Hydroxylapatit


Hydroxylapatit
Hydroxylapatite-338779.jpg
Hydroxylapatit in hexagonal-prismatischer Ausbildung aus Cerro Huañaquino, Departamento Potosí, Bolivien (Größe: 1,3 x 0,5 x 0,4 cm)
Andere Namen
  • ehemals Apatit-(CaOH)
Chemische Formel

Ca5[OH|(PO4)3][1]

Mineralklasse Phosphate, Arsenate und Vanadate - Wasserfreie Phosphate mit fremden Anionen
8.BN.05 (8. Auflage: VII/B.39) nach Strunz
41.08.01.03 nach Dana
Kristallsystem hexagonal
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin hexagonal-dipyramidal; 6/m
Raumgruppe (Raumgruppen-Nr.) P63/m (Raumgruppen-Nr. 176)
Farbe Weiß, Grau, Gelb, Grün, Braun, Schwarz
Strichfarbe Weiß
Mohshärte 5
Dichte (g/cm3) gemessen: 3,14 bis 3,21 ; berechnet: 3,16[2]
Glanz Glasglanz, Fettglanz, erdig
Transparenz durchsichtig bis undurchsichtig
Bruch muschelig, spröde
Spaltbarkeit undeutlich nach {0001} und {1010}[2]
Habitus nadelige, prismatische Kristalle; Stalaktiten; nierige, massige Aggregate
Häufige Kristallflächen {1010}, {0001}, {1011}
Kristalloptik
Brechungsindex nω = 1,651 ; nε = 1,644[3]
Doppelbrechung
(optischer Charakter)
δ = 0,007[3]; einachsig negativ
Pleochroismus grüner Apatit schwach gelb, blauer Apatit sehr stark blau und farblos
Weitere Eigenschaften
Chemisches Verhalten löslich in HNO3
Ähnliche Minerale Chlorapatit, Fluorapatit
Radioaktivität enthält Spuren von Uran und anderen seltenen Erden
Besondere Kennzeichen nach Erhitzen Phosphoreszenz

Hydroxylapatit (auch Hydroxyapatit, ehemals Apatit-(CaOH)) ist ein Mineral aus der Mineralklasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“, das an verschiedenen Fundorten zum Teil reichlich vorhanden sein kann, insgesamt aber wenig verbreitet ist.

Hydroxylapatit kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem mit der chemischen Formel Ca5[OH|(PO4)3][1] und entwickelt meist kurz- bis langprismatische Kristalle von bis zu 30 cm Länge, aber auch nierige bis massige Mineral-Aggregate, stalaktitische Formen und krustige Überzüge von weißer, grauer, gelber, grüner, brauner oder schwarzer Farbe bei weißer Strichfarbe. Zudem bildet Hydroxylapatit die Grundlage der Hartsubstanz (Knochen, Zähne) aller Wirbeltiere.

Hydroxylapatit ist ein Mitglied der Apatitgruppe und bildet mit Chlorapatit (ehemals Apatit-(CaCl)) und Fluorapatit (ehemals Apatit-(CaF)) eine lückenlose Mischreihe.

Etymologie und Geschichte

Der Name Hydroxylapatit weist einerseits auf seine enge Verwandtschaft und chemische Ähnlichkeit mit den anderen Mitgliedern der Apatitgruppe hin und andererseits auf das in der chemischen Zusammensetzung vorherrschende Hydroxidion.

Erstmals beschrieben und benannt wurde das Mineral 1912 durch Waldemar Theodore Schaller.[4]

Klassifikation

In der mittlerweile veralteten, aber noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Hydroxylapatit zur Mineralklasse der „Phosphate, Arsenate, Vanadate“ und dort zur Abteilung der „Wasserfreien Phosphate mit fremden Anionen“, wo er zusammen mit Belovit-(Ce), Belovit-(La), Carbonat-Fluorapatit (Carbonat-Apatit-(CaF)), Carbonat-Hydroxylapatit (Carbonat-Apatit-(CaOH)), Chlorapatit (Apatit-(CaCl)), Fermorit, Fluorapatit (Apatit-(CaF)), Fluorcaphit, Hedyphan, Johnbaumit, Klinomimetesit, Kuannersuit-(Ce), Mimetesit, Morelandit, Pyromorphit, Strontiumapatit, Svabit, Turneaureit und Vanadinit die eigenständige „Apatit-Pyromorphit-Gruppe“ mit der System-Nr. VII/B.39 bildete.

Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) verwendete 9. Auflage der Strunz'schen Mineralsystematik ordnet den Hydroxylapatit ebenfalls in die Klasse der „Phosphate, Arsenate, Vanadate“ und dort in die Abteilung der „Phosphate, etc., mit weiteren Anionen, ohne H2O“ ein. Diese Abteilung ist allerdings weiter unterteilt nach der Größe der beteiligten Kationen und deren Stoffmengenverhältnis zum Phosphat-, Arsenat- bzw. Vanadat-Komplex RO4, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Mit ausschließlich großen Kationen (OH, etc.) : RO4 = 0,33 : 1“ zu finden ist, wo es zusammen mit Alforsit, Belovit-(Ce), Belovit-(La), Carbonat-Fluorapatit, Carbonat-Hydroxylapatit, Chlorapatit, Fluorapatit, Fluorstrophit, Hydroxylapatit-M, Deloneit-(Ce), Fermorit, Fluorcaphit, Hedyphan, Hydroxyl-Pyromorphit, Johnbaumit, Klinomimetesit, Kuannersuit-(Ce), Mimetesit, Morelandit, Phosphohedyphan, Pyromorphit, Svabit, Turneaureit, Vanadinit die „Apatit-Pyromorphit-Gruppe“ mit der System-Nr. 8.BN.05 bildet.

Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Hydroxylapatit in die Klasse der „Phosphate, Arsenate, Vanadate“ und dort in die Abteilung der „Wasserfreien Phosphate etc., mit Hydroxyl oder Halogen“ ein. Hier ist er zusammen mit Chlorapatit, Carbonat-Fluorapatit, Carbonat-Hydroxydapatit, Belovit-(Ce), Belovit-(La), Kuannersuit-(Ce), Fluorapatit, Fluorstrophit, Fluorcaphit, Deloneit-(Ce), Stronadelphit, Fluorphosphohedyphan und Phosphohedyphan in der „Apatitgruppe“ mit der System-Nr. 41.08.01 innerhalb der Unterabteilung der „Wasserfreien Phosphate etc., mit Hydroxyl oder Halogen mit (A)5(XO4)3Zq“ zu finden.

Bildung und Fundorte

Mehrere kleine, grüne Hydroxylapatit-Kristalle auf Orthoklas aus der Sapo Mine, Minas Gerais, Brasilien (Größe: 11,4 x 9,0 x 2,4 cm.)
Weißer, massiger Hydroxylapatit und lachsfarbener Triplit aus der Morefield Mine bei Winterham, Amelia County, Virginia, USA

Hydroxylapatit bildet sich entweder metamorph in Serpentinit und Talkschiefer oder hydrothermal in Pegmatit. Zusätzlich wird es in verschiedenen Gesteinsschichten durch biogene Sedimentation aufgebaut. Begleitminerale sind unter anderem Brushit, Calcit, Montebrasit, Muskovit, Crandallit, Serpentinschiefer und Talk[2]

Insgesamt konnte Hydroxylapatit bisher (Stand: 2011) an rund 250 Fundorten nachgewiesen werden.[3] Erwähnenswert aufgrund außergewöhnlicher Hydroxylfunde sind unter anderem Snarum in der norwegischen Provinz Buskerud, Hospental im Schweizer Kanton Uri und Eagle im US-Bundesstaat Colorado, wo jeweils Kristalle mit bis zu 3 cm Durchmesser entdeckt wurden.

In Deutschland fand sich das Mineral unter anderem im bayerischen Fichtelgebirge und Spessart; bei Neuhof, im Odenwald, bei Waldgirmes und Wiesbaden-Naurod in Hessen; Bad Harzburg in Niedersachsen; Neheim-Hüsten in Nordrhein-Westfalen; bei Rheinbreitbach in Rheinland-Pfalz; an mehreren Orten des sächsischen Erzgebirges; bei Barmstedt in Schleswig-Holstein und bei Ilfeld in Thüringen.

