L'obiettivo di questa tesi è lo studio, tramite tecniche
computazionali ab initio, dell'idrossiapatite, un minerale
appartenente alla famiglia delle apatiti, di composizione
Ca10(PO4)6(OH)2. L'idrossiapatite è un biomateriale appartenente
alla categoria delle bioceramiche utilizzato per costruire
dispositivi e impianti biomedici dai molteplici usi, che
vanno dalle riparazioni e ricostruzioni ossee alle protesi e
impianti dentari. Il presente lavoro si colloca in uno scenario di
modellistica e caratterizzazione quantomeccanica dell'idrossiapatite
e delle sue superfici, sia tal quali sia in interazione con molecole
d'interesse biologico. La modellizzazione viene effettuata mediante
calcoli ab initio basati sul codice CRYSTAL06, sviluppato dal gruppo
di chimica teorica dell'Università degli Studi di Torino in
collaborazione con il Daresbury Laboratory (UK). Questo codice
permette il calcolo della geometria ottima, della funzione d'onda e
delle proprietà monoelettroniche, dei parametri di cella e delle
coordinate atomiche all'interno di uno schema ab initio
basato sul funzionale della densità (DFT). In particolare la
struttura del programma CRYSTAL06 consente l'adozione di funzionali
ibridi (in questa tesi il B3LYP) che forniscono risultati piuttosto
accurati nella modellistica di sistemi isolanti e semiconduttori
e del legame a idrogeno. In questa tesi verranno riprese le due
superfici stechiometriche (001) e (010), ma verrà anche
presentata nel dettaglio una nuova superficie stechiometrica, la
(101) (capitolo III). Saranno, inoltre, caratterizzate due superfici
non stechiometriche che nascono lungo la direzione reticolare [010],
una ricca in calcio e l'altra ricca in fosforo (capitolo IV). Su
ciascuna nuova superficie sarà simulato l'adsorbimento di acqua, per
valutare la forza dell'interazione sui principali siti superficiali,
integrando i dati già presenti per le superfici (001) e (010) con
questi ultimi (capitolo V). Per tutte le superfici di interesse si è
eseguita un'esaustiva analisi delle proprietà elettriche nella
regione di interazione con adsorbati. Nell'ultimo capitolo sarà
presentato l'adsorbimento di acido alendronico, un composto di
formula H2N-(CH2)3-C(OH)(PO3H2)2 appartenente alla classe dei
bifosfonati geminali,interessante dal punto di visto farmaceutico e
medico. Molti lavori sono già stati condotti sulla farmacocinetica e
farmacodinamica dell'alendronato di sodio poiché viene prescritto
nelle terapie delle malattie metaboliche dell'osso. Da questi lavori
sperimentali non è però ancora stato chiarito cosa succeda a livello
molecolare per spiegare l'alta affinità tra tale molecola e
l'idrossiapatite, costituente principale della fase minerale
dell'osso. Soltanto unlavoro teorico dell'interazione di alendronato
con le superfici dell'idrossiapatite è presente in letteratura, dove
la metodologia utilizzata era però limitata alla meccanica
molecolare. Per fornire un quadro teorico più accurato, è stato
simulato, con un approccio ab initio, l'adsorbimento della molecola
di acido alendronico sulla superficie (001) stechiometrica, la
più studiata dell'idrossiapatite (capitolo VI). I risultati ottenuti
confermano la grande affinità dell'alendronato per le superfici di
idrossiapatite al punto da essere un potente inibitore di crescita
dei cristalli.
The aim of this thesis is the study, through ab-initio computational
tools, of the hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2, a mineral belonging
to the family of the apatites. Hydroxyapatite is a biomineral
belonging to the category of bioceramics with lots of uses that go
from bone repairs and reconstructions to dental prosthesis and
plants.
The present work can be placed in a modellistic scenery of
characterization of the hydroxyapatite and its surfaces, both native
and in interaction with molecules of biological interest. The
modeling is carried out with ab-initio calculations performed with
the CRYSTAL06 code, developed by the Theoretical Chemistry group of
the Università degli Studi di Torino, in collaboration with the
Daresbury Laboratory (UK). This code allows the calculation of the
best geometry, of the wave function, of the cell parameters and
atomic coordinates in an ab-initio scheme based on the density
functional theory (DFT). The CRYSTAL06 code structure allows the
adoption of hybrid functionals (in this thesis, the B3LYP) which
give very accurate results in the insulating and semiconductor
modeling and also the hydrogen bond modeling.
In this thesis the stoichiometric (001) and (010) surfaces will be
taken into account, but a new stoichiometric surface, the (101),
will be discussed (chap. III). Moreover, two non stoichiometric
surfaces, that arise along the [010] reticular direction, will be
fully characterized, one Calcium rich and the other Phosphorus rich
(chap. IV). The water adsorption will be modeled on each surface, in
order to evaluate the interaction strength on the principal
superficial sites, integrating the data already present for the
(001) and (010) surfaces (chap. V). For each surface, a fully
exhaustive analysis of the electronical properties will be carried
out in the region of interaction with adsorbates.
In the last chapter the adsorption of the alendronic acid, H2N-(CH2)
3-C(OH)(PO3H2)2, a molecule belonging to the class of geminal
bisphosphonates, very interesting from a pharmaceutical and medical
point of view, will be presented. Lots of work have already been
conducted on the pharmacokinetic and pharmacodynamics of the sodium
alendronate, because it is prescribed in the therapies of the
metabolic bone diseases. From these experimental works, the high
affinity between the molecule and the hydroxyapatite, main component
of the bone, hasn't been explained yet. Just a theoretical work is
present in literature, concerning the interaction of alendronate
with hydroxyapatite surfaces, but the method used was limited to the
molecular mechanics. Out to give a more accurate theoretical sight,
the adsorption of the molecule of alendronate with the (001)
hydroxyapatite surface, the more studied one, has been simulated
with an ab-initio approach (chap. VI) The results confirm the great
affinity of the alendronate with the surfaces of the hydroxyapatite
at the point that it is a great inhibitor of the growth of the
hydroxyapatite crystals.