Гидроксиапатит (ГАП) является широко используемым биоматериалом в различных медицинских применениях, благодаря своей естественной биосовместимости с костными тканями организма человека, как основной минеральный компонент (до 70 %) костей и зубов человека [1]. Кость представляет собой сложную многокомпонентную систему, включающую коллагеновые волокна, окруженные кристаллами гидроксиапатита, которые слагаются в пластинки (размером ~ 450 Å на 250 Å) и различных клеток костной ткани: остеобласты участвуют в создании и минерализации костей, остеоциты поддерживают структуру, а остеокласты обеспечивают резорбцию костной ткани. В здоровом организме обычно постоянно происходят процессы регенерации или ремоделирования кости - последовательная резорбция костной ткани с образованием новой прочной костной матрицы. Процесс обновления костной ткани происходит так, чтобы в год заменялось 4–6% всей массы скелета организма. При костных травмах, переломах, удалении зубов или введении костных имплантов, процессы ремоделирования запускаются воспалением, которое активирует действия остеокластов, что стимулирует расщепление пораженной костной ткани, и ускоряет скорость резорбции новой ткани за счет работы остеобластов. С целью ускорения этого процесса, роста новой костной ткани и приживаемости импланта, медики применяют специальные остеогенные биоматериалы. Среди них ГАП является тут основным компонентом, который применяется, в том числе, для покрытия как титановых, так и других имплантов. Но для повышения свойств биосовместимости синтетического ГАП его необходимо модифицировать. Одним из способов является введение добавок и замещений атомов в структуре ГАП. Это изменяет свойства ГАП и тем самым влияет на активность остео-клеток.

Проведенные ранее исследования, моделирование и расчеты структуры и свойств ГАП показало, что свойства реальных образцов ГАП определяются наличием в нем структурных дефектов (вакансий, внедрений и замещений атомов в структуре ГАП) [1-3]. В данной работе рассмотрены модели, проведены расчеты и проанализированы физические свойства ГАП с замещениями атомов Ca на другие атомы (Sr, Mg, Mn, Fe) [1-3], а также изменение свойств ГАП под влиянием электрического поля и пьезоэффекта [4, 5]. Моделирование и расчеты свойств ГАП проводились методами теории функционала плотности в разных приближениях и в комбинации c квантовыми полуэмпирическими методами расчета PM3, PM7, PM6-D3H4. Важной особенностью замещений атомов Са в ГАП на другие атомы оказывается изменение всей энергетической зонной структуры ГАП и, как результат, изменение электронной работы выхода. Это приводит к изменению поверхностного потенциала ГАП, что влияет на адгезию и рост количества остео-клеток на его поверхности, т. е. на рост костной ткани на поверхности импланта, покрытого таким ГАП. Это позволяет регулировать биосовместимость ГАП.

Здесь существенно, что замещения разного типа приводят к различным эффектам. Так, замещения Mg/Ca и Sr/Ca вызывают противоположные изменения в ширине запрещенной зоны Eg и, соответственно, работы выхода: замещения Sr/Ca увеличивают Eg, тогда как замещения Mg/Ca уменьшают Eg [1]. Атомы Mg и Sr находятся в одной группе с Ca в таблице Менделеева и их замещения не вызывают сильных деформаций решетки ГАП. В тоже время замещения типа Mn/Ca и Fe/Ca (атомы из разных групп) вызывают более существенные перестройки в ячейках решетки ГАП. В результате, кроме сдвига ширины запрещенной зоны Eg, внутри нее появляются уровни энергии Ei, которые служат донорами/акцепторами электронов и меняют оптические свойства ГАП [1]. Другим эффектом, который влияет на сдвиг уровней энергии зонной структуры ГАП и изменяет ширину запрещенной зоны Eg, является электрическое поле E. Проведенные модельные расчеты разными методами на чистом ГАП показали, что сдвиги уровней энергии Ev, Ec и Eg под влиянием электрического поля, оказываются сравнимы по величине со сдвигами, возникающих при замещениях атомов в ГАП, и также изменяют поверхностный потенциал ГАП. Важно, что в этом случае влияние оказывает и пьезоэффект — благодаря деформациям сжатия, возникающим в костях при ходьбе, и пьезоэффекту нанокристаллов ГАП [4, 5] (входящих в состав костной ткани), на их поверхности генерируется электрическое поле, величина которого достаточна для создания такого сдвига Eg, изменения работы выхода и поверхностного потенциала ГАП, приводящего к активизации работы костных клеток и роста костных тканей. Таким образом, происходит процесс регенерации костной ткани. Проведенное в данной работе моделирование процессов влияния электрического поля и замещения атомов ГАП и расчеты, выполненные разными методами ТФП и полуэмпирическими методами, показывают, что полученные значения сдвигов уровней энергии, ширины запрещенной зоны Eg и изменения поверхностного потенциала ГАП сопоставимы с экспериментальными данными. Полученные результаты описывают физический механизм влияния электрического поля, пьезоэффекта и замещений атомов в ГАП, на процессы регенерации костной ткани. Это имеет практическое значение как для биомедицины, так и для технологии синтеза новых наноматериалов для медицинских и других целей на основе ГАП. Работа поддержана грантом РНФ № 21-12-00251.

1. Bystrov V., Paramonova E., Avakyan L. et al. Simulation and Computer Study of Structures and Physical Properties of Hydroxyapatite with Various Defects. Nanomaterials 2021, 11, 2752.

2. Bulina N.V., Makarova S.V. et al. A Study of Thermal Stability of Hydroxyapatite. Minerals 2021, 11, 1310.

3. Avakyan L., Paramonova E., Bystrov V., Coutinho J. et al. Iron in Hydroxyapatite: Interstitial or Substitution Sites? Nanomaterials 2021, 11, 2978.

