Химический состав и свойства апатитов минерализованных тканей ротовой полости человека

химия

Вестн. Ом. ун-та. 2010. №4. С. 105-110.

УДК 543 + 616.31

О.А. Голованова, Л.В. Вельская

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

О.Л. Пихур

Санкт-Петербургский медицинский институт

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА

ТКАНЕЙ

Исследованы фазовый состав и структурные особенности апатитов эмали, дентина, зубных и слюнных камней. Методами рентгенофазового анализа и ИК-спектро-скопии установлено, что апатиты минерализованных тканей в ротовой полости человека характеризуются уменьшением кристалличности и упорядоченности структуры по сравнению с абиогенными апатитами стехиометрического состава. Данные по элементному составу образцов, полученные методами атомно-эмиссионного, рентгенофлуоресцентного и рентгеноспектрального анализа, могут служить индикатором неблагоприятных условий, влияющих на здоровье человека.

Ключевые слова: эмаль, дентин, слюнные и зубные камни, биоминерал, гидроксила-патит, структура, кристалличность.

Апатит - основной компонент минерализованных тканей как физиологического (костная ткань, твердые ткани зубов), так и патологического (слюнные, зубные, мочевые камни и др.) происхождения [1-6]. Важно установить связи между составом и структурой апатитсодержащих органоминеральных агрегатов, общим состоянием организма и состоянием окружающей среды. Прикладное значение исследований в этой области связано с разработкой методов профилактики и лечения ряда заболеваний (кариес, некариозные поражения твердых тканей зубов, слюннокаменная болезнь и др.), а также созданием биосовмес-тимых материалов. Данные по химическому составу и структурным особенностям апатитов в организме человека немногочисленны [3-8]. Они свидетельствуют об изоморфизме и значительным вариациям параметров кристаллической решетки апатитов. Следует отметить трудность изучения апатитов, которые характеризуются сложным составом и часто плохо окристаллизованы.

Целью работы является детальное исследование состава и строения апатитсодержащих органоминеральных образований ротовой полости человека (эмаль, дентин, зубные и слюнные камни) с использованием современных физико-химических методов. В частности, для определения степени кристалличности и элементного состава образцов использовали методы рентгеноспектрального микрозондового

*Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 10-05-00881-а).

© О.А. Голованова, О.Л. Пихур, Л.В. Вельская, 2010

АПАТИТОВ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ РОТОВОЙ ПОЛОСТИ ЧЕЛОВЕКА*

анализа, рентгеновской флуоресценции, атомно- абсорбционной спектроскопии.

Полученные результаты предполагается использовать для разработки новых способов профилактики и лечения соответствующих заболеваний.

Объекты и методы исследования. В работе использовали: а) зубы пациентов обоего пола в возрасте 35-65 лет (75 образцов), удаленные по медицинским показаниям (III степень подвижности, обострение пародонтита, ортодонтические показания), б) зубные камни больных генерализованным пародонтитом (115 образцов) и в) слюнные камни из околоушной и подъязычной слюнных желез и их протоков (14 образцов).

Рентгенофазовый анализ (РФА) всех образцов вели «методом порошка» на дифрактометре типа ДРОН по стандартной методике (СоКа, СиКа, NiKa, графитовый монохроматор) [9]. В качестве внутреннего эталона использовали Ge. Идентификацию фаз проводили с использованием эталонных спектров из БД JCPDC [10,11]. Для определения параметров кристаллической решетки биоминералов, на основании которых делали заключение о переменном составе исследуемых фаз, использовали метод порошковой рентгенографии. Расчет параметров элементарной ячейки выполняли методом наименьших квадратов.

Данные о наличии разных типов воды в исследуемых твердых тканях, а также о присутствии ОН-групп и СОз-ионов в структуре гидроксилапатитов получали методом ИК-спектроскопии [12,13]. Образцы для анализа готовили прессованием костного порошка в таблетки с бромидом калия. ИК-спектры исследуемых проб регистрировали на спектрофотометре Spectrum One FT-IR (Perkin Elmer). Источником излучения в приборе является керамический стержень с Pt-Rh спиралью накала. В качестве диспергирующего устройства применен призменно-дифракционный тип монохроматора «по Литрову» со сменяющейся решеткой. Приёмник излучения - вакуумный термоэлемент «по Кортиму» с КВг входной линзой.

