B u l l . SOC. Chim. Belg. vo l . 89/n"8/1980

R E V I E W

T H E M I N E R A L I N B O N E , D E N T I N A N D T O O T H ENAMEL

F . C . EI. D r i e s s e n s

S e r v i c e o f D e n t a l M a t e r i a l s , S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,

C a t h o l i c U n i v e r s i t y , P . O . Box 9 1 0 1 , 6500 H B N I J V E C E N ,

t h e N e t h e r l a n d s .

Received : 29/08/1980 - Accepted : 29/08/1980

A B S T R A C T

D e t a i l e d k n o w l e d g e a b o u t t h e c o n s t i t u t i o n a n d t h e s o l u b i l i t y b e h a v i o u r o f t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d t i s s u e s i s s t i l l l a c k i n g . T h i s k n o w l e d g e i s i m p o r t a n t f o r t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e b e h a v i o u r o f t h e m i n e r a l u n d e r p h y s i o l o g i c a l a n d p a t h o - l o g i c a l c o n d i t i o n s . I n t h i s s t u d y l i t e r a t u r e d a t a o n t h e c o m p o s i t i o n a n d p a r - t i c l e s i z e o f t h e m i n e r a l a r e r e v i e w e d . T h e i r p r e d o m i n a n t l y a p a t i t i c n a t u r e g o e s b a c k t o h y d r o x y a p a t i t e a s t h e i r p r o t o t y p e . H o w e v e r , o t h e r c a l c i u m p h o s p h a - t e s , l i k e w h i t l o c k i t e , a r e a l s o i m p o r t a n t . The v a r i o u s a n a l y t i c a l d a t a on t h e c o n t e n t o f Ca , P , Na, Mg a n d CO3 a s t h e m a i n c o m p o n e n t s w e r e a n a l y z e d f o r t h e i r c o n s i s t e n c y w i t h a m o d e l o f v a r i a b l e p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l . T h i s a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t t h e p r o b a b l e p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l i n d e n t i n a n d b o n e i s t h e s a m e , b u t d i f f e r e n t f r o m t h a t i n t o o t h e n a m e l . S t u d i e s o n t h e s o l u b i l i t y b e h a v i o u r i n d i c a t e t h a t n e a r t h e p h y s i o l o g i c a l pH ( 7 . 4 ) a l l p h a s e s a r e s o l u b i l i t y c o n t r o l l i n g s i m u l t a n e o u s l y . T h i s s u p p o r t s a p h y s i o l o g i c a l m o d e l a c c o r d i n g t o w h i c h t h e b o d y f l u i d s a r e c l o s e t o p h y s i c o c h e m i c a l e q u i l i b r i u m w i t h b o n e m i n e r a l . H e n c e , c h a n g e s i n t h e c h e m i c a l a n d p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l w h i c h o c c u r u n d e r p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s a r e r e l a t e d t o c h a n g e s i n t h e a c t i v i t i e s o f t h e r e l e v a n t c o m p o n e n t s i n t h e s u r r o u n d i n g b o d y f l u i d . The l a t t e r d e p e n d m a i n l y o n c e l l u l a r a c t i v i t y a n d o r g a n i c t r a n s p o r t a c t i v i t y . A t t e n - t i o n i s a l s o p a i d t o t h e a n t i c a r i o g e n i c e f f e c t o f f l u o r i d e a n d t h e i n c o r p o r a - t i o n o f t h a t c o m p o n e n t i n t h e m i n e r a l o f f l u o r o t i c b o n e . T h i s s t u d y i s c l o s e d w i t h some r e m a r k s a b o u t t h e u s e o f s y n t h e t i c a n a l o g u e s o f b i o m i n e r a l s a s i m - p l a n t s i n d e n t i s t r y a n d s u r g e r y .

Key w o r d s : b o n e , d e n t i n e , t o o t h e n a m e l .

L i s t o f a b b r e v i a t i o n s :

DCPD d i c a l c i u m p h o s p h a t e d i h y d r a t e

D O H A d e f e c t i v e h y d r o x y a p a t i t e

OCP o c t o c a l c i u m p h o s p h a t e

O H A h y d r o x y a p a t i t e

TCP t e r t i a r y c a l c i u m p h o s p h a t e

WH w h i t l o c k i t e

I . I N T R O D U C T I O N .

The i n t e r e s t o f c h e m i s t s f o r t h e m i n e r a l i n t e e t h a n d b o n e s i s a s o l d a s

t h e i r p r o f e s s i o n . Among t h e c h e m i s t s t h a t s t u d i e d t h e m i n e r a l ' s c o m p o s i t i o n

o n e f i n d s t h e names o f Gay L u s s a c , B e r z e l i u s , H o p p e - S e y l e r , F r e s e n i u s a n d

C a r n o t [ I ] . T h e i r m a i n i n t e r e s t in t h o s e d a y s was t o e l u c i d a t e w h e t h e r f l u o r i d e

o c c u r r e d i n t h e m i n e r a l o f t h e c a l c i f i e d t i s s u e s o f l i v i n g a n i m a l s . T h e y knew

- 663 -

by e x p e r i m e n t t h a t f o s s i l e b o n e s a n d t e e t h c o n t a i n e d much o f t h i s e l e m e n t . A t

p r e s e n t , t h e r e i s s t i l l much unknown a b o u t t h e n a t u r e a n d t h e b e h a v i o u r o f t h i s

m i n e r a l , n o t e v e n a b o u t t h e e f f e c t o f t h e m a i n b i o l o g i c a l " i m p u r i t i e s " ( N a , Mg,

C03, K ,

t h i s m i n e r a l . T h i s p a p e r i s i n t e n d e d t o g i v e a s t a t e o f t h e a r t e s p e c i a l l y

a b o u t t h e c h e m i c a l a s p e c t s o f t h e m i n e r a l s n a t u r e a n d b e h a v i o u r u n d e r p h y s i o l o -

g i c a l a n d p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s . I t w i l l n o t d e a l w i t h t h e m e c h a n i c a l a n d

p o s s i b l y n e u r o e l e c t r i c a l f u n c t i o n o f t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d t i s s u e s . As a

c o n s e q u e n c e , i t s s t r u c t u r e a n d s o l u b i l i t y b e h a v i o u r a r e t h e m a i n p o i n t s o f i n -

t e r e s t h e r e . From t h e s e c o n s i d e r a t i o n s a c e r t a i n c o n c e p t w i l l e m e r g e a b o u t i t s

b e h a v i o u r i n c o n t a c t w i t h b o d y f l u i d s w h i c h w i l l a l s o make u n d e r s t a n d a b l e w h i c h

c h a n g e s t a k e p l a c e u n d e r p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s . F i r s t , h o w e v e r , a s u r v e y i s

g i v e n a b o u t s y n t h e t i c c a l c i u m p h o s p h a t e s i n o r d e r t o i n t r o d u c e t h e r e a d e r i n

t h e p r e s e n t k n o w l e d g e a b o u t s y n t h e t i c a n a l o g u e s f o r t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d

t i s s u e s .

C1) o n t h e compounds i n t h e b a s i c s y s t e m CaO - P205 - H20 r e l a t i n g t o

2 . SYNTHETIC CALCIUM PHOSPHATES

2 . 1 . Compounds i n t h e s y s t e m Ca0-P205-H20

Cameron a n d H u r s t 121 h a v e m e n t i o n e d a l r e a d y t h e e x i s t e n c e o f d i c a l c i u m p h o s -

p h a t e ( D C P ) , d i c a l c i u m p h o s p h a t e d i h y d r a t e (DCPD), t r i c a l c i u m p h o s p h a t e (TCP) a n d

a p a t i t e , o f w h i c h a l l b u t t h e l a t t e r w e r e c h a r a c t e r i s e d by t h e i r c h e m i c a l com-

p o s i t i o n a t t h a t t i m e , w h e r e a s a p a t i t e was known a s a m i n e r a l . B a s s e t t [ 3 1 s p e -

c i f i e d t h e a p a t i t e b e i n g i n e q u i l i b r i u m w i t h a q u e o u s s o l u t i o n s e r r o n e o u s l y a s

o x y a p a t i t e , b u t f o u n d f i r m e v i d e n c e f o r ( m e t a ) s t a b l e e q u i l i b r i a , i n w h i c h

C a H P 0 4 (DCP) a n d CaHP04 . 2H20 (DCPD) c o u l d e x i s t a s s o l i d p h a s e s , t h e l a t t e r

f o r m i n g p r e f e r e n t i a l l y u n d e r 3 6 ' C [ 4 1 . P r o b a b l y , t h e f i r s t a u t h o r p r e s e n t i n g

t h e f o r m u l a o f h y d r o x y a p a t i t e C a 1 0 ( P 0 4 ) 6 ( O H ) 2 w a s F o r s t e r [ 5 ] . S c h l e e d e ,

S c h m i d t a n d K i n d t [ 6 ] w e r e a b l e t o p r e p a r e c h e m i c a l l y p u r e h y d r o x y a p a t i t e O H A

b y p r e c i p i t a t i o n a n d c a l c i n a t i o n . H o w e v e r , a s p r o v e n l a t e r by S e u t e r [ 7 ] a l l

c a l c i n e d h y d r o x y a p a t i t e s a r e i n r e a l i t y o x y h y d r o x y a p a t i t e s o f t h e f o r m u l a

i n w h i c h V(OH) means a v a c a n c y i n t h e OH s u b l a t t i c e . A s a c o n s e q u e n c e , s p e c i a l

p r e c i p i t a t i o n t e c h n i q u e s a r e n e e d e d t o o b t a i n p u r e h y d r o x y a p a t i t e [ S l , m o s t l y

a t h i g h e r pH. P r e c i p i t a t i o n i n t h e s l i g h t l y a c i d i c r a n g e l e a d s t o t h e f o r m a t i o n

o f s o - c a l l e d d e f e c t i v e h y d r o x y a p a t i t e s w h i c h a c c o r d i n g t o T r E m e l a n d M E l l e r [9]

c a n v a r y i n c o m p o s i t i o n f rom Cag (H 0 ) 2 t o C a 1 0 ( P 0 4 ) 6 ( O H ) 2 . The c r y s t a l - 4 6 2 l i n e p r e c i p i t a t e c a n v a r y i n i t s w a t e r c o n t e n t a n d t h e m o s t a p p r o p r i a t e f o r m u l a

may be Cag ( H P 0 4 ) ( P 0 4 ) 5 ( O H ) w h i c h we w i l l c a l l d e f e c t i v e h y d r o x y a p a t i t e (DOHA).

F o r m e r l y , i t was c a l l e d e r r o n e o u s l y , h y d r a t e d t r i c a l c i u m p h o s p h a t e [ l o ] . S a n -

f o u r r h e L l l ) r e p o r t e d t h a t i t c o u l d t a k e d a y s b e f o r e t h e c r y s t a l l i n e p r e c i p i -

t a t e o f w h a t is now c a l l e d D O H A i s f o r m e d f r o m t h e o r i g i n a l p r e c i p i t a t e w h i c h

i s a m o r p h o u s t o X- ray d i f f r a c t i o n . T h i s a m o r p h o u s c a l c i u m p h o s p h a t e (ACP) i s

p r o b a b l y b a s i c a l l y a w h i t l o c k i t e (WH) w h i c h c a n a d s o r b e i t h e r HP04'- o r Ca2+

i o n s ( 1 2 , 1 3 1 . F r o n d e l [I41 s t u d i e d t h e s t r u c t u r e o f t h e m i n e r a l w h i t l o c k i t e

(PO )

- 6 6 4 -

(WH) which can exist also without foreign ions and then has the composition

CaIO(HPO4) (P04)6 at temperatures under about 1000°C 1 1 5 1 .

This compound is sometimes called 63 - TCP erroneously, but in fact - TCP is a substance having a structure similar t o whitlockite and obtained by cooling

down to room temperature the a - TCP. having the composition Ca being stable at temperatures higher than about 1 2 0 0 ° C 1161.

(P04)2 and 3

The preparation of pure octocalciumphosphate (OCP) was carried out first by

Newesely [ I J ] . The exact number o f water molecules i n its formula Ca (HPO )

(P04)4 . 5 H20 was enabled by the determination of its crystal structure [ 1 8 1 , 8 4 2

A compilation of the pertinent calcium phosphates relevant to aqueous sys-

tems is given in Table I . together with the space group of their crystal struc-

ture and the most reliable value of their solubility product.

TABLE 1 . : Pertinent calcium phosphates relevant to aqueous systems,

their formula, structure and negative logarithm of the s o -

lubility product pK . SP

mineral name PKsp Ca/P Notation Formula Space group 1 I DCP Ca HP04 P I 6.90 monetite

I DCPD Ca HP04.2H20 C2jC 6.59 brushi te

I .33 OCP Ca8(HP04)2(P04)4.5H20 P T 6 8 . 6 *

1.43 WH Ca10(HP04) (PO4I6 R3c 8 1 . 7 " whitlockite

I .67 OHA

I . 5 0 DOHA Ca9(HP04)(P04)5(OH) P63/m 85. I * defective

Ca (PO4) (OH) P63/m 117.2 hydroxyapatite

hydroxyapat ite

"Es t ima te

2 . 2 . Incorporation of foreign ions

Among the "impurities" which have a profound effect on the stability and

behaviour of calcium phosphates is fluoride one o f the most important compo- nents. Farr, Tarbutton and Lewis I191 and Farr and Elmore 120) established that

both calcium fluoride CaF2 and fluorapatite CalO(PO )

system Ca0-P205-H20-HF in the presence of an aqueous solution. Fluorapatite

(FA) forms a continuous series o f solid solutions with OHA at 1 0 0 0 ° C [Zl]. Fluoride is not incorporated in calcium phosphates other than apatite.

F2 are relevant for the

I n the system CaO-P2O5-H20-CO2 several compositions can be reached between OHA and carbonatoapatite

by either solid state reaction at high temperatures i n a C02 containing atmos-

phere [22,23,151 as well as by hydrothermal synthesis 1241. Labarthe, Bone1 and Monte1 1251 succeeded in obtaining carbonated apatites with variable Ca/P ratios

by coprecipitation o f calcium carbonate and phosphate. They obtained the general

- 665 -

f o r m u l a

w i t h 0 < x < 2 a n d O < u < l x . T h e i r u l t i m a t e c o m p o s i t i o n a t h i g h x a n d u was

High t e m p e r a t u r e p r e p a r a t i o n s o f s i n g l e p h a s e a p a t i t e s [ I 5 1 a l s o f u l f i l l e d

f o r m u l a ( 3 ) b u t w i t h 0 . 7 6 < x < 0 . 9 7 a n d 0 > u > - 0 . 6 . A s p r o v e n b y S c h a e k e n e t a l .

[ I 5 1 c a r b o n a t e i s n o t i n c o r p o r a t e d i n t h e WH s t r u c t u r e a t h i g h t e m p e r a t u r e s .

Hayek e t a l . I 2 6 1 c l a i m e d t o h a v e f o r m e d c a r b o n a t e c o n t a i n i n g OCP w i t h t h e

u l t i m a t e c o m p o s i t i o n

b u t t h i s c o u l d n o t be r e p r o d u c e d b v o t h e r a u t h o r s .

