Implementation of Raman algorithms for the bio-mineral hydroxyapatite

Hydroxyapatite (HAp) is a bio-mineral (calcium phospate) of the mineral group of apatites, and the main component of most of hard tissues in living beings, which are composed of a mineral part (impure HAp) and an organic part (mainly collagen proteins). The mechanical properties of hard tissues vary as a function of the relative concentration of these two phases. HAp may be modified by different pathology that may affect the mechanical properties of the tissue. Reaching a deeper understanding of the structural and chemical modification of HAp, and other components of hard tissues, is a matter of great importance. In this work two of such problems have been treated. Human teeth in vivo undergo a continuous demineralization and regrowth of the HAp of enamel. If this process is not balanced the risk of caries increases. This motivates studies of demineralization of HAp which has been induced in vitro, by immersion in an acid solution. Each tooth has been carefully analyzed before and after different times of immersion, by Raman spectroscopy. The possible different defects caused by demineralization have been investigated. A simulation, linking the phonon density of states of HAp to the concentration of Calcium vacancies, has been written and used to obtain a quantitative value of the concentration of vacancies due to the demineralization process. The second process studied regards the modifications of the mineral and organic part of bones caused by osteoporosis, hoping to clarify the molecular cause of the loss of mechanical properties of the osteoporotic bones. Raman spectra, of osteoporotic and healthy rat bones, have been collected, and the response of the material to stress (residual due to micro-indentations) has been investigated. The results obtained seem to lead to the conclusion that a large contribution to the loss of mechanical properties has to be attributed to the organic fraction, and in the quality of the cross linking between different collagen protein chains. Finally micro-indentations have been applied on different samples: HAp, tooth and rat bones to understand the different mechanical response of these structures.

L’Idrossiapatite (HAp) è un minerale (fosfato di calcio, famiglia Apatiti) che costituisce buona parte dei tessuti calcificati degli esseri viventi. Questi tessuti sono composti da una parte minerale e da una parte organica (collagene etc.), e le proprietà meccaniche del tessuto sono determinate dalla relativa abbondanza di queste due componenti. Questi elementi del tessuto possono subire modifiche in diverse condizioni patologiche, e comprendere queste modifiche chimiche o strutturali a livello molecolare è un argomento di grande importanza. In questo lavoro sono stati trattati due problemi di questo tipo. L’HAp nei denti umani subisce un continuo processo di demineralizzazione e di ri-crescita, ma, se questi due processi non sono bilanciati, il rischio di carie aumenta. In questo lavoro denti umani sono stati de-mineralizzati in vitro immergendo i campioni per tempi diversi in una soluzione acida. I campioni sono stati esaminati, prima e dopo il trattamento, con spettroscopia Raman, sono state osservate le modifiche spettrali avvenute con il trattamento, e attribuite ai possibili difetti indotti nell’HAp. Una simulazione è stata scritta, in grado di legare la densità degli stati di fononi a una banda Raman. e utilizzata per trovare una stima quantitativa delle vacanze di Calcio indotte dal processo. Il secondo caso studiato riguarda le cause molecolari della perdita di proprietà meccaniche nelle ossa osteoporotiche. Sono stati acquisiti spettri Raman di campioni di ossa di ratto osteoporotico e sano, ed è stata studiata la risposta degli spettri Raman delle ossa a stress residuo nei campioni creato con micro-indentazioni. I risultati ottenuti sembrano indicare che una buona parte delle cause di perdita delle proprietà meccaniche in questo tipo di ossa osteoporotiche vada ricercata nella perdita di proprietà meccaniche del collagene e quindi in una modifica dei tipi di cross-linking tra diverse catene proteiche.