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歯の一次エナメル質へのマグネシウムの組み込みとその機械的特性への影響
Magnesium incorporation into primary dental enamel and its effect on mechanical properties.
PMID: 32891873 DOI: 10.1016/j.actbio.2020.08.035.
抄録
健全な一次歯エナメル質の断面調査を行ったところ，硬さの帯状分布が見られ，それに伴いプリズムレス層以下のMg含有量も大きく変化していた．Mg含有量はエナメル質アパタイトのバイオミネラリゼーションに重要な役割を果たしていることが知られている。そこで、MgCl溶液を用いて、健全な初代臼歯の外表面および基準となる生体由来のCa-リン酸塩を対象に、Mgイオン交換実験を行った。結晶／粒子の大きさ，イオン比，形態に対するMg添加の効果を比較し，観察された変化は拡散と溶解／再沈殿のプロセスが並行して行われたことで説明された。Mgを添加した歯エナメル質の深さ方向の分析と高解像度電子顕微鏡検査に基づき，厚さ約10～15ナノメートルの秩序のない表面層が確認された。この薄い層は，Mgに強く富み，非アパタイト構造を有していた。表面層の下では、Mg含有量はわずかに増加しており（最大で約3at%）、エナメル質のアパタイト結晶構造が維持されていた。これは，結晶粒径が小さくなったために薄い表面層が強化されたことと，取り込まれたMgの影響でその下の領域が強化されたことによるものと解釈される．歯エナメル質は、人体の中で最も耐久性のあるミネラル組織であり、咀嚼や酸による溶解などの過酷な条件にさらされるにもかかわらず、生涯にわたってその生物学的機能を果たすことができる。本研究では、微量成分であるマグネシウムが、ヒト一次歯エナメルの硬度特性に影響を与えることを示した。そして、Mgの取り込み実験により、最近観察されているMgを含む粒間相の秩序性の低さを新たに証明した。また、Mgを添加することで、歯エナメルの硬度が約20％向上することも報告した。これらの結果は、健全な歯エナメル質の構造をより深く理解することに貢献し、エナメル質の再石灰化や再生歯科治療のための新たな道筋を示すものと考えられる。
Cross-sectional study of sound primary dental enamel revealed hardness zonation and, in parallel, significant change in the Mg content below the prismless layer. Mg content is known to play an important role in enamel apatite biomineralization, therefore, Mg ion exchange experiments were carried out on the outer surface of sound primary molars and on reference abiogenic Ca-phosphates using MgCl solution. Effects of Mg incorporation on crystal/particle size, ionic ratio and morphology were compared and the observed changes were explained by parallel diffusion and dissolution/reprecipitation processes. Based on depth profile analysis and high resolution electron microscopy of the Mg-exchanged dental enamel, a poorly ordered surface layer of approximately 10-15 nanometer thickness was identified. This thin layer is strongly enriched in Mg and has non-apatitic structure. Below the surface layer, the Mg content increased only moderately (up to ~3 at%) and the apatite crystal structure of enamel was preserved. As a common effect of the Mg exchanged volume, primary dental enamel exhibited about 20% increase of nanohardness, which is intrepreted by strengthening of both the thin surface layer and the region below due to the decreased crystallite size and the effect of incorporated Mg, respectively. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Dental enamel is the most durable mineralized tissue in the human body, which, in spite to be exposed to extreme conditions like mastication and acidic dissolution, is able to fulfill its biological function during lifetime. In this study we show that minor component magnesium can affect hardness properties of human primary dental enamel. Then, through Mg incorporation experiments we provide an additional proof for the poorly ordered Mg-containing intergranular phase which has been recently observed. Also, we report that the hardness of dental enamel can be increased by ca. 20% by Mg incorporation. These results contribute to a deeper understanding of sound primary dental enamel structure and may inspire new pathways for assisted remineralization of enamel and regenerative dentistry.
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