ESTUDIO DEL ESMALTE DENTAL HUMANO POR MICROSCOPIA ELECTRÓNICA Y TÉCNICAS AFINES

José Reyes Gasga

Instituto de Física, UNAM, Apartado Postal. 20-364 01000 México D. F.
Email: jreyes@fenix.fisica.unam.mx

Resumen

  La estructura y composición química del esmalte dental humano aún tiene varias incógnitas al saber humano. Y la Ciencia de Materiales, en general, y la microscopía electrónica, en particular, están jugando un papel muy importante en la solución de tales incógnitas. El objetivo del presente trabajo es comentar algunas de las investigaciones realizadas en el Laboratorio de Microscopía Electrónica del Instituto de Física de la UNAM sobre la estructura, composición química y propiedades eléctricas del esmalte dental con la idea de aportar algunas de las respuestas buscadas en este campo.

Abstract

  The structure and chemical composition of human tooth enamel still have so many hidden parameters for the human understanding. And Materials Science, in general, and Electron Microscopy, in particular, play a very important role in resolve sush unknown parameters. Here I going to comment on some of the studies done in the Electron microscopy Laboratory of the Institute of Physics of UNAM on human tooth enamel field to answer some of these question.

El esmalte es el componente mas duro del cuerpo humano. Se compone principalmente en un 94% de un fosfato cálcico llamado hidroxiapatita y en un 4% de material orgánico. Su estudio por microscopía electrónica nos permite ver de forma directa la aplicación de esta técnica en la investigación de un componente del cuerpo humano.
Para observar estructuralmente el esmalte hay que quitarle unas cuantas micras de la superficie para que nos revele y nos permita estudiar su estructura. De esta manera podemos ver que esta compuesto de pequeños motivos en forma de cerradura compactados en un arreglo hexagonal. Si partiéramos el diente en una sección longitudinal, es decir cortándolo de tal manera que se observe al mismo tiempo la dentina y el esmalte, veríamos que estos motivos corresponden a unas "varillas" que corren de la unión amelontinaria hacia la superficie. Estas se les llama prismas y tienen dimensiones de micras.
Si observamos unos de estos prismas a mayor amplificación podemos ver que se componen de millones de cristalitos a escala nanométrica. Estos son cristalitos de hidroxiapatita y están unidos lo más junto posible, pero siempre rodeado de material orgánico. Por lo tanto podemos decir que el esmalte dental esta formado por cristales de hidroxiapatita dentro de una matriz orgánica, por lo cual lo podemos clasificar como un material composito.
La hidroxiapatita (Ca₁₀(P0₄)₆(0H)₂) presenta una celda unitaria hexagonal con un eje helicoidal a lo largo del eje hidroxilo. En forma natural, la hidroxiapatita también puede presentarse con celda unitaria monoclínica. En este caso los estudios de microscopia electrónica de transmisión demuestran que el esmalte dental presenta una celda unitaria hexagonal.
El estudio de la cristalografía que presenta el esmalte dental es muy importante. Su importancia radica en lo siguiente: en las imágenes de microscopía electrónica de alta resolución del esmalte dental podemos observar que los cristales de la hidroxiapatita presentan un "defecto" en el centro (fig. 1). El estudio de este defecto es muy importante ya que cuando el esmalte se somete a un proceso de disolución por medios ácidos, éste se empieza a disolver principalmente en el centro del cristal, es decir exactamente en el lugar donde se encuentra este "defecto", al cual se le ha dado el nombre de "la línea oscura."
Por lo tanto el estudio tanto de la estructura y composición química de la hidroxiapatita del esmalte dental, a sí como la cristalografía que ésta representa, son necesarios para caracterizar y entender completamente el papel que juega la línea oscura en la estructura del esmalte mismo.
Que las propiedades del esmalte dental no son completamente conocidas es un hecho que resalta a la vista. Como ejemplo de ésto podemos comentar que, recientemente en un estudio realizado por nuestro equipo de trabajo, se demostró que el esmalte dental presenta propiedades de conductividad muy singulares: en un experimento de calentamiento in-situ del esmalte dental en el microscopio electrónico, se observo que el esmalte dental presentaba señales características de un material conductor: observamos que el contraste pasaba de uno característico de una muestra no conductora, a uno característico de una muestra conductora a una temperatura alrededor de 300 °C. Esto indicaba que el esmalte dental presentaba una transición de aislante a conductor. Para confirmar esto, nos dimos a la tarea de hacer las observaciones de conductividad eléctrica por medio de espectroscopía de impedancias, en cual confirmó que el esmalte dental presentaba una transición de aislante a conductor: cambia drásticamente su resistencia de 1015 Ù a 105 Ù. Es decir, el esmalte dental a 300 °C presenta una transición de aislante a superconductor iónico. Esta transición es reversible. Es decir, si enfriamos la muestra del esmalte dental, el esmalte regresa a su estado aislante y si calentamos arriba de los 300 °C se vuelve conductor. Experimentos adicionales demostraron que esta conducción, se debe principalmente al movimiento de los iones (0H)^- los cuales son arrancados fácilmente de la estructura de la hidroxiapatita.

