羟磷灰石与牙体组织的生物矿化

羟磷灰石的基本概念

羟磷灰石(hydroxyapatite)是一种磷酸钙物质,属于种类繁多的磷灰石中的一种。磷灰石(apatite)则是多种广泛存在于自然界中的矿物质的总称,其化学表达式为M10(ZO4)6X2。表达式中M、Z、X各代表不同的元素,由它们的组合构成不同的磷灰石。而在羟磷灰石中,M为钙元素,Z为磷元素,X为氢氧根,所以羟磷灰石的分子式表示为Ca10(PO4)6(OH)2。羟磷灰石的分子量为1004.8,密度比为3.16g/cm2。羟磷灰石有天然和人工合成两种,天然羟磷灰石除少数以矿物形式存在于自然界外,主要存在于有机体并构成机体硬组织的主要成分,如动物的骨、牙、贝壳、珊瑚等。人工合成的羟磷灰石已经作为一种生物相容性良好的生物材料,被广泛地用在人体硬组织替代材料和其他医用材料中。

釉质中的磷灰石不是由单一成分组成,是一种生物混晶,其主要物相组成为含有多种微量成分的碳羟磷灰石。羟磷灰石在釉质约占97%,牙本质中约占70%,牙骨质中约占60%。成熟的釉质只含有不到1%的有机质。牙体组织的化学性质、机械性质、热传导性质、膨胀系数和比重等均和羟磷灰石近似。从结晶大小上看,位于釉质的羟磷灰石晶体最大,长约为0.1~1μm,宽约为0.03~0.06μm,厚约为0.01~0.04μm;而存在于牙本质和牙骨质的羟磷灰石结晶体较小,长约为0.03~0.05μm,宽约为0.01~0.03μm,厚约为0.002~0.005μm。人工条件下合成羟磷灰石,要获得和釉质中羟磷灰石相同大小的结晶,需要在高温、高压的条件下进行,而釉质中羟磷灰石的结晶则是在常温和常压下形成的。

羟磷灰石的机械性质

羟磷灰石的一般机械性质如表1-1、表1-2所示:

表1-1 羟磷灰石和牙体组织的一般机械性质比较

羟磷灰石和牙体组织的一般机械性质比较

表1-2 致密型羟磷灰石不同温度烧结体的一般机械性质

致密型羟磷灰石不同温度烧结体的一般机械性质

羟磷灰石的物理性质

羟磷灰石的一般物理性质如表1-3所示:

表1-3 羟磷灰石和牙体组织的一般物理性质比较

羟磷灰石和牙体组织的一般物理性质比较

羟磷灰石在加热到1200℃时,磷开始缓慢挥发而分解,生成α-磷酸三钙(α-TCP)、β-磷酸三钙(β-TCP)、氧化钙(CaO)、磷酸四钙(Ca4P2O9)、氧磷灰石[Ca10(PO4)6O]等物质,进一步高温条件下羟磷灰石将最终分解为氧化钙。

羟磷灰石的化学性质

人体骨、牙齿中存在的羟磷灰石结晶为六角柱状体,晶体中钙原子和磷原子按六方晶体系规则排列,晶体的外观与水晶相似(图1-7)。羟磷灰石的分子量为1004.8,理论钙、磷原子比为1.67,理论钙、磷重量比为2.16。

羟磷灰石晶体

图1-7 羟磷灰石晶体

羟磷灰石难溶于水,长期浸泡于水中可有微量溶解,一般溶解度约为0.001%(w/v),其溶解度积(Ksp)约在110~120之间。羟磷灰石在盐溶液中(如氯化钠、氯化钾溶液)的溶解性随溶液浓度的增高而增高;在酸性溶液中的溶解性则是随pH值的下降而增高,当pH达到4以下时,羟磷灰石的溶解度急剧增加。同样的现象在牙体组织也存在,这就是酸性物质导致牙体组织的脱钙效应,例如碳酸饮料的pH大都在3以下,长期饮用将导致牙体组织的脱钙。

羟磷灰石在水溶液中时的Zeta电位为0,当溶液的pH值高于6时Zeta电位为负值,pH值低于6时Zeta电位为正值。利用羟磷灰石这一性质,可以通过调节溶液的pH值以便于进行羟磷灰石的电泳涂层。

羟磷灰石中的钙、磷和羟基可以通过离子交换方式而很容易地被多种元素或基团置换取代,因此,羟磷灰石被认为是一种活跃的物质。特别是像铅、铬、钒等对人体有毒的元素容易在骨组织中沉积,其原理与它们和羟磷灰石间的离子交换有关。由于氟是一种活跃的元素,它很容易取代羟磷灰石中的羟基而生成氟磷灰石。

