text size

Structural and Chemical Aspects of Calcium Phosphate Formation in Tooth Enamel

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Structural and Chemical Aspects of Calcium Phosphate Formation in Tooth Enamel
Title (in czech):
Strukturní a chemické aspekty vzniku fosfátů vápníku v zubní sklovině
Type:
Dissertation
Author:
Mgr. Anna Kallistová
Supervisor:
RNDr. Roman Skála, Ph.D.
Opponents:
doc. RNDr. Dr. Jiří Frýda
prof. Janet Oldak, Ph.D.
Thesis Id:
99105
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Institute of Geochemistry, Mineralogy and Mineral Resources (31-430)
Study programm:
Geology (P1201)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
25/01/2018
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
kost, zub, dentin, fosfáty vápníku, minerály skupiny apatitu
Keywords:
bone, tooth, dentin, calcium phosphate, apatite group minerals
Abstract (in czech):
Abstrakt Zubní sklovina představuje nejtvrdší a nejodolnější vysoce mineralizovanou anorganickou složku v tělech savců, která významně ovlivňuje kvalitu a délku života. Její charakteristické kvalitativní vlastnosti jsou ustaveny během bio-mineralizačního procesu, při kterém je vy- tvořena. Při tomto procesu je mineralizace hydroxyapatitem (HAp), jedinou anorganickou fází přítomnou v tvrdých tkáních savců, řízena aktivitou sklovinu-formujících buněk – ameloblastů – a jejich produktů. V posledních letech se stalo hlavní oblastí výzkumu zubní skloviny právě studium matrixových bílkovin, jejich struktury, složení a funkce. Nicméně, jedinečné vlastnosti skloviny umožňující zubu odolávat velkým tlakovým a zátěžovým nárokům nemohou být posu- zovány s velkou přesností bez důkladného a systematického studia její minerální složky. V této tezi se soustřed’uji na popis krystalografických charakteristik a trendů chemického složení sklo- vinových hydroxyapatitů a jejich vlivu na mechanické vlastnosti zubu. Získané výsledky jsou diskutovány v kontextu vývojové a adaptační dynamiky savců. Hlavním cílem této práce je rozšířit znalosti o proteiny řízených mineralizačních procesech z pohledu anorganické složky a jejich podílu na vytvoření unikátních mechanických vlastností zubu. Zvláštní pozornost byla věnována vytvoření správné techniky přípravy vzorků pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu. Je prokázáno, že nevhodné zacházení se vzorky způsobuje krys- talizaci dalších ve sklovině se normálně nevyskytujících fází. Navíc, nevyhovující technika přípravy může negativně ovlivňovat mikrostrukturní vlastnosti HAp krystalů, a to zejména délku jejich krystalitů. Výsledky experimentů ukazují, že nejvhodnější technikou je mecha- nická dezintegrace vzorku na fragmenty, následná separace případných fragmentů skloviny v optickém mikroskopu a konečné potvrzení čistoty vzorku skenovacím elektronovým mikro- skopem. Tento postup je nejspolehlivějším způsobem k získání smysluplných dat pro výzkum zaměřený na bio–mineralizační procesy. V druhém projektu této práce jsou porovnávány změny v mikro- a makro-strukturních pa- rametrech s variacemi mechanických vlastností skloviny v průběhu maturační fáze amelogeneze a ve vybraných částech zubu miniaturního prasete. Krystalizační i maturační procesy začínají na rozhraní skloviny a zuboviny v místě pod budoucím hrbolkem v anteriorní oblasti zubu. Oba procesy se šíří směrem ke kořenům podél hraniční linie skloviny a zuboviny, dále pak směrem k povrchu zubu a k posteriorním oblastem. Pozdní sekreční a časná maturační fáze jsou charak- teristické produkcí sklovinových prismat. Během těchto stádií se krystality HAp postupně pro- dlužují. Pozdní maturační fáze je spojena s tvorbou interprismatické části skloviny, náhlým po- klesem v množství mřížových poruch krystalové mřížky a dosažením konečných mechanických vlastností zubu. Zpožděná tvorba interprismatické skloviny je základním adaptačním motivem dynamiky vývoje prasečích zubů. Dále jsem studovala vztah délky vývojových krystalizačních procesů a kvalitativních charak- teristik prasečí skloviny (tj. stupeň povrchového opotřebení - otěr, variace chemického složení, mikro-strukturních a mechanických vlastností) a jejich závislost na stáří zubu. Výsledky uka- zují, že čím delší je proces krystalizace skloviny během vývojových stádií zubu, tím je dosaženo větších velikostí krystalitů s nižším množstvím strukturních defektů v krystalové mříži. Tento jev významně ovlivňuje konečné mechanické chování zubu. Kromě toho, vnitřní struktura hyd- roxyapatitových krystalů je neměnná se stářím jedince. Celkově soubor těchto výsledků poskytuje spolehlivý základ pro multifaktoriální analýzu funkčních korelátů příslušných krystalografických proměnných a jejich odontogenetické a fylo- genetické reprezentace. Dále ukazují jak významný vliv mají krystalografické charakteristiky sklovinového hydroxyapatitu na unikátní vlastnosti dospělé skloviny. Krystalografické vlast- nosti HAp by tak vždy měly být zohledňovány při studiích biomineralizačních procesů.