In Österreich trat Hydroxylapatit bei Badersdorf im Burgenland; am Brandrücken in der kärntener Koralpe; an mehreren Orten Krieglachs in der Steiermark sowie im Bregenzerwaldgebirge in Vorarlberg auf und in der Schweiz wurde das Mineral unter anderem bei Sils im Engadin/Segl im Kanton Graubünden; im Centovalli, am Lago Maggiore und bei Sambuco im Tessin sowie in gefunden.

Weitere Fundorte sind Argentinien, Äthiopien, Australien, die Bahamas, Bolivien, Brasilien, die kleine Antilleninsel Anguilla, China, Frankreich, Grönland, Iran, Italien, Japan, der Jemen, die Demokratische Republik Kongo, Kanada, Kuba, Malta, Mexiko, die Mongolei, Namibia, die Niederlande, Norwegen, Papua-Neuguinea, Polen, Puerto Rico, Rumänien, Russland, Saudi-Arabien, Schweden, die Seychellen, die Slowakei, Spanien, Südafrika, Thailand, Tschechien, die Türkei, Uganda, Ungarn, die Ukraine, Venezuela, das Vereinigte Königreich (Großbritannien) und die Vereinigten Staaten von Amerika (USA).[5]

Vorkommen in Lebewesen

Hydroxylapatit bildet die Grundlage der Hartsubstanz aller Wirbeltiere und entsteht im Körper durch Biomineralisation. Er ist in Knochen zu einem Anteil von etwa 40 %, in der Kalzifizierungszone von Gelenkknorpel[6], im Zahnbein (Dentin) zu 70 %, und im Zahnschmelz (Enamelum) zu 95 % enthalten. Demnach ist der Zahnschmelz mit einer Mohshärte von 5 das härteste Material unseres Körpers.

Zahnschmelz wird von Adamantoblasten (Ameloblasten, schmelzbildenden Zellen) gebildet. Diese Zellen sezernieren zunächst eine bindegewebige Substanz (Präenamelum). Nach dem Zahndurchbruch vollzieht sich der Hauptteil der Mineralisation: Durch Einlagerung von Ca2+ und Phosphaten in Form von Apatit erlangt der Zahnschmelz seine endgültige Härte.

Zahnschmelz schützt nicht nur mechanisch, sondern auch chemisch. Wird er jedoch bei einem pH < 5,5 in Lösung gebracht, so demineralisiert er. Dies geschieht im Mund zumeist durch bakterielle Säuren und Fruchtsäuren:

$ Ca_5(PO_4)_3OH + H_3O^+ \rightarrow 5 Ca^{2+} + 3 PO_4^{3-} + 2 H_2O $

(Aus Hydroxylapatit entsteht unter Einfluss von Säuren - hier als Oxonium-Ion H3O+ dargestellt - ionisches Calcium, Phosphat und Wasser)

Dem kann vorgebeugt werden, indem man das Hydroxid-Ion gegen ein Fluor-Ion substituiert, beispielsweise durch Fluoridzusätze in Zahnpasten, Kochsalz oder Trinkwasser (siehe Fluoridierung).

$ Ca_5(PO_4)_3OH + F^- \rightarrow Ca_5(PO_4)_3F + OH^- $

Fluorapatit besitzt bei gleichem pH-Wert ein viel geringeres Löslichkeitsprodukt, d.h. es dissoziieren weitaus weniger Fluorapatitmoleküle in einer Lösung als Hydroxylapatitmoleküle. Dies ist der Grund, weshalb Fluorapatit beständiger ist als das körpereigene Hydroxylapatit.

Synthetische Herstellung

Es ist möglich, Hydroxylapatit im Labor herzustellen; er bildet sich als sehr langsamer Niederschlag in Form hexagonaler, nadelförmiger Ablagerungen extrem verdünnter Lösungen, die mit Calciumnitrat, Kaliumdihydrogenphosphat und Natronlauge erhalten werden.[7]

$ \mathrm{10\ Ca(NO_3)_2 + 6\ KH_2PO_4 + 14\ NaOH \longrightarrow} $
$ \mathrm{2\ Ca_5(PO_4)_3(OH) + 6\ KNO_3 + 14\ NaNO_3 + 12\ H_2O} $


Kristallstruktur

Hydroxylapatit kristallisiert hexagonal in der Raumgruppe P63/m (Raumgruppen-Nr. 176) mit den Gitterparametern a = 9,42 Å und c = 6,87 Å sowie 2 Formeleinheiten pro Elementarzelle.[1]

Verwendung

In der chemischen Industrie stellt Hydroxylapatit ein wichtiges Erz zur Gewinnung von Phosphor und damit zur Herstellung von Düngemitteln und Phosphorsäure dar.