牙体组织的生物矿化

生物矿化

生物矿化(biomineralization)是指在细胞的参与下,无机元素从环境中选择性地沉积在特定的有机质上而形成矿物的过程。生物矿物的定向晶体生长是离子在活性聚合物表面的沉淀,使矿物沿着特殊晶面生长,其结晶过程包括成核、成长、集聚以及固相转化。结晶形态和大小与pH、矿物质饱和度、温度、压力等因素有关。在牙发育过程中,牙体组织的生物矿化是在各种特定的有机分子调控下完成。

釉质生物矿化

釉质晶体是成釉细胞通过大量的有机质分子严格调控形成的。这些有机质包括釉原蛋白、釉蛋白、成釉蛋白、釉丛蛋白等。有机基质对无机晶体的成核、生长、晶形及取向等的控制是一个相当复杂的过程,称为分子识别。晶体的生长和有机蛋白基质的分泌是连续的、近乎同步完成的过程。在成釉细胞顶端分泌釉原蛋白和非釉原蛋白时,HA晶体开始形成,晶体被紧包在非釉原蛋白中,其外是连续性的釉原蛋白。在釉质-牙本质界的釉质侧,晶核生长延长形成细长的带状物。这些带状物相互平行,其一端连接釉质-牙本质界,另一端连接到成釉细胞的细胞膜上,也就是矿化的前缘。这些雏晶不断生长,但是其宽度和厚度几乎没有任何改变。

成釉细胞分泌蛋白形成雏晶的长度将决定最终釉质晶体的长度,同样也决定了整个釉质层的厚度。在基因调控下,成釉细胞经历一个转折点,停止分泌釉质蛋白,开始分泌蛋白酶。有机基质开始降解并迅速从胞外间隙中消失。这些改变使釉质雏晶长度的生长停止,而宽度和厚度的生长加快。通过抑制釉质基质的分泌使晶体长度增长停止;同时,釉质蛋白裂解产物的清除使矿物质沉积在雏晶侧面的速度加快。对于人而言,雏晶宽度和厚度生长的成熟期大概是3~4年,这个过程对于釉质层硬度的增加是非常重要的。釉质最终硬度取决于釉质晶体具有一定的宽度和厚度,这样相邻的晶体可以接触和联锁以加强釉质强度。

牙本质的生物矿化(dentin biomineralization)

成牙本质细胞首先分泌细胞外基质,作为细胞外基质支架,在此基础上通过矿物晶体沉积完成生物矿化。细胞外基质成分主要为Ⅰ型胶原,约占90%,其余部分主要为非胶原蛋白,如牙本质磷蛋白。合成的磷蛋白直接被分泌在矿化前沿的胶原蛋白层上;部分磷蛋白与胶原蛋白结合,并发生部分降解。磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合;在结合的钙离子或晶体上形成HA晶体,而且按胶原纤维排成有序结构。

牙本质形成初始阶段,成牙本质细胞合成和分泌牙本质基质成分。最先形成的是罩牙本质基质,随后形成前期牙本质。前期牙本质由一层15~20μm宽的细胞外基质组成,其近中侧是成牙本质细胞体,远中侧是矿化前沿。胶原在近胞体处分泌,形成原纤维,发生分子间和分子内的交联。胶原网在矿化前沿发生矿化。

氟在生物矿化过程中的作用

氟能通过生物矿化作用参与牙、骨骼的构成,影响釉质发育。氟通过丝裂原活化蛋白激酶信号途径(mitogen-activated protein kinases,MAPK),导致基因表达,细胞压力改变,甚至可以引起细胞死亡,从而影响到包括牙硬组织矿化在内的多种生物矿化。

低质量浓度的氟(<100 mg/L)可与羟磷灰石(hydroxyapatite,HA)反应主要生成紧密的结构形式——氟磷灰石(fluorapatite,FAP)。在釉质发育期,过量氟暴露可以导致一种釉质发育缺陷——氟牙症的发生。成熟的成釉细胞是慢性氟暴露的作用目标;急性氟中毒则主要作用于过渡期和早期分泌期的成釉细胞。目前认为其作用机制在于导致釉质基质蛋白的滞留,釉质成熟过程中减少基质蛋白的降解,干扰胞外运输,或者抑制内质网压力反应通路,最终影响釉质生物矿化,导致釉质孔隙率的增加和半透明度的降低。

(叶玲 郑黎薇)

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