Molecular and ultrastructural studies of non-crystalline calcium phosphates

Abstract

Five non-crystalline calcium phosphate precipitates prepared from solutions varying in pH, degree of supersaturation and carbonate content were examined by physicochemical and morphological methods. X-ray diffraction, infrared spectrophotometry and electron diffraction measurements confirmed the amorphous nature of each precipitate. Both transmission and scanning electron microscopy demonstrated that the native elemental particles of all 5 synthetic products were spherical in shape and independent of the preparative procedures employed. Four of the precipitates contained spherules of similar sizes (200–1200 Å in diameter) while the one relatively rich in carbonate exhibited much larger particles (700–2000 Å in diameter). The spherules were uniformly dense to the electron beam when viewed with the current density at its lowest useful level. Exposure to higher electron currents immediately resulted in the development of numerous electron-lucent centers in each particle. Heating in vacuum to temperatures up to 600° did not change the amorphous nature of the precipitates or the morphology and size of their elemental particles even though almost all of the water contained in the original precipitates was removed by this process. Heat treatment did not induce formation of electron-lucent centers. On the contrary it, made the spherules increasingly resistant to beam damage. These findings suggest that the beam electrons interact with the oxygen or hydrogen atoms of the aqueous constituent of the amorphous calcium phosphate and that this initial reaction is followed by displacement and/or loss of other atoms.

Résumé

Cinq précipités non-cristallins de phosphate de calcium, préparés à partir de solutions qui varient en pH, degré de saturation et contenu en carbonate, sont examinés par des méthodes physico-chimiques et morphologiques. Des mesures de diffractions électronique et en rayons X et de spectrophotométrie infra-rouge confirment la nature amorphe de chaque précipité. Le microscope électronique par transmission et par balayage démontre que les particules élémentaires des 5 produits synthétiques sont de forme sphérique, quelque soit la méthode de préparation. Quatre des précipités contiennent de petites sphères de taille identique (200 à 1200 Å de diamètre), alors que le dernier précipité, riche en carbonate, contient des particules plus grandes (700 à 2000 Å de diamètre). Ces sphères sont de densité électronique uniforme lorsqu'une intensité de courant, la moins élevée, est utilisée. Un faisceau d'électrons, d'intensité plus élevée, permet de mettre en évidence de nombreux centres, transparents aux électrons, dans chaque particule. In chauffage sous vide à 600° ne modifie pas la nature amorphe des précipités ou la morphologie et la taille des particules élémentaires, bien que la presque totalité de l'eau, contenu dans ces précipités, soit éliminée. L'échauffement ne provoque pas la formation de centres transparents aux électrons. Au contraire, les sphères deviennent résistantes à des dommages, causés par le faisceau. Il semble que le faisceau d'électrons agit sur les atomes d'oxygène et d'hydrogène de la phase aqueuse du phosphate de calcium amorphe et que cette réaction initiale est suivie par le déplacement et/ou la perte d'autres atomes.

Zusammenfassung

Fünf nicht-kristalline Calciumphosphat-Niederschläge, welche aus Lösungen mit variierendem pH, Übersättigungsgrad und Karbonatgehalt gewonnen wurden, wurden mit physikochemischen und morphologischen Methoden untersucht. Röntgendiffraktion, Infrarot-Spektrophotometrie und Elektronendiffraktionsmessungen bestätigten die amorphe Natur jedes Niederschlages. Sowohl Durchstrahlungs-, als auch Raster-Elektronenmikroskopie zeigten, daß die nativen Elementarpartikel aller 5 synthetischen Produkte von kugeliger Form und unabhängig von den angewandten Präparativ-Techniken waren. Vier der Niederschläge enthielten Kügelchen von der gleichen Größe (200–1200 Å Durchmesser), während jener mit relativ hohem Karbonatgehalt viel größere Partikel aufwies (700–2000 Å Durchmesser). Die Kügelchen waren für den Elektronenstrahl von einheitlicher Dichte, wenn mit der Stromdichte bei niedrigster brauchbarer Stufe betrachtet. Wurden die Proben stärkeren Elektronenströmen ausgesetzt, so entwickelten sich sogleich in jedem Teilchen zahlreiche elektronendurchlässige Zentren. Erhitzen in Vakuum bis zu Temperaturen von 600° veränderte weder die amorphe Beschaffenheit der Niederschläge noch die Morphologie und Größe ihrer elementaren Partikel, obwohl beinahe alles Wasser, welches in den ursprünglich vorliegenden Proben enthalten war, durch dieses Vorgehen entfernt wurde. Die Hitzebehandlung verursachte keine Bildung von elektronendurchlässigen Zentren sondern machte die Kügelchen im Gegenteil in zunehmendem Maße widerstandsfähig gegenüber Strahlenschädigungen. Diese Befunde lassen vermuten, daß sich die ausgestrahlten Elektronen und die Sauerstoff- oder Wasserstoffatome der wäßrigen Komponente des amorphen Calciumphosphates gegenseitig beeinflussen und daß diese anfängliche Reaktion von einer Verdrängung und/oder einem Verlust anderer Atome gefolgt wird.