Apatit: Hydroxy- og fluorapatit, struktur og rolle i tænder og knogler

Lær om hydroxy- og fluorapatit: struktur, biologisk rolle i tænder og knogler, og hvordan fluor øger syrebestandighed og forebygger karies.

Apatit er en gruppe af fosfatmineraler med høje koncentrationer af henholdsvis OH-, F-, Cl- eller ioner i krystallet. Apatit forekommer i flere kemiske varianter, hvor de hyppigst citerede er hydroxyapatit og fluorapatit.

Struktur og kemisk sammensætning

Apatit har typisk formel enten Ca5(PO4)3(OH) eller Ca10(PO4)6(OH)2 afhængig af hvordan man vælger at angive enhedscellen. Hydroxyapatit (Ca5(PO4)3OH / Ca10(PO4)6(OH)2) og fluorapatit (Ca5(PO4)3F / Ca10(PO4)6F2) krystalliserer i et hexagonalt gitter (ofte rummet P63/m) og har en hårdhed på ca. 5 på Mohsskalaen, hvilket gør dem hårdere end mange bløde mineraler, men blødere end kvarts.

I naturlig og biologisk apatit forekommer ofte ufuldstændig, defekt eller 'ubestræbende' apatit, hvor en del af OH-grupperne mangler, og hvor der er udskiftninger i krystalgitteret. Almindelige substitutioner er:

• Fluorid (F-) for OH- → giver fluorapatit, som er mindre opløseligt i syre.
• Kuldbid (CO3 2-) for PO4 3- (B-type) eller for OH- (A-type) → almindeligt i biologisk apatit, især i knogle og emalje.
• HPO4 2- og andre protonerede fosfater samt ionvakancer → typisk i knoglemineralet.

Biologisk rolle — tænder og knogler

Apititiske faser er karakteristiske for biologiske systemer. Hydroxyapatit er hovedbestanddelen af tandemalje og af knoglemineral. I tænderne danner apatit meget store, velordnede krystaller i emaljen, mens knogle indeholder nanokrystallinsk, mere defekt apatit sammen med kollagen som matriks. Denne forskel i krystalstørrelse og kemisk sammensætning forklarer forskelle i mekaniske egenskaber: emalje er ekstremt hård og slidstærk, knogle er mere porøst og sejt.

En stor del af knoglematerialet forekommer i en relativt sjælden og defekt form af apatit, hvor de fleste OH-grupper kan være fraværende, og hvor der er mange karbonat- og syrephosphatudskiftninger. Disse substitutioner gør knoglemineralet mere opløseligt og kemisk mere reaktivt, hvilket er vigtigt for knoglens omsætning (remodellering), mineralbalance og fysiologisk funktion.

Fluorapatit og kariesforebyggelse

Fluorapatit er kemisk tættere pakket og mere modstandsdygtig over for syreangreb end hydroxyapatit. Derfor er fluorid betydningsfuldt i forebyggelsen af karies. I midten af det 20. århundrede viste epidemiologiske undersøgelser, at samfund, hvis vandforsyning indeholdt en vis mængde fluor, havde lavere forekomst af caries. Fluorid virker ved to hovedmekanismer:

• Systemisk/topisk udveksling: Fluoridioner kan erstatte hydroxylgrupper i apatit i tænderne, hvilket fører til dannelse af fluorapatit eller fluorberiget apatit, som er mindre opløseligt i syre og derfor mere modstandsdygtigt over for demineralisering.
• Remineralisering og antibakteriel effekt: Fluorid fremmer udfældning af mineral (remineralisering) og kan hæmme bakteriers enzymer og metabolisme, hvilket reducerer syreproduktion i plak.

I tandplejeprodukter tilsættes ofte en fluoridkilde, for eksempel fluoridanioner (f.eks. natriumfluorid, natriummonofluorophosphat), for at øge den lokale fluoridkoncentration på tandoverfladen og fremme remineralisering. Moderne retningslinjer anbefaler lave, kontrollerede niveauer af fluorid i drikkevand (typisk omkring 0,7 mg/L i mange lande) for at mindske karies uden at øge risikoen for dental fluorose væsentligt.

Syntetisk apatit og medicinsk anvendelse

Syntetisk hydroxyapatit bruges bredt i medicinsk og dental sammenhæng, fx som belægning på metalimplantater, fyldmateriale i knoglekirurgi, og som ingrediens i tandpastaer og remineraliserende produkter. Fordi hydroxyapatit er biokompatibelt og ligner kroppens eget knoglemineral, fremmer det knoglevækst og integreres godt med knoglevæv (osseointegration).

Nanostruktureret hydroxyapatit anvendes også i forskning og industriprodukter, hvor partikelstørrelse og overfladeegenskaber kan skræddersys til specifikke funktioner — fx øget opløselighed for langsom frigivelse af calcium og fosfat, eller lav opløselighed ved behov for stabilitet.

Andre varianter og miljømæssig forekomst

Udover hydroxy- og fluorapatit findes også chloroapatit (hvor Cl- indgår) og en række andre apatit-derivater med forskellig ionisk substitution. I geologiske miljøer forekommer apatit som en vigtig fosfatkilde i sedimenter og bjergarter og bruges ofte som indikator for fosforkredsløb i naturen.

Sikkerhed og bivirkninger

Fluorid i lave doser er gavnligt for tandhygiejnen, men for højt indtag hos små børn kan medføre dental fluorose (hvori tandemaljen får hvide striber eller pletter) og ved meget høje doser andre systemiske problemer. Derfor er korrekt dosering og brug af fluortandpasta og fluorbehandlinger vigtig.

Samlet set er apatitfamilien central både i geologi og i biologiske systemer. Dens evne til at udveksle ioner, indgå i substitutioner og danne nanokrystallinske eller velordnede strukturer forklarer både materialets mekaniske egenskaber og dets brede anvendelse i medicin og tandpleje.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er apatit?

Spørgsmål: Hvad er apatits karakteristika i forhold til biologiske systemer?

Spørgsmål: Hvad er apatits hårdhed på Mohsskalaen?

Spørgsmål: Hvad er hydroxyapatit?

Spørgsmål: Hvad er den sjældne form for apatit, der findes i det meste knoglemateriale?

Spørgsmål: Hvad er fluorapatit?

Spørgsmål: Hvad er sammenhængen mellem fluorid og caries?

Søg efter bogstav