Минеральные компоненты эмали

Минеральный состав эмали зуба на 97% представлен гидроксиапатитом.

Формула гидроксиапатита - Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂.

Молярное соотношение Са/Р (кальциево-фосфатный коэффициент) равно 1,67.

Решетка гидроксиапатита имеет гексагональную структуру. Гидроксильные группы расположены вдоль гексагональной оси, тогда как фосфатные группы, имеющие наибольшие размеры по сравнению с ионами кальция и гидроксид-ионами, распределяются как равнобедренные треугольники вокруг гексагональной оси.

Каждый кристалл гидроксиапатита имеет гидратную оболочку; сами кристаллы находятся друг от друга на расстоянии 2,5 нм.

Гидроксиапатит – устойчивая структура со стабильной ионной решеткой, в которой ионы удерживаются за счет электростатических сил. Сила связи прямо пропорциональна величине заряда ионов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Гидроксиапатит электронейтрален.

Если в структуре гидроксиапатита содержится 8 ионов кальция, то кристалл приобретает отрицательный заряд.

Он может заряжаться положительно, если количество ионов кальция достигает 12. Такие кристаллы обладают реакционной способностью.

Гидроксиапатит легко обменивается с другими ионами: Са²⁺ замещается катионами Sr²⁺, Ba²⁺, Mo²⁺, реже Mg²⁺, Pb²⁺.

Катионы Ca²⁺ поверхностного слоя кристаллов могут на короткое время замещаться катионами К⁺, Na⁺. PO₄^3- обменивается с НРО₄^2-, СО₃^2-. ОН^-замещается анионами Cl^-, F^-, I^-, Br^-.

Обмен ионами в гидроксиапатите делят на 3 стадии.

1 стадия (обмен ионов между окружающей биологической жидкостью и гидратной оболочкой кристаллов) длится несколько минут. Механизм – простая диффузия.

Ионы калия и хлорид-анионы не проникают в гидроксиапатит: заходят в гидратную оболочку и выходят из нее. Фторид-ионы и катионы натрия проникают в поверхностные слои кристалла.

2 стадия (обмен между ионами гидратного слоя и поверхностью кристалла гидроксиапатита). В поверхность гидроксиапатита в течение нескольких часов проникают ионы Ca²⁺, PO₄^3-, СО₃^2-, F^-.

3 стадия (внедрение ионов вглубь кристалла с поверхности ионной решетки) длится от нескольких дней до нескольких месяцев. Во внутреннюю часть гидроксиапатита способны проникнуть Ca²⁺, Sr²⁺, PO₄^3-, СО₃^2-, F^-.

Обмен ионов в гидроксиапатите эмали влияет на прочность зуба. Так, замещение катионов кальция на магний уменьшает молярное соотношение Са/Р, снижая устойчивость кристалла к химическим и физическим воздействиям:

В кислой среде ионы кальция замещаются Н⁺, и гидроксиапатит разрушается:

,

.

К охрупчиванию гидроксиапатита приводит замена PO₄^3- на
НСО₃^- с образованием карбонапатита:

Интенсивность такого обмена зависит от содержания гидрокарбонат-ионов в организме. НСО₃^--анионы образуются путем реакции между водой и СО₂ (получается при декарбоксилировании, например в общем пути катаболизма), фермент – карбоангидраза:

Формирование карбонапатитов зависит от стресса и пищевого рациона. С возрастом содержание карбонапатита в эмали зуба увеличивается. При накоплении в эмали 3% карбонапатита от общей массы гидроксиапатита, кариесрезистентность эмали снижается.

Фторапатиты образуются замещением ОН^- на фторид-ионы:

Это замещение повышает устойчивость гидроксиапатита в кислой среде. Однако положительное действие оказывают низкие концентрации фторид-ионов. При большом содержании F^- образуется малорастворимый фторид кальция (флюорид), который исчезает с поверхности зуба при рН>7.