Fig. 1. Imagen de MET de los cristales del esmalte dental humano mostrando la presencia de la línea oscura en centro (flechas).

A partir de estos resultados, nos dimos a la tarea de observar si esta transición aislante-conductor está acompañada de un cambio estructural en los cristales de hidroxiapatita. Por lo tanto realizamos el experimento de difracción de rayos X variando la temperatura del esmalte dental. Para esto el esmalte dental se hizo polvo y se pasó por una red de 200 mesh. Se colocó en una platina calefactora de un difractómetro Simens 5000. A temperatura ambiente el difractómetro presenta los picos característicos de la hidroxiapatita hexagonal. Al aumentar la temperatura no se observa un cambio de fase, sino solamente que los picos en algunos casos crecen y en otros disminuyen su altura. Por lo tanto, a los 300 °C solamente hubo un reacomodo de planos en la celda unitaria de la hidroxiapatita. A los 1000 °C hubo una transición de fase de hidroxiapatita a un fosfato octacalcico. De aquí llegamos a la conclusión que el esmalte dental presentaba una transición de aislante a conductor sin presentar un cambio en la estructura de la hidroxiapatita, solamente un reacomodo de planos. Esto concuerda con el diagrama de fase de la hidroxiapatita: no presenta ningún cambio de fase, sino hasta alrededor de 1000 °C, en donde se transforma en fosfato octacalcico.
Cuando analizamos por medio de difracción electrónica la estructura del esmalte dental, podemos decir que todavía hay varios puntos por aclarar en la cuestión de su estructura.
Los difractogramas de rayos X del esmalte dental indican que su grupo cristalográfico es el No. 176; es decir, p6₃/m. Este grupo no permite las reflexiones impares en el eje c. Esto indica que las reflexiones 2n+1 no deben estar presentes en los patrones difracción porque son reflexiones prohibidas. Sin embargo cuando hacemos el estudio de estos cristales del esmalte dental por difracción electrónica en el microscopio electrónico de transmisión, observamos inmediatamente que estas reflexiones prohibidas sí están presentes. Es decir, estos cristales, desde el punto de vista de la cristalografía no reproducen, no obedecen, las características del grupo puntual 176. Nos dimos a la tarea de investigar a que se debía esta observación.
Es conocido en microscopía electrónica de transmisión que en ciertos casos las reflexiones prohibidos por un grupo espacial pueden ser observadas debido a efectos del grosor de la muestra. Se le conoce como fenómenos de doble difracción; es decir un haz que llega a la muestra se difracta y se vuelve a difractar dentro de ésta, de tal manera que por efectos dinámicos se presentan las reflexiones prohibidas.

Fig. 2. Patrones de difracción electrónica de área selecta del esmalte dental humano al inclinar la muestra alrededor del eje [1.00].

Procedimos a inclinar la muestra in situ en el microscopio electrónico en diferentes orientaciones a la vez que observábamos al mismo tiempo el patrón de difracción electrónico. Debido a la inclinación el espesor de la muestra varía y podíamos ver si las reflexiones prohibidas desaparecían o no. Un ejemplo de la inclinación realizada se puede ver en la figura 2; aquí se observa que las reflexiones permanecen visibles independientemente de la inclinación de la muestra. De hecho podemos ir de un eje de zona a otro sin que las reflexiones presenten ninguna modificación en su intensidad.