Количественное определение Fe, Mg, Pb, Si, Mn, Са, Ti, Zn, Al, Си выполняли методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (Optima 2000 DV, Perkin Elmer). Минера-

лизацию пробы проводили в микроволновой печи. Рабочий стандартный раствор с концентрацией 10-50 мг/л (в зависимости от концентрации определяемых элементов в анализируемом продукте) приготавливают путем соответствующего разбавления стандартного одноэлементного или многоэлементного раствора с аттестованным значением содержания элементов [14]. Дополнительно все образцы исследовали в лаборатории рентгеноспектрального анализа Аналитического центра ОИГГиМ СО РАН методом рентгеновской флуоресценции с использованием синхротронного излучения (накопитель ВЭПП-3) по методике [15] и методом атомноабсорбционной спектроскопии на спектрометре ААЭ Ш по ГОСТ 26570-95 [16], что позволило определить некоторые другие элементы. Содержания элементов находили методом внешнего стандарта. Погрешность результатов анализа составляла 2-5 % отн.

Для изучения уровня минерализации эмали и дентина зубов при генерализованном пародонтите и для выявления характера распределения некоторых элементов (К, Иа, Са, Р, Б, 1У^, СІ, Бі, Р) от центра к периферии образцов использовали метод количественного рентгеноспектрального микрозондового анализа (РМА) на микроанализаторе «СатеЬах-Місго» (лаборатория рентгеноспектрального анализа Аналитического центра ОИГГиМ СО РАН). Для анализа по методике

[17] изготавливали двусторонние полированные прозрачные шлифы на эпоксидной смоле толщиной 0,04 см. Оптимальные параметры съемки: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток поглощенных электронов 40 нА, угол отбора 40°, время счёта 10 сек. на каждой аналитической линии, диаметр зонда 2-3 мкм. Стандартами служили однородные природные и синтетические минералы подобного образцам состава. Погрешности определений всех компонентов находились в пределах 2 % отн. за исключением Р, погрешность определения которого на уровне 0,1-2,0 % составляла 2-3 % отн., а при более низких содержаниях возрастала до 5 % отн.

Фазовый состав и уровень минерализации. Методом РФА было подтверждено, что минеральная компонента твердых тканей зубов, зубных и слюнных

камней представлена основным ортофосфатом кальция (гидроксилапатитом) Саю(Р04)б'(0Н)2. В трех образцах зубных и в одном образце слюнных камней вместе с этим минералом обнаружены небольшие количества (5-10 %) брушита СаНР04-2Н20. В одном из слюнных камней выявлен также витлокит (Са,]У^)з(Р04)2 (5-10 % от содержания гидроксилапатита). На рентгенограммах некоторых образцов существенно повышен фон в малоугловой области, что свидетельствует о присутствии рентгеноаморфной фазы (рис. 1).

I/1

10 20 30 40 50 2©

Рис. 1. Дифрактограммы образцов зубного камня (1), слюнного камня (2) и эмали (3). Указаны пики апатита (А), брушита (В) и витлокита (Щ

Результаты рентгенографических исследований показали, что апатиты эмали окристаллизованы значительно лучше, чем апатиты дентина. Об этом свидетельствует большая интенсивность пиковых сигналов и меньшая полуширина дифракционных отражений. Апатиты зубных камней также различаются по степени кристалличности. Гидроксилапатит зубных камней окристаллизован лучше и даёт более чёткие рефлексы по сравнению со слюнными камнями, что связано с различным содержанием органических веществ. В эмали оно составляет 4-5 %, в дентине - 25-30 %, а в зубных и слюнных камнях ещё выше, при этом оно значительно варьирует [4, 18]. Существенно различаются и параметры кристаллической структуры апатитов разного происхождения: значения параметра «а» гидроксилапатита эмали варьируют от 9.441 до

9.453, А, что не совпадает с данными по стехиометрическим гидроксилапатитам абиогенного происхождения (а =9.418, с = 6.884 А) [7]. Минеральная компонента слюнного камня представлена плохо ок-ристаллизованным апатитом со следующими параметрами элементарной ячейки: а = 9.449(5), с = 6.883(3) А. Такие параметры характерны для нестехиометрических кальцийдефицитных гидроксила-патитов, в том числе карбонатсодержащих [18]. Параметр «а» исследуемого апатита близок к верхнему пределу этого параметра у апатитов эмали.