In der Medizin wird es als Biomaterial zum Knochenersatz (bone graft), zum Teil in Kombination mit β-Trikalziumphosphat, oder als bioaktive Beschichtung von Titanimplantaten zur Verbesserung des Knocheneinbaus eingesetzt.

Einige Hersteller von Zahnpasta fügen ihren Produkten Hydroxylapatit in Verbindung mit Zink-Carbonat hinzu, der den Zahnschmelz durch Einbau des Hydroxylapatits reparieren soll (Bsp.: BioRepair). Der große Nachteil solcher Zahncremes besteht jedoch darin, dass diese keine Fluoride enthalten können, weil sie mit dem enthaltenen Hydroxylapatit noch in der Zahnpastatube reagieren und es inaktivieren würden. Fluoride dienen jedoch nachweislich als wirksamer Kariesschutz, wohingegen über die Wirksamkeit von Hydroxylapatit-Zahncremes bisher keine aussagekräftigen Studien existieren.[8] Darüber hinaus hat Natriumfluorid einen "signifikant besseren Effekt als alle anderen Testlösungen" auf die Härte des Zahnschmelzes in einem Vergleich mit Nano-Hydroxylapatit. Der einer Zahncreme entsprechenden Konzentration von 1 % Nano-HA entsprach "nahezu kein Anstieg der Mikrohärtewerte".[9]

In der präparativen Proteinbiochemie findet Hydroxylapatit als stationäre Phase bei der chromatografischen Auftrennung von Proteinen, speziell Membranproteinen, Verwendung.

In der Genetik wird das Mineral in der DNA-DNA-Hybridisierung (einer älteren Methode zur Feststellung von Verwandtschaftsgraden bei Organismen) verwendet. Dabei wird seine Eigenschaft genutzt, dass es sich an DNA-Doppelstränge heftet, nicht jedoch an Einzelstränge. So können Doppelhelices von Einfachsträngen getrennt werden. [10]

Siehe auch

  • Liste der Minerale

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2  Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. 9. Auflage. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 466,467.
  2. 2,0 2,1 2,2 Handbook of Mineralogy - Hydroxylapatite (englisch, PDF 65,5 kB)
  3. 3,0 3,1 3,2 Mindat - Hydroxylapatite (englisch)
  4. Waldemar T. Schaller: Mineralogical notes, Series 2. In: Mineralogy of the French phosphorites, U.S. Geological Survey Bulletin, 509, 89-100 (1912) (englisch, PDF 430,8 kB)
  5. Mindat - Localities for Hydroxylapatite
  6. Herzog, W. / Federico, S. (2007): Articular Cartilage In: Nigg, B. M. / Herzog, W. (Eds.) 2007: Biomechanics of the Musculo-skeletal System. Third Edition. Wiley. Chichester. S. 95-109.
  7. G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 545-6.
  8. Stiftung Warentest: Zahncreme Biorepair - Kein Fluorid in: test.de, 19. August 2009 (abgerufen am 4. Februar 2013)
  9. Klimek, Joachim/Nadine Schlüter/Corinna Dietz/Carolina Ganß: "Zur wissenschaftlichen Effizienz von Nano-Hydroxylapatit in Zahnpasten", Zahnärzliche Mitteilungen zm 100(7), 1. April 2010, S. 60–64.
  10. Populationsgenetik und Evolution (PDF 40,5 kB im Webarchiv vom 13. Juni 2007)

Literatur

  •  Petr Korbel, Milan Novák: Mineralien Enzyklopädie. Nebel Verlag GmbH, Eggolsheim 2002, ISBN 3-89555-076-0, S. 171.

Weblinks

 <Lang> Commons: Apatit-(CaOH) (Hydroxylapatit) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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