Strukturbiologie des Zahnes

Die Zähne bestehen aus Apatit, Kollagen und Dentin.

Inhalt:

Apatit − ein Biomineral

Schmelz und Dentin enthalten 97% und 70% Apatit. Es besteht aus Phosphat-, Calzium- und Hydroxid-Ionen: Ca₅[OH|(PO₄)₃].

Kommt ein Zahn mit Speichel in Kontakt, so werden die oberflächlichen Hydroxid-Ionen rasch durch Chlorid- und Fluorid-Ionen ersetzt. Mit der Zeit entsteht ein Mischkristall mit zahlreichen kleinen und grossen Fremdionen bis mehrere 100 nm tief. Dies vor allem bei Menschen, die fest Knirschen. Dabei verbiegen sich die Zähne mikroskopisch und wird das Apatit verformt. Es entstehen zunächst unsichtbar kleine Haarrisse, dann auch makroskopische Frakturen. Apatit bildet sich auch spontan im Zahnstein und in den SAP (self-assembling peptides P11-4). Säuren ab pH 5.5 lösen ihn vollständig auf, so z. Bsp. red bull und die zahnärztliche Klebetechnik.

Zugfestigkeit 10-20 MPa (Druckfestigkeit: 200-350 MPa)

Ionen	Ladung	Bemerkung
3 PO₄^3-	-9	Die Phosphatreihe entsteht zwischen den Kollagenfibrillen und ist das Gerüst des Apatit. Es wird häufig durch Karbonate (=Karbonatsubstitution) ersetzt.
5 Ca²⁺	+10	Die kleinen Ca²⁺-Ionen füllen die Zwischenräume in der Phosphatreihe aus.
1 OH^-	-1	Das OH^--Ion wird durch Säuren weggelöst und sofort durch Cl^- oder F^- ersetzt (=Hydroxilsubstitution).

H⁺ + OH^- = H₂O

Hydroxilsubstitution: Befinden sich neben der Säure H⁺ noch Cl^- oder F^--Ionen im Speichel (=Korrosionsmedium), so ersetzen sie die OH^--Ionen sofort und bildet sich Wasser H₂O. Aus dem Hydroxylapatit entsteht Chlorapatit resp. Fluorapatit. Der grosse Ionenradius des Cl^- macht den Apatit etwas instabil. Das F^--Ion ist sehr elektronegativ und macht den Apatit säurefest.
Dieser Ionenaustausch findet nur an der Oberfläche des Zahnes statt, und darauf beruht der Erfolg der fluoridhaltigen Zahnpasten gegen Karies und Erosionen (siehe hier).

Karbonatsubstitution: Im Bioapatit wird das Phosphat PO₄^3– häufig durch ein Karbonat CO₃^2– ersetzt. Dies nicht nur im Zahn, sondern überall im Körper (Knochen, Nierensteine usw.), und v.a. auch in den Verkalkungen des Brustkrebses.

Calziumsubstitution: Das Ca⁺⁺ kann durch Mg⁺⁺ ersetzt werden.

Hydroxylapatit

Knochen enthält etwa 50%, Dentin 70% und Schmelz 97% Hydroxylapatit. Es ist wie alle Calciumphosphate ein weisser Festkörper, der in Wasser schlecht und in Säuren gut löslich ist:
Ca₅[OH|(PO₄)₃] + H₃O⁺ → 5 Ca²⁺+3 PO₄^3–+2 H₂O

Ionenaustauschreaktionen:
Beim Bioapatit finden andauernd Ionenaustauschreaktionen statt. Beim Zahnschmelz werden die Hydroxylionen durch Säuren neutralisiert, fallen aus dem Kristallgitter und werden sofort durch Fremdionen ersetzt (meistens Cl^- oder F^-).

Grösse des Apatits:
Ca²⁺ (Calciumion): ca. 76 pm
PO₄^3- (Phosphation): ca. 140 pm
Ganzes Apatit: ca. 500 pm = 0.5 nm
1000 nm = 1 μm
1000 μm = 1 mm = 10 Jahre Abrasion/Erosion
pro Jahr: 0.1 mm = 1000 Mahlzeiten
pro Mahlzeit: 100 nm = 200 Apatitschichten

Der pH von sauren Nahrungsmitteln

(Quelle: Terrafood Lebensmittel)