На ИК-спектрах всех образцов (рис. 2) присутствуют полосы поглощения, соответствующие колебаниям Р-О-связей (1090, 1030, 960 и 630, 600 и 560 см-1). Отсутствие полосы 640 см-1 (связь Р-ОН) свидетельствует о дефиците ОН-групп в структуре гидроксилапатитов. Для всех образцов характерны также полосы С-О-связи: 1460, 1420 см-1, что указывает на замещение гидроксила карбонат-ионом в кристаллической структуре апатита (замещение В-типа) [18].

Рис. 2. ИК-спектры типичных образцов дентина

В ИК-спектрах дентина и зубных камней также присутствует полоса поглощения С-О связи, но ее положение (1550 см-1) характерно для замещения ОН-групп по А-типу (в каналах структуры апатита). Следовательно, исследуемые апатиты различаются по характеру распределения карбонат-ионов в кристаллической структуре (рис. 3). Если в апатите эмали карбонат-ионы замещают только [Р04]-тетраэдры, то в апатитах дентина и зубных камней часть этих анионов локализуется в каналах. ИК-спектры исследо-

ванных образцов различаются еще по одному параметру: в спектрах дентина и зубных камней имеется интенсивная полоса поглощения молекулярной воды (1650 см-1), которая в спектрах эмали отсутствует.

Использование метода РМА позволило определить уровень минерализации эмали и дентина зубов не только в норме, но и при генерализованном пародонтите. В этом случае проводился локальный РМА-анализ образцов. В поверхностном слое эмали средние значения минерализации в области жевательной поверхности или режущего края составляют 93,03±0,2б мас.%, в пришеечной области - 93,4б±0,42 мас.%; в подлежащем слое эмали -90,70±0,51 мас.% и 89,93±0,99 мас.% соответственно. Таким образом, поверхностный слой эмали более минерализован, чем подлежащий. Достоверное изменение уровня минерализации эмали при переходе от одних участков эмали к другим не выявлено. Аналогичные исследования дентина показали, что при генерализованном пародонтите происходит снижение минерализации плащевого дентина относительно околопульпарного, которое наиболее выражено со стороны жевательной поверхности или режущего края (65,82±0,56 и 70,21±0,4б мас.% соответственно) . В области экватора зуба уровень минерализации околопульпарного дентина несколько снижается (бб,48±0,64 и

пришеечной области эти показатели практически сравниваются (68,61±0,49 и 68,43±0,71 мас.% соответственно). Выявленные эффекты могут объясняться процессами в пульпе зуба, приводящими к нарушению трофики дентина и изменению уровня его минерализации. При этом в первую очередь страдает плащевой дентин, который имеет меньшее количество дентинных трубочек, чем околопульпар-ный [1].

Элементный состав. Содержание макро- и микроэлементов в исследуемых образцах находили методами атомноэмиссионной, атомно-абсорбционной и рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Усредненные по всем образцам каждого вида данные о содержании макроэлементов представлены в таблице.

Отметим, что содержания разных элементов в слюнных камнях снижаются

в ряду Са>Р>Иа>Мд>К. Этот ряд близок к известному ряду (К>Р>Иа>Са>Мд), характеризующему относительные содержания указанных элементов в слюне здорового взрослого человека [19].

Средние содержания макроэлементов в образцах разного типа, масс.%

Элемент Эмаль Дентин Зубной камень Слюнной камень

Са 36,26 27,43 25,19 23,57

Р 17,17 13,31 14,57 13,58

Na 0,79 0,65 0,37 0,507

Мд 0,24 0,83 0,50 0,450

S 0,11 0,12 - 0,21

СІ 0,31 0,05 0,09 0,04

К 0,003 - - 0,040

F 0,21 0,01 - -

Дополнительно методом атомно-абсорбционной спектроскопии в твердых тканях зубов было определено 45 химических элементов, содержания которых варьируют от 10~5 до 10_2мас.%. В эмали найдены микропримеси следующих элементов: 2п, Бг, К, Ре, Т1, Си, N1, А1, W, Со, Сг, Мп, РЬ, 2т, Ва, Бп, Мо, Оа, Ве, Иэ, ИЬ, Ag, С(1, У, 1п, БЬ, I, Се, редкоземельные элементы от Ьа до Но. Микроэлементы эмали можно разделить на три группы:

1) с содержанием 10_3-^10-2 %- 2п, Бг, К, Ре, Т1, Си, №, А1, Со, Сг.

