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Describen cristalinidad del tejido dentario a altas temperaturas

Evelyn C. Ayala
29/jul/2019

En la Ciudad de México de 2017, pensando en el caso Ayotzinapa que desvelaba el asesinato y la calcinación de los 43 estudiantes desaparecidos en 2014, Nancy Vargas Becerril iniciaba un experimento en el Instituto de Física que puso a prueba la resistencia del tejido dentario frente a altas temperaturas.

Pronto encontró cambios en la coloración de las muestras y el indicio de una segunda fase adicional de la hidroxiapatita (HAP), un material biocerámico que constituye el 94% del esmalte y el 70% de la dentina. Además, supo que el ADN desaparece antes de los 600°C y que el esmalte y la dentina son tejidos supervivientes al calor, lo que explica por qué los dientes prevalecen en los cadáveres sometidos a condiciones como las que supone el caso de Ayotzinapa.

Nancy Vargas estudió metalurgia y ciencia de materiales en el Instituto Politécnico Nacional, además de un posdoctorado en la Facultad de Odontología de la UNAM, y hoy es posdoctorante del IF. Sus nuevas indagaciones en dientes las lleva de la mano de José Reyes Gasga y Ramiro García García, investigadores del Departamento de Materia Condensada del Instituto de Física.

En abril de 2019 publicaron el artículo “Evaluación de los índices cristalinos obtenidos mediante espectroscopía infrarroja y difracción de rayos X en muestras de dientes humanos tratados térmicamente”, en el que no solo apreciaron cambios en la superficie del tejido dentario sino que observaron el ordenamiento de los cristales que lo conforman.

Parte de la muestra utilizada en el estudio. Crédito: Evelyn C. Ayala.

Polvo de muelas a 1200°C

En su más reciente trabajo, Nancy Vargas decidió analizar 24 muestras de dientes molares, también obtenidas de la Facultad de Odontología y extraídas durante procesos quirúrgicos. La investigadora eligió las muelas porque contienen mayor cantidad de tejido que el resto de los dientes y porque son las que abundan en los consultorios cuando de ortodoncia se trata.

Cada muela se colocó en una resina que permitió dividirla con un cortador de discos de diamante Buehler IsoMet 1000 en cuatro rodajas para maximizar el aprovechamiento del material. Luego, las muestras fueron calentadas en un horno tubular desde la temperatura ambiente (25°C) hasta los 1200°C en una velocidad de calentamiento de 10°C por minuto.

La mitad de las muestras molares se calentaron en un entorno de aire y el resto en una atmósfera inerte (con argón) para aislarlas del contacto con una atmósfera oxidante (del oxígeno). Una vez calentadas se trituraron con un taladro dental manual y una fresa Lynx EM-II hasta obtener polvo, para conocer la cristalinidad del material, es decir “qué tan ordenado es a medida que aumenta la temperatura”, dijo José Reyes a Noticias IFUNAM.

Las muelas fueron obtenidas de la Facultad de Odontología y extraídas durante procesos quirúrgicos. Crédito: Evelyn C. Ayala.

“Por ejemplo los tabiques de la pared tienen un orden, un tabique seguido de otro. Si alteramos ese orden y dejamos un hueco entre cada tabique también alteraríamos sus propiedades y quizá la haría más o menos resistente a ataques”, dijo José Reyes a Noticias IFUNAM.

En el caso de los cristales que conforman las muestras molares hay dos fases que indican su ordenamiento: la fase amorfa (desorden completo del material) y la fase cristalina (material bastante ordenado). Para cuantificar la relación entre orden y desorden, los investigadores utilizaron un parámetro ya definido en la literatura científica conocido como “índice de cristalinidad”.

Mientras ese parámetro sea más grande quiere decir que el material es más cristalino y por lo tanto más ordenado, y mientras más pequeño, es más amorfo o sea más desordenado. Para observar el índice de cristalinidad en el esmalte y la dentina, Vargas y Reyes utilizaron dos técnicas: difracción de rayos X (XRD) y espectroscopía infrarroja (IR).

Con el estudio, los investigadores buscaban conocer la cristalinidad del material, es decir qué tan ordenado es a medida que aumenta la temperatura. Crédito: Evelyn C. Ayala.

IR, más sensible para describir cristalinidad

De acuerdo con los investigadores, mediante la técnica por rayos X se pueden “estudiar los parámetros estructurales de los materiales en escala atómica mediante la determinación de sus grupos espaciales de simetría”. Y la técnica por IR “evalúa la situación local en enlaces químicos seleccionados”, explicó Nancy Vargas a Noticias IFUNAM.

Por ello, asegura Vargas, el índice de cristalinidad por IR es más sensible para detectar el cambio de fase ya que aporta información de la estructura química de los cristales, o como dice José Reyes, “con qué y con quién están ligados los átomos y las moléculas”.

De esa manera, los investigadores observaron que, al calentar el esmalte y la dentina, se perdieron el material orgánico y el agua, lo que produjo un aumento en los índices de cristalinidad, y cuando aumentó la temperatura, creció el cristal de la HAP. Además, las dos técnicas de análisis indicaron que en el esmalte y en la estructura de la dentina hay un mayor ordenamiento de los cristales.

Nancy Vargas estudió metalurgia y ciencia de materiales en el Instituto Politécnico Nacional, además de un posdoctorado en la Facultad de Odontología de la UNAM, y hoy es posdoctorante del IF. Crédito: Evelyn C. Ayala.

“Los cambios en el índice de cristalinidad son a temperaturas más bajas en el esmalte mientras que en la dentina tardan un poco en detectarse porque tiene que ver primero con la eliminación del material orgánico y después con el crecimiento del cristal”, dijo Vargas a Noticias IFUNAM. Quiere decir que el índice de cristalinidad crece en función del tamaño del cristal y de los cambios que presente durante el calentamiento de la muestra.

Otro hallazgo durante el tratamiento de las muestras contradecía parte de la literatura científica sobre huesos expuestos a altas temperaturas, la cual indica que en huesos la hidroxiapatita se transforma en óxido de calcio (CaO). Sin embargo, los investigadores encontraron witloquita en lugar de CaO. Quiere decir que aunque existe hidroxiapatita en dientes y huesos, ésta reacciona de manera distinta cuando se le expone al calor.

“Para sorpresa nuestra (la hidroxiapatita) se convirtió en witloquita que es un fosfato tricálcico o sea una reducción de cierta manera de la fórmula de la hidroxiapatita”, aseguró Reyes a Noticias IFUNAM.

Pese a que por ahora no está en el interés de los investigadores saber lo que ocurriría con los huesos expuestos a altas temperaturas, consideran que estos trabajos contribuyen no solo a la ciencia de materiales sino a las ciencias forenses para conocer la resistencia de los tejidos óseos al calor, específicamente los dientes, que aportan información relevante y única.

Parte de la muestra utilizada en el estudio. Crédito: Evelyn C. Ayala.