Otro de los orígenes de la observación de las reflexiones prohibidas se tiene en un cambio o modificación estructural de la hidroxiapatita a escala atómica. Hicimos observaciones de microscopia electrónica de alta resolución con tal de observar los tipos de defectos que presentaba el cristal o si había alguna modificación en la posición de los átomos de hidroxiapatita dentro del cristal del esmalte dental. Sin embargo, éstas no presentan ningún tipo de defectos.

En la figura 3 se presenta este tipo de imágenes. Podemos ver claramente que el arreglo que presentan los átomos de la hidroxiapatita no presentan ningún defecto, ningún cambio, ninguna desviación del arreglo cristalino. Por lo tanto la presencia de estas reflexiones prohibidas no se debe a defectos que presente el esmalte dental.

Fig. 3. Imagen de microscopia electrónica de alta resolución del esmalte dental humano. Nótese la ausencia de defectos.

Existen diferentes técnicas para hacer la difracción electrónica. La difracción electrónica de área selecta, nos permiten conocer el tipo de celda unitaria que presenta el material; sin embargo no nos permite conocer el grupo cristalográfico al que pertenece. Para conocer el grupo puntual y el grupo espacial de una muestra, se tiene que recurrir a una técnica que se llama difracción electrónica por haz convergente. La diferencia entre la difracción electrónica de área selecta y la de haz convergente, es que en la primera el haz es paralelo al llegar a la muestra, y tiene una sección transversal que cubre el área de la cual proviene el patrón difracción. En cambio en la segunda, el haz converge en forma de cono y se enfoca sobre una área todavía mucho más pequeña, de tal manera que en los patrones de difracción traigan información todavía mucho más definida sobre efectos dinámicos de la muestra.
A medida que pasamos de un haz paralelo a un haz convergente, los puntos de patrón de difracción se ensanchan de tal manera que el diámetro de éstos comienza a aumentar hasta que tenemos discos, y las señales que presentan los discos nos van a permitir saber si es o no es un grupo espacial determinado. Por lo tanto, estudiando la cristalografía que presentan los discos y la muestra en diferentes direcciones se puede saber si obedece o no la cristalografía de un grupo determinado. Esto fue lo que hicimos en el caso del análisis del esmalte dental y por medio de técnicas difracción de haz convergente.
La figura 4 muestra un patrón de haz convergente en donde observamos el orden cero de la zona de Laue en la dirección [0001]. Se puede observar inmediatamente la simetría 6 alrededor del eje c. Nótese también la ausencia del de los planos espejos paralelos al eje c.

Fig. 4. Patrón de difracción electrónica de CBED en ZOLZ del esmalte dental humano en la dirección [0001]. Nótese la simetría 6 que presenta.

La figura 5 muestra un patrón también en orden cero de Laue, pero en la dirección [1120], donde se observa un plano espejo que es perpendicular al eje c. Por lo tanto, por las simetrías que se presentan en los patrones de haz convergentes de los cristales del esmalte dental se tiene una simetría 6, y que incluye un plano espejo que es perpendicular al eje c; entonces lo denotaríamos 6/m. Los grupos espaciales que son consistente con este grupo puntual son p6/m y p6₃/m.

Fig. 5. Patrón de difracción electrónica de CBED en ZOLZ del esmalte dental humano en la dirección [1.10]. Nótese la simetría 2mm que presenta.

La elección de uno de estos grupos espaciales, se determina por la ausencia o presencia de líneas oscuras en los discos centrales de los patrones de haz convergente. A estas líneas se les llama de Gones-Moodie. Sin embargo, experimentalmente estas líneas oscuras no se observaron en los patrones de CBED del esmalte dental. Bajo tales circunstancias, no podemos seleccionar cual de los dos grupos espaciales propuestos, es el que corresponde a la celda unitaria del cristal de hidroxiapatita del esmalte dental.
Para definir cual de los dos grupos espaciales propuestos es el que corresponde al esmalte dental, estudiamos las características estructurales de la hidroxiapatita por simulación computacional de los patrones de difracción de área selecta y de haz convergente, y contar así con una base sólida que nos permita analizar las incompatibilidades observadas experimentalmente. Los resultados indicaron que la ausencia de reflexiones 00l, l = 2n+1, en los patrones simulados de difracción electrónica son el resultado de la existencia del eje de tornillo de la simetría 6₃, principalmente a lo largo del eje ión OH. Entonces se encuentra que las características principales, que van a definir el grupo espacial de la hidroxiapatita del esmalte dental, entre los dos grupos puntuales que hemos comentado, el p6/m y el p6₃/m, va a ser la presencia del eje de tornillo en los discos centrales de los puntos de haz convergente.