2) с содержанием 10_4-^10_3 %- Мп, РЬ, Ва, Бп, Мо.

3) с содержанием < 10-4 % - Оа, Ве, Иэ, №э, Ag, С(1, У, 1п, БЬ, I, Се.

В ряде образцов эмали обнаружены редкоземельные элементы (от Ьа до Но). Их суммарное содержание в среднем составляет 34-10-5 %. В некоторых образцах эмали содержание микроэлементов, неблагоприятно влияющих на здоровье человека, существенно превышало средний уровень, что может быть связано с профессиональной деятельностью соответствующих пациентов. К числу микроэлементов, «накапливающихся» в эмали, по нашим данным, относятся Ре, Си, N1, W, Со, Сг, Мп, Ва, Мо.

Образцы зубных и слюнных камней дополнительно исследовались рентгенофлуоресцентным методом. Всего было обнаружено около 30 микроэлементов (Т1, V, Мп, Ре, N1, Си, 2п, Вг, Иэ, 2т, Ag, Бп, I, Ва и некоторые другие). Найденные содержания этих элементов варьируют от 10^ до 10-2 (У(). СодсрзксШия разных мик/роэлс-

ментов сильно различаются. Для зубных и слюнных камней можно выделить три группы микроэлементов:

1) с содержанием 103-^10_2 масс.% -Т1, V, Сг, Мп, Ре, №, Си, Ъп, Вг, Бг, Ва.

2) с содержанием 104-^103 масс.% -Оа, Иэ, гг, Мо, Ag, Бп, I, Ьа, Се.

3) с содержанием < 1СИ масс.% - Ав, Бе, У, №э, С(1, 1п, БЬ, Те, Се.

Набор элементов в каждой группе для зубных и слюнных камней одинаков, но отличается от набора микроэлементов эмали (см. выше). Для каждой группы можно составить ряд элементов, соответствующий снижению их содержания, однако такие ряды для зубных и для слюнных камней не совпадают. Так, элементы первой группы образуют следующие ряды: зубные камни: Ъп. > Бг > Ре > Т1 > Сг > V > Ва > Вг > Мп > № > Си

слюнные камни: Т1 > V > Сг > Ре > I > Вг > Бг > гп > Си > N1.

Можно предположить, что эти микроэлементы могут изоморфно входить в кристаллическую структуру апатита, для которой весьма характерны многочисленные изовалентные и гетеровалентные замещения [8,18]. Известно, что такие элементы, как Эг и Ва, в структуре апатитов замещают атомы кальция, а Т1, V и Сг -попадают в тетраэдрическую позицию фосфора [7-8,19]. Кроме того, так как большинство определенных в этой группе элементов (Ъп, Си, N1, Ре п др.) являются хорошими комплексообразователями, они могут образовывать устойчивые комплексные соединения с органической компонентой зубных и слюнных камней [4,20]. Резкое превышение содержания ряда токсичных металлов (ванадий, свинец, медь, никель и др.) по сравнению со средним уровнем позволяет предположить, что при неблагоприятной экологической ситуации они в избытке поступают в организм человека и накапливаются в минерализованных тканях, в частности в зубных и слюнных камнях [21-24].

Сопоставление образцов разного типа: выявленные закономерности. На основании полученных данных можно сформулировать ряд закономерностей:

• Фазовый состав зубных и слюнных камней примерно одинаков и близок фазовому составу эмали и дентина. Во всех случаях минеральная составляющая представлена плохо окристаллизованным Са-

дефицитным карбонат-гидроксилапати-том. Снижение степени кристалличности гидроксилапатита в ряду эмаль > дентин > зубные камни > слюнные камни можно объяснить увеличением в этом ряду содержания органических веществ.

• В структуре апатита дентина, зубного и слюнного камня карбонат-ионы замещают не только фосфатные тетраэдры (как в эмали), но и ОН-группы, особенно в каналах.

