Hydroxylapatit (HAP) ist ein gut verträgliches, biomimetisches Kalziumphosphatmineral und stellt damit im sauren Milieu eine potenzielle Quelle für Kalzium- und Phosphationen dar. Studien zeigen, dass sich HAP-Partikel an die Zahnoberfläche anlagern. Die Verwendung von HAP führt zu einer Remineralisation des demineralisierten Zahnschmelzes bis in tiefere Schichten, was unter Mundhöhlenbedingungen (In situ) gezeigt wurde. Im folgenden Artikel werden wissenschaftliche Belege in Form publizierter In-vivo-, In-situ- und In-vitro-Studien zusammengefasst.
Demineralisation und Remineralisation des Zahnminerals/Kalziumphosphate in der Zahnpflege
Demineralisation und Remineralisation des Zahnminerals/Kalziumphosphate in der Zahnpflege
Der Zahnschmelz besitzt eine komplexe, hierarchisch organisierte Mikrostruktur aus Hydroxylapatitkristalliten [Ca5(PO4)3(OH)] und ist das härteste Gewebe im menschlichen Körper [1], [2], [3], [4]. Neben anderen Ursachen (wie z. B. mechanischem Abrieb) kann er insbesondere durch Säuren geschädigt werden. Dies wird als Demineralisation bezeichnet [5]. Es ist bekannt, dass der kritische pH-Wert von Schmelz 5,5 beträgt [6]. Allerdings ist nicht nur der pH-Wert entscheidend für das Ausmaß der Demineralisation, sondern auch die Anwesenheit von Kalzium- und Phosphationen, die dieser durch Remineralisation entgegenwirken [6], [7]. Aus diesem Grund stellt die Verwendung von Kalziumphosphaten (z. B. Hydroxylapatit [Ca5(PO4)3(OH)], β-Trikalziumphosphat [β-Ca3(PO4)2] und amorphen Kalziumphosphaten [Cax(PO4)y · n H2O] [3], [8]) in Zahnpflegepräparaten einen vielversprechenden Ansatz zur Remineralisation dar.
Aus der Reihe der Kalziumphosphate besitzt Hydroxylapatit (HAP) die höchste Übereinstimmung mit den Schmelzkristalliten humaner Zähne und gilt deshalb als biomimetischer Wirkstoff [9], [10], [11], [12]. Bei dem in Zahnpflegeprodukten verwendeten HAP, wie in einer detaillierten rasterelektronenmikroskopischen (REM) Untersuchung gezeigt, handelt es sich um stabile Mikrocluster (Partikel) von hexagonalen Kristalliten. Deren Form und Dimensionen kommen den natürlichen HAP-Kristalliten im Zahnschmelz bis auf das Fehlen einer geordneten räumlichen Anordnung sehr nahe [10]. Der Wirkstoff HAP wurde darüber hinaus unter anderem auch mittels Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht [13], [14], was die Ähnlichkeit im Vergleich zu Zahnschmelz-HAP bestätigt.
Studien zu HAP im Bereich der Zahnpflege wurden in den letzten Jahren in zunehmender Anzahl von deutschen [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23] und internationalen Autoren [24], [25], [26], [27], [28] verschiedener zahnmedizinischer Universitäten in begutachteten Journalen publiziert. Ergänzt werden diese Arbeiten durch interdisziplinäre Grundlagenforschung und mechanistische Studien von Universitäten und Forschungseinrichtungen wie Fraunhofer- und Max-Planck-Instituten, z. B. zu den Affinitätsparametern von HAP-Partikeln und Zahnoberflächen [10], [29].
Das Fachbuch „Toothpastes“ greift HAP in 2 Kapiteln als Wirkstoff auf [30]. Es wird darauf verwiesen, dass HAP das Potenzial hat, Kariesläsionen zur remineralisieren. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Primärstudien referenziert [31], [32], [33], [34]. Darüber hinaus wird HAP als Putzkörper in Zahnpasten aufgeführt [30]. Der Vorteil von HAP als Putzkörper ist insbesondere, dass die Partikel annähernd dieselbe Härte wie der humane Zahn aufweisen und somit das Potenzial einer übermäßigen Abrasion minimiert ist (im Gegensatz zu beispielsweise Perlit oder Al2O3, die eine hohe relative Härte aufweisen) [35].
Überblick über die Verwendung von Hydroxylapatit als biomimetischem Wirkstoff in der Zahn- und Mundpflege
Überblick über die Verwendung von Hydroxylapatit als biomimetischem Wirkstoff in der Zahn- und Mundpflege
Synthetisch kann HAP über unterschiedliche Wege hergestellt werden [3], [36], z. B. mittels Hydrothermalsynthese aus Kalzium- und Phosphatsalzen [3], [9], [36]:
5 Ca2+ + 3 PO4
3− + OH− → Ca5(PO4)3(OH)
Die Charakterisierung von HAP-Wirkstoffen kann mithilfe unterschiedlicher analytischer Methoden erfolgen (z. B. Röntgenpulverdiffraktometrie und REM [10], [14]).
