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ISMAEL YEVENES LOPEZ 1 Isotrópicos Anisotrópicos Sólidos Cristalinos Amorfos TEJIDOS MINERALIZADOS TEJIDOS MINERALIZADOS 07/06/22

Clase 01 Estucturaycomposicitejidosmineralizados09

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 1

IsotrópicosIsotrópicosAnisotrópicosAnisotrópicos

SólidosSólidosCristalinosCristalinos AmorfosAmorfos

TEJIDOS MINERALIZADOSTEJIDOS MINERALIZADOS

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 210/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 3

SólidosCristalinosSólidos

Cristalinos

CristalesIónicos

CristalesIónicos

CristalesMetálicosCristalesMetálicos

CristalesMolecularesCristales

Moleculares

CristalesCovalentesCristales

Covalentes

Sólidos IónicosCristales Iónicos

LiFNaClAgClZnO

Energía de Enlace (Kcal/mol)

246.7186.2216.0964.0

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 4

Cristales Covalentes

C (diamante)Si

SiO2

Energía de Enlace (Kcal/mol)

170105433

Cristales Moleculares

ArXeCl2

CO2

CH4

Energía de Enlace (Kcal/mol)

1.563.024.886.031.96

CristalesMetálicos

LiCaAlFeW

Energía de Enlace (Kcal/mol)

38427799

200

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 5

Solido iónico

Solido covalente

Solido metalico

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 6

Propiedades SólidosPropiedades Sólidos

RigidezIncompresibilidad

CaracterísticasGeométricas

RigidezIncompresibilidad

CaracterísticasGeométricas

SólidosCristalinosSólidos

Cristalinos

RedCristalográfica

RedCristalográfica

Tamaño CristalTamaño Cristal

RecristalizaciónRecristalización

Velocidad deFormación

Velocidad deFormación

Centros deNucleaciónCentros deNucleación

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 7

En toda formación de cristales hay que considerar dos etapas:

• Nucleación: formación de los primeros cristales a partir de los iones o moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a la nucleación.

• Crecimiento: formación de la estructura cristalina.

Formación de cristales

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 8ISMAEL YEVENES LOPEZ 8

Matriz extracelular

• Mineralización Biológica mediada por matrizMineralización Biológica mediada por matriz

Mineralización biológica mediada por matriz extracelular. Este proceso se caracteriza por la nucleación fuera de la célula. A.) Los cationes por transporte activo atraviesan la membrana celular y por difusión pasiva a través del líquido extracelular llegan al sitio de la mineralización. B.) Los cationes se concentran intracelular como iones acuosos en una vesícula que se secreta posteriormente. El rompimiento de esta en el sitio de la mineralización libera los cationes para la formación del biomineral.

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 16

Sistemas CristalinosSistemas CristalinosRedes de BravaisRedes de Bravais

a

a

a

Simple De carascentradas

Sistema Cúbico

De cuerpocentrado

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 17

Sistema Ortorrómbico

De extremocentrado

De caracentrada

Simple

c

a bDe cuerpocentrado

Simple De cuerpo centrado

Sistema Tetragonal

aa

cc

a

bSimple De extremo centrado

Sistema Monoclínico

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 18

Sistema Tríclinico

c

a

a

Sistema Hexagonal

Sistema Romboidal

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 19

Polimorfismo o AlotropíaMetal Tº Ambiente Otras Tº

Co Hexagonal FCC ( T>427ºC ) Fe BCC FCC ( 912-1394ºC ) BCC ( T>1394ºC ) Ti Hexagonal BCC ( T>883ºC )

Metal Tº Ambiente Otras Tº

Co Hexagonal FCC ( T>427ºC ) Fe BCC FCC ( 912-1394ºC ) BCC ( T>1394ºC ) Ti Hexagonal BCC ( T>883ºC )

Cristales de cloruro de sodio

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FCC: CUBICA CENTRADA CARASBCC: CUBICA CENTRADA CUERPOHCP: HEXAGONAL COMPACTA

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 20

111

111_

111__

111_

110

101 011

011_

110

_

101

_

110

101 011

011 _

110 _

101 _

100

001

010

111

111 __

111 _

111 _

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 21

Vacancia Autointersticial

ImpurezaIntersticialImpureza

Sustitucional

Defectos Cristalinos

e

Defecto deSchottkyDefecto de

Frenkel

Centro F

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ImpurezasImpurezas

SustitucionesIsomórficas

SustitucionesIsomórficas

SustitucionesAnisomórficasSustituciones

Anisomórficas

Modificacionesprops. fco.-qcas.

del cristal

Modificacionesprops. fco.-qcas.

