Ionic interaction with bone mineral

Abstract

The effect of Mg²⁺, citrate³⁻, F⁻ and SO ²⁻₄ on the exchange of⁴⁵Ca²⁺ and³²PO ³⁻₄ with the mineral phase of bone (ethylenediamine-extracted) was determined under physiological conditions. Mg²⁺ substituted for Ca²⁺ at the adherent liquid film (hydration shell), while citrate³⁻ displaced PO ³⁻₄ from both the adherent liquid film and the crystal surface. These bone-seeking elements thus increased the apparent solubility of bone mineral. In contrast, F⁻ markedly reduced the concentration of Ca²⁺ and PO ³⁻₄ in both the ambient solution and the adherent liquid film, probably by inducing the formation of a CaF₂ boundary layer at the crystal surface. There was a net uptake of Ca²⁺ and PO ³⁻₄ by the solids phase in the presence of Mg²⁺ and F⁻, but not in citrate³⁻ solutions. SO ²⁻₄ did not significantly affect the solubility, dissolution, or growth of bone mineral.

Résumé

L'action du Mg²⁺, du citrate³⁻, du F⁻ et du SO ²⁻₄ sur les⁴⁵Ca²⁺ et³²PO ³⁻₄ avec la phase minérale osseuse (extraite de l'éthylènediamine) est déterminée dans des conditions physiologiques. Le Mg²⁺ se substitue au Ca²⁺ au niveau de la pellicule liquide adhérente (enveloppe d'hydratation), alors que le citrate³⁻ déplace PO ³⁻₄ , à la fois, de la pellicule liquide adhérente et de la surface cristalline. Ces éléments à affinité pour l'os augmente ainsi la solubilité apparente du minéral osseux. A l'inverse, le F⁻ diminue netterment la concentration de Ca²⁺ et du PO ³⁻₄ dans la solution environante et dans la pellicule liquide adhérente, en formant probablement une couche de liaison de CaF₂ à la surface cristalline. Il y a une absorption nette de Ca²⁺ et PO ³⁻₄ par la phase solide en présence de Mg²⁺ et F⁻, qui ne s'observe pas dans les solutions de citrate. Le SO ²⁻₄ n'affecte pas de façon significative la solubilité, la dissolution ou la croissance du minéral osseux.

Zusammenfassung

Die Wirkung von Mg²⁺, Citrat³⁻, F⁻ und SO ²⁻₄ auf den Austausch von⁴⁵Ca²⁺ und³²PO ³⁻₄ mit dem Mineralanteil von Knochen (Ethylendiaminextraktion) wurde unter physiologischen Verhältnissen verfolgt. Mg²⁺ substituierte das Ca²⁺ des anhaftenden Flüssigkeitsfilms (Hydratationsschicht), während Citrat³⁻ das PO ³⁻₄ sowohl vom anhaftenden Flüssigkeitsfilm als auch von der Kristalloberfläche ersetzte. Diese vom Knochen angezogenen Elemente erhöhten demzufolge die scheinbare Löslichkeit des Knochenminerals. Dagegen reduzierte F⁻ die Konzentration von Ca²⁺ und PO ³⁻₄ wesentlich, sowohl in der umgebenden Lösung als auch im anhaftenden Flüssigkeitsfilm, vermutlich durch Bildung einer CaF₂-bindenden Schicht auf der Oberfläche des Kristalls. In Gegenwart von Mg²⁺ und F⁻ nahm diefeste Phase eindeutig Ca²⁺ und PO ³⁻₄ auf, was bei Citrat³⁻-haltigen Lösungen nicht der Fall war. SO ²⁻₄ veränderte weder die Löslichkeit noch die Auflösung oder das Wachstum des Knochenminerals significkant.