I n t h e s y s t e m CaO-P 0 -H20-C02-Na 0 S c h a e k e n , D r i e s s e n s a n d V e r b e e c k [ I51 2 5 2 h e a t e d m i x t u r e s o f CaHP04,

1000°C i n C 0 2 h a v i n g a p a r t i a l w a t e r v a p o u r p r e s s u r e o f a b o u t a t m . I t

c o u l d t a k e s e v e r a l weeks b e f o r e t h e r e a c t i o n was c o m p l e t e . T h e y f o u n d t h a t

s o d i u m i s i n c o r p o r a t e d i n t h e w h i t l o c k i t e p h a s e a n d t h e a p a t i t e p h a s e .

CaC03 a n d Na2C03 a t t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 800 a n d

The s i n g l e - p h a s e p r o d u c t s h a v i n g t h e w h i t l o c k i t e s t r u c t u r e c o r r e s p o n d a p p r o -

x i m a t e l y w i t h t h e f o r m u l a

T h e s e p r o d u c t s a r e s t a b l e u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f p r e p a r a t i o n i n t h e r a n g e

0 4 X C I . T h e i r e x p e r i m e n t a l Ca /P r a t i o i s 1 . 4 3 0 .02 ( t h e o r . 1 . 4 2 9 ) .

The c o m p o s i t i o n o f t h e s i n g l e - p h a s e p r o d u c t s h a v i n g t h e a p a t i t e s t r u c t u r e

c o m p l i c s w i t h t h e f o r m u l a

w i t h i n t h e l i m i t s o f e x p e r i m e n t a l e r r o r . Under t h e c o n d i t i o n s o f p r e p a r a t i o n

t h e s e a p a t i t e s a r e s t a b l e i n t h e r a n g e 0 4 x 4 1 . 5 s o t h a t t h e i r C a / P r a t i o c a n

v a r y f rom 1 . 6 7 t o 1 . 8 9 . A c c o r d i n g t o D r i e s s e n s , S c h a e k e n , H e i j l i g e r s a n d V e r -

b e e c k 1271 t h e l a t t i c e p a r a m e t e r a o f t h e s e compounds d e c r e a s e s w i t h x w h e r e a s

t h e c a x i s i n c r e a s e s w i t h x . T h e i r a v e r a g e r e f r a c t i v e i n d e x d i m i n i s h e s f r o m

1.650 a t x = 0 t o 1 . 6 3 4 a t x = 1 . 5 . T h e i r u l t i m a t e c o m p o s i t i o n i s

A c c o r d i n g t o m e a s u r e m e n t s o f t h e l a t t i c e p a r a m e t e r s a n d

f o r m u l a g i v e s t h e r i g h t r e p r e s e n t a t i o n o f t h e d i s t r i b u t

PO4 a n d O H s i t e s .

S i m p s o n [28] p r e p a r e d c a r b o n a t e d a p a t i t e s c o n t a i n i n g

t i o n o f CaC03 w i t h Na+ a n d p h o s p h a t e c o n t a i n i n g a q u e o u s

t e n t was a b o u t 7 . 5 % a n d t h e r e f r a c t i v e i n d e x 1 . 5 9 . T h e i

t h e d e n s i t i e s 1271 t h i s

o n o f c o 3 = - i o n s O v e r

u p c o 2 . 2 I Na by r e a c -

s o l u t i o n s . The C 0 3 c o n -

X-ray d i f f r a c t i o n was

- 666 -

t h a t o f w e l l c r y s t a l l i n e a p a t i t e s , when p r e p a r e d a t pH 7 . L a t e r , S i m p s o n [ 2 9 ]

showed t h a t t h e r e was a n i n v e r s e r e l a t i o n b e t w e e n t h e c a r b o n a t e c o n t e n t o f t h e

p r e c i p i t a t e a n d t h e P 0 4 3 - c o n t e n t o f t h e a q u e o u s s o l u t i o n d u r i n g p r e c i p i t a t i o n .

Z a p a n t a - L e G e r o s [3Ol p r e p a r e d w e l l c r y s t a l l i n e , s o d i u m a n d c a r b o n a t e c o n -

t a i n i n g a p a t i t e s b y d r o p w i s e a d d i t i o n o f a c a l c i u m a c e t a t e s o l u t i o n t o a b o i -

l i n g a q u e o u s s o l u t i o n o f Na HP04 a n d NaHC03.

d e c r e a s e d a n d t h e c a x i s s l i g h t l y i n c r e a s e d f o r i n c r e a s i n g c a r b o n a t e c o n t e n t .

A s t h e r e w a s a n i n v e r s e r e l a t i o n b e t w e e n t h e c a r b o n a t e a n d t h e p h o s p h a t e c o n -

t e n t o f t h e p r e c i p i t a t e , c a r b o n a t e p r o b a b l e s u b s t i t u t e s f o r p h o s p h a t e . The

c r y s t a l l i n i t y o f t h e s a m p l e s d e c r e a s e d w i t h c a r b o n a t e c o n t e n t [ 3 1 ] . The s o d i u m

c o n t e n t o f t h e s a m p l e s was p r o p o r t i o n a l t o t h e c a r b o n a t e c o n t e n t [ 3 2 ] .

S h e showed t h a t t h e a a x i s i s 2

V i g n o l e s , Bone1 a n d Monte1 [33] h a v e r e p e a t e d t h e p r e p a r a t i o n s o f s o d i u m

a n d c a r b o n a t e c o n t a i n i n g a p a t i t e s a c c o r d i n g t o L e G e r o s a n d r e p o r t e d t h a t t h e

c o m p o s i t i o n a g r e e s w i t h t h e f o r m u l a

w h e r e b y 0 6 x i 3 a n d 0 6 y 6 x . P r o b a b l y , t h e r a n g e f o r y s h o u l d b e g i v e n a s

0 4 y < 1 / 3 x . They a l s o f o u n d t h a t o n h e a t i n g t h e s e compounds a b o v e 5OO'C i n a i r

t h e y l o o s e w a t e r a n d C02 a n d r e a c t t o f o r m O H A , N a 2 0 a n d CaO. [ 3 4 ] . A c c o r d i n g

t o f o r m u l a ( 9 ) t h e C a / P r a t i o c a n v a r y f r o m 1 . 6 7 t o 2 . 3 3 s o t h a t t h e u l t i m a t e

c o m p o s i t i o n b e c o m e s

T h i s f o r m u l a i s q u i t e d i f f e r e n t f r o m ( 8 ) f o r s a m p l e s o b t a i n e d b y s o l i d s t a t e

r e a c t i o n . Thus t h e a p a t i t e s t r u c t u r e c a n i n c o r p o r a t e b o t h c a r b o n a t e a l o n e a n d

c a r b o n a t e i n c o m b i n a t i o n w i t h s o d i u m .

W h i t l o c k i t e i s t h e o n l y c a l c i u m p h o s p h a t e w h i c h i n c o r p o r a t e s Mg2+ i o n s . Va-

r i o u s f o r m u l a s h a v e b e e n p r o p o s e d f o r t h e s e w h i t l o c k i t e s . T o v b o r g J e n s e n a n d

Rowles [35 ] p r o p o s e d

w i t h O < x ( 2 , w h i c h w a s d e r i v e d f r o m t h e p h a s e c o m p o s i t i o n o f s a m p l e s p r e p a r e d

by s o l i d s t a t e r e a c t i o n a t h i g h t e m p e r a t u r e s . On t h e b a s i s o f l i t e r a t u r e d a t a

a b o u t t h e c o m p o s i t i o n a n d t h e c o n t e n t o f t h e e l e m e n t a r y c e l l K e p p l e r [36 ] c o n -

c l u d e d t h a t t h e f o r m u l a s h o u l d b e

w h e r e b y t h e u n i t c e l l c o n t a i n s two f o r m u l a u n i t s . K e p p l e r [ 3 7 ] a l s o showed t h a t

t h e d i m e n s i o n s o f t h e e l e m e n t a r y c e l l a t x = l a r e o n l y s l i g h t l y s m a l l e r t h a n

t h o s e a t x=O.

I t o [38 ] p r e p a r e d Mg c o n t a i n i n g w h i t l o c k i t e s b y h e a t i n g t h e a p p r o p r i a t e i n -

g r e d i e n t s a t 1120" i n a i r . He p r o p o s e d t h e f o r m u l a

- 667 -

a n d c l a i m e d t h a t t h e p r o d u c t s w e r e s i n g l e - p h a s e w h i t l o c k i t e s u p t o x = 2 .

In a t h o r o u g h s t u d y G o p a l , C a l v o , I t o a n d S a b i n e [391 showed t h a t t h e compo-

s i t i o n o f M g - w h i t l o c k i t e g rown by h y d r o t h e r m a l s y n t h e s i s a g r e e s w i t h f o r m u l a

( 1 2 ) a t x = l . They a l s o d e t e r m i n e d t h e c r y s t a l s t r u c t u r e . R o w l e s [40 ] p r o v e d

t h a t t h i s f o r m u l a a l s o a p p l i e s t o p r e p a r a t i o n s o b t a i n e d f r o m a q u e o u s s o l u t i o n s

u n d e r IOO'C. A s a c o n s e q u e n c e , t h e m o s t p r o b a b l e f o r m u l a f o r m a g n e s i u m w h i t -

l o c k i t e i s

log -tot

-2- -3- \ I I

-4- I I I \;:Ip I A P

1 1 1 1

I , I -5 I I I I

w h e r e a s t h e s a m p l e s o b t a i n e d by I t o [38l p r o b a b l y a p p l y t o a f o r m o f B-TCP.

F IG. I . : S o l u b i l i t y d i a g r a m

f o r t h e s y s t e m

CaO-P 0 -H 0 a t 2 5 - C 2 5 2

2 . 3 . S o l u b i l i t y h e h a v i o u r o f s y n t h e t i c c a l c i u m p h o s p h a t e s .

- 668 -

F I G . l shows t h a t O H A i s t h e s t a b l e p h a s e i n t h e r a n g e p l l < 4 . 2 . I f c a l c i u m

p h o s p h a t e s a m p l e s a r e n o t p r e p a r e d i n t h e a b o v e m e n t i o n e d way b e f o r e e q u i l i -

b r a t i o n i n a n a q u e o u s s o l u t i o n , t h e v a l u e s f o u n d f o r t h e n e g a t i v e l o g a r i t h m o f

t h e i o n i c p r o d u c t o f h y d r o x y a p a t i t e w h i c h i s g i v e n b y

p I O H A = 10 pCa + 6 p P 0 4 + 2pOH ( 1 5 )

c a n d e v i a t e much f r o m 1 1 7 . 2 e v e n when t h e s t r u c t u r e o f t h e s o l i d s e e m s t o b e

t h a t o f p u r e a p a t i t e a c c o r d i n g t o X- ray d i f f r a c t i o n . T h u s , t h e d i f f e r e n c e

i s a m e a s u r e f o r t h e

I n o r d e r t o i l l u s t r a t e d e v i a t i o n s f r o m e q u i l i b r i u m a s o - c a l l e d s o l u b i l i t y p r o -

O H A i s d u c t d i a g r a m , a s w i l l b e u s e d f u r t h e r o n , i s m o s t i l l u s t r a t i v e . T h e r e P I

g i v e n a s a f u n c t i o n o f pH. From s u c h s o l u b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m s i t i s e a s y t o

c o n s t r u c t s c h e m e s g i v i n g t h e r e l a t i v e i n s t a b i l i t y o f c a l c i u m p h o s p h a t e s a t a

c e r t a i n pH a s shown i n F I G . 2 .

d e v i a t i o n f r o m r e a l e q u i l i b r i u m i n t h e s y s t e m CaO -P 0 -H20 2 5

PKOH, P ~ O H A

F I G . 2 . : Scheme o f t r a n s i -

t i o n r e a c t i o n s

c o n s t r u c t e d f r o m

t h e s o l u b i l i t y o f

p h a s e s i n t h e s y s -

t e m Ca0-P205-H20 ,

v a l i d a t a c e r t a i n

pH a n d C a / P r a t i o .

\ J

T h e s e s c h e m e s show t h e d r i v i n g f o r c e o f t r a n s i t i o n s b e t w e e n t h e c a l c i u m p h o s -

p h a t e s a n d t h e y a r e u s e d i n c r y s t a l g r o w t h , d i s s o l u t i o n a n d p h a s e t r a n s i t i o n

s t u d i e s .

C a l c i u m p h o s p h a t e s y s t e m s c a n d e v e l o p i n t e r m e d i a t e m e t a s t a b l e s t a t e s . U n d e r

s u c h m e t a s t a b l e c o n d i t i o n s i t i s m o s t l y n o t c l e a r w h e t h e r t h e s o l u b i l i t y b e h a -

v i o u r i s c o n t r o l l e d b y a v e r y s m a l l amoun t o f a s e c o n d s o l i d p h a s e o r b y a v e r y

t h i n s u r f a c e c o a t i n g o f t h e p a r t i c l e s o f t h e m a i n m o s t l y a p a t i t i c p h a s e b y a n

o t h e r c a l c i u m p h o s p h a t e p h a s e w h i c h c a n n o t b e d e t e c t e d b y p h y s i c a l m e a n s . Un-

d e r t h e c o n d i t i o n t h a t t h e c o m p o s i t i o n o f t h e e q u i l i b r i u m - c o n t r o l l i n g p h a s e

d o e s n o t c h a n g e w i t h pH, a p o t e n t i a l p l o t o f t h e s o l u b i l i t y d a t a may b e h e l p f u l

- 669 -

t o e l u c i d a t e t h e C a / P r a t i o o f t h a t p h a s e . T h i s c a n b e shown a s f o l l o w s . S u p p o -

s e t h a t t h e d i s s o l u t i o n - p r e c i p i t a t i o n r e a c t i o n o f t h e e q u i l i b r i u m c o n t r o l l i n g

p h a s e i s g i v e n by

Cax ( P O 4 ) ( H f ) y ( O H - ) Z nH20 + m H g O

x C a 2 + + 2x O H - + 3 H + + POk3-

*

w h e r e y = 3 - 2x + z a n d m = 2x - z - n .