del cristal

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 23

Esmalte

Dentina

Cemento

Esquema de un Diente

DienteDiente DentinaDentina

EsmalteEsmalte

CementoCemento

CaracterísticasUnicas

CaracterísticasUnicas

CaracterísticasSimilares HuesoCaracterísticas

Similares Hueso

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 24

Propiedades Físicas del EsmaltePropiedades Físicas del Esmalte

•Dureza (resistencia a ser rayado): 6.5 en la escala de Mohs. Dureza (resistencia a ser rayado): 6.5 en la escala de Mohs. Depende del grado de mineralización (disminuye desde laDepende del grado de mineralización (disminuye desde la

superficie hacia la unión amelodentinaria)superficie hacia la unión amelodentinaria)

• Elasticidad baja (rígido y quebradizo).Elasticidad baja (rígido y quebradizo).

• ColorColor y transparencia: translúcido. Su color depende de la y transparencia: translúcido. Su color depende de la dentina subyacentedentina subyacente

• Permeabilidad escasa (membrana semipermeable).Permeabilidad escasa (membrana semipermeable). Disminuye con la edad. Permite la difusión de agua y algunosDisminuye con la edad. Permite la difusión de agua y algunos iones.iones.

• Radioopacidad muy alta (color blanco en radiografías).Radioopacidad muy alta (color blanco en radiografías).

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 25

Propiedades Físicas de la DentinaPropiedades Físicas de la Dentina

• Color blanco amarillento, variable entre individuos. DependeColor blanco amarillento, variable entre individuos. Dependedel grado de mineralización, edad, vitalidad de la pulpa,del grado de mineralización, edad, vitalidad de la pulpa,presencia de colorantes exógenos o endógenos.presencia de colorantes exógenos o endógenos.

•Dureza: mucho menor que la del esmalte y mayor que la delDureza: mucho menor que la del esmalte y mayor que la delHuesoHueso

•Elasticidad: Menor a la rigidez del esmalte.Elasticidad: Menor a la rigidez del esmalte.

•Permeabilidad alta, a través de los túbulos dentinarios.Permeabilidad alta, a través de los túbulos dentinarios.

•Radioopacidad menor que el esmalte y mayor que la delRadioopacidad menor que el esmalte y mayor que la delhuesohueso

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 26

Especie DensidadInorgánico Orgánico Agua % Peso %Vol. %Peso %Vol. %Peso %Vol.

Esmalte 2.9 - 3.0 95 87 1 2 3.0 11.0

Dentina 2.05 - 2.35 70 47 20 33 10 21

Cemento 2.02 - 2.05

Hueso 2.1 - 2.2 65 36 24 26 15 28

Especie DensidadInorgánico Orgánico Agua % Peso %Vol. %Peso %Vol. %Peso %Vol.

Esmalte 2.9 - 3.0 95 87 1 2 3.0 11.0

Dentina 2.05 - 2.35 70 47 20 33 10 21

Cemento 2.02 - 2.05

Hueso 2.1 - 2.2 65 36 24 26 15 28

Tabla IComposición Diente

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 27

Principales Componentes y Características de los Tejidos Duros

Esmalte Hueso Dentina

En Desarrollo Maduro % p/p % p/p % p/p % p/v % p/p % p/v

Inorgánico 37 16 96 88 70 72

Orgánico 19 20 0.1 0.3 22 20

Agua 44 64 3.9 11.7 8 8

Componente Amelogenina Enamelina Colágeno ColágenoOrgánicoComponente Hidroxiapatita HidroxiapatitaInorgánicoDensidad 1.45 2.9 - 3.0 2.01-2.05 2.00-2.30

Tamaño Hexágonos de 30nm x 0.1 x 5 Hexágonos, aguja,Cristales lámina o mezcla.

50 x 20 x 20 nm.

Esmalte Hueso Dentina

En Desarrollo Maduro % p/p % p/p % p/p % p/v % p/p % p/v

Inorgánico 37 16 96 88 70 72

Orgánico 19 20 0.1 0.3 22 20

Agua 44 64 3.9 11.7 8 8

Componente Amelogenina Enamelina Colágeno ColágenoOrgánicoComponente Hidroxiapatita HidroxiapatitaInorgánicoDensidad 1.45 2.9 - 3.0 2.01-2.05 2.00-2.30

Tamaño Hexágonos de 30nm x 0.1 x 5 Hexágonos, aguja,Cristales lámina o mezcla.

50 x 20 x 20 nm.