In Zahnpflegeprodukten wird HAP in Deutschland bereits seit über 10 Jahren eingesetzt [20], [21], [30]. Erste Studien zu HAP im Bereich der Zahnpflege wurden Ende der 1980er-Jahre unter anderem von einer Arbeitsgruppe des Universitätsklinikums Gießen um Hüttemann und Dönges (Schutz vor überempfindlichen Zahnhälsen durch HAP) [23] und einer japanischen Arbeitsgruppe um Kani et al. (Kariesschutz durch HAP) [31] publiziert. Vorteilhaft bei der Verwendung von HAP ist die hohe Übereinstimmung mit den natürlichen Schmelzkristalliten sowie eine gute Verträglichkeit (d. h. eine hohe Biokompatibilität) [10], [37]. So ist das Risiko unerwünschter Nebenwirkungen bei Verschlucken, wie sie z. B. bei fluoridhaltigen Produkten bekannt sind (Fluorose), nicht vorhanden. Fluoride werden häufig zur Remineralisation und zur Kariesprävention eingesetzt und es gibt zahlreiche Studien zu diesem Wirkstoff [30]. Insbesondere bei Säuglingen und Kleinkindern besteht jedoch die Gefahr einer Überdosierung bei der Verwendung einer Fluoridzahnpasta, da sie häufig einen Teil der Zahnpasta verschlucken. Besonders zum Tragen kommt dies, wenn mehrere Fluoridquellen miteinander kombiniert werden (Fluoridzahnpasta, fluoridiertes Speisesalz, Fluoridtabletten, Mineralwässer mit Fluorid etc.) [38]. Die Prävalenz von milden Fluorosen liegt in Deutschland zwischen 10 und 20% (Trinkwasser wird in Deutschland nicht fluoridiert) [38]. Ein entsprechender Hinweis auf Fluoridzahnpasten ist gemäß Europäischer Kosmetikverordnung bindend, sofern die Zahnpasta 1000 – 1500 ppm Fluorid enthält (außer, wenn nicht ohnehin als für Kinder ungeeignet gekennzeichnet) [39].
Zusatzinfo
„Für Kinder bis 6 Jahre: Nur erbsengroße Menge Zahnpasta benutzen. Zur Vermeidung übermäßigen Verschluckens Zähneputzen nur unter Aufsicht. Bei zusätzlicher Aufnahme von Fluorid den Zahnarzt oder Arzt befragen.“
Ein derartiger Hinweis ist für fluoridfreie Zahnpasten mit HAP nicht notwendig. Damit stellt HAP als Wirkstoff eine Alternative zu Fluorid dar, die sich für alle Altersgruppen eignet und auch in größeren Konzentrationen eingesetzt werden kann, während die Einsatzkonzentration von Fluorid in Zahnpasten gesetzlich auf 0,15% ≙ 1500 ppm beschränkt ist [10], [39], [40].
Formulierungen mit HAP können in unterschiedlichen Bereichen der Mundpflege eingesetzt werden, wobei die Wirkung von HAP auf verschiedenen Wirkmechanismen basiert ([Tab. 1]) [9], [41].
Tab. 1 Übersicht über die Wirkmechanismen von HAP in der Mundhöhle (Details siehe Text) [41].
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Wirkmechanismen
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Beschreibungen
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physikalisch
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Schichtbildung durch Anlagerung von HAP-Partikeln an Zahnoberflächen, Reinigungseigenschaften als Putzkörper
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(bio-)chemisch
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Quelle für Kalzium- und Phosphationen, Bildung einer Bindung zwischen HAP-Partikeln und der Zahnoberfläche, „Opfermaterial“ für Säureangriffe
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biologisch
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Interaktion von HAP-Partikeln mit Mikroorganismen (→ Reduktion der bakteriellen Anlagerung an der Zahnoberfläche)
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Klinische Studien zeigen unter anderem eine Schutzwirkung bei Dentinhypersensibilität [18], [23], [27], [28], [42], [43] und die Verbesserung der Parodontalgesundheit (z. B. Reduktion von Zahnfleischbluten) [16], [17], [44]. In einer klinischen Doppelblindstudie von Harks et al. wurde an den Unikliniken Münster und Würzburg gezeigt, dass sich die Zahnfleischgesundheit von Parodontitispatienten durch die Verwendung einer HAP-Zahnpasta in gleichem Maße verbesserte wie durch die Verwendung einer fluoridhaltigen Zahnpasta mit den antibakteriellen Komponenten Amin und Zinn [17]. Die gewonnenen Plaqueproben wurden darüber hinaus von Hagenfeld et al. mit modernsten mikrobiologischen Analysemethoden (Next Generation Sequencing) untersucht [16].