C a ( O H ) 2 , and H3P04 i n s o l u t i o n c a n b e d e t e r m i n e d e x p e r i m e n t a l l y i n t h i s s y s t e m :

The t h e r m o d y n a m i c p o t e n t i a l s o f H 2 0 ,

0

"H 2 o = ' H ~ O + R T I n (H+) ( O H - )

"Ca (OH)2 = ' Ca(OH)* + RT I n ( C a 2 + ) (OH-)2

( 1 8 )

( 1 9 )

The b r a c k e t s r e p r e s e n t t h e m o l a r a c t i v i t y i n s o l u t i o n s o f t h e s p e c i e s w h i c h

t h e y e n c l o s e . I f G 2 i s t h e f r e e e n e r g y o f t h e e q u i l i b r i u m c o n t r o l l i n g c a l c i u m

p h o s p h a t e , t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n h o l d s :

S u b s t i t u t i o n o f e q u a t i o n s ( 1 9 ) a n d ( 2 0 ) i n ( 2 1 ) g i v e s

w h e r e K i s c o n s t a n t a s

t h e C a / P r a t i o o f t h e c a l c i u m p h o s p h a t e , A c c o r d i n g l y , when a d o u b l e l o g a r i t h m i c

p l o t o f t h e a c t i v i t i e s o f Ca(OH)* a n d H3P04 o b t a i n e d f r o m s o l u b i l i t y s t u d i e s

i s made , a s t r a i g h t l i n e i s e x p e c t e d w i t h a s l o p e c o n t a i n i n g t h e C a / P r a t i o x

o f t h e c a l c i u m p h o s p h a t e t h a t c o n t r o l s t h e s o l u b i l i t y b e h a v i o u r . I n FIG.3 t h e

p o t e n t i a l p l o t i s shown f o r t h e ( m e t a ) s t a b l e e q u i l i b r i a o f DCPD, OCP, D O H A a n d

O H A .

l o n g a s G 2 a n d x a r e c o n s t a n t a n d w h e r e x r e p r e s e n t s

R e c e n t l y , i t h a s b e e n shown [56J t h a t o x y h y d r o x y a p a t i t e s o f t h e f o r m u l a ( 1 )

d i s s o l v e i n c o n g r u e n t l y upon e q u i l i b r a t i o n w h i c h s u g g e s t s t h a t t h e i n i t i a l d i s -

s o l u t i o n i s f o l l o w e d b y r e p r e c i p i t a t i o n . T h i s i s a common b e h a v i o u r among m o s t

n o t - w e l l c o n t r o l l e d p r e p a r a t i o n s o f OHA [ 4 5 , 4 6 , 4 7 1 . On f u r t h e r o b s e r v a t i o n i t

h a s b e e n f o u n d [ 5 4 ] t h a t o x y h y d r o x y a p a t i t e s d e v e l o p m e t a s t a b l e s t a t e s w h i c h

l a s t f o r p e r i o d s o f two w e e k s a n d p r o b a b l y m o r e . In t h e s o l u b i l i t y p r o d u c t d i a -

g ram t h e y a r e a l l l o c a t e d b e t w e e n t h e l i n e s o f DCPD, OCP a n d O H A , w h e r e a s i n

t h e p o t e n t i a l p l o t t h e y show m o s t l y a Ca /P r a t i o o f 1 . 3 3 w h i c h i s t h a t o f O C P .

T h i s s u g g e s t s t h a t r e p r e c i p i t a t i o n t a k e s p l a c e i n t h e f o r m o f a t h i n l a y e r o f

m o s t l y O C P o n t o t h e a p a t i t e c r y s t a l s , w h e r e b y i t s e e m s t h a t t h e u n d e r l y i n g a p a -

t i t e s t r u c t u r e s t a b i l i z e s t h e m e t a s t a b l e s t a t e . How t h i s i s f e a s i b l e , w i l l b e

shown by a s o l i d - s t a t e c h e m i c a l m o d e l [ 5 5 ] . I n t h i s c o n t e x t i t h a s b e e n w e l l

e s t a b l i s h e d t h a t good e p i - a n d t o p o t a x y o f O C P a n d OHA a r e e x p e c t e d on t h e b a -

s i s o f t h e i r c r y s t a l s t r u c t u r e [ 5 6 ] . F l u o r h y d r o x y a p a t i t e s a p p e a r e d t o b e h a v e

- 670 -

FIG.3.: P o t e n t i a l p l o t f o r some c a l -

c i u m p h o s p h a t e s i n t h e s y s t e m

CaO-P 0 -H20 2 5

14 16 20 22 -log ( Ca"l (OH -1 2

s i m i l a r l y (571.

I n t h e l i t e r a t u r e s e v e r a l d a t a a r e f o u n d a b o u t e q u i l i b r a t i o n s o f a p a t i t e s

i n Na+ a n d l o r C O 2 - c o n t a i n i n g a q u e o u s s o l u t i o n s m o s t l y s i m u l a t i n g t h e compo-

s i t i o n o f t h e i n t e r n a l f l u i d i n t h e b o d y . C a l c u l a t i o n o f t h e i r P I O H A w a s c a r -

r i e d o u t ( 5 8 ) and t h e d a t a a p p e a r e d t o l i e w i t h i n a f i e l d s h o w n i n FIG.4 a n d

3

c a l l e d t h e e m p i r i c a l " a p a t i t e s t a b i l i t y f i e l d " .

PIOHA-- SYSTEM Ca0-P205-H20-Na20-C02-MX at C a / P = I --

P FIG.4.: S o l u b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m o f t h e i n d i c a t e d s y s t e m a t t h e g i v e n C a / P

r a t i o u n d e r v a r i o u s p a r t i a l p r e s s u r e s o f c a r b o n d i o x y d e . M X r e p r e s e n t s

s o much o f a n a c i d o r b a s e a s i s n e c e s s a r y t o t a k e c a r e o f e l e c t r o n e u -

t r a l i t y i n t h e l i q u i d .

- 671 -

The a v a i l a b l e d a t a show t h a t t h e o b s e r v e d s u p e r s a t u r a t i o n s w i t h r e s p e c t t o

O H A l a s t e d f o r p e r i o d s l o n g e r t h a n two m o n t h s . Compared t o t h e s y s t e m w i t h o u t

Na’ a n d C03’- i o n s t h e s o l u b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m o f F I G . 4 s h o w s a n e x t r a b o r -

d e r l i n e f o r t h e f o r m a t i o n o f c a l c i t e . I n t h e r a n g e a b o v e pH 7 m o s t m e a s u r e m e n t s

a r e found a r o u n d a p I O H A v a l u e o f 100. A 5 i n t h a t r a n g e C03’- i o n s h a v e a f a i r l y

l a r g e c o n c e n t r a t i o n a n d a s t h o s e i o n s a r e i n c o r p o r a t e d i n t h e a p a t i t e , t h e d a t a

s u g g e s t r e a l e q u i l i b r i u m o f t h e a q u e o u s s o l u t i o n w i t h c a r b o n a t e d a p a t i t e s

a r o u n d t h a t p I O H A v a l u e a n d i n t h a t pH r a n g e u n d e r t h e s i m u l a t e d c o n d i t i o n s o f

t h e i n t e r n a l medium o f t h e b o d y . I n t h e r a n g e b e l o w pH 7 t h e d a t a a r e c o n c e n -

t r a t e d i n a n a r r o w f i e l d n e a r t h e DCPD a n d t h e O C P b o r d e r l i n e o f t h e ” a p a t i t e

s t a b i l i t y f i e l d ” . A s i n t h a t r a n g e n e a r l y a l l C03’- i s v a n i s h e d f r o m t h e a q u e -

o u s s o l u t i o n s , t h e d a t a s u g g e s t t h a t t h e a p a t i t e i s c o v e r e d w i t h a t h i n l a y e r

o f DCPD o r 0CP w h i c h t h u s becomes t h e s o l u b i l i t y c o n t r o l l i n g p h a s e , s i m i l a r l y

a s w i t h t h e o x y h y d r o x y a p a t i t e s .

T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t t h e n [ 6 2 ] t o f i n d o u t w h a t t h e

e f f e c t o f f l u o r i d e o n t h i s a p a t i t e s t a b i l i t y f i e l d c o u l d b e , c o n s i d e r i n g t h e

f o r m a t i o n o f s o l i d CaF2 a n d t h e i n c o r p o r a t i o n o f f l u o r i d e i n t h e a p a t i t e p h a s e

1 6 0 1 . The r e s u l t s f o r low f l u o r i d e c o n c e n t r a t i o n s a r e shown i n F I G . 5 . , w h e r e

t h e o n l y e x t r a phenomenon i s t h e i n c o r p o r a t i o n o f f l u o r i d e i n t h e a p a t i t e p h a s e

a n d u l t i m a t e l y t h e f o r m a t i o n o f p u r e f l u o r a p a t i t e .

_ _ _ ~ --SYST€M Ca0-P205-H20-Na20-C02-NnF-MX a1 Pco = S 3 kPa P‘OHA 2 7

130i

I 120, J

,ioJ I

Undersattiratton I / ’

I 2 3 4 5 6 7 ___r___l

10 9

FIG.5.: S o l u b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m o f t h e i n d i c a t e d s y s t e m

a t t h e i n d i c a t e d p a r t i a l p r e s s u r e o f c a r b o n d i o x y d e

f o r v a r i o u s v a l u e s o f t h e Ca /P r a t i o a n d f o r t h e

n e g a t i v e l o g a r i t h m o f t h e f l u o r i d e a c t i v i t y pF i n

t h e l i q u i d .

A t h i g h e r f l u o r i d e c o n c e n t r a t i o n CaF2 i s f o r m e d a n d t h i s makes

b i l i t y f i e l d s h r i n k f r o m n o r m a l a t a b o u t 0 . 1 . ppm F t o n o t h i n g a t a b o u t 25 ppm

F. FIG.6 g i v e s t h e r e s u l t o f t h e c a l c u l a t i o n s f o r 5 ppm F w h i c h i s a b o u t 5 t i -

t h e a p a t i t e s t a -

- 672 -

~~ UNDERSATURATED SOLUTION----- -- , I I

I

P'OHA

I I 3 O l

'*Ol pF =3.7 110 ~ Pco, = 5.3 kPa

boundaries of the apatite stability field

Ca/P loo! __.._. 10

- 1 OCP I

F I G . 6 . : S o l u b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m o f t h e s y s t e m o f F I G . 5

a t t h e i n d i c a t e d p a r t i a l p r e s s u r e o f c a r b o n d i o -

x y d e a n d a c t i v i t y o f f l u o r i d e f o r v a r i o u s v a l u e s

o f t h e C a / P r a t i o i n t h e l i q u i d .

m e s t h e f l u o r i d e c o n c e n t r a t i o n r ecommended i n w a t e r f l u o r i d a t i o n a g a i n s t t o o t h

c a r i e s .

The m o s t r 1 i b l e e s t i m a t e f o r t h e s o l u b i l i t y p r o d u c t o f w h i t l o c k i t e WH was

o b t a i n e d i n t n i s s t u d y f r o m t h e w o r k o f Meyer a n d E a n e s [ l 3 ] . I t m e a n s t h a t t h e

p I O H A o f e q u i l i b r a t e d s o l u t i o n s c a n v a r y f r o m a b o u t 96 a t pH 5 t o a b o u t 91

pH 7 . The p r e s e n c e o f Mg2+ i o n s w h i c h a r e i n c o r p o r a t e d i n t h e W H s t r u c t u r e

s e e m s t o s t a b i l i z e WH s o m e w h a t , a s e q u i l i b r a t i o n s i n Mg c o n t a i n i n g s o l u t i o n s

[ 6 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 1 r e s u l t i n v a l u e s f o r p I O H A b e t w e e n 9 3 a n d 104 i n t h a t pH r a n g e .

T h u s Mg2+ i n c o r p o r a t i o n m a k e s t h e WE p h a s e a s s t a b l e a s OCP, DCPD o r c a r b o n a -

t e d a p a t i t e a t pH 7 . T h i s i s a v e r y i m p o r t a n t f a c t i n r e l a t i o n w i t h t h e u n d e r -

s t a n d i n g o f t h e f o r m a t i o n o f t h e c a l c i u m p h o s p h a t e s i n t h e c a l c i f i e d t i s s u e s

and o f t h e i r s u b s e q u e n t e q u i l i b r i u m w i t h t h e s u r r o u n d i n g b o d y f l u i d .

a t

2 +

3 . T H E M I N E R A L I N CALCIFIED TISSUES

One o f t h e m o s t s t r i k i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e n p u r e , w e l l c r y s t a l l i n e O H A o n

o n e s i d e a n d t h e m i n e r a l i n b o n e on t h e o t h e r s i d e i s t h e i r X-ray d i f f r a c t i o n

p a t t e r n . A s o b s e r v e d f r o m F I G . 7 t h e m i n e r a l o f t o o t h e n a m e l t a k e s a p o s i t i o n

i n b e t w e e n .

Most o f t h i s d i f f e r e n c e g o e s b a c k t o t h e d i f f e r e n c e i n p a r t i c l e s i z e . T h a t o f

t h e s y n t h e t i c O H A i n F I G . 7 was a b o u t 10 pm. The s i z e o f m o s t c r y s t a l s i n sound

human e n a m e l i s 2 6 0 x 300 x 680 1 1 6 5 l a c c o r d i n g t o e l e c t r o n m i c r o s c o p i c i n v e s -

t i g a t i o n s . F u r t h e r , t h e r e l a t i v e l y h i g h b a c k g r o u n d s c a t t e r i n g i n t h e d i f f r a c -

- 673 -

t o g r a m f o r t o o t h e n a m e l ( n o t t o b e r e a d f r o m FIG.7) s u g g e s t s t h a t n o t o n l y t h e

s m a l l o r g a n i c f r a c t i o n o f I % b u t a l s o t h e i n o r g a n i c f r a c t i o n c o n t r i b u t e s ,

1 ~ 1 ~ ~ 7 . : X - r a y d i f f r a c t i o n

p a t t e r n s o f a s y n -

t h e t i c O H A ( b o t t o m ) ,

t o o t h e n a m e l ( m i d -

d l e ) a n d b o n e m i n e -

r a l ( t o p ) b e t w e e n

2 8 = 30 a n d 55 t a -

k e n w i t h C u b r a d i a -

t i o n .

p r o b a b l y d u e t o s t r a i n o r d i s l o c a t i o n s i n t h e c r y s t a l s a n d t o t h e e v e n t u a l O C -

c u r r e n c e o f a n i n o r g a n i c a m o r p h o u s p h a s e .

Such a n a m o r p h o u s p h a s e h a s n o t b e e n o b s e r v e d i n ( e l e c t r o n ) m i c r o s c o p y o f

t o o t h e n a m e l , b u t i t h a s b e e n e s t a b l i s h e d i n b o n e b y e l e c t r o n m i c r o s c o p y

[ 6 6 , 6 7 , 6 8 ] a s w e l l a s by X- ray d i f f r a c t i o n [ 6 9 , 7 0 ] w h e r e i t a m o u n t s t o a b o u t

4 0 % o f t h e i n o r g a n i c p h a s e , The b a c k g r o u n d s c a t t e r i n g o f b o n e m i n e r a l i s a b o u t

f o u r t i m e s h i g h e r t h a n t h a t o f t o o t h e n a m e l . T h e f o r m o f t h e c r y s t a l l i n e p a r -

t i c l e s o f t h e m i n e r a l i n b o n e a n d d e n t i n e i s m o s t l y n o t n e e d l e - l i k e b u t p l a t e -

l i k e .

The s i z e o f t h e c r y s t a l l i n e p a r t i c l e s i n t h e m i n e r a l o f d e n t i n e i s a b o u t

250 8, a l o n g t h e c a x i s a c c o r d i n g t o l i n e b r o a d e n i n g m e a s u r e m e n t s i n t h e X-ray

d i f f r a c t i o n p a t t e r n (71,721. The f a c t t h a t h i g h e r o r d e r r e f l e c t i o n s r e s u l t e d

i n o t h e r v a l u e s f o r t h e s i z e o f t h e c r y s t a l s [71] s u g g e s t s t h a t t h e r e i s some

i r r e g u l a r i t y i n t h e p e r i o d i c i t y o f t h e a p a t i t i c l a t t i c e ( s t r a i n , d i s l o c a t i o n s

o r m o r e t h a n one a p a t i t e p h a s e ? ) . By e l e c t r o n m i c r o s c o p y J o h a n s e n 1731 e s t a -

b l i s h e d t h a t t h e c r y s t a l s i n d e n t i n a r e p l a t e - l i k e a n d h a v e a l e n g t h o f 500

t o 6 0 0 b , a somewha t l e s s w i d t h a n d a t h i c k n e s s o f 2 0 t o 35 1. E l e c t r o n m i c r o s c o p y shows t h a t t h e c r y s t a l l i t e s o f b o n e m i n e r a l a r e m a i n l y

p l a t e l e t s u p t o 400 d i n l e n g t h a n d w i d t h a n d a b o u t 50 f i n t h i c k n e s s

However , i n v e s t i g a t i o n s o n s i n g l e o s t e o n s 1761 h a v e shown t h a t i n a d d i t i o n

t h e r e a r e n e e d l e - l i k e c r y s t a l s w i t h a d i a m e t e r o f 40-45 a n d a l e n g t h s e v e r a l

t i m e s t h e r e p e t i t i o n u n i t o f 6 6 0 d i n t h e c o l l a g e n f i b r i l s . A c c o r d i n g t o Whee-

1 7 4 , 7 5 1 .