40 nm

160 nm

25 nm

Cristal deesmalte

3 nm

60 nm

Cristal dehueso y/o dentina

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 28

Propiedades y Composición del Esmalte y Hueso Maduros

Esmalte Hueso

Densidad (g/ml) 2.9 - 3.0 2.1 - 2.2

Contenido Mineral (%p/p) 96 72

Tamaño Cristal AºLongitud 1000-10000 300-500Ancho 300-600 100-300Altura 100-400 25-50

Esmalte Hueso

Densidad (g/ml) 2.9 - 3.0 2.1 - 2.2

Contenido Mineral (%p/p) 96 72

Tamaño Cristal AºLongitud 1000-10000 300-500Ancho 300-600 100-300Altura 100-400 25-50

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 29

Patron de difracción de rayos x de apatitas

Angulo de difracción

25 30 25

Hidroxiapatitasintética

hueso

Dentina

Esmalte

Hidroxiapatita mineral

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 30

Material Orgánico del Esmalte( 1% p/p ; 2% p/v )

Proteínas % Lípidos% Otros Elementos%

58 40 2

Material Orgánico del Esmalte( 1% p/p ; 2% p/v )

Proteínas % Lípidos% Otros Elementos%

58 40 2

Cambios Químicos durante la Mineralización

Matriz del Esmalte Esmalte Maduro 5 % Calcio 90 %

Cambios Químicos durante la Mineralización

Matriz del Esmalte Esmalte Maduro 5 % Calcio 90 %

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 31

Agua

Orgánico

Mineral

Mineral

100

96

95

10

SuperficieExterna

InterfaseEsmalte-Dentina

Distribución de Componentes en el Esmalte

Fosfatode Calcio

Min

eral

Tot

alP

rote

ína

Tot

al

Enamelina

AmelogeninaPro

teín

as

Formación Transicional Maduración

Etapas de Maduración del Esmalte

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 32

Componentes de Dentina y Hueso

Constituyente Dentina Hueso( % p/p ) ( % p/p)

Orgánico

Colágeno 17.5-18.5 21.2Proteína 0.2 0.24Citrato 0.86-0.89 0.8-0.9Lactato 0.15Lípidos 0.044-0.36 0.10Sulfato de Condroitina 0.2-0.6 0.19Sialoproteína 0.19-0.28Glucoproteína 0.074-0.105

Inorgánico

Agua 5.0 3.0-4.0Sustancias Inorgánicas 74.5-75.4 74.0

Constituyente Dentina Hueso( % p/p ) ( % p/p)

Orgánico

Colágeno 17.5-18.5 21.2Proteína 0.2 0.24Citrato 0.86-0.89 0.8-0.9Lactato 0.15Lípidos 0.044-0.36 0.10Sulfato de Condroitina 0.2-0.6 0.19Sialoproteína 0.19-0.28Glucoproteína 0.074-0.105

Inorgánico

Agua 5.0 3.0-4.0Sustancias Inorgánicas 74.5-75.4 74.0

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 33

Macrocomponentes del Esmalte

Ion Esmalte Hidroxiapatita Fluorapatita

Ca 33.6 - 39.4 39.9 39.7P 16.1 - 18.0 18.5 18.4CO3 1.95 - 3.66 Mg 0.25 - 0.56Na 0.25 - 0.90K 0.05 - 0.30Cl 0.19F 0.006 - 0.3

Ca / P 1.48 - 1.67 1.67 1.67

Ion Esmalte Hidroxiapatita Fluorapatita

Ca 33.6 - 39.4 39.9 39.7P 16.1 - 18.0 18.5 18.4CO3 1.95 - 3.66 Mg 0.25 - 0.56Na 0.25 - 0.90K 0.05 - 0.30Cl 0.19F 0.006 - 0.3

Ca / P 1.48 - 1.67 1.67 1.67

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 34

Constituyentes Menores del Esmalte

Constituyente Portes por Millón

F 50 - 5000 Fe 8 - 218 Zn 152 -227 Sr 50 -400 Cu 10 - 100 Mn 0 - 18 Ag 0 - 10

Relación Ca / P 1.92 - 2.17 ( en peso )

Constituyente Portes por Millón

F 50 - 5000 Fe 8 - 218 Zn 152 -227 Sr 50 -400 Cu 10 - 100 Mn 0 - 18 Ag 0 - 10

Relación Ca / P 1.92 - 2.17 ( en peso )

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 35

Elementos Traza del Esmalte

Componente Esmalte (ppm) Dentina (ppm)

