Fluoridation of hydroxyapatite : a physicochemical view on caries prophylaxis via fluoride application

Abstract

Since decades the application of fluoride containing dental health care products is a well established method in caries prophylaxis. According to current knowledge, fluoridation supports the remineralization of damaged enamel, inhibits demineralization of enamel by decreasing its demineralization-threshold, and decreases adhesion forces of bacteria. However, the exact mechanisms of fluoride uptake in the mineral component of tooth enamel, i.e., hydroxyapatite (HAp), are not yet completely understood. Therefore, in this work, experiments have been designed in order to enhance our understanding of how fluoride is taken up by HAp and how it alters the behavior of HAp surfaces under external influences, such as acid attacks. Sintered HAp pellets have been used as model systems for the tooth mineral. Fluoridation experiments have shown that the fluoridated layer forming on the HAp surface is only a few nanometers thick and that the layer thickness and the overall amount of fluoride taken up approach a point of saturation on a timescale of about 3 min. Although the layer is very thin and contains only minute amounts of fluoride, a very strong effect on the acid resistance of HAp could be observed: The surface was apparently inert to acid attacks for several minutes. These results give new insight into the mechanisms and especially into the timescale of fluoride uptake by HAp and they show how the incorporated fluoride in HAp correlates with its protective impact.

Die Anwendung von Fluoriden in Zahnpflegeprodukten ist seit Jahrzehnten fester Bestandteil der Kariesprophylaxe. Nach heutigem Kenntnisstand unterstützen Fluoride die Remineralisierung beschädigten Zahnschmelzes. Sie mindern die Demineralisierung des Schmelzes und sie verringern die Haftkräfte von Bakterien. Bis heute sind die genauen Mechanismen der Fluoridaufnahme in die mineralische Komponente des Schmelzes, d.h. Hydroxylapatit (HAp), noch nicht vollständig verstanden. In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente entwickelt, die zu einem besseren Ver\-ständ\-nis der Fluoridaufnahme beitragen, und die zeigen, wie die Fluorierung das Verhalten der HAp-Oberfläche bei einem Säureangriff verändert. Als Modellsysteme für die mineralische Komponente des Schmelzes wurden gesinterte HAp-Prüfkörper verwendet. Die fluorierte Schicht, die sich an der HAp-Oberfläche bildet, ist nur wenige Nanometer dick. Die Schichtdicke und die Gesamtmenge an Fluorid, die aufgenommen wird, erreichen nach etwa 3 min einen Zustand der Sättigung. Trotz der geringen Dicke und des geringen Fluoridgehalts der Schicht konnte eine starke Auswirkung auf die Säureresistenz von HAp nachgewiesen werden: Die Oberfläche war für einige Minuten immun gegenüber Säureangriffen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Erkenntnisse über die Mechanismen und insbesondere über den zeitlichen Verlauf der Fluoridaufnahme in HAp und zeigen die schützenden Auswirkungen aufgenommenen Fluorids auf HAp-Oberflächen.