Gemüse	pH	Früchte	pH	Beeren	pH	Verschiedenes	pH
Rhabarber	3.1-3.4	Zitronen	2.2-2.4	Johannisbeeren	2.8-3.1	Essig	2.0-3.4
Sauerkraut	3.4-3.6	Pflaumen	2.8-4.6	Himbeeren	3.2-3.7	Honig	3.9
grüne Oliven	3.6-3.8	Orangen	3.1-4.1	Erdbeeren	3.0-3.5	Mayonnaise	4.2-4.5
Tomaten	4.2-4.9	Ananas	3.3-5-2	Kirschen	3.2-4.1	Thunfisch	5.2-6.1
Auberginen	4.5-5.3	Trockenfrüchte	3.6-4.0	Trauben	3.4-4.5	Brot	5.3-5.8
Karotten	4.9-5.2	Bananen	4.5-5.2

Saure Speisen

Der Apatit wird bei einem pH unter 5.5 angegriffen.
Dabei spielt der PRAL-Wert (potential renal acid load) keine Rolle, weil dieser die Wirkung auf die Organe im Körper beschreibt (Magen, Niere usw.) und nicht auf die Zähne.

Welche Nahrungsmittel haben einen pH unter 5.5?

Kollagen − eine Biofaser

Kollagen ist ein weisses, unelastisches Struktureiweiss. Es besteht aus tripelhelikalen Primärfibrillen der Grösse 1.5 x 300 nm (Tropokollagen). Diese sind mit 67 nm Abstand kovalent und mit Wasserstoffbrücken querverbunden und mit 40 nm Abstand hintereinander angeordnet. So entstehen Mikrofibrillen (Ø = 20-40 nm), Fibrillen (Ø = 300-500 nm) und Fasern (Ø = 2-12 µm) mit bis zu einer Länge von mehreren mm.
Die Kollagenfasern bilden das Gerüst von Knochen, Dentin, Sehnen, Knorpel, Bindegewebe usw.
Cross-links: Je mehr Cross-links (im Alter, nach Wurzelfüllung) desto brüchiger wird das Kollagen.
Zugfestigkeit: 500 − 1000 MPa

Kollagenfibrille
= quervernetztes
Tropokollagen:

← 300 nm →

1.5 nm ↕

67 nm ↕

Cross-link

1 Phosphor-Atom = 1 Angstrom
1 Apatitkristall = 10 Angstrom
10 Angstrom = 1 nm

Die folgenden vier Raster-Aufnahmen sind von Studenten unter Frau Prof. Dr.-Ing. Isabella-Maria Zylla hergestellt worden: Dentaltechnologie Osnabrück.

Alveolarknochen

Desmodont Zement Dentin

Sharpeyfasern

Kollagen im intertubulären Dentin

Kollagenfasern

Die Sharpeyfasern verbinden den Alveolarknochen über das Desmodont mit dem Wurzelzement.

Das intertubuläre Dentin enthält 30% Kollagen. Es bildet das Gerüst für die Apatitkristalle.

Dentin − ein Biolaminat

Dentin enthält radial angeordnete Kanälchen (Tubuli). Sie enthalten einen Liquor (voller Enzyme) und Nervenfasern.

Anisotropie:	Dentin bricht quer zu den Tubuli 20% leichter als parallel zu ihnen ¹
Dentintiefe:	Tiefes Dentin bricht bis zu doppelt so schnell als oberflächliches Dentin ¹
Alterung:	Die Tubuli füllen sich mit peritubulärem Dentin, Liquorverlust (bis 90%) (= Sklerosierung), Festigkeitsverlust 50%.
Wurzelbehandlung:	Liquor-Totalverlust, Zunahme der Kollagen-Crosslinks, Festigkeitsverlust 20% ²
Zugfestigkeit:	10 MPa − 90 MPa

¹ Effect of Depth and Tubule Direction on Ultimate Tensile Strength of Human Coronal Dentin
² Yan W. et al, 2019, Contribution of Root Canal Treatment to the Fracture Resistance of Dentin

Dentintubuli mit heraushängenden Nervenfasern. Fraktur quer zu den Dentinkanälchen (A).

✱

Interlaminare Fraktur ✱ parallel zu den Dentinkanälchen (B).

Dentinkanälchen

Die Dentinkanälchen verlaufen radiär von der Pulpa nach aussen. Auf Zug bricht das Dentin entlang der Tubuli (B) und nicht quer zu ihnen (A).

A

B

✱

Zugfestigkeit ¹

A: 80 MPa
B: 58 MPa

Fläche B = 8 mm²

Kritischer Zug:

8 × 58 = 464 N

Dauerfestigkeit:

464 / 3 = 155 N

Alterung:

155 / 2 = 78 N

Wurzelfüllung:

78 N − 20% = 64 N

erstellt: 01.01.2018 - 10.10.2024