Abstract:
Abstract Tooth enamel is the hardest and most resistant highly mineralized inorganic component in mammalian bodies that significantly affects both the life quality and expectancy of an indi- vidual. Its specific qualitative properties are given by the biomineralization process responsible for its formation. In this process the mineralization of hydroxyapatite (HAp), the only inor- ganic phase composing the mammalian hard tissues, is controlled by activity of enamel-forming cells ameloblasts and their products. Over the past years, the studies of enamel matrix pro- teins, their structure, composition and function has become the prevalent field of experimental investigation. However, unique enamel qualities, which enable the teeth to withstand high pressure and stress demands, cannot be accurately assessed without the thorough systematical study of its mineral compound. In this thesis, I focus on the crystallographic and compositional characteristics of enamel hydroxyapatite and their influence on the mechanical properties of teeth. Obtained results are discussed in context of developmental and adaptation dynamics of mammalian species. The main aspect of the work is to extend our knowledge about the protein–mediated mineraliza- tion process from the perspective of inorganic compound and its contribution to the unique characteristics of the tooth. Special attention is devoted to the proper sample preparation technique for X–ray powder diffraction analysis. It is demonstrated that the inappropriate treatment of specimen causes formation of extra phases. Moreover, the used preparation technique might affect the mi- crostructural properties of the hydroxyaptatite crystals, especially the length of crystallites. I propose that the manual disintegration technique using a piston to crack the tooth into fragments, subsequent separation of potential enamel fragments under an optical microscope, and a final confirmation of the purity of enamel using a scanning electron microscope is the most suitable separation technique. This approach enables yielding the most reliable data for biomineralization–focused research. In the second project presented in the thesis, micro– and macro–structural changes are correlated with mechanical properties variations during the maturation stage of amelogenesis in selected parts of a miniature pig’s tooth. The crystallization and maturation processes start at the boundary of enamel and dentine beneath the future cusp at the anterior part of the tooth. It then spreads toward the roots following the border line of enamel and dentine, surface and posterior parts of the tooth. The late secretory and early maturation stage is characterized by the formation of enamel prisms. During that period, the crystallites gradually thicken. The late maturation stage is associated with a development of interprismatic enamel, abrupt decrease in amount of lattice imperfections in the crystal structure, and rapid settling of the final mechanical properties. The delayed formation of interprismatic enamel is an essential adaptive pattern of a swine developmental dynamics. I further studied the qualitative characteristics of swine dental enamel (i.e. degree of sur- face wear, chemical composition variations, and microstructural and mechanical properties) and their relationship to the duration of crystallization developmental process and the age de- pendency. The results suggest that the longer the crystallization process, the bigger crystallite sizes with lower amount of lattice distortions are formed. This aspect has a significant influence on the final mechanical behaviour of the tooth. Moreover, the inner structure of crystals seems to be immutable with age of the animal. In summary, a set of these data provides a reliable basis for a multifactorial analysis of func- tional correlates of particular crystallographic variables and their odontogenetic and phylogen- etic representation. The results illustrate that the crystallographic characteristics of enamel hydroxyapatite are a significant contribution to the final qualitative enamel characteristics and they must be taken into account in the studies of biomieralization processes.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Mgr. Anna Kallistová 227.3 MB
Download Abstract in czech Mgr. Anna Kallistová 31 kB
Download Abstract in english Mgr. Anna Kallistová 31 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Mgr. Anna Kallistová 686 kB
Download Opponent's review doc. RNDr. Dr. Jiří Frýda 287 kB
Download Opponent's review prof. Janet Oldak, Ph.D. 338 kB
Download Defence's report 940 kB
Download Errata Mgr. Anna Kallistová 119 kB