Нуклеация – начало образования кристаллов

В основе минерализации костного скелета и зубных тканей позвоночных лежит образование кристаллов с участием фосфатов кальция. В патологических условиях свыше 20 других солей могут подвергаться кристаллизации в составе зубных, мочевых, жёлчных камней.

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. Процесс осаждения можно разделить на 2 стадии: вначале идёт нуклеация, т.е. образование плотного остатка с точечными ядрами кристаллов, а затем – рост кристаллов из этого ядра.

Различают 2 типа нуклеации.

• Если нуклеация идёт в пересыщенном растворе без участия другой фазы, то её называют гомогенной. Гомогенная нуклеация характерна для первичных этапов формирования зубного дентина.

• Если нуклеацию инициирует другая фаза (часто твердая фаза), то процесс называют гетерогенной нуклеацией. Второй механизм встречается чаще, поскольку трудно создать чисто однофазный раствор.

В обоих случаях формируются небольшие ядра кристаллов 0,5–2,0 нм в диаметре.

Процесс гомогенной нуклеации может быть представлен следующим образом. Вначале небольшое число ионов образует пары или триплеты – так называемые кластеры. Кластеры могут объединяться между собой. Пока новые кластеры малы, они неустойчивы, быстро распадаются и вновь образуются. Когда имеется пересыщенный раствор, размер радиуса отдельных кластеров может достигнуть и даже превысить критический радиус кристалла (R_крит). Такие кластеры не распадаются, а становятся источниками дальнейшего роста кристаллов. В целом, если радиус ядра меньше R_крит, то зачаток кристалла растворяется, если выше – идёт рост кристалла.

В ходе гетерогенной нуклеации рост кристаллов «АБ» (например, А – кальций, Б – фосфат) может начаться, если в супернасыщенный раствор добавить другой кристалл «В» (матрицу). Образование кластера определённой величины (ядра) для роста кристаллов «АБ» на поверхности кристалла «В» происходит в 3 стадии: (1) поверхностная адсорбция компонентов А и Б, (2) их диффузия на поверхности, (3) включение в кластер. Матрица «В» при этом может играть роль направляющей в образовании кристаллов «АБ». Такой феномен называют «эпитаксис», а процесс образования критических кластеров называют эпитаксической нуклеацией.