• Микроэлементный состав зубных и слюнных камней приблизительно одинаков, но существенно отличается от состава эмали и дентина.

тов, обнаруженных в исследованных образцах, и сильные вариации их количественного содержания, очевидно, отражают влияние факторов окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ремизов С. М. Определение микротвердости для сравнительной оценки зубной ткани здоровых и больных зубов человека // Стоматология. 1965. № 3. С. 33-37.

[2] Пилат Т. Л. Зубной камень и его влияние на ткани пародонта // Стоматология. 1984. № 3. С. 12-14.

[3] Кораго А. А. Введение в биоминералогию. СПб., 1992. 280 с.

[4] Голованова О. А., Вельская Л. В. Влияние органических веществ на процесс образования зубных и слюнных отложений // Материалы II Российского совещания по органической минералогии. Петрозаводск, 2005. С. 117-119.

[5] Голованова О. А., Воронкова Л. В., Казанцева Р. В., Ачкасова Е. Ю., Блинов В. И. Изучение процессов образования зубных камней // Минералогия техногенеза : материалы VI научного семинара. Миасс: ИМин УрО РАН, 2005. С. 153-156.

[6] Быков ВЛ. Гистология и эмбриология органов полости рта человека. СПб.: Спец. лит-ра, 1996. 248 с.

[7] Франк-Каменецкая О. В., Голубцов В. В., Пи-хур О. Л. и др. Нестехиометрический апатит твердых тканей зубов человека. Возрастные изменения // Записки всероссийского минералогического общества. 2004. № 5. С. 120-130.

[8] Цимбалистов А. В., Пихур О. Л., Франк-Каменецкая О. В. и др. Результаты исследования морфологического строения, химического состава и параметров кристаллической решетки апатитов твердых тканей зубов // Институт стоматологии. 2004. № 2 (23). С. 60-63.

[9] Недома И. Расшифровка рентгенограмм порошков. М. : Металлургия, 1975. 424 с.

[10] ASTM. Powder diffraction file.

[11 ] Гиллер Я. Л. Таблицы межплоскостных расстояний. М. : Недра, 1966. 362 с.

[12] Кесслер И. Методы ИК-спекгроскопии в химическом анализе. М.: Мир, 1964. 268 с.

[13] Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: пер. с англ. М., 1982. 244 с.

[14] Томпсон М., Уолш Д.Н. Руководство по спектрометрическому анализу с индуктивно-связанной плазмой. М. : Недра, 1988. 174 с.

[15] Ревенко А. Г. Рентгенофлуоресцентный анализ: состояние и тенденции развития // Заводская лаборатория. 2000. №10. С. 3-15.

[16] ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. М., 2000. С. 6-8.

[17] Лаврентьев Ю. Г., Усова П. В. Программный комплекс РМА89 для количественного рентгеноспектрального анализа на микрозонде Ка-мебакс Микро // Журн. аналит. химии. 1991. № 1. Т. 46. С. 67-75.

[18] Elliott J. C. Structure and chemistry of the apatite's and other calcium orthophosphates. Amsterdam: Elsevier. 1994. 390 p.

[19] Биохимия / под ред. E.C. Северина. М. : ГЭО-ТАР Мед. 2003. 356 с.

[20] Pan Y., Fleet M. Compositions of the apatite-group minerals: Substituon mechanisms // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. Washington, 2002. Vol. 48. P. 234-241.

[21] Голованова О. А., Немчинова E. А., Борисенко М. А., Ломиашвили Л. М., Маршалок О. И. Факторы, влияющие на изменение состава слюны и образование зубных камней // Минералогия техногенеза : материалы VI научного семинара. Миасс: ИМин УрО РАН, 2005. С. 149-153.

[22] Франк-Каменецкая О. В., Пихур О. Л., Голубцов В. В. и др. Вариации химического состава и параметров кристаллической решетки апатитов эмали зубов жителей различных промышленных центров // Биокосные взаимодействия: жизнь и камень : материалы II Международного симпозиума. СПб. : МО РАН, 2004. С. 194-197.

[23] Медно-марганцевый Иртыш // Комсомольская правда в Омске. 2002. 5 июля.

[24] Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Омской области в 2006 году. Омск, 2007. 288 с.