Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
§ 2.2. Химический состав и структура эмали
Эмаль является самой высокоминерализованной тканью и к тому же самым твердым материалом в организме [64]. Эмаль образована эмалевыми призмами и межпризменным веществом и покрыта кутикулой [47, 63]. Эмалевые призмы являются главными структурно-функциональными единицами эмали, проходящие пучками через всю ее толщу радиально и несколько изогнутые в виде буквы S. Форма призм на поперечном сечении преимущественно арочная. Их диаметр 3–5 мкм.
Кристаллиты зубной эмали состоят из обладающего ярко выраженной кристаллической структурой биологического апатита (преимущественно гидроксилапатитов кальция), характеризующегося уникальным ионнозамещенным составом и, в особенности, высоким содержанием карбонат-ионов в кристаллической структуре [65]. Широкий спектр замещений в апатите обусловлен его уникальной кристаллической структурой [66, 67]. При этом содержание биологического апатита в эмали достигает 97 % от ее общего веса.
Существует несколько исследований, описывающих химический состав и кристаллографические свойства полностью сформировавшейся эмали человеческо-
го зуба [68, 69].
Интересные результаты были получены в работах [68, 70–73], в которых показано, что химический состав зубной эмали не остается постоянным, даже в том случае, если данные собирались в течение продолжительного времени. В работе [74] исследовались причины широких вариаций соотношения Ca/P в кристаллической структуре в зависимости от конкретного биоминерала. Было показано, что значительное отклонение вычисленных значений в химическом составе биологических апатитов является фундаментальным. Зубы каждого человека уникальны, независимо от сходства их морфологии.
Исследование, в ходе которого использовались образцы двадцати зубов, отчетливо показали, что кристаллы апатита в зубной эмали широко варьируются по параметрам кристаллической решетки в зависимости от зуба: от 9,441 Å до 9,469 Å по длине а-оси и от 6,874 Å до 6,901 Å по длине с-оси [75]. А поскольку размеры элементарной ячейки апатита отражают его химический состав, изменения в этих значениях могут свидетельствовать и об изменениях в компонентах эмали. В частности, результатом подобных изменений могут являться и частые замещения.
Как показали исследования, в химическом составе [76] и плотности [77] зубной эмали наблюдаются пространственные вариации, а также, вариации в слоях карбонатной составляющей [78] и в степени кристалличности [79] в эмали каждого зуба. Некоторые исследования описывают различные химические и физические характеристики, зависящие от типа зуба [80].
Органическая составляющая эмали зубов включает в основном белки: амелогенин, энамелин и амелобластин [81]. Несмотря на то, что эта составляющая невелика, массовая доля ~1 % [82], она очень тонко распределена по иерархической структуре эмали и связывает воедино наноразмерные кристаллы гидроксилапатитов кальция как внутри призм, так и внутри призменных оболочек. Именно это свойство делает эмаль зуба проницаемой для ионов, осуществляющих транспортировку минерала в основную массу эмали и, тем самым, осуществляющих регулирование поверхностных зарядов кристаллов.
Амелогенин в целом играет ключевую роль в начальной стадии формирования зубной эмали. В его присутствии наноразмерные кристаллы гидроксилапатитов кальция формируют не хаотичные скопления, как обычно, а упорядоченные структуры [83].
Также эмаль содержит небольшое количество липидов и углеводов. Кроме того, в состав эмали входит около 3 % воды [47]. Вода занимает свободное пространство в кристаллической решетке и органической основе, а также располагается между кристаллами.