s2-fis05 alta resolución de microscopia de transmisión de cristales

ALTA RESOLUCIÓN DE MICROSCOPIA DE TRANSMISIÓN DE CRISTALES
DE HIDROXIAPATITA
G. Carbajal-De la Torre, I. Gil-Chavarria, R. Garcia-Garcia, J. Reyes-Gasga
Instituto de Física, Depto. de Materia Condensada, Lab. Física de Nuevos Materiales,
UNAM, e-mail: gcarbajal@fisica.unam.mx.
Resumen
La microscopia de transmisión de alta resolución en conjunto con la simulación de imágenes forman un
eficiente método para determinar la cristalografía del esmalte dental humano. Por estudios de varias muestras
haciendo un condensado de resultados se han observado los cristales de hidroxiapatita natural
Ca10(PO4)6(OH)2 que es el principal componente del esmalte dental con grupo espacial de P6 3/m, presentando
una característica línea oscura central en el cristal atribuible solo a la hidroxiapatita natural y no a la sintética,
esta línea oscura central se cree que contribuye al crecimiento del cristal en determinada orientación. En este
trabajo utilizamos la microscopía de alta resolución y la técnica de contraste-Z para la observación de la línea
oscura central en el esmalte dental.
Introducción
El microscopio electrónico de alta resolución nos permite estudiar estructuras de materiales en escala
nanométrica usando las imágenes de Transformada rápida de Fourier (siglas FFT en inglés). Los
difractogramas respectivos (FFT) contienen información sobre la red del cristal y la orientación de la
muestra(1). El esmalte dental humano está compuesto principalmente de material inorgánico (96%) y una
pequeña cantidad de material orgánico y agua (4%); su unidad estructural es el prisma que crece a partir de la
unión amelondetinaria a la superficie realizando un recorrido de aproximadamente 2mm en promedio. Los
prismas están formados por pequeños cristales nanométricos de hidroxiapatita (HAP) con la fórmula
Ca10(PO4)6(OH)2, los cuales presentan una línea oscura central (2) que desempeña un papel aún desconocido.
Esta línea atraviesa lo largo del cristal de hidroxiapatita, no ha sido caracterizada estructuralmente hasta el
momento, y se sabe que es un lugar vulnerable en los cristales del esmalte llegando incluso a pensar que es
susceptible al ataque de caries(3-5), pero usando la microscopía de alta resolución, Takaaki(6) ha encontrado que
la línea oscura resiste la disolución. En este trabajo nos enfocamos a estudiar el esmalte dental por
microscopía de alta resolución especialmente con la técnica de contraste-Z, ya que los cristales de
hidroxiapatita son susceptibles al haz electrónico del microscopio y esta técnica nos permite obtener mejores
resultados de la estructura del cristal.
Material y Métodos
La hidroxiapatita del esmalte dental fue obtenida de dientes humanos. Estos órganos dentarios (molares y
premolares) sanos fueron tomados de pacientes entre 15 y 30 años. Para su observación en el microscopio se
separó todo el esmalte de la pieza tratándolo posteriormente con a una temperatura de 80ºC para eliminar el
material orgánico remanente que pudiera contener, después es lavado con agua destilada y etanol y se le dá
molienda y tamizado para obtener polvo muy fino que es depositado en la rejillas de cobre previamente
recubiertas con una capa de colodión y finalmente la muestra completa es recubierta con una película delgada
de carbón del orden de 20 nm, esto es para minimizar el daño causado por el haz electrónico y eliminar la
carga eléctrica resultado del bombardeo iónico.
Se utilizó un microscopio electrónico Jeol 2010 FASTEM para hacer la microscopía electrónica de alta
resolución. Las imágenes obtenidas fueron registradas en una cámara de barrido lento Gatan y procesadas con
el software 3.3.3 Gatan Digital Micrograph, incluyendo filtraje por Fourier.
Resultados
Para tener información adicional de la distribución de elementos dentro del cristal de hidroxiapatita del
esmalte dental, se recurrió a la técnica de contraste –Z. Esta técnica provee una imagen composicional
directamente interpretable de los materiales a escala atómica (7). La figura 1 muestra la imagen por contraste-z
del cristal con su línea oscura característica.
Fig. 1. Cristal de hidroxiapatita con línea oscura central.
De este cristal de hidroxiapatita se hizo alta resolución a lo largo del eje de zona [110] con su correspondiente
cálculo de imagen de transformada de fourier, ya deconvolucionado cada uno de los tonos de gris de la
imagen en un patrón de puntos similar al patrón de difracción, figura 2.
Fig. 2. Imagen de HRTEM del cristal de hidroxiapatita a lo largo de la dirección [110], b) transformada de
Fourier en simulación.
Conclusiones
Los métodos de HRTEM, contraste-Z y la simulación de imágenes forman un método eficiente para estudiar
la cristalinidad de las partículas de hidroxiapatita del esmalte dental humano en polvo. En particular la técnica
de contraste-Z es muy útil para no dañar la muestra que se está observando ya que la intensidad del haz es
baja. Al observar las imágenes del esmalte en dirección transversal nos cercioramos de que en cada uno de
los cristales existe una línea que los atraviesa a lo largo de sus porciones centrales. Esta línea tiene un espesor
de 1 nm y su contraste es dependiente del foco: se presenta oscura cuando la imagen está sobreenfocada, es
blanca bajo foco. No se ha caracterizado estructuralmente hasta el momento y estamos trabajando en este
campo, esperando tener resultados al respecto pronto.
Agradecimientos
Agradecemos a L. Rendón, S. Tehuacanero, P. Mexía, D. Quiterio, C. Zorrilla, R. Hernández y A. Flores por
el apoyo técnico.
Bibliografía
1. E.I. Savorova, “HRTEM simulation in determination of thickness and grain misorientation for
hydroxyapatite crystals”, Crystallography Reports, Vol. 49, No.3, 2004, pp. 343-352.
2. M. Reyes-Reyes, “Análisis por microscopía y difracción electrónica de las reflexiones prohibidas {000l},
l=2n+1, de la hidroxiapatita del esmalte dental humano”, Revista especializada en Ciencias QuímicoBiológicas, 4(1), 2001, pp. 40-49.
3. H. Nakahara, “Electron microscopy studies of the lattice image and central dark line of crystallites in sound
and carious human dentón”, Bull. Josai Dent. Univ., 11, 1982, pp. 209-215.
4. H. Nakahara y M. Kakei, “The central dark line in developing enamel crystallite: an electron microscopic
study”, Bull. Josai Dent. Univ., 12, 1983, pp. 1-7.
5. H. Nakahara y M. Kakei, “Central dark line and carbonic anhydrase: problem relating to crystal nucleation
in enamel”. In Tooth Enamel IV, eds Fearnhead R W and Suga S, 1984, pp. 42-46, (Elsevier Science,
Amsterdam).
6. Y. Takaaki, “High resolution electron microscopy of enamel-crystal demineralization and remineralization
in carious lesions”, Japonese Society of Microscopy, 52(6), 2003, pp. 605-613.
7. B. Rafferty, n. Peter and S. Pennycook, “On the origin of transverse incoherence in Z-contrast STEM”,
Journal of Electron Microscopy, 50(3), 2001, pp. 227-233.