- 674 -

l e r a n d L e w i s [77] t h e r e i s a n i s o t r o p y i n b o t h l a t t i c e d i s t o r t i o n s a n d t h e

s i z e s o f t h e c o h e r e n t l y d i f f r a c t i n g d o m a i n s w h e r e b y t h e c o r r e s p o n d i n g p a r a -

c r y s t a l l i n e s i z e s a r e 2 2 0 : 2 0 a n d 70 ? 10 A . f l u c t u a t i o n s d e r i v e d f r o m t h e i r X- ray d i f f r a c t i o n p a t t e r n w e r e 1 . 5 a n d 2 . 9 X f o r t h e b a s a l a n d p r i s m p l a n e s r e s p e c t i v e l y .

T h e p a r a c r y s t a l l i n e mean d i s t a n c e

The a v e r a g e c o m p o s i t i o n o f c a l c i f i e d t i s s u e s i n t e r m s o f t h e c o n t e n t o f

m i n e r a l , o r g a n i c s u b s t a n c e s a n d w a t e r i s g i v e n i n T a b l e 2 .

TABLE 2 . : A v e r a g e c o m p o s i t i o n o f c a l c i f i e d t i s s u e s ( 2 b y w e i g h t )

M i n e r a l O r g a n i c compounds W a t e r

T o o t h e n a m e l 96-97 0 . 4 - 0 . 8 3 . 2 - 3 . 6

D e n t i n e -" 7 0 -" 2 0 -" I0

Bone % 50 -" 2 5 -" 25

The p o s s i b l e v a r i a t i o n s a r e g i v e n f o r t o o t h e n a m e l , t h o s e f o r d e n t i n e a n d b o n e

a r e much l a r g e r . The l a t t e r t i s s u e s a l s o c o n t a i n c o n s i d e r a b l e q u a n t i t i e s o f

o r g a n i c s u b s t a n c e s . T h e r e f o r e , t h e m i n e r a l o f t h o s e t i s s u e s m u s t b e s e p a r a t e d

f r o m t h e o r g a n i c s u b s t a n c e s b e f o r e a r e l i a b l e a n a l y s i s c a n b e made . S e v e r a l

a u t h o r s h a v e d o n e t h i s b y a s h i n g , b u t D a l l e m a g n e a n d Melon [ 7 8 ] showed t h a t

t h i s a l t e r s t h e m i n e r a l a n d t h a t t h e b e s t m e t h o d was a s p r o p o s e d o r i g i n a l l y by

G a b r i e l [ I ] who u s e d e x t r a c t i o n w i t h a b o i l i n g g l y c e r o l - p o t a s s i u m h y d r o x y d e

s o l u t i o n . The m e t h o d w a s i m p r o v e d l a t e r o n by C r o w e l l , Hodge a n d L i n e [79 ] who

r e p l a c e d g l y c e r o l w i t h e t h y l e n e g l y c o l . S t i l l r e l a t i v e l y h i g h t e m p e r a t u r e s a r e

r e a c h e d i n t h i s m e t h o d ( u p t o 2 0 0 ° C ) . T h e r e f o r e , T e r m i n e e t a l . [ 6 8 ] d e v e l o p e d

t h e m e t h o d o f h y d r a z i n e d e p r o t e i n a t i o n w h i c h c a n h e a p p l i e d a t room t e m p e r a t u r e ,

I n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s o n l y t h o s e d a t a a b o u t t h e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l

i n b o n e a n d d e n t i n e a r e c o n s i d e r e d w h i c h w e r e o b t a i n e d w i t h t h e s e m e t h o d s [ I ,

7 9 , 6 8 1 .

D a t a f o r t h e a v e r a g e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d t i s s u e s a r e

g i v e n i n T a b l e 3 .

T A B L E 3 . : A v e r a g e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l i n s p e c i m e n t s o f human c a l -

c i f i e d t i s s u e s a s f a r a s t h e m a j o r c o m p o n e n t s a r e c o n c e r n e d .

Bone D e n t i n e Enamel

C a 3 6 . 7

P 1 6 . 0

8 . 0 co 3 N a 0 . 7 7

Mg 0 . 4 6

F 0 . 0 4

C a / P 1 . 7 7

3 6 . 8

1 8 . 0

6 . 5 5

0 . 3 8

1 . 2 4

0 . 0 3

1 . 5 8

3 6 . 4

1 7 . 1

3 . 4 0

0 . 6 4

0 . 4 3

0.01

I . 6 4

T y p i c a l f o r t o o t h e n a m e l a r e a l ow C03 c o n t e n t a n d a h i g h C a / P r a t i o a n d f o r

d e n t i n e a h i g h Mg c o n t e n t a n d a low C a / P r a t i o . T h e r e i s no d o u b t t h a t t h e com-

p o n e n t s m e n t i o n e d i n T a b l e 3 a r e c o n t a i n e d i n t h e mineral and n o r simply adsor-

- 675 -

b e d . A n o t h e r m a j o r c o m p o n e n t i n t h e m i n e r a l o f d e n t i n e a n d b o n e i s c i t r a t e .

F i r m e v i d e n c e t h a t i t c a n b e i n c o r p o r a t e d i n c a l c i u m p h o s p h a t e h a s b e e n o b t a i -

ned o n l y r e c e n t l y I801 w h e r e i t w a s c l a i m e d t o b e t a k e n up i n t h e a p a t i t e

s t r u c t u r e . However , d u e t o i t s s i z e t h e c i t r a t e i o n m u s t r e p l a c e two i n s t e a d

o f one p h o s p h a t e a n d , h e n c e , t h e m o s t r e a s o n a b l e h y p o t h e s i s i s s u b s t i t u t i o n o f

t h e t r i v a l e n t c i t r a t e i o n f o r two n e i g h b o u r i n g HPO ’- i o n s ( + e i t h e r I Na i o n

o r 4 Ca v a c a n c y ) w h i c h o c c u r i n t h e OCP s t r u c t u r e a t t h e d e s i r e d d i s t a n c e [ E l l .

The c o m p o s i t i o n o f t h e s y n t h e t i c c i t r a t e c o n t a i n i n g c a l c i u m p h o s p h a t e s [801

s t r o n g l y s u p p o r t s t h i s v i e w . H o w e v e r , t h i s p o i n t n e e d s f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n .

Numerous s p e c u l a t i o n s a b o u t t h e n a t u r e o f t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d t i s s u e s

4

h a v e b e e n made . Gassmann [ 8 2 ] p r o p o s e d f o r m u l a ( 2 ) t h e r e b y e x a g g e r a t i n g t h e

C03 c o n t e n t a n d n e g l e c t i n g t h e Mg a n d Na c o n t e n t ,

f o o d s t e p s a s t h i s compound h a d t h e a p a t i t e s t r u c t u r e l i k e t h e m i n e r a l i n c a l -

c i f i e d t i s s u e s . In s e v e r a l s t u d i e s O H A w a s s u p p o s e d t o b e p r e s e n t a s CaCO

( 8 5 1 . The l a t t e r h o w e v e r , h a s n e v e r b e e n f o u n d . A m o r e a p p r o p r i a t e v i e w a c c o r -

d i n g t o w h i c h t h e i o n s Mg, Na, C o g , F a n d s e v e r a l o t h e r s m i g h t b e i n c o r p o r a t e d

f o r e i t h e r Ca o r P O 4 o r O H i n t h e s t r u c t n r e o f

s eemed t o h a v e e m e r g e d l a t e r [ 8 6 ] f r o m t h e work o f n u m e r o u s i n v e s t i g a t o r s who

showed t h a t t h e a p a t i t e l a t t i c e i s a f r i e n d l y h o s t f o r a l a r g e p a r t o f t h e

p e r i o d i c s y s t e m u n d e r v a r i o u s i n v i t r o c o n d i t i o n s .

b u t o t h e r s [E3] f o l l o w e d h i s

3

t h e m i n e r a l o f c a l c i f i e d t i s s u e s ,

T h e r e was no d o u b t a t t h a t t i m e t h a t a l l o f t h e m i n e r a l i n c a l c i f i e d t i s -

s u e s was o f a n a p a t i t i c n a t u r e . I n 1 9 4 2 two g r o u p s r e j e c t e d O H A a s t h e b a s i c

a p a t i t i c compound o f t h e m i n e r a l a n d p r o p o s e d i n d e p e n d e n t l y D O H A . They a s c r i -

b e d t o i t t h e f o r m u l a g i v e n i n T a b l e 1 w i t h m o r e o r l e s s w a t e r ( 8 7 , 1 0 1 . N o t

o n l y h a d t h i s compound t h e a p a t i t i c s t r u c t u r e , h u t i t r e s e m b l e d a l s o some c h e -

m i c a l a n d t h e r m a l p r o p e r t i e s o f t h e m i n e r a l i n d e n t i n e a n d b o n e [ 8 8 ] . The m i n e -

r a l i n t o o t h e n a m e l b e h a v e s somewha t d i f f e r e n t l y a n d may c o n s i s t o f o n l y 3 0 %

D O H A a n d a b o u t 6 0 % c a r b o n a t o a p a t i t e [891 a c c o r d i n g t o i t s c h e m i c a l a n d p h y s i -

c a l p r o p e r t i e s .

S e v e r a l o t h e r v i e w s o n t h e n a t u r e o f t h e m i n e r a l i n h o n e h a v e b e e n p r e s e n t e d

s i n c e . I t c o u l d h e a p a t i t e c o v e r e d by a l a y e r o f OCP o r a s a n d w i c h s t r u c t u r e

o f t h e s e two c a l c i u m p h o s p h a t e s [ go ] a n d t h i s m i g h t e x p l a i n t h e v a r i a b i l i t y o f

i t s c o m p o s i t i o n [ 9 l ] . However , t h i s v i e w n e g l e c t s t h e h i g h C03 c o n t e n t a n d t h e

h i g h C a l P r a t i o o f t h e m i n e r a l . T h e r e f o r e , Hayek [92 ] p r o p o s e d t h a t i t w a s

e s s e n t i a l l y O C P h u t h a v i n g v a r i o u s d e g r e e s o f s u b s t i t u t i o n o f HPO ’- by C 0 3 ’ -

i o n s . On t h e b a s i s o f e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e E a n e s , T e r m i n e a n d P o s n e r [ 9 3 ] h e l d

t h a t b o n e m i n e r a l c o n s i s t s o f a t l e a s t two p h a s e s , i . e . a n a p a t i t i c c r y s t a l l i n e

p h a s e a n d a n a m o r p h o u s c a l c i u m p h o s p h a t e . A g a i n t h i s p r o p o s a l d i d n o t a c c o u n t

f o r t h e h i g h C03 c o n t e n t a n d t h e h i g h Ca /P r a t i o . I n t h i s c o n t e x t M o n t e 1 (941

c a l l e d a t t e n t i o n f o r t h e e x i s t e n c e o f c a r b o n a t e d a p a t i t e s [ 2 5 1 w h i c h c o u l d t a k e

c a r e o f t h i s a s p e c t .

4

I n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s a m o r e c o m p l e t e a n d q u a n t i t a t i v e m o d e l f o r t h e

c o m p o s i t i o n a n d s t r u c t u r e o f t h e m i n e r a l i n t o o t h e n a m e l , d e n t i n e a n d b o n e , i s

d e s c r i b e d , w h i c h i s p u b l i s h e d e l s e w h e r e [ 9 5 , 9 6 1 . T h i s i s b a s e d on t h e l a t e s t

i n f o r m a t i o n a b o u t t h e i n c o r p o r a t i o n o f C03 , Na a n d Mg i n c a l c i u m p h o s p h a t e s a s

p r e s e n t e d i n S e c t . 2 . 2 . I t i s i n t e n d e d t o g i v e f u l l a c c o u n t o f t h e known d a t a

a b o u t t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l i n t h o s e t i s s u e s a n d o f v a r i a -

t i o n s t h e r e i n . I t e n a b l e s t o e s t i m a t e t h e b e h a v i o u r o f t h e m i n e r a l u n d e r p h y -

- 676 -

s i o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d i t s e v e n t u a l c h a n g e u n d e r p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s .

4 . T O O T H E N A M E L MINERAL

4 . 1 . P r o b a b l e p h a s e c o m p o s i t i o n .

In S e c t . 2 . 2 . i t w a s f o u n d t h a t t h e m a i n i m p u r i t y i o n s G O 3 , Na a n d Mg h a v e

a s t r o n g p r e f e r e n c e f o r i n c o r p o r a t i o n i n o n l y o n e c a l c i u m p h o s p h a t e i . e . Mg i n

WH a n d C03 a l o n e o r i n c o m b i n a t i o n w i t h Na i n OHh. F o r p h y s i c o c h e m i c a l r e a s o n s

g i v e n e l s e w h e r e 1 9 5 , 9 6 1 i t i s l i k e l y t h a t t h e r e l e v a n t c a l c i u m p h o s p h a t e s o c c u r

i n t h e f o r m o f o r v e r y c l o s e t o e x t r e i l e c o m p o s i t i o n s , e . g . Mg o c c u r s a s magne-

s i u m w h i t l o c k i t e ( 1 4 ) . As t h e Na c o n t a i n i n g c a l c i u m p h o s p h a t e c o m p o n e n t o f t h e

m i n e r a l b o t h f o r m u l a s ( 8 ) a n d ( 1 0 ) come i n t o c o n s i d e r a t i o n . P r e f e r e n c e i s g i v e n

h e r e t o f o r m u l a ( 8 ) .

Not many s a m p l e s o f t o o t h e n a m e l h a v e b e e n a n s l y z e d f o r Ca , P O 4 , Na a s w e l l

a s Mg c o n t e n t . I f t h e Mg c o n t e n t i s t a k e n t o b e a m e a s u r e f o r t h e c o n t e n t o f

magnes ium w h i t l o c k i t e a n d t h e Na c o n t e n t f o r t h a t o f t h e Na-and-C03 containing

a p a t i t e (a), o n e c a n c a l c u l a t e t h e C a / P r a t i o o f a n e v e n t u a l “ r e s t c o m p o n e n t “

of t o o t h e n a m e l m i n e r a l . The r e s u l t s o f t h i s c a l c u l a t i o n f o r t h e a v a i l a b l e l i -

t e r a t u r e d a t a [ 1 , 9 7 , 9 8 , 9 9 , 1 0 0 , 1 0 1 ] i s g i v e n i n T a b l e 4 . I f , i n a d d i t i o n , t h e

C o g c o n t e n t i s t a k e n i n t o a c c o u n t , o n e comes t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e “ r e s t

componen t ‘ ’ i n t o o t h e n a m e l i s a s l i e h t l y c a r b o n a t e d O H A . I t m i g h t a l s o c o n t a i n

some c h l o r i d e a n d p r o b a b l y h a s t h e f o r m u l a [ 9 6 ] :

TAB1,E 4 . : C a / P m o l a r r a t i o c a l c u l a t e d f o r t h e “ r e s t c o m p o n e n t “ i n t h e m i n e r a l

o f t o o t h e n a m e l o n t h e b a s i s o f l i t e r a t u r e d a t a f o r t h e c o n t e n t s o f

C a , PO4, Na a n d Ng.

