Kinetics of Acid Diffusion and Demineralization of Bone

Abstract

The dissolution of the inorganic calcium phosphate salts from ground bone samples via hydrochloric acid solutions has been studied. The diffusion of the acid into bone tissue occurred by a Fickian diffusion process, with measured diffusivities for these ~ystems being independent of the acid .concentration, up to ~ 2 N HCl. The actual dissolution of the salts into the acid was virtually mstantaneous relative to the aCid dlff~lon. Thus the overall dissolutIOn kmetlcs could be correlated quite well with the classic "shrinking core" fluid olid reaction model, with the diffusion of the reacting fluid through the reacted layer of the solid being the rale-determining step.

Résumé

La dissolution dans des solutions d’acide chlorhydrique des phosphates inorganiques de calcium provenant d’échantillons d’os droyés a été étudiée. La diffusion de l’acide dans Ie tissu osseux se fait suivant le modéle de Fick, avec des constantes de diffusion mesurées indépendantes de la concentration en acide jusqu’à 2 N environ. La dissolution réelle des sels dans l’acide est quasi instantanée par rapport à la diffusion de l’acide. Ainsi, la cinétique globale de la dissolution pcut etre représentée par le modèle c1assique de la réaction fluide-solide “shrinking core”, la diffusion du fluide actif à travers la couche solide avec laquelle il réagit étant l’étapc determinante de la vitesse.

Zusammenfassung

Die Kinetic der Auflösung der anorganischen Calziumphosphat-Salze aus gemahlenen Knochenproben mittels Salzsäurelosungen unterschiedlicher Konzenlration wurde untersucht. Die Diffusion der Säure in das Knochengewebe folgt dem Fickschen Diffusionsmodell; die gernessenen Diffusionskoeffizienten waren dabei im Bereich bis zu ca. 2 N HCI unabhängig von der Säurekonzentration. Die Auflösung der Phosphate erfolgt schnell im Vergleich zur Diffusion der Säure. Damit kann die Gesamtkinetik der Auflösung gut mit dem klassischen “Shrinking Core”-Modell für die Reaktion einer Flüssigkeit mit dem Bestandteil eines Feststoffes beschrieben werden, wobei die Diffusion des gelösten Reaktionspartners durch den Farbstoff cler geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist.

Riassunto

E’ stata studiala la dissoluzione dei sali di fosfato di calcio inorganico di campioni di ossa macinale in soluzioni di acido c1oridrico. La diffusione dell’acido nel tessulo osseo ha luogo tramite un processo di diffusione Fickiano, con misure di diffondibilita per questi sistemi che sono indipendenti, Jirr’o a ~ 2 N HCI, dalla concentrazione dell’acido. La dissoluzione dei sali nell’acido risulta virtualmente istantanea relativam’ente alia difTusione acida. Ne cOllsegue che Ie cinetiche delrintero processo di dissoluzione sono abhastanza bene correlabili col clas ico modello di reazione fluido-solido a “restringimento di nucleo”, in cui la difTusione del fluid realtivo attraverso lo strato reagente del solido è lo stadio che delermina la velocitll di reazione.