Биоминералогические подходы к изучению изоморфных замещений и мест локализации примесей в наноразмерных подсистемах эмали и дентина зубов

Abstract

Определены количество и распределение различных химических элементов в дентине и эмали зубов, а также проанализировано влияние возраста и кариеса на состав и локализацию примесей. Измерения выполнены с помощью рентгенофлюоресцентного и масс-cпектроскопического методов. Установлено, что с возрастом в тканях зубов имеет место накопление Sr и Pb примерно в два и три раза соответственно, а тяжелые металлы (Zr, Ag, Cd, Te, Cs, Au, Hg, Th и U) в здоровых тканях зубов с возрастом накапливаются лишь в незначительном количестве. В дентине, примыкающем к полностью разрушенной кариесом эмали, установлено возрастание концентрации Sr и Pb в 1,7 и 3,2 раза соответственно. Такая же тенденция сохраняется для остальных тяжелых металлов с аномально высоким увеличением концентрации Te (50 раз) и Hg (40 раз). В дентине и эмали установлено аномально высокое содержание Ва. Количество Ва в молодом и старом зубе составляет 0,15 и 0,4 мас. % соответственно, а в кариесном участке достигает 1,8 мас. %. Предполагается, что Ва накапливается в тканях зубов в структуре нанокристаллов кальцита (СаСО₃) в виде изоморфной примеси, замещающей кальций. Описаны возможные схемы изоморфных замещений в нанокристаллах биогенного апатита, который формирует в основном минеральную компоненту зубов. Проанализированы возможные места локализации примесей в биоапатите и в других (примесных) минеральных нанофазах, которые имеются в тканях зубов в небольшом количестве, но играют важную роль в функционировании биологических тканей. Показано, что разрабатываемые нами биоминералогические подходы, связанные с исследованием мест локализации примесей на уровне наноразмерных систем тканей зуба, открывают принципиально новые возможности для выяснения механизмов заболеваний зубов и для разработки соответствующих профилактических методов.

Визначено кількість і розподіл різних хімічних елементів в дентині та емалі зубів, а також проаналізовано вплив віку і карієсу на склад і локалізацію домішок. Вимірювання виконані за допомогою рентгенофлюоресцентного і мас-спектроскопічного методів. Встановлено, що з віком у тканинах зубів має місце накопичення Sr і Pb приблизно у два і три рази відповідно, а важкі метали (Zr, Ag, Cd, Te, Cs, Au, Hg, Th, U) у здорових тканинах зубів з віком нагромаджуються лише в незначній кількості. У дентині, що прилягає до повністю зруйнованої карієсом емалі, встановлено зростання концентрації Sr і Pb в 1,7 і 3,2 рази відповідно. Така ж тенденція зберігається для решти важких металів з аномально високим збільшенням концентрації Te (50 разів) і Hg (40 разів). У дентині та емалі встановлений аномально високий вміст Ва. Кількість Ва в молодому і старому зубі складає 0,15 і 0,4 мас. % відповідно, а на карієсній ділянці досягає 1,8 мас. %. Передбачається, що Ва нагромаджується в тканинах зубів у структурі нанокристалів кальциту (СаСО₃) у вигляді ізоморфної домішки, що заміщає кальцій. Описані можливі схеми ізоморфних заміщень у нанокристалах біогенного апатиту, який формує переважно мінеральну компоненту зубів. Проаналізовані можливі місця локалізації домішок у біоапатиті та інших (домішкових) мінеральних нанофазах, які є в тканинах зубів у невеликій кількості, але відіграють важливу роль у функціонуванні біологічних тканин. Показано, що біомінералогічні підходи, які ми розробляємо, пов’язані з дослідженням місць локалізації домішок на рівні нанорозмірних систем тканин зуба, відкривають принципово нові можливості для з’ясування механізмів захворювань зубів і для розробки відповідних профілактичних методів.

Quantity and distribution of different chemical elements in dentine and dental enamel are determined, and influence of age and caries on the composition and localization of impurities is analyzed. Measurings are performed by X-ray-fluorescent and mass-spectroscopy methods. It is shown that approximately two- and three-fold the accumulation of Sr and Pb takes place with age and such elements as Zr, Ag, Cd, Te, Cs, Au, Hg, Th and U are accumulated in healthy teeth in negligible quantities only. In dentine, adjacent completely to caries enamel destructed by caries the concentration of Sr and Pb increases 1.7 and 3.2 times, accordingly. The same tendency is preserved for other heavy metals with anomalously high increase of Te (50 times) and Hg (40 times). The Ba quantity in young and old teeth is equal to 0.15 and 0.4 wt. % accordingly, and in the caries areas it reaches 1.8 wt. %. It is assumed that Ba is accumulated in calcite (CaCO₃) nanocrystals structure as isomorphous impurity substituting calcium. The possible models for isomorphic substitutions in the nanocrystals of biogenic apatite are described. It is shown that the developed biomineralogical approaches to the study of impurity ions location in biological systems open new potentialities for understanding the mechanisms of dental diseases and development of corresponding methods of prophylaxis.