R e f e r e n c e Enamel C a / P

G A B R I E L [ I ]

L O G A N [ 9 7 ]

K L E M E N T 1981

ZIPKIN [99]

VATASSERY e . a . [loo]

D E R I S E e . a . [ l o l l

b o v i n e

human

human

c a n i n e

c a n i n e

b o v i n e

human

human

human

b o v i n e

human

human

human

human

1 . 6 8 3

1 . 6 5 2

I . 6 8 2

1 . 5 1 4

I . 7 2 9

I . a 4 2

I .6O9

1 . 7 1 4

1 . 7 7 1

1 . 6 7 0

I . 4 1 4

1 . 6 6 4

1 . 6 3 3

1 . 6 8 7

A v e r a g e 1 . 6 6 2 2 0 . 0 2 8

- 671 -

Such compounds a r e f o r m e d when OHA i s s y n t h e s i z e d w i t h o u t e x c l u s i o n o f c a r b o n

d i o x y d e [ 5 2 , 1 0 2 , 1 0 3 ] . On t h e a v e r a g e t h e m i n e r a l o f t o o t h e n a m e l m i g h t c o n t a i n

5 t o I0 % o f m a g n e s i u m w h i t l o c k i t e ( 1 4 ) . a b o u t 3 0 % o f Na-and-CO - c o n t a i n i n g

a p a t i t e ( 8 ) a n d t h e r e s t may b e t h e compound o f f o r m u l a ( 2 3 ) . 3

T h i s a n a l y s i s i s i n a c c o r d a n c e w i t h t h e f a c t t h a t a b o u t 2 5 % o f t h e OH p o s i -

t i o n s i n t h e a p a t i t e ( s ) o f t o o t h e n a m e l a r e v a c a n t [ 1 0 4 ] . I t i s a l s o i n f u l l

a g r e e m e n t w i t h t h e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n o f t h e C03 p e a k s

s p e c t r u m [ 9 6 ] , F u r t h e r , i t d o e s n o t d i s a n r e e w i t h t h e e s t i m a t e o f t h e HPO 2 -

c o n t e n t o f t o o t h e n a m e l m i n e r a l [ I 0 5 1 f r o m t h e a c c o r d i n g I R p e a k s .

i n t h e I R a d s o r p t i o n

4

W h e t h e r t h e a p a t i t e s o f f o r m u l a s ( 8 ) a n d ( 2 3 ) o c c u r a s a s o l i d s o l u t i o n w i t h

v a r i a b l e c o m p o s i t i o n i n t o o t h e n a m e l , i s n o t known. S c h a e k e n [ l o b ] h a s p r e s e n -

t e d e v i d e n c e t h a t a p o l y c r y s t a l l i n e m i x t u r e o f s u c h a p a t i t e s c a n n o t b e d i s t i n -

g h u i s e d f rom a s i n g l e p o l y c r y s t a l l i n e s o l i d s o l u t i o n . F o r t h e r m o d y n a m i c r e a s o n s ,

h o w e v e r , t h e o c c u r r e n c e o f two d i s t i n c t a p a t i t e s m u s t b e p r e f e r r e d , a s e a c h

a p a t i t e s o l i d s o l u t i o n i n c o n t a c t w i t h a n a q u e o u s s o l u t i o n t e n d s t o s h i f t i n

t h e d i r e c t i o n o f a n e x t r e m e c o m p o s i t i o n .

F i n a l l y , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e e x t r e m e d i f f i c u l t y i n e s t a b l i s h i n g t h e

a m o r p h o u s p h a s e w h i c h a m o u n t s t o 4 0 X i n b o n e m i n e r a l [681 a n d c o n s i d e r i n g t h e

f a c t t h a t t h i s i s p r o b a b l y t h e m a g n e s i u m w h i t l o c k i t e ( s e e S e c t . 2 . 2 . ) , i t i s n o t

s u r p r i s i n g t h a t t h e p o s s i b l e o c c u r r e n c e o f l e s s t h a n 1 0 % o f s u c h a n a m o r p h o u s

p h a s e i n t o o t h e n a m e l h a s n o t b e e n n o t i c e d y e t .

4 . 2 . S o l u b i l i t y b e h a v i o u r a n d p h y s i o l o g i c a l e q u i l i b r i u m .

The s o l u b i l i t y b e h a v i o u r o f e s p e c i a l l y human t o o t h e n a m e l h a s b e e n t h e s u b -

j e c t o f many e l a b o r a t e s t u d i e s [ 1 0 7 - 1 1 2 ] . An a n a l y s i s o n t h e b a s i s o f a s o l u -

b i l i t y p r o d u c t d i a g r a m [ I 0 3 1 h a s shown t h a t t h e s o l u b i l i t y o f t o o t h e n a m e l i s

t h e same a s t h a t o f c a r b o n a t e d a p a t i t e s a n d m a g n e s i u m w h i t l o c k i t e ( S e c t . 2 . 3 . ) .

A t pH 7 t h e p I O H A r e a c h e s t h e same v a l u e s a s t h o s e f o u n d i n s a l i v a [ l l 4 ] . T h i s

shows t h a t t o o t h e n a m e l m i n e r a l i s i n p e r f e c t p h y s i c o c h e m i c a l e q u i l i b r i u m w i t h

s a l i v a u n d e r n o r m a l p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n s a s t h e pH o f n o r m a l s a l i v a v a r i e s

somewha t a r o u n d 7 . A l s o a n a n a l y s i s o n t h e b a s i s o f a p o t e n t i a l p l o t w a s made

i n o r d e r t o g a i n i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s o l u b i l i t y c o n t r o l l i n g p h a s e [ l l 3 ] . The

d a t a r e f e r t o t h e r a n g e 3 . 8 < p H < 8 . 8 . The a p p a r e n t C a / P r a t i o s o f t h e s o l u b i -

l i t y c o n t r o l l i n g p h a s e w h i c h w e r e d e r i v e d f r o m e q u a t i o n ( 2 2 ) , w e r e c o m b i n e d

i n t o a h i s t o g r a m . T h i s showed p e a k s a t C a l P = 0 . 9 6 0 . 0 4 a n d a t C a / P = 1 . 4 2

- + 0 . 0 8 . The f i r s t number r e f e r s a p p a r e n t l y t o a b r u s h i t e - l i k e p h a s e , t h e s e c o n d

m o s t p r o b a b l y t o WH a n d may b e t o OCP o r D O H A . A l t h o u g h a c c o r d i n g t o S e c t . 4 . 1 .

WH may o c c u r i n t o o t h e n a m e l m i n e r a l , DCPD, OCP a n d D O H A do n o t . T h a t t h e y ,

n e v e r t h e l e s s , c a n o c c u r - p r o b a b l y i n t h e l o w e r pH r a n g e - a s s o l u b i l i t y c o n -

t r o l l i n g p h a s e s , m u s t b e a t t r i b u t e d t o i n c o n g r u e n t d i s s o l u t i o n w h e r e b y r e p r e -

c i p i t a t i o n o c c u r s o f a t h i n l a y e r o f t h e s e p h a s e s o n t h e o r i g i n a l a p a t i t e p a r -

t i c l e s , a phenomenon o b s e r v e d f o r s e v e r a l s y n t h e t i c a p a t i t e s a n d d e s c r i b e d i n

S e c t . 2 . 3 . T h e s o l u b i l i t y d a t a d e s c r i b e d i n t h a t s e c t i o n s u g g e s t t h a t t h e r a t e

o f d i s s o l u t i o n o f t h e c o m p o n e n t s o f t o o t h e n a m e l m i n e r a l i n a c i d a r e a s f o l l o w s :

Mg w h i t l o c k i t e = Na-and-CO c o n t a i n i n g a p a t i t e % s l i g h t l y c a r b o n a t e d OHA ( 2 4 ) 3

- 678 -

4 . 3 . C h a n g e s d u r i n g c a r i e s a n d r e m i n e r a l i z a t i o n . T h e e f f e c t o f f l u o r i d e .

By t h e a c c u m u l a t i o n o f b a c t e r i a l p l a q u e o n t h e t o o t h s u r f a c e c a r b o h y d r a t e s

a r e c o n v e r t e d t h e r e a f t e r e v e r y i n t a k e i n t o a c i d s , m a i n l y a c e t i c a c i d . T h i s

b u r s t o f a c i d f o r m a t i o n l a s t s f o r a b o u t 2 0 m i n u t e s a n d d u r i n g t h a t t i m e t h e

pH o f t h e p l a q u e c a n g o down t o pH 4 . A f t e r w a r d s i t g o e s up t o n e a r l y n e u t r a l

a g a i n a n d s t a y s s o f o r t h e l o n g p e r i o d s o f m e t a b o l i c r e s t .

D u r i n g t h e p e r i o d o f a c i d f o r m a t i o n a c i d s p e n e t r a t e i n t o t h e p o r o u s s t r u c -

t u r e o f t o o t h e n a m e l up t o a c e r t a i n d e p t h [ I151 a n d r e a c t w i t h t h e m i n e r a l

[ 1 1 4 ] . D u r i n g t h i s r e a c t i o n Mg, Na a n d C03 v a n i s h p r e f e r e n t i a l l y [ 1 1 6 , 1 1 7 ] b y

d i s s o l u t i o n a n d s u b s e q u e n t d i f f u s i o n t o t h e p l a q u e , w h i c h t h e n c a n e x c h a n g e

t h e s e i o n s w i t h s a l i v a . T h i s i s i n a c c o r d a n c e w i t h r e l a t i o n ( 2 4 ) .

An HP042- c o n t a i n i n g m i n e r a l i s f o r m e d i n t h e l e s i o n somewha t u n d e r t h e

s u r f a c e o f t o o t h e n a m e l [ I O S ] . T h i s m i n e r a l i s p r o b a b l y b r u s h i t e o r m o n e t i t e

w i t h C a / P = l a c c o r d i n g t o S e c t . 4 . 2 . a n d i n f a c t s u c h p r e c i p i t a t i o n s h a v e b e e n

f o u n d r e c e n t l y w i t h X- ray d i f f r a c t i o n 1 1 1 8 1 . The l e s i o n i s c o v e r e d w i t h a t h i n ,

n e a r l y i n t a c t s u p e r f i c i a l l a y e r o f t o o t h e n a m e l . R e a s o n s f o r t h i s i n t a c t n e s s

a r e f o u n d b o t h i n t h e f o r m o f t h e p I O H A - pH v a r i a t i o n s a s a f u n c t i o n o f d e p t h

i n t h e t o o t h e n a m e l u n d e r a c i d i c a t t a c k [ I141 a n d i n t h e f a c t t h a t i n t h e s u r -

f a c e l a y e r o f t o o t h e n a m e l t h e l e a s t s o l u b l e , s l i g h t l y c a r b o n a t e d O H A p r e d o -

m i n a t e s [ I 191 . D u r i n g p e r i o d s o f m e t a b o l i c r e s t t h e l e s i o n c a n r e m i n e r a l i z e . T h e r e b y , t h e

m a i n r e a c t i o n i s t h a t o f DCPD b a c k i n t o a p a t i t e . I t i s known t h a t f l u o r i d e a c -

c e l a r a t e s t h i s r e a c t i o n c o n s i d e r a b l y , w h i c h i s n e c e s s a r y , a s a r o u n d pH 7 t h e

d r i v i n g f o r c e f o r t h i s r e a c t i o n i n t h e o r a l e n v i r o n m e n t i s n o t l a r g e . The m a i n

e f f e c t o f f l u o r i d e s e e m s t o b e a n i n c r e a s e o f t h a t d r i v i n g f o r c e . T h i s may b e

t h e m a i n c o n t r i b u t i o n t o t h e a n t i c a r i o g e n i c e f f e c t o f f l u o r i d e 1 5 9 1 . The m i n e -

r a l f o r m e d a f t e r r e m i n e r a l i z a t i o n o f a l e s i o n s e e m s t o b e m o r e s t a b l e t h a n t h e

o r i g i n a l t o o t h e n a m e l m i n e r a l [ 1 2 0 ] .

5. D E N T I N E A N D B O N E M I N E R A L .

5 . I . P r o b a b l e p h a s e c o m p o s i t i o n .

S a m p l e s o f d e n t i n e w h i c h h a v e b e e n a n a l y z e d f o r b o t h Ca, P , Na a n d Mg a r e

r a r e . A g a i n t h e !Ig c o n t e n t i s t a k e n t o b e a m e a s u r e f o r t h e c o n t e n t o f m a g n e -

s i u m w h i t l o c k i t e ( 1 4 ) a n d t h e Na c o n t e n t f o r t h a t o f t h e Na-and-C03 c o n t a i n i n g

a p a t i t e ( 8 ) . C a l c u l a t i o n o f t h e C a / P r a t i o o f t h e r e s t c o m p o n e n t o f d e n t i n e

m i n e r a l ( s e e T a b l e 5 ) t h e C 0 3 c o n t e n t

i s t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n , i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e " r e s t c o m p o n e n t " h a s t h e

f o r m u l a ( 4 ) , a compound s y n t h e s i z e d f i r s t b y L a b a r t h e e t a l . ( 2 5 1 .

r e s u l t s i n t h e v a l u e 2 . I f , i n a d d i t i o n ,

W i t h r e s p e c t t o T a b l e s 4 a n d 5 i t m u s t be n o t e d t h a t t h e e r r o r s i n t h e f o u r

d e t e r m i n a t i o n s o f C a , P , Na a n d Mg p r o p a g a t e i n t h e t h e o r e t i c a l v a l u e s f o r C a / P

r a t i o a n d C03 c o n t e n t o f t h e " r e s t - c o m p o n e n t " . I n c o n j u n c t i o n w i t h t h e f a c t s

t h a t t h e a v e r a g e Ca /P r a t i o s a r e v e r y c l o s e t o s t o i c h i o m e t r i e s l i k e t h o s e o f

f o r m u l a ( 4 ) and ( 2 3 ) a n d t h a t a l s o t h e C03 c o n t e n t i s i n p e r f e c t a g r e e m e n t w i t h

t h o s e compounds w h i c h a r e known f r o m i n v i t r o s y n t h e s i s , i t i s v e r y l i k e l y t h a t

t h e v a r i a t i o n s i n t h e c a l c u l a t e d v a l u e s o f t h e t a b l e s h a r d l y r e f l e c t b i o l o g i c a l

- 679 -

TABLE 5 . : C a / P m o l a r r a t i o c a l c u l a t e d f o r t h e " r e s t c o m p o n e n t " i n t h e m i n e r a l

o f d e n t i n e o n t h e b a s i s o f l i t e r a t u r e d a t a f o r t h e c o n t e n t s o f C a ,

PO4. Na a n d Mg.

R e f e r e n c e D e n t i n e C a / P

G A B R I E L [ I ] b o v i n e 2 . 3 0 0

L O G A N 1971 human 2 . 1 1 6

human 2 . 1 3 2

c a n i n e 1 . 6 7 7

ZIPKIN [99] human 2 . 0 8 0

human 2 , 0 9 5

human 1 . 8 3 1

D E R I S E e . a . [ I011 human 1 . 6 4 3

human 2 . 0 3 2

human I . 9 2 6

human I . a 2 7 -

A v e r a g e 1 . 9 6 9 2 0 . 0 6 2

v a r i a t i o n s . They may b e r a t h e r due t o t h e e r r o r s i n t h e a n a l y t i c a l p r o c e d u r e s .