Im Bereich Dentinhypersensibilität zeigt eine Metaanalyse von Hu et al. die Wirksamkeit von HAP-Zahnpasten im Vergleich zu Negativkontrollen [42]. Dabei wird von einem rein physikalischen, anästhetikafreien Wirkprinzip ausgegangen, wonach HAP-Partikel offenliegende Dentintubuli blockieren und damit die Einwirkung diverser Stimuli auf den Zahnnerv verhindern, was die Schmerzanfälligkeit reduziert [18], [23], [43], [45].
Überdies bestätigen In-situ-Studien die Reduktion der initialen bakteriellen Kolonisation an Schmelzoberflächen durch die Verwendung von HAP. Die Studien von Hannig et al. [20] und Kensche et al. [19] zeigen eine vergleichbare Reduktion der bakteriellen Anlagerung an Zahnoberflächen, wie sie bei Chlorhexidin, dem Goldstandard gegen orale Biofilme [46], festgestellt werden kann. Dabei werden die Bakterien durch HAP nicht abgetötet [19], sodass das ökologische Gleichgewicht der Mundhöhle bei gleichzeitiger Senkung der Bakterienlast an der Zahnoberfläche intakt bleibt. HAP zeigt dabei keine bakteriziden Eigenschaften, sondern eine antiadhärente Wirkung mit gleicher Wirksamkeit (d. h. gleiche Reduktion der bakteriellen Anlagerung) [19]. Während klassische antibakterielle Wirkstoffe wie Chlorhexidin oder Zinnverbindungen (z. B. Zinnfluorid, Zinnchlorid) bei längerer Verwendung zu unerwünschten, häufig bräunlichen Zahnverfärbungen führen können [47], [48], besteht dieses Risiko bei HAP nicht. Stattdessen trägt HAP als weißer Wirkstoff tatsächlich zu einem Whitening-Effekt bei [22], [49], [50], [51], [52], [53].
Diese schonende Reduktion der bakteriellen Anlagerung an den Zähnen ist auch hilfreich, um Karies und Zahnfleischproblemen vorzubeugen [7], [35], [54]. In der Praxis lässt sich allerdings feststellen, dass selbst bei gründlicher häuslicher Zahnpflege keine vollständige Plaqueentfernung zur Karies- und Parodontitisprävention möglich ist [55]. Dies zeigen auch die aktuellen Ergebnisse der Fünften Deutschen Mundgesundheitsstudie, die belegen, dass in Deutschland – trotz Verbesserungen – Karies bei Erwachsenen allgemein noch weitverbreitet ist (durchschnittliche Karieserfahrungen: 35- bis 44-Jährige: 11,2 Zähne bei einer Kariesprävalenz von 97,5%; 65- bis 74-Jährige: 17,7 Zähne bei einer Kariesprävalenz von 99%; 75- bis 100-Jährige: 21,6 Zähne bei einer Kariesprävalenz von 99%) [56]. Auch bei Kindern ist in Deutschland Karies nach wie vor weitverbreitet [57].
Somit besteht neben etablierten Wirkstoffen und Wirkkonzepten nach wie vor ein hoher Bedarf an gut verträglichen (biomimetischen) Konzepten ohne Fluoroserisiko, die auch bei Anwesenheit von Plaque wirksam sind und das Remineralisations-Demineralisations-Gleichgewicht in Richtung der Remineralisation verschieben können.
Wirkungen von Hydroxylapatit in der Remineralisation von Schmelz und Dentin
Wirkungen von Hydroxylapatit in der Remineralisation von Schmelz und Dentin
Klinische Studien
Im Bereich der Kariesprävention mit HAP gibt es 2 publizierte klinische Studien. Kani et al. publizierten die 1. Studie, die den kariesprotektiven Effekt einer HAP-haltigen Zahnpasta an japanischen Schulkindern beschreibt [31]. Diese klinische Studie wird auch im Fachbuch „Toothpastes“ zitiert [30]. Da es eine Vielzahl an Studien gibt, die den kariesprotektiven Effekt von Fluoriden in Zahnpasten beschreiben [30], [58], wurde in einer klinischen Studie von Schlagenhauf et al. eine fluoridfreie Zahnpasta mit HAP mit einer Zahnpasta mit 1400 ppm Fluorid (Aminfluorid und Zinn(II)fluorid) verglichen [15]. Diese Doppelblindstudie wurde an 5 deutschen Universitätskliniken (Würzburg, Regensburg, München, Dresden, Frankfurt) an 150 Probanden in kieferorthopädischer Behandlung (d. h. einer Kariesrisikogruppe) durchgeführt und im Fachmagazin Journal of Investigative and Clinical Dentistry publiziert [15]. In der gewählten Kariesrisikogruppe können erste Kariesläsionen bereits nach nur 1 Monat beobachtet werden, wie OʼReilly und Featherstone berichten [59]. Die Kariesdetektion in der Studie von Schlagenhauf et al. erfolgte nach standardisierten ICDAS-Kriterien (International Caries Detection and