Esto quiere decir que una de las características de los patrones de difracción electrónica del esmalte dental, es que pierde la señal producida por el eje de tornillo. Por lo tanto, este trabajo nos llevo a la conclusión de que es posible un desorden estructural en las posiciones de los átomos H y O de la hidroxiapatita en celda unitaria. Esto daría la posible explicación de observación de la reflexión prohibida en estos patrones de difracción.
El hecho de que se pierde el eje de tornillo al momento de observarlo con microscopía electrónica de transmisión, nos llevo a hacer cálculos del proceso que se presenta al momento de que el haz electrónico interacciona con la muestra del esmalte dental; es decir los electrones, que llevan una energía determinada, colisionan con los átomos de la muestra y modifica sus posiciones. Tomando esto en consideración, hicimos un estudio de la interacción del haz electrónico con una celda unitaria de hidroxiapatita. De estos estudios, se encontró que el ión (OH)^- es fácilmente removible de su posición en la celda unitaria, inclusive usando un haz electrónico de 100 kV. Por lo tanto, concluimos que la cristalografía del cristal del esmalte dental es fácilmente modificable al interaccionar con el haz electrónico durante la observación de la muestra con un microscopio electrónico de transmisión.
Podemos decir al nivel de conclusión que de los resultados obtenidos por difracción electrónica se observo que todos los patrones de difracción de área selecta de los cristales hidroxiapatita del esmalte dental presentan la existencia de reflexiones prohibidas, los cuales son incompatibles con el grupo espacial reportado para hidroxiapatita. Por medio de análisis de simulación de los patrones de área selecta y de difracción de haz convergente, encontramos que la diferencia radica principalmente en la pérdida del eje helicoidal debido a la expulsión de los iones OH, que son fácilmente removidos por el haz electrónico. Este tipo de resultados deben tomarse en cuenta al momento de hacer las observaciones de la estructura del esmalte dental por microscopía electrónica de transmisión.

Agradecimientos
Agradezco al Dr. Ramiro García García por los comentarios y discusión durante la elaboración de este trabajo y por haber colaborado conmigo en la preparación de varios trabajos escritos sobre este tema. Agradezco también a Pedro Mexía, Roberto Hernández, Carlos Flores, Luis Rendón, Samuel Tehucanero, Cristina Zorrilla, Jaqueline Cañetas, Manuel Aguilar, y Carlos Angeles por el apoyo técnico que recibimos durante la elaboración de este trabajo. Agradezco a mis estudiantes Elson Sánchez Pastenes, y Marisol Reyes Reyes por el análisis que realizamos de este tema en sus tesis profesionales; de igual manera quiero agradecer a mis estudiantes de la Facultad de Odontología de la UNAM la labor que han realizado durante la elaboración y desarrollo de este proyecto, entre ellos quiero mencionar a Claudia Minerva Rodríguez Alcántara, Ana María Trejo González, Alfredo Madrigal, María del Jesús Gloria, Laura Vargas Ulloa, Irma Belio Reyes, Ivet Gil Chavarria, Ana Guadalupe Rodríguez Hernández, Carlos Eduardo Zamora Montes de Oca, Irma Araceli Belio Reyes, América Ayuso Arce. Ellos han trabajado en este tema durante la elaboración de sus tesis profesionales, que todavía queda mucho por estudiar, analizar y descubrir.

Referencias

1. J. Reyes-Gasga, M.J. Gloria, A.M. González, A. Madrigal. "La microscopía electrónica y el esmalte dental humano". Revista Ciencia y Desarrollo del CONACYT. Volumen XXI, No. 125, Noviembre/Diciembre 1995. Pag. 30.        [ Links ]

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3. J. Reyes Gasga, R. García, L. Vargas-Ulloa, "In situ observation of fractal structures and electrical conductivity in human tooth enamel". Phil. Mag. A 75, 1023 (1997).         [ Links ]

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