T h i s c o n c l u s i o n i s j u s t i f i e d i f i t c a n b e a s s u m e d t h a t t h e r e l a t i v e e r r o r s i n

t h e d e t e r m i n a t i o n s of Na a n d Mg i n a l l s t u d i e s h a v e b e e n a b o u t 1 0 % a s was i n -

d i c a t e d b y V a t a s s e r y e t a l . [ l o o ] . S i m i l a r l y , more t h a n 100 b o n e s a m p l e s w e r e f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e w h i c h

w e r e a n a l y z e d f o r Ca , P , Na a n d Mg. The " r e s t c o m p o n e n t " was f o u n d t o b e i d e n -

t i c a l w i t h t h a t o f d e n t i n e m i n e r a l . The f a c t t h a t t h e p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e

m i n e r a l i n d e n t i n e a n d b o n e a r e q u a l i t a t i v e l y e q u a l i s n o t s o s u r p r i s i n g a s

b o t h t i s s u e s a r c o f e n d o d e r m a l o r i g i n . I n q u a n t i t y t h e amoun t o f m a g n e s i u m

w h i t l o c k i t e ( 1 4 1 , o f Na-and-C03 c o n t a i n i n g a p a t i t e ( 8 ) a n d o f h e a v i l y c a r b o n a -

t e d h y d r o x y a p a t i t e ( 4 ) a r e i n d e n t i n e a b o u t 5 0 , 2 0 a n d 30 r e s p e c t i v e l y a n d i n

b o n e a b o u t 2 0 , 15 a n d 6 5 % r e s p e c t i v e l y . T h i s l a r g e d i f f e r e n c e i s t h e r e a s o n

why t h e C a / P r a t i o o f d e n t i n e i s s o low a n d t h a t o f b o n e i s s o h i g h .

5 . 2 . S o l u b i l i t y b e h a v i o u r a n d t h e r o l e o f t h e m i n e r a l i n s e r u m c a l c i u m homeo-

s t a t i s .

A number o f p a p e r s c o n c e r n s t h e s o l u b i l i t y o f b o n e m i n e r a l . U n f o r t u n a t e l y ,

a few s t u d i e s w e r e c a r r i e d o u t i n v e r y n a r r o w pH r a n g e s s o t h a t n o p o t e n t i a l

p l o t s c o u l d b e c o n s t r u c t e d [ 1 2 1 , 1 2 2 ] . F o r t h e d a t a m e n t i o n e d in T a b l e 6 t h i s

was d o n e .

T A B L E 6 . : Ca/P r a t i o s o f c a l c i u m p h o s p h a t e s c o n t r o l l i n g t h e s o l u b i l i t y o f b o -

n e m i n e r a l a s d e r i v e d f r o m c h e m i c a l p o t e n t i a l d i a g r a m s .

Bone R e f e r e n c e C a / P PH

human s u r v i v i n g B a s s e t t e t a l . [ I231 0 . 8 0 + 0 . 2 8 6 . 8 - 7 . 8

c a l f N o r d i n , [ I241 1 . 3 5 + 0 . 0 9 6 . 2 - 7 . 8

c h i l d M c G r e g o r , [ I 2 5 1 1 , 3 5 2 0 . 0 8 6 . 6 - 7 . 4

a d u l t McGregor e t a l . [ I261 1 . 6 2 + 0 . 0 8 6 . 6 - 7 . 4

r a t McGregor [ 1251 1 . 2 3 2 0 . 0 9 6 . 6 - 7 . 4

-

- 680 -

The d a t a o b t a i n e d o v e r human s u r v i v i n g b o n e i n a n i n v i t r o s y s t e m [ I 2 3 1 i n d i c a -

t e t h a t DCPD c o n t r o l s t h e s o l u b i l i t y . Dead c a l f b o n e , r a t b o n e a n d c h i l d b o n e

r e a c t e d a s i f OCP o r w h i t l o c k i t e c o n t r o l l e d t h e s o l u b i l i t y , H o w e v e r , d e a d a d u l t

b o n e showed a C a / P r a t i o f o r t h e s o l u b i l i t y c o n t r o l l i n g p h a s e w h i c h may c o n f o r m

e i t h e r t o D O H A O K t o O H A . A d d i t i o n a l e x p e r i m e n t s a r e n e e d e d o v e r a w i d e r pH

r a n g e t o g e t a b e t t e r i m p r e s s i o n o f t h e s o l u b i l i t y b e h a v i o u r o f b o n e m i n e r a l .

One t h i n g i s c l e a r , h o w e v e r : t h e s o l u b i l i t y o f b o n e m i n e r a l l i k e t h a t o f t o o t h

e n a m e l h a s m o r e r e s e m b l a n c e a r o u n d pH 7 t o t h a t o f DCPD, D O H A a n d OCP t h a n t o

t h a t o f O H A .

Which o f t h e s e p h a s e s i s t h e s o l u b i l i t y c o n t r o l l i n g p h a s e u n d e r i n v i v o c o n -

d i t i o n s i s n o t c l e a r a t t h e moment . M a c c r e g o r [ I 2 5 1 p o i n t s o u t t h a t i t i s p r o -

b a b l y D C P D . H o w e v e r , t h e q u e s t i o n i s i m m a t e r i a l f o r t h e p h y s i o l o g y o f b o n e b e -

c a u s e t h e pH o f b o n e l i q u i d i n v i v o i s p r o b a b l y c l o s e t o 7 [ 1 2 5 , 1 5 5 ] a n d a t

t h a t pH t h e s o l u b i l i t i e s o f D C P D , OCP a n d a l s o D O H A a r e p r a c t i c a l l y t h e s a m e

( s e e S e c t , 2 . 3 . ) . P r o b a b l y t h e s o l u b i l i t i e s o f m a g n e s i u m w h i t l o c k i t e , t h e N a -

and -C03 c o n t a i n i n g a p a t i t e a n d t h e h e a v i l y c a r b o n a t e d h y d r o x y a p a t i t e a r e a l s o

o n t h e same l e v e l . As t h e p I O H A o f s e r u m i s c l o s e t o 100

p r a c t i c a l l y i n e q u i l i b r i u m w i t h t h e m i n e r a l i n b o n e a n d d e n t i n e . T h i s s t a t e o f

e q u i l i b r i u m s u g g e s t s p a r t i c i p a t i o n o f t h i s m i n e r a l i n t h e s e r u m c a l c i u m homeo-

s t a s i s .

[ 1 2 7 1 , t h e s e r u m i s

5 . 3 , R e l a t i o n w i t h t h e o r g a n i c m a t r i x a n d t h e w a t e r c o n t e n t . A g e i n g .

S e v e r a l d a t a m e n t i o n e d i n t h e l i t e r a t u r e s u g g e s t c e r t a i n c o r r e l a t i o n s b e -

t w e e n t h e c o m p o s i t i o n o f t h e a q u e o u s - o r g a n i c g e l a n d t h e m i n e r a l o f b o n e . Nume-

r o u s c o m p o s i t i o n a l c h a n g e s o c c u r i n t h e e p i p h y s i s d u r i n g e n d o c h o n d r a l c a l c i f i -

c a t i o n [ I 2 8 1 w i t h i n o n e s p e c i e s . B i l t z a n d P e l l e g r i n o [ I 2 9 1 d e t e r m i n e d t h e wa-

t e r c o n t e n t , t h e m i n e r a l c o n t e n t a n d t h e a m o u n t o f o r g a n i c s u b s t a n c e i n t h e f e -

mora o f s i x t e e n a d u l t v e r t e b r a t e s . I n a d d i t i o n , t h e y d e t e r m i n e d t h e l a c t a t e

c o n t e n t , t h e c i t r a t e c o n t e n t , t h e h e x o s a m i n e c o n t e n t ( w h i c h i s a m e a s u r e f o r

t h e a m o u n t o f m u c o p o l y s a c h a r i d e s ) a n d t h e O H - p r o l i n e c o n t e n t ( w h i c h i s a m e a s u r e

f o r t h e c o l l a g e n c o n t e n t ) . Some c o r r e l a t i o n s a r e shown i n T a b l e 7 .

TABLE 7 . : Some c o r r e l a t i o n s b e t w e e n c o m p o s i t i o n a l p a r a m e t e r s o f w e t b o n e ,

a s d e t e r m i n e d b y B i l t z a n d P e l l e g r i n o [ I 2 9 1 (N=16) -

X Y z 7 b K P

% h e x o s a m i n e % H20 0 . 1 4 2 7 . 0 1 3 4 0 . 4 7 0 0 . 0 4

% O H - p r o l i n e % H 2 0 2 . 6 0 2 7 . 0 - 0 . 2 2 8 - 0 . 4 3 3 0 . 0 7

% o r g a n i c - % H20 3 8 . 8 2 7 . 0 - 0 . 2 3 > 0 . 1 0

s u b s t a n c e

% m i n e r a l % H20 3 8 . 2 2 7 . 0 - 0 . 8 3 < 0 . 0 0 0 5

% o r g a n i c - % m i n e - 3 8 . 8 3 8 . 2 -0 . I I > 0.10

s u b s t a n c e r a l

% c i t r a t e % H20 1 . 6 1 2 7 . 0 - 0 . 1 6 6 - 0 . 0 2 > 0 . 1 0

% l a c t a t e % H 2 0 0 . 170 2 7 . 0 2 6 . 8 0 . 1 2 < 0 .0005

% c i t r a t e % m i n e - 1 . 6 1 3 8 . 2 - 0 . 4 5 3 - 0 . 0 7 > 0.10

r a 1

% l a c t a t e % m i n e - 0 . 1 7 0 1 8 . 2 - 1 6 . 3 - 0 . 6 2 3 0 . 0 0 5

r a 1

- 681 -

= number o f i n d e p e n d e n t d a t a

a n d y t h e q u a n t i t i e s c o n c e r n e d

and t h e i r mean v a l u e s

t h e s l o p e o f t h e r e l a t i o n b e t w e e n x a n d y a c c o r d i n g t o y . = 7 + b ( x . - 2 )

t h e c o e f f i c i e n t o f c o r r e l a t i o n b e t w e e n x a n d y

t h e l e v e l o f s i g n i f i c a n c e a c c o r d i n g t o S t u d e n t ' s t - t e s t

I t i s o b s e r v e d t h a t t h e c o n t e n t o f o r g a n i c s u b s t a n c e a n d o f w a t e r a r e n o t c o r -

r e l a t e d , b u t t h e r e i s a p o s i t i v e c o r r e l a t i o n b e t w e e n w a t e r c o n t e n t a n d c o l l a g e n

c o n t e n t a s w e l l a s b e t w e e n w a t e r a n d m i n e r a l c o n t e n t . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e

d e n s i t y a n d r i g i d i t y o f b o n e a r e d e t e r m i n e d b y t h e b a l a n c e b e t w e e n m u c c o p o l y s a -

c h a r i d e s a n d c o l l a g e n . T h i s b a l a n c e m i g h t p l a y a r o l e i n a g i n g ( 1 3 0 1 . F u r t h e r ,

t h e l a c t a t e c o n t e n t i s c o r r e l a t e d p o s i t i v e l y w i t h t h e w a t e r c o n t e n t a n d n e g a -

t i v e l y w i t h t h e m i n e r a l c o n t e n t i n d i c a t i n g t h a t l a c t a t e i s c o n t a i n e d i n t h e

a q u e o u s p h a s e o f t h e g e l m a t r i x o f b o n e a n d n o t a d s o r b e d o n t o t h e m i n e r a l p a r -

t i c l e s .

C o r r e l a t i o n s a r e a l s o c a l c u l a t e d b e t w e e n c o m p o s i t i o n a l p a r a m e t e r s o f d r y

b o n e a s d e t e r m i n e d by B i l t z a n d P e l l e g r i n o [ 1 2 9 ] . T h e s e a r e g i v e n i n T a b l e 8 .

T A B L E 8 . : Some c o r r e l a t i o n s b e t w e e n c o m p o s i t i o n a l p a r a m e t e r s o f d r y b o n e a s

d e t e r m i n e d b y B i l t z a n d P e l l e g r i n o 11291 ( N = 1 6 ) . -

X Y r P

% c i t r a t e X l a c t a t e - 0 . 8 0 < 0 . 0 0 0 5

% c i t r a t e % O H - p r o l i n e 0 . 6 0 0 . 0 0 2

% l a c t a t e % h e x o s a m i n e 0 . 5 0 0 . 0 1 3

% O H - p r o l i n e % P - 0 . 4 5 0 . 0 2 5

% Mg - 0 . 5 3 0 .008

% Na 0 . 7 6 < 0.0005

-

% c o 3 0 . 6 1 0 .002

% h e x o s a m i n e % P 0.51 0 .01

% Mg 0 . 4 6 0 . 0 2 5

% Na - 0 . 7 2 < 0.005

% c o g - 0 . 7 8 < 0 . 0 0 5

F o r t h e m e a n i n g o f s y m b o l s s e e T a b l e 7 .

T h e s e d a t a s u g g e s t t h a t c o l l a g e n i n d u c e s t h e f o r m a t i o n o f t h e a p a t i t i c p h a s e s

i n b o n e m i n e r a l , w h e r e a s m u c o p o l y s a c h a r i d e s i n d u c e t h e f o r m a t i o n o f m a g n e s i u m

w h i t l o c k i t e . T h e s e b i o p o l y m e r s may a l s o s t a b i l i z e t h e a c c o r d i n g m i n e r a l p h a s e s

by d i m i n i s h i n g t h e i n t e r f a c e e n e r g y . A p p a r e n t l y , c i t r a t e i s b o u n d t o o n e o r

b o t h o f t h e a p a t i t e p h a s e s o r t o a n (OCP) p h a s e w h i c h o c c u r s t o p o t a c t i c a l l y

w i t h o n e o r b o t h a p a t i t e s .

I t i s known t h a t t h e t u r n - o v e r o f m u c o p o l y s a c h a r i d e s i s v e r y h i g h i n compa-

r i s o n t o t h a t o f c o l l a g e n . F u r t h e r , i t i s e x p e c t e d t h a t i n g e n e r a l c e l l u l a r

a c t i v i t y d e c r e a s e s w i t h a g e . Where t h i s a p p l i e s t o ~ s t e o c y t e s , t h e r e w i l l b e a

d e c r e a s e i n t h e r a t i o b e t w e e n m u c o p o l y s a c h a r i d e s a n d c o l l a g e n i n b o n e w i t h a g e .

- 682 -

A c c o r d i n g t o T a b l e 7 t h i s w i l l b r i n g a b o u t a d e c r e a s e o f t h e w a t e r c o n t e n t a n d

s o c a u s e a d i m i n i s h e d p e r m e a b i l i t y o f b o n e f o r d i f f u s i o n o f i o n s a n d low-mole -

c u l a r c o m p o u n d s . Thus r e g i o n s f a r f r o m t h e b o n e s u r f a c e o r b o n e a r t e r i e s may

d e v e l o p a much l o w e r pH t h a n n o r m a l w h i c h w i l l l e a d t o l o c a l d i s s o l u t i o n o f

b o n e m i n e r a l . I t i s h y p o t h e s i z e d h e r e t h a t t h i s i s r o u g h l y t h e m e c h a n i s m o f

o s t e o p o r o s i s , one o f t h e t y p i c a l d i s e a s e s o f o l d a g e [ 1 3 1 1 .