Al 5-700 10-100 Sb 0.02-0.34 0.7 S 130 - 530 Ba 0.08 - 500 10 - 130 B 0.5 - 39 1 - 10 Br 0.03 - 35 114 Cd 0.03 - 10 Co <0.1 - 100 1 - 100 Cu 0.1 - 130 0.2 - 100 Cr <0.1 - 100 1 - 100 Sn 0.03 - 0.9 Sr 26 - 1000 90 - 1000 Fe 0.08 - 200 90 - 1000

Componente Esmalte (ppm) Dentina (ppm)

Al 5-700 10-100 Sb 0.02-0.34 0.7 S 130 - 530 Ba 0.08 - 500 10 - 130 B 0.5 - 39 1 - 10 Br 0.03 - 35 114 Cd 0.03 - 10 Co <0.1 - 100 1 - 100 Cu 0.1 - 130 0.2 - 100 Cr <0.1 - 100 1 - 100 Sn 0.03 - 0.9 Sr 26 - 1000 90 - 1000 Fe 0.08 - 200 90 - 1000

Componente Esmalte (ppm) Dentina (ppm)

Y 0.01 - 0.2 Li 0.23 - 3.40 Mn 0.08 - 20.0 0.6 - 1000 Mo 0.7 - 39.0 1 - 10 Ni 10 - 100 10 - 100 Au 0.02 - 0.10 0.07 Ag 0.005 - 1.3 2.2 Rb 0.2 - 10 1 - 10 Se 0.1 - 10 10 - 100 Ti <0.1 - 100 10 - 100 V 0.01 - 0.03 1 - 10 Zn 60 - 1800 10 - 1000 Zr <0.02 - 0.6

Componente Esmalte (ppm) Dentina (ppm)

Y 0.01 - 0.2 Li 0.23 - 3.40 Mn 0.08 - 20.0 0.6 - 1000 Mo 0.7 - 39.0 1 - 10 Ni 10 - 100 10 - 100 Au 0.02 - 0.10 0.07 Ag 0.005 - 1.3 2.2 Rb 0.2 - 10 1 - 10 Se 0.1 - 10 10 - 100 Ti <0.1 - 100 10 - 100 V 0.01 - 0.03 1 - 10 Zn 60 - 1800 10 - 1000 Zr <0.02 - 0.6

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 36

60°120°

9.42 A

a9.42 Ab

6.88 A

c

Ion Hidroxilo

Representación tridimensional de la celda unitaria del cristal de hidroxiapatita

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 37

Ion Calcio

Triángulo de Calcio

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 38

Fósforo

Oxígeno

Calcio

Hidroxilo

Distribución de iones hidroxilo, calcio y fosfatoen un corte de la celda unitaria de hidroxiapatita

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 3910/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 40

CELDA UNITARIACELDA UNITARIA CELDAS APILADASCELDAS APILADASCRISTAL HEXAGONALCRISTAL HEXAGONAL

CRISTALITOSCRISTALITOSCRISTALCRISTAL

Estructura cristalina de las apatitasEstructura cristalina de las apatitas

10/04/23

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Utilizando la microscopia electrónica se copia la estructura del cristal. A través de un modelo de NMR se muestra la interacción de la amelogenina con el cristal de OHA que permite la construcción del esmalte modelado por una proteína. Un aminoácido

marcado de la proteína permite seguir el crecimiento y el modelo de cristal en formación.

Mineralización esmalte

10/04/23 ISMAEL YEVENES LOPEZ

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 42

Orientación de los cristales de hidroxiapatita en forma de ojo de cerradura

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 43

Niveles Estructurales del Esmalte DentalNiveles Estructurales del Esmalte Dental

Primer NivelPrismas

Conjunto denso, empaquetado de prismas,desde la unión amelo-dentinaria hacia lasuperficie exterior. 10 000 Aº.

Segundo NivelCristales

Conjunto de millares de cristalitos alargados:Prisma. 1 000 Aº.

Tercer NivelCelda Unitaria

Cristalito: millares de subunidades llamadasceldas unitarias. Disposición: ladrillos deconstrucción. 10 Aº.