4. V. S. Bystrov, E. V. Paramonova, A. V. Bystrova, L. A. Avakyan, N. V. Bulina. Structural and physical properties of Sr/Ca and Mg/Ca substituted hydroxyapatite: modeling and experiments. Ferroelectrics 2022, 590, 41- 48.

5. V. S. Bystrov. Piezoelectricity in the ordered monoclinic hydroxyapatite. Ferroelectrics 2015, 475 (1), 148.

Hydroxyapatite (HAP) is a widely used biomaterial in various medical applications, due to its natural biocompatibility with bone tissues of the human body, as the main mineral component (up to 70%) of human bones and teeth [1]. Bone is a complex multicomponent system that includes collagen fibers surrounded by hydroxyapatite crystals, which form plates (~450 Å by 250 Å in size) and various bone tissue cells: osteoblasts are involved in the creation and mineralization of bones, osteocytes maintain the structure, and osteoclasts provide resorption bone tissue. In a healthy body, the processes of bone regeneration or remodeling usually constantly occur - sequential resorption of bone tissue with the formation of a new strong bone matrix. The process of bone tissue renewal occurs in such a way that 4-6% of the entire skeletal mass of the body is replaced per year. In bone injuries, fractures, extraction of teeth or the introduction of bone implants, remodeling processes are triggered by inflammation, which activates the actions of osteoclasts, which stimulates the splitting of the affected bone tissue, and accelerates the rate of resorption of new tissue due to the work of osteoblasts. In order to accelerate this process, the growth of new bone tissue and the survival of the implant, doctors use special osteogenic biomaterials. Among them, HAP is the main component here, which is used, among other things, for coating both titanium and other implants. However, to improve the biocompatibility properties of synthetic HAP, it must be modified. One way is to introduce additions and substitutions of atoms in the HAP structure. This changes the properties of HAP and thus affects the activity of osteo-cells.

Previous studies, modeling, and calculations of the structure and properties of HAP showed that the properties of real HAP samples are determined by the presence of structural defects in HAP (vacancies, interstitials, and substitutions of atoms in the HAP structure) [1–3]. In this work, models are considered, calculations are made, and the physical properties of HAP with substitutions of Ca atoms for other atoms (Sr, Mg, Mn, Fe) [1–3] are studied and analyzed, as well as changes in the properties of HAP under the influence of an electric field and the piezoelectric effect [4, 5]. Modeling and calculations of HAP properties were carried out by methods of density functional theory (DFT) in different approximations and in combination with quantum semi-empirical PM3, PM7, PM6-D3H4 methods. An important feature of the substitution of Ca atoms in HAP for other atoms is the change in the entire energy band structure of HAP and, as a result, the change in the electronic work function. This leads to a change in the surface potential of HAP, which affects the adhesion and growth of the number of osteocells on its surface, i.e., the growth of bone tissue on the surface of an implant coated with such a HAP. This makes it possible to regulate the biocompatibility of HAP. It is essential here that substitutions of different types lead to different effects. For example, Mg/Ca and Sr/Ca substitutions cause opposite changes in the band gap Eg and, accordingly, in the work function: Sr/Ca substitutions increase Eg, while Mg/Ca substitutions decrease Eg [1]. The Mg and Sr atoms are in the same group with Ca in the periodic table, and their substitutions do not cause strong deformations of the HAP lattice. At the same time, substitutions of the Mn/Ca and Fe/Ca types (atoms from different groups) cause more significant rearrangements in the unit cells of the HAP lattice. As a result, in addition to a shift in the band gap Eg, additional energy levels Ei appear inside it, which serve as electron donors/acceptors and change the optical properties of HAP [1]. Another effect that affects the energy level shift of the HAP band structure and changes the band gap Eg is the electric field E. Model calculations performed by different methods on pure HAP have shown that the shifts of the energy levels Ev, Ec, and Eg under the influence of an electric field turn out to be comparable in magnitude with shifts arising from the substitution of atoms in HAP, and also change the surface potential of HAP. It is important that in this case, the piezoelectric effect also has an effect — due to the compression deformations that occur in the bones during walking, and the piezoelectric effect of HAP nanocrystals [4, 5] (which are part of the bone tissue), an electric field is generated on their surface, the magnitude of which is sufficient to create such a shift in Eg, a change in the work function and the surface potential of HAP, leading to the activation of the work of bone cells and the growth of bone tissues. Thus, by this way the process of bone tissue regeneration takes place. The modeling of the processes of the influence of the electric field and the substitution of HAP atoms, carried out in this work, and the calculations performed by various DFT and semiempirical methods show that the obtained values of the shifts in energy levels, the band gap Eg, and the change in the HAP surface potential are comparable with the experimental data. The results obtained describe the physical mechanism of the influence of the electric field, the piezoelectric effect and substitutions of atoms in HAP on the processes of bone tissue regeneration. This is of practical importance both for biomedicine and for the technology of synthesis of new nanomaterials for medical and other purposes based on HAP. This work was supported by the RSF grant no. 21-12-00251.

1. Bystrov V., Paramonova E., Avakyan L. et al. Nanomaterials 2021, 11, 2752.

2. Bulina N.V., Makarova S.V. et al. Minerals 2021, 11, 1310.

3. Avakyan L., Paramonova E., Bystrov V., Coutinho J. et al. Nanomaterials 2021, 11, 2978.

4. V. S. Bystrov, E. V. Paramonova, A. V. Bystrova et al. Ferroelectrics 2022, 590, 41- 48.

5. V. S. Bystrov. Ferroelectrics 2015, 475 (1), 148.