5 . 4 . C h a n g e s u n d e r p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s

C e r t a i n c o n d i t i o n s o f t h e i n t e r n a l medium a f f e c t e d b y f o o d c o m p o s i t i o n o r

d i s e a s e s c a n a l s o c a u s e c h a n g e s i n t h e p h a s e c o m p o s i t i o n o f b o n e m i n e r a l . A s

e a r l y a s 1932 I r v i n g a n d C h u t e [ I 3 2 1 f o u n d a d e c r e a s e o f C03 c o n t e n t i n a c i d o -

s i s . B u r n e l l [ I331 f o u n d a d e c r e a s e o f b o t h C o g a n d Na i n b o n e m i n e r a l i n a c i -

d o s i s a n d a n i n c r e a s e o f b o t h i n a l k a l o s i s . U r e m i a ( c h r o n i c r e n a l f a i l u r e ) c a u -

s e s m o s t l y a l o s s o f c a r b o n a t e f r o m t h e m i n e r a l 1 1 3 4 , 1 3 5 1 . T h e c a r b o n a t e con-

t e n t o f f e m o r a o f r a t s i s a l s o i n f l u e n c e d by t h e C a / P r a t i o o f t h e i r d i e t . T h e r e

i s a l s o a c h a n g e i n t h e m i n e r a l c o m p o s i t i o n o f bone d u r i n g g r o w t h : i n i t i a l l y

t h e Mg c o n t e n t i s h i g h a n d t h e C a / P r a t i o low [ 1 3 7 , 1 3 8 ] i n d i c a t i n g t h a t magne-

s i u m w h i t l o c k i t e i s t h e m a i n m i n e r a l p h a s e i n i t i a l l y . I n r e n a l o s t e o d y s t r o p h y

t h e M g c o n t e n t o f b o n e i n c r e a s e s a n d t h a t o f C03 d e c r e a s e s 1 1 3 9 1 . I t w o u l d b e

w o r t h w h i l e t o i n v e s t i g a t e t o w h i c h c h a n g e s i n t h e i n t e r n a l b o d y f l u i d s t h e s e

c h a n g e s i n t h e c o m p o s i t i o n o f b o n e m i n e r a l a r e r e l a t e d .

5 . 5 . The e f f e c t o f f l u o r i d e i n f l u o r o s i s

T h e r e i s a n a l m o s t l i n e a r c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e f l u o r i d e c o n t e n t o f b o n e

m i n e r a l a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f f l u o r i d e i n t h e d r i n k i n g w a t e r [ 1 4 0 ] . T h e c o n -

t e n t o f Ca a n d PO4 d o e s n o t c h a n g e

t w e e n t h e c i t r a t e c o n t e n t a n d t h e f l u o r i d e c o n t e n t [140 ,1421 . The d i s t r i b u t i o n o f f l u o r i d e i s n o t h o m o g e n e o u s w i t h i n t h e b o n e s , b u t f l u o r i d e i s d e p o s i t e d i n

g r e a t e r c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a r e a s o f m o r e r a p i d g r o w t h a n d b e t t e r b l o o d s y p -

[ 1 4 0 , 1 4 1 ] . T h e r e i s a n i n v e r s e r e l a t i o n b e -

p l y [ 1 4 3 1 . X- ray i n v e s t i g a t i o n s h a v e shown t h a t t h e a p a t i t i c p a r t i c l e s o f b o n e m i n e r a l

a r e p r o b a b l y l a r g e r w i t h i n c r e a s i n g f l u o r i d e c o n t e n t ( 1 4 4 , 1 4 5 , 1 4 6 1 . T h i s m i g h t

e x p l a i n t h e d e c r e a s e o f c i t r a t e c o n t e n t w i t h h i g h e r f l u o r i d e c o n t e n t o b s e r v e d

by Z i p k i n e t a l . [ 1 4 0 , 1 4 2 ] , i f c i t r a t e i s i n c o r p o r a t e d i n a n OCP l a y e r d e p o s i -

t e d e p i t a c t i c a l l y o n t o t h e a p a t i t i c p a r t i c l e s . The a v e r a g e a - a x i s o f a p a t i t i c

p a r t i c l e s i n b o n e d i m i n i s h e s w i t h i n c r e a s i n g F c o n t e n t [ 1 4 7 , 1 4 8 1 .

S i n g e r , A r m s t r o n g , Z i p k i n a n d F r a z i e r [ I 4 9 1 s t u d i e d t h e c o m p o s i t i o n o f t h e

m i n e r a l i n f l u o r o t i c b o n e . They d e t e r m i n e d C a , P , C 0 3 , N a , M g a n d F . I n T a b l e 9

a n a t t e m p t i s made t o i n t e r p r e t t h e i r d a t a i n t e r m s o f t h e m u l t i - p h a s e c o n c e p t

o f b o n e m i n e r a l . The b e s t a p p r o x i m a t i o n was f o u n d , i f o n e a s s u m e s t h a t t h e mag-

n e s i u m w h i t l o c k i t e p h a s e a n d t h e Na-and-C03 c o n t a i n i n g a p a t i t e do n o t i n c o r p o -

r ' a t e f l u o r i d e a n d i f t h e h e a v i l y c a r b o n a t e d h y d r o x y a p a t i t e i s c o m p l e t e l y t r a n s -

f o r m e d i n t o

- 683 -

T A B L E 9. : E x p e r i m e n t a l a n d c a l c u l a t e d c o n t e n t s o f t h e m a j o r c o m p o n e n t s i n

f l u o r o t i c b o n e m i n e r a l ( f l u o r o s e d r i b ) .

C o r t i c a l r e g i o n C a n c e l l o u s r e g i o n E x o s t o s e s

e x p . c a l c . e x p . c a l c . e x p . c a l c .

Ca 36.28 37.07 36.75 37.19 37. 17 37.04 P 17.68 16.70 17.51 17.12 17. 10 16.86

Na 1.12 1.08 1 . 14 1 . 0 4 1 . 1 3 1 . 13

Mg 0.61 0.67 0.74 0.79 0.72 0.72

7 . 14 6.46 6.64 6. 10 6.74 6.39

F 1.15 1.30 I . 5 0 1.20 I . 3 0 1 . 2 0 c 0 2

T h i s c o n f i r m s t h e v i e w o f P o s n e r , E a n e s , H a r p e r a n d Z i p k i n [I441 t h a t f l u o r i d e

s u b s t i t u t e s f o r h y d r o x y l i o n i n b o n e a p a t i t e .

E r i c s s o n , G y d e l l a n d H a m m e r s k i s l d [ I S O ] ' f o u n d a l i n e a r c o r r e l a t i o n b e t w e e n

b l o o d p l a s m a f l u o r i d e a n d s k e l e t a l f l u o r i d e c o n t e n t . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e r e

i s a c o n t i n u o u s s e r i e s o f a p a t i t i c s o l i d s o l u t i o n s o f t h e f o r m u l a

a n d t h a t t h e t h e r m o d y n a m i c a l b e h a v i o u r o f t h i s s o l i d s o l u t i o n i s n e a r l y i d e a l .

A c c o r d i n g t o Runge e t a l . [I511 t h e r e i s a n i n c r e a s e o f h o n e m i n e r a l c o n t e n t

a n d a l s o o f t h e w i d t h o f b o n e w i t h t i m e a n d l e v e l o f f l u o r i d e e x p o s u r e . T h e r e

a r e , h o w e v e r , a number o f o t h e r e f f e c t s l i k e t h o s e o n o s t e o c y t e s w h i c h make

f l u o r o s i s a v e r y c o m p l e x d i s e a s e a n d w h i c h c a n g i v e i t t h e f o r m o f o s t e o s c l e -

r o s i s , o s t e o m a l a c i a , s e c o n d a r y h y p e r p a r a t h y r o i d i s m a n d o s t e o p o r o s i s , t h e l a t t e r

i f f l u o r i d e e x p o s u r e g o e s t o g e t h e r w i t h c a l c i u m d e f i c i e n c y [152,153,1541.

6 . CONCLUSION A N D REMARKS

Knowledge o f t h e p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l i n b o n e , d e n t i n e a n d t o o t h

e n a m e l i s v e r y i m p o r t a n t i n s e v e r a l w a y s . I t e n a b l e s t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e

r e l a t i v e amoun t o f t h e s o l i d p h a s e s p r e s e n t b o t h u n d e r p h y s i o l o g i c a l a n d u n d e r

p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s . It a l s o e n a b l e s a n i n v i t r o d e t e r m i n a t i o n o f t h e s o l u -

b i l i t y h e h a v i o u r o f t h e s e p a r a t e p h a s e s a s a f u n c t i o n o f t h e p h y s i c o c h e m i c a l

v a r i a b l e s o f t h e i n t e r n a l med ium, w i t h o u t a n d w i t h a d d i t i o n s o f p h a r m a c e u t i c a l s

l i k e d i p h o s p h o n a t e s [156]. I n t h i s w a y , v a l u a b l e d a t a c a n b e c o l l e c t e d a b o u t

m i n e r a l i z a t i o n and d e m i n e r a l i z a t i o n a n d a b o u t t h e n a t u r e o f c e l l u l a r a n d p h y -

s i o l o g i c a l a c t i v i t i e s w h i c h a f f e c t b o n e s o t h a t a b e t t e r o r i e n t a t i o n c a n b e

f o u n d how b o n e d i s e a s e s c a n b e t r e a t e d .

L a t e l y , a t t e m p t s a r e made t o s y n t h e s i z e c a l c i u m p h o s p h a t e s w h i c h c a n b e u s e d

a s i m p l a n t s f o r t e e t h a n d b o n e s [157]. T h e y a r e m o s t l y made b y h o t p r e s s i n g o f

c o m p o s i t i o n s w h i c h y i e l d O H A o r m i x t u r e s o f i t w i t h W H . Knowledge a b o u t t h e

p h a s e c o m p o s i t i o n o f b o n e m i n e r a l m i g h t a l s o h e l p i n d e s i g n i n g a c a l c i u m p h o s -

p h a t e w i t h b e t t e r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d a b e t t e r s i m i l a r i t y t o b o n e m i n e r a l .

A l t h o u g h t h e p r e s e n t s t u d y d e s c r i b e s a m o d e l o f t h e p h a s e c o m p o s i t i o n o f

c a l c i f i e d t i s s u e s w h i c h i s i n a c c o r d a n c e w i t h t h e known f a c t s . f u r t h e r v e r i f i -

- 684 -

c a t i o n a n d a p p l i c a t i o n of t h i s k n o w l e d g e h a s s t i l l t o c o m e i n f u t u r e e x p e r i -

m e n t s .

R e f e r e n c e s

1 .

2 .

3 .

4 .

5 .

6 .

7 .

8 .

9 .

10.

I I .

1 2 .

1 3 .

1 4 .

S . G a b r i e l , Z . p h y s i o l . C h e m . 18, 2 5 7 - 3 0 3 ( 1 8 9 4 )

F . K . C a m e r o n a n d L . A . H u r s t , J . A m . C h e m . S o c . 2, 8 8 5 - 9 1 3 ( 1 9 0 4 )

H . B a s s e t t , J. C h e m . S O C . E, 6 2 0 - 6 4 2 ( 1 9 1 7 )

H . B a s s e t t , J. C h e m . S o c . 1 9 5 8 , 2 9 4 9 - 2 9 5 5

0 . F o r s t e r , Z . a n o r g . a l l g . Chem. 1 8 9 2 , 1 3 , c i t e d b y A . S c h l e e d e , W . S c h m i d t

a n d H . K i n d t , Z . E l e k t r o c h e m . 38, 6 3 3 - 6 4 1 ( 1 9 3 2 )

A . S c h l e e d e , W . S c h m i d t a n d H . K i n d t , Z. E l e k t r o c h e m . 38, 6 3 3 - 6 4 1 ( 1 9 3 2 )

A . M . J . H . S e u t e r , i n : J . S . A n d e r s o n , M . W . R o b e r t s a n d F . S . S t o n e ( E d s )

R e a c t i v i t y o f s o l i d s , C h a p m a n a n d H a l l , L o n d o n , 1 9 7 2 , p . 8 0 4

J . S . C l a r k , C a n a d . J. Chem. 33 1 6 9 6 - 1 7 0 0 ( 1 9 5 5 )

G . T r o m e l a n d H . M o l l e r , Z . a n o r g . a l l g . C h e m . 206, 2 2 7 - 2 4 0 ( 1 9 3 2 )

M . J . D a l l e m a g n e a n d H . B r a s s e u r , B u l l . S O C . R o y . S c i . L i l g e 1 1 , 4 5 1 - 4 6 2 a n d

4 8 8 - 4 9 5 ( 1 9 4 2 )

M . A . S a n f o u r c h e , B u l l . S o c . C h i m . F r a n c e 2, 9 5 1 - 9 6 3 ( 1 9 3 3 )

J . D . T e r m i n e a n d E . D . E a n e s , C a l c . T i s s . R e s . E, 1 7 1 - 1 9 7 ( 1 9 7 2 )

J . L . M e y e r a n d E . D . E a n e s , C a l c . T i s s . R e s . 5, 5 9 - 6 8 ( 1 9 7 8 )

C . F r o n d e l , A m . M i n e r a l '6, 1 4 5 - 1 5 2 ( 1 9 4 1 )

~

-

1 5 . H . G . S c h a e k e n . F . C . M . D r i e s s e n s a n d R .M.H. V e r b e e c k , P h a s e d i a g r a m o f t h e

c a l c i u m r i c h s i d e o f t h e s y s t e m CaO-P 0 - H 2 0 - C 0 2 - N a 0 a t 8 7 0 O C u n d e r n e a r l y

d r y C o g , t o b e p u b l i s h e d 2 5 2

1 6 . B . D i c k e n s , L .W. S c h r o e d e r a n d W . E . B r o w n , J . S o l i d S t a t e C h e m . E, 2 3 2 - 2 4 8

( 1 9 7 4 )

1 7 . H . N e w e s e l y , M o n a t s h . f . C h e m . E, 1 0 2 0 - 1 0 2 3 ( 1 9 6 0 )

18. W.E. B r o w n , N a t u r e 196, 1 0 4 8 - 1 0 5 0 ( 1 9 6 2 )

1 9 . T.D. F a r r , G . T a r b u t t o n a n d H . T . L e w i s , J. Am. C h e m . S O C . 6 6 , 3 1 8 - 3 2 1 ( 1 9 6 2 )

2 0 . T . D . F a r r a n d K . L . E l m o r e , J . Am. C h e m . S O c . 66, 3 1 5 - 3 1 8 ( 1 9 6 2 )

2 1 . H . G . S c h a e k e n , R . M . H . V e r b e e c k , F . C . M . D r i e s s e n s a n d H . P . T h u n , B u l l . S O C .

