anders ist als im Inneren des Kristalls; dies könnte die scheinbare Diskriminierung gegen Srin vitro erklären.

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References

  1. 1.
    Bauer, G. C. H., Carlsson, A., Lindquist, B.: A comparative study of the metabolism of Sr90 and Ca45. Acta physiol. scand.35, 56–66 (1955/56).PubMedGoogle Scholar
  2. 2.
    Collin, R. L.: Preparation and properties of two strontium orthophosphates — Sr3(PO4)2·4H2O and Sr6H3(PO4)5·2H2O. J. chem. Engineering Data9, 165–166 (1964).CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    —: Precipitate formation in the strontium-phosphate system. Science151, 1386–1388 (1966).PubMedGoogle Scholar
  4. 4.
    Comar, C. L., Wasserman, R. H., Nold, M. M.: Strontium-calcium discrimination factors in the rat. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)92, 859–863 (1956).Google Scholar
  5. 5.
    Creger, C. R., Ansari, M. N. A., Colvin, L. B., Couch, J. R.: Distribution of calcium and strontium in the blood of the laying hen. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)124, 799–800 (1967).Google Scholar
  6. 6.
    Dallemagne, M. J., Richelle, L.: Chemical and crystallographic constitution of bone:in vitro exchange of45Ca. In: Radioisotopes and bone (F. C. McLean, ed.), p. 241–254. Oxford: Blackwell 1962.Google Scholar
  7. 7.
    Eanes, E. D., Gillessen, I. H., Posner, A. S.: Intermediate states in the precipitation of hydroxyapatite. Nature (Lond.)208, 365–367 (1965).Google Scholar
  8. 8.
    —, Posner, A. S.: Kinetics and mechanism of conversion, of noncrystalline calcium phosphate to crystalline hydroxyapatite. Trans. N. Y. Acad. Sci.28, 233–241 (1965).Google Scholar
  9. 9.
    Fiske, C. H., Subbarow, Y.: The colorimetric determination of phosphorus. J. biol. Chem.66, 375–400 (1925).Google Scholar
  10. 10.
    Francis, M. D.: Solubility behaviour of dental enamel and other calcium phosphates. In: Mechanisms of dental caries (H. E. Whipple, ed.), p. 694–712. New York: Academy of Sciences 1965.Google Scholar
  11. 11.
    Harrison, G. E.: Estimation of strontium in biological materials by means of a flame spectrophotometer. Nature (Lond.)182, 792–793 (1958).Google Scholar
  12. 12.
    Johnson, A. R.: X-ray diffraction patterns of rat incisor tooth enamel with a low or high strontium content. J. dent. Res.46, 79–81 (1967).PubMedGoogle Scholar
  13. 13.
    Kshirsagar, S. G., Lloyd, E., Vaughan, J.: Discrimination between strontium and calcium in bone and the transfer from blood to bone in the rabbit. Brit. J. Radiol.,39, 131–140 (1966).Google Scholar
  14. 14.
    La Mer, V. K.: The solubility behaviour of hydroxylapatite. J. Phys. Chem.66, 973–978 (1962).Google Scholar
  15. 15.
    Lengemann, F. W.: Comparative metabolism of Sr89 and Ca45 by bone grownin vitro. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)94, 64–66 (1957).Google Scholar
  16. 16.
    —: Studies on the discrimination against strontium by bone grownin vitro. J. biol. Chem.235, 1859–1862 (1960).PubMedGoogle Scholar
  17. 17.
    —: Effects of thyroxine upon strontium and calcium metabolism of embryonic bone grownin vitro. Endocrinology70, 774–780 (1962).PubMedGoogle Scholar
  18. 18.
    Likins, R. C., Posner, A. S., Kunde, M. L., Craven, D. L.: Comparative metabolism of calcium and strontium in the rat. Arch. Biochem.83, 472–481 (1959).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  19. 19.
    —, McCann, H. G., Posner, A. S., Scott, D. B.: Comparative fixation of calcium and strontium by synthetic hydroxyapatite. J. biol. Chem.235, 2152–2156 (1960).PubMedGoogle Scholar
  20. 20.
    MacDonald, N. S., Noyse, P., Lorick, P. C.: Discrimination of calcium and strontium by the kidney. Amer. J. Physiol.188, 131–136 (1957).PubMedGoogle Scholar
  21. 21.
    MacGregor, J., Nordin, B. E. C.: Equilibration studies with human bone powder. J. biol. Chem.235, 1215–1218 (1960).PubMedGoogle Scholar
  22. 22.
    —: Some observations on the nature of bone mineral. In: Calcified tissues, 1965 (H. Fleisch, H. J. J. Blackwood, and M. Owen eds.), p. 138–142. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1966.Google Scholar
  23. 23.
    MacIntyre, I.: The flame-spectrophometric determination of calcium in biological fluids and an isotopic analysis of the errors in the Kramer-Tisdall procedure. Biochem. J.67, 164–172 (1957).PubMedGoogle Scholar
  24. 24.
    Natelson, S., Sheid, B.: X-ray spectrometric determination of strontium in human serum and bone. Analyt. Chem.33, 396–401 (1961).CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    Neuman, W. F., Neuman, M. W.: The chemical dynamics of bone mineral. Chicago: Chicago Univ. Press 1958.Google Scholar
  26. 26.
    —, Bjornerstedt, R., Mulryan, B. J.: Synthetic hydroxy apatite crystals. II. Aging and strontium incorporation. Arch. Biochem.101, 215–224 (1963).Google Scholar
  27. 27.
    Nordin, B. E. C., Bluhm, M., MacGregor, J.:In vitro andin vivo studies with bone-seeking isotopes. In: Radio-isotopes and bone (P. Lacroix and A. M. Budy, eds.), p. 105–125. Oxford: Blackwell 1962.Google Scholar
  28. 28.
    Samachson, J., Lederer, H.: The uptake of calcium45 and strontium85 by bonein vitro. Arch. Biochem.88, 355–360 (1960).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  29. 29.
    ——: Effect of chelating agents on uptake of Ca45 and Sr85 by defatted bonein vitro. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)107, 429–434 (1961).Google Scholar
  30. 30.
    ——: The removal of Sr85 and Ca45 from bonein vitro. Arch. Biochem.103, 168–174 (1963).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  31. 31.
    Storey, E.: Strontium “rickets”: bone, calcium and strontium changes. Aust. Ann. Med.10, 213–322 (1961).PubMedGoogle Scholar
  32. 32.
    —: Calcium and strontium changes in bone associated with continuous administration of stable strontium to rats. Arch. Biochem.124, 575–581 (1968).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  33. 33.
    Szymendera, J., Madajewicz, S.: Comparative ultrafiltrability of calcium and strontium in human plasma. Nature (Lond.)217, 968–969, (1968).Google Scholar
  34. 34.
    Talmage, R. V., Schooley, J. C., Comar, C. L.: Differential removal of strontium 85 and calcium 45 from rat skeleton by peritoneal lavage. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)95, 413–417 (1957).Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1971

Authors and Affiliations

  • E. Storey
    • 1
  • V. C. West
    • 1
  1. 1.Department of Conservative Dentistry, School of Dental ScienceUniversity of MelbourneMelbourneAustralia

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