EsmalteEsmalte

Prismas 10 000 AºPrismas 10 000 Aº

Cristalitos 1 000 AºCristalitos 1 000 Aº

Celda Unitaria 10 AºCelda Unitaria 10 Aº

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 44

Estequiometría de las Apatitas

Apatita Fórmula Relación Ca/ P Relación Ca/ PO4

Hidroxiapatita Ca10 (PO4)6 (OH)2 2.15 1.667

Carboxiapatita Ca10 (PO4)6 (OH)2-x (CO3)x 2.15 1.667

Fluorapatita Ca10 (PO4)6 F2 2.15 1.667

Hidroxiapatita (pH<4) Ca10-x H2x (PO4)6 (OH)2 < 2.15 < 1.66

Esmalte (Ca,M)10 (PO4,X)6 (OH,Y)2 2.1 1.7 -2.0

Dentina (Ca,M)10 (PO4,X)6 (OH,Y)2 1.8 < 1.56

Hueso (Ca,M)10 (PO4,X)6 (OH,Y)2 1.95

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 45

Apatita Kps

Hidroxiapatita 2 x 10-115

Carboxiapatita 9 x 10-105

Fluorapatita 1 x 10-119

Esmalte 5 x 10-105 - 4 x 10-115

Solubilidad Apatitas

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 46

Factores que afectan la solubilidad de las apatitas

DisoluciónCristales

DisoluciónCristales

CristalesApatita

CristalesApatita

Ca2+

PO43-

ImpurezaImpureza

DefectosCristalinosDefectos

Cristalinos

Velocidad deDifusión de

Iones

Tamaño delCristal

Tamaño delCristal

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 47

Representación Esquemática de un Cristal de Hidroxiapatita

Cristal Interior

Superficie del Cristal

Iones Adsorbidos

Cáscara de Hidratación

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 48

Iones Presentes en los Tejidos Duros

Fase Amorfa Unidos a la Superficie

Ca2+ Ca2+

PO43- PO4

3-

HCO3- HCO3

-

CO3-2 CO3

-2

Mg2+ Mg2+

H2O H2OHPO4

2-

K+

Citrato

Fase Amorfa Unidos a la Superficie

Ca2+ Ca2+

PO43- PO4

3-

HCO3- HCO3

-

CO3-2 CO3

-2

Mg2+ Mg2+

H2O H2OHPO4

2-

K+

Citrato

Sustituciones en la Red Cristalina de la

Hidroxiapatita

Sitios Ca2+: Na+ ; Sr2+

Sitios PO43-: HPO4

2- ; HCO3- ; CO3

2-

Sitios OH-: Cl- ; F- ; CO32- ; H2O

Sitios Ca2+: Na+ ; Sr2+

Sitios PO43-: HPO4

2- ; HCO3- ; CO3

2-

Sitios OH-: Cl- ; F- ; CO32- ; H2O

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 49

FZnPbFeSn

H2OCO3

2-

MgNa

SuperficieEsmalte

InterfaseEsmalte-Dentina

Variación de la Concentración de los Componentes del Esmalte

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 50

4000

3000

2000

1000

[ F - ](ppm)

5.0 ppm

1.0ppm0.2ppm

Capa externa Capa interna

Flúor en Esmalte / [ Flúor ] en Agua Potable

Variación de la concentración de fluoruro en elesmalte en función del contenido de fluoruro en

el agua potable10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 51

Sustituciones en OHA por Fluoruro

Fluorapatita38 000 ppm de

Fluoruro

Sustitución OH- / F-

100%

Fluorapatita38 000 ppm de

Fluoruro

Sustitución OH- / F-

100%

Esmalte Superficial (10 mcm)2000 - 4000 ppm de

Fluoruro

Sustitución OH- / F-

max. 10%

Esmalte Superficial (10 mcm)2000 - 4000 ppm de

Fluoruro

Sustitución OH- / F-

max. 10%

Triángulo de Calcio Triángulo de Calcio

OH-

F-

10/04/23

Page 52: Clase 01 Estucturaycomposicitejidosmineralizados09

ISMAEL YEVENES LOPEZ 52

Efecto del Ión Fluoruro sobre los Iones Hidroxilos

Calcio FluoruroHidroxilo

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 53

Efecto del ión fluoruro sobre el cristal de hidroxiapatita

FluoruroFluoruro

Celda Unitariamás CompactaCelda Unitariamás Compacta

Aumenta laCristalinidadAumenta la

Cristalinidad

Aumenta laDureza

Aumenta laDureza

Esmalte Superficialtipo Fluorapatita

Esmalte Superficialtipo Fluorapatita

Disminuye laSolubilidad

Disminuye laSolubilidad

10/04/23

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ISMAEL YEVENES LOPEZ 54

Efecto del ión carbonato sobre el cristal de hidroxiapatita

Ca10 (PO4)6 (OH)2Ca10 (PO4)6 (OH)2Ca10 (PO4)6-x (OH)2-y (CO3)x+yCa10 (PO4)6-x (OH)2-y (CO3)x+y

CO32-

Celda Unitaria ExpandidaPresencia de Impurezas Sustitucionales y Vacancias y/o Impurezas Intersticiales.

Disminución de la CristalinidadDisminución de la Dureza

Apatita menos Estable (Carbonato Lábil)Apatita más Soluble

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