-

C h i m . B e l g . - 8 4 , 8 8 1 - 8 9 0 ( 1 9 7 5 )

2 2 . R . W a l l a e y s a n d G . C h a u d r o n , C o m p t . r e n d . 2 3 1 , 3 5 5 - 3 5 7 ( 1 9 5 0 )

2 3 . G . B o n e l , A n n . C h i m . I, 6 5 - 8 8 ( 1 9 7 2 )

2 4 . D . M . R o y , W . E y s e l a n d D. D i n g e r , Mater . R e s . B u l l . 9 , 3 5 - 3 9 ( 1 9 7 4 )

2 5 . J . C . L a b a r t h e , G . B o n e l a n d G.Monte1,COmpt.rend.Ser.C. 273, 3 4 9 - 3 5 1 ( 1 9 7 1 )

2 6 . E . H a y e k , H . K o n e t s c h u y a n d E . S c h n e l l , A n g e w . C h e m . 5 , 6 7 9 ( 1 9 6 6 )

2 7 . F . C . M . D r i e s s e n s , H . G . S c h a e k e n , H . J . M . H e i j l i g e r s a n d R . M . H . V e r b e e c k ,

Some p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f Na a n d C 0 3 c o n t a i n i n g a p a t i t e s , t o b e p u b l i s h e d

2 8 . D . R . S i m p s o n , Am. M i n e r a l o g i s t 5, 3 6 3 - 3 7 6 ( 1 9 6 4 )

2 9 . D . R . S i m p s o n , A m . M i n e r a l o g i s t 52, 8 9 6 - 9 0 2 ( 1 9 6 7 )

30. R . Z a p a n t a - L e C e r o s , N a t u r e 206, 4 0 3 - 4 0 4 ( 1 9 6 5 )

3 1 . R . Z . L e G e r o s , O . R . T r a u t z , J . P . L e G e r o s a n d E . K l e i n , S c i e n c e 155, 1 4 0 9 -

1 4 1 1 ( 1 9 6 7 )

3 2 . L e G e r o s , F i r s t I n t e r n , C o n g r e s s o n P h o s p h o r u s C o m p o u n d s , R a b a t , 1 9 7 7 ,

p . 3 4 7 - 3 6 0

33 . C . V i g n o l e s , G . B o n e l a n d G . M o n t e l , C o m p t . r e n d . S e r . C . 280, 3 6 1 - 3 6 4 ( 1 9 7 5 )

- 685 -

3 4 . C . V i g n o l e s , J . C . T rombe , G . Bone1 a n d G . M o n t e l , Compt . r e n d . S e r . C .

2 8 0 , 2 7 5 - 2 7 7 ( 1 9 7 5 ) - 3 5 . A . T o v b o r g J e n s e n e n S . L . R o w l e s , N a t u r e 179, 9 1 2 - 9 1 3 ( 1 9 5 7 )

3 6 . U. K e p p l e r , Neues J a h r b u c h M i n e r a l . M o n a t s h . No. 6 . , 1 7 1 - 1 7 6 ( 1 9 6 5 )

3 7 . U. K e p p l e r , B u l l . S o c . Chim. F r a n c e 1968, 1 7 7 4 - 1 7 7 7

3 8 . J. I t o , J. R e s . N a t l . B u r . S t a n d . z, 3 5 5 - 3 5 8 ( 1 9 6 8 )

3 9 . R . G o p a l , C . C a l v o , J . I t o a n d W . K . S a b i n e , C a n a d . J . Chem. 2, 1 1 5 5 - 1 1 6 4

( 1 9 7 4 )

4 0 . S . L . R o w l e s , B u l l . S o c . Chim. F r a n c e 1968, 1 7 9 7 - 1 8 0 2

4 1 . H . McDowel l , W . E . Brown a n d J . R . S u t t e r , I n o r g . Chem. lo, 1 6 3 8 - 1 6 4 3 ( 1 9 7 1 )

4 2 . T . M . G r e g o r y , E . C . Moreno a n d W . E . B rown , J. R e s . N a t l . B u r . S t a n d . E, 4 6 1 - 4 7 5 ( 1 9 7 0 )

4 3 . P.R . P a t e l , T . M . G r e g o r y a n d W . E . B rown , 3. R e s . N a t l . B u r . S t a n d . E, 6 7 5 - 5 8 1 ( 1 9 7 4 )

4 4 . E . C . Moreno , W . E . Brown and G . O s b o r n , P r o c . S o i l S c . S O C . A m . 3, 9 9 - 1 0 2

( 1 9 6 0 )

4 5 . E . C . Moreno , T . M . G r e g o r y a n d W . E . Brown, J. R e s . N a t l . B u r . S t a n d . z, 7 7 3 - 7 8 2 ( 1 9 6 8 )

4 6 . T . S . B . N a r a s a r a j u a n d V . L . N . Rao , Z . p h y s i k . Chem. 255, 6 5 5 - 6 6 0 ( 1 9 7 4 )

4 7 . H . M . R o o t a r e , V . R . D e i t z a n d F . G . C a r p e n t e r , J . C o l l o i d S c . 17, 1 7 9 - 2 0 6

( 1 9 6 2 )

4 8 . M . L . Dundon a n d E . Mack, J. A m . Chem. S o c . g, 2 4 7 9 - 2 4 8 5 ( 1 9 2 3 )

4 9 . B . V . E n i s t i n a n d J. T u r k e v i c h , J. A m . Chem. S o c . 82, 4 5 0 2 - 4 5 0 9 ( 1 9 6 0 )

5 0 . R . Chuong , J. D e n t . R e s . 51, 9 1 1 - 9 1 4 ( 1 9 7 3 )

5 1 . Y . A v n i m e l e c h , E . C . Moreno a n d W . E . B rown , J. R e s . N a t l . B u r . S t a n d . 2, 1 4 9 - 1 5 5 ( 1 9 7 3 )

5 2 . R . M . H . V e r b e e c k , T h e s i s , S t a t e U n i v e r s i t y o f G e n t , 1 9 8 0

5 3 . D . R . W i e r , S . H . C h i e n a n d C . A . B l a c k , S o i l S c . 11, 1 0 7 - 1 1 2 ( 1 9 7 1 )

5 4 . R . M . H . V e r b e e c k , H . P . Thun a n d F.C.M. D r i e s s e n s , Z . p h y s i k Chem. NF 2, 7 9 - 8 4 ( 1 9 8 0 )

5 5 . R . M . H . V e r b e e c k a n d F.C.M. D r i e s s e n s , A s o l i d - s t a t e c h e m i c a l m o d e l f o r t h e

m e t a s t a b l e e q u i l i b r i u m b e t w e e n o x y h y d r o x y a p a t i t e s a n d a q u e o u s s o l u t i o n s ,

t o b e p u b l i s h e d

5 6 . W . E . Brown, J . P . S m i t h , J . R . L e h r a n d A . W . F r a z i e r , N a t u r e 196, 1 0 5 0 - 1 0 5 5

( 1 9 6 2 )

5 7 . R . M . H . V e r b e e c k , R . A . Khan , H . P . Thun a n d F .C.M. D r i e s s e n s , B u l l . SoC. Ch im.

B e l g . 88, 7 5 1 - 7 5 9 ( 1 9 7 9 )

5 8 . F.C.M. D r i e s s e n s , J . W . E . v a n D i j k and J .M.P.M. B o r g g r e v e n , 2 . N a t u r f o r s c h u n g

3 4 c , 1 6 5 - 1 7 0 ( 1 9 7 9 ) I

5 9 . F.C.M. D r i e s s e n s , J . W . E . v a n D i j k , J.M.P.M. B o r g g r e v e n a n d R . M . H . V e r b e e c k ,

J. b i o l . b u c c a l e i n p r e s s ( 1 9 8 0 )

6 0 . F.C.M. D r i e s s e n s , B e r . B u n s e n g e s , P h y s . Chem. 2, 5 8 3 - 5 8 6 ( 1 9 7 9 )

6 1 . J . C . F o r b e s , J . B i o l . Chem. 93, 2 5 5 - 2 6 8 ( 1 9 3 1 )

6 2 . L . E . H o l t , V . L . La Mer a n d H . B . Chown, J. B i o l . Chem. 66, 5 0 9 - 5 6 5 ( 1 9 2 5 )

6 3 . A . C . K u y p e r , J. B i o l . Chem. 159. 4 1 7 - 4 2 4 ( 1 9 4 5 )

6 4 . A . C . K u y p e r , J. B i o l . Chem. 159, 4 4 1 - 4 1 6 ( 1 9 4 5 )

6 5 . B . K e r e b e l , G . D a c u l s i a n d L . M . K e r e b e l , J. d e n t . R e s . 2, 8 4 4 - 8 5 1 ( 1 9 7 9 )

6 6 . R . A . R o b i n s o n a n d M.L. W a t s o n , Ann. N Y Acad . S c . 60, 5 9 6 - 6 2 8 ( 1 9 5 5 )

- 686 -

6 7 . S . F i t t o n J a c k s o n a n d J . T . R a n d a l l , i n : G . E . W . W o l s t e n h o l m e a n d C . M . 0 '

C o n n o r ( E d s ) B o n e s t r u c t u r e a n d m e t a s t a b o l i s m , L i t t l e B r o w n , B o s t o n , 1 9 5 6

p . 4 7 - 6 4

6 8 . J . D . T e r m i n e , E . D . E a n e s , D . J . G r e e n f i e l d , M . U . N y l e n a n d R . A . H a r p e r ,

C a l c i f . T i s s u e R e s . z, 73-90 ( 1 9 7 3 )

6 9 . R . A . H a r p e r a n d A . S . P o s n e r , P r o c . S O C . E x p e r . B i o l . Med. 122, 1 3 7 - 1 4 2

( 1 9 6 6 )

7 0 . N . Q u i n a u x a n d L . J . R i c h e l l e , I s r a e l J . Med. S c . 2 , 6 7 7 - 6 9 0 ( 1 9 6 7 )

7 1 . A . T o v b o r g J e n s e n a n d A . M z l l e r , J . d e n t . R e s . 2, 5 2 4 - 5 3 1 ( 1 9 4 8 )

7 2 . O . R . T r a u t z , E . K l e i n , E . F e s s e n d e n a n d H . K . A d d l e s t o n , J. d e n t . R e s . 32, 4 2 0 - 4 3 1 ( 1 9 5 3 )

7 3 . E . J o h a n s e n , J . d e n t . R e s . 43, 1 0 0 7 - 1 0 2 0 ( 1 9 6 4 )

7 4 . J . D . T e r m i n e , E . D . E a n e s , D . J . G r e e n f i e l d a n d M . U . N y l e n , C a l c i f . T i s s .

R e s . E, 73-90 ( 1 9 7 3 )

7 5 . S . A . J a c k s o n , A . G . C a r t w r i g h t a n d D . L e w i s , C a l c i f . T i s s . R e s . 11, 2 1 7 - 2 2 2

( 1 9 7 8 )

76 . A . A s c e n z i , E . B o n u c c i , A . R i p a m o n t i a n d N . R o v e r i , C a l c i f . T i s s . R e s . s, 1 3 3 - 1 4 3 ( 1 9 7 8 )

7 7 . E . J . W h e e l e r a n d D . L e w i s , C a l c i f . T i s s . R e s . 2, 2 4 3 - 2 4 8 ( 1 9 7 7 )

7 8 . M . J . D a l l e m a g n e a n d J . M e l o n , B u l l . S a c . C h i m . b i o l . 2, 85-89 ( 1 9 4 5 )

7 9 . C . D . C r o w e l l , H . C . Hodge a n d W . R . L i n e , J . d e n t . R e s . 3, 2 5 1 - 2 6 8 ( 1 9 3 4 )

8 0 . I . C i f u e n t e s , P . F . G o n z a l e z - D i a z a n d L . C i f u e n t e s - D e l a t t e , C a l c i f . T i s s .

I n t . 2, 1 4 7 - 1 5 1 ( 1 9 8 0 )

8 1 . F .C.M. D r i e s s e n s , B e r . B u n s e n g e s . P h y s i k . Chem. 82, 3 1 2 - 3 2 0 ( 1 9 7 8 )

8 2 . T . G a s s m a n n , Z . p h y s i o l . Chem. 178, 6 2 - 6 6 ( 1 9 2 8 )

8 3 . H . H . R o s e b e r r y , A . B . H a s t i n g s a n d J . H . M o r s e , J . B i o l . Chem. 90, 3 9 5 - 4 0 7

( 1 9 3 1 )

8 4 . R . K l e m e n t a n d G . T r o m e l , Z . p h y s i o l . Chem. 213, 2 6 3 - 2 6 9 ( 1 9 3 2 )

8 5 . R . K l e m e n t a n d G . T r G m e l , K l i n . W o c h e n s c h r . G, 2 9 2 - 2 9 4 ( 1 9 3 3 )

8 6 . A . S . P o s n e r a n d S . R . S t e p h e n s o n , J . A m . D e n t . A s s o c . 46, 2 5 7 - 2 6 4 ( 1 9 5 3 )

8 7 . S . B . H e n d r i c k s a n d W . J . H i l l , S c i e n c e 96, 2 5 5 - 2 5 7 ( 1 9 4 2 )

8 8 . M . J . D a l l e m a g n e a n d C . F a b r y , i n : G . L . W . W o l s t e n h o l m e a n d C . M . O ' C o n n o r

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9 1 . H . N e w e s e l y , D t s c h . Z a h n i r z t l . Z . 3, 4 8 4 - 4 8 5 ( 1 9 6 9 )

9 2 . E . H a y e k , K l i n . W o c h e n s c h r . 5, 8 5 7 - 8 6 3 ( 1 9 6 7 )

9 3 . E . D . E a n e s , J . D . T e r m i n e a n d A . S . P o s n e r , C l i n . O r t h o p . 53, 2 2 3 - 2 3 5

( 1 9 6 7 )

9 4 . G . M o n t e l , B i o l . C e l l . 8, 1 7 9 - 1 8 6 ( 1 9 7 7 )

9 5 . F.C.M. D r i e s s e n s , Z . N a t u r f o r s c h . z, 3 5 7 - 3 6 2 ( 1 9 8 0 )

9 6 . F .C.M. D r i e s s e n s a n d R . M . H . V e r b e e c k , P r o b a b l e p h a s e c o m p o s i t i o n o f t h e

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9 7 . M . A . L o g a n , J . B i o l . Chem. s, 3 7 5 - 3 8 9 ( 1 9 3 5 )

9 8 . R . K l e m e n t , N a t u r w i s s e n s c h a f t e n 6. 1 4 5 - 1 5 2 ( 1 9 3 8 )

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( 1 9 7 0 )

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116 . A . S . H a l l s w o r t h , C . R o b i n s o n a n d J . A . W e a t h e r e l l , C a r i e s R e s . a, 156-168

( 1 9 7 2 )

117 . A . S . H a l l s w o r t h , J . A . W e a t h e r e l l a n d C . R o b i n s o n , C a r i e s R e s . 2, 3 4 5 - 3 4 8

( 1 9 7 3 )

1 1 8 . J . D . B . F e a t h e r s t o n e , J . F . Duncan a n d T . W . C u t r e s s , A r c h s . O r a l B i o l . ”, 4 0 5 - 4 1 3 ( 1 9 7 8 )

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pub 1 i s h e d .

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1 3 1 . J.L. Marx , S c i e n c e 3, 6 2 8 - 6 3 0 ( 1 9 8 0 )

1 3 2 . L . I r v i n g a n d A . L . C h u t e , J . C e l l u l a r Comp. P h y s i o l . 2, 157-176 ( 1 9 3 2 )

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35 . E . D . P e l l e g r i n o a n d R . M . B i l t z , M e d e c i n e 44, 397-418 ( 1 9 6 5 )

36 . A . E . S o b e l , M . R o c k e n m a c h e r a n d B . K r a m e r , J . B i o l . Chem. 158, 4 7 5

( 1 9 4 5 )

37 . W . W . Swanson a n d L . V . I o b , A m . J. D i s e a s e s C h i l d r e n 2, 1025-1029

( 1 9 7 0 )

489

1 9 3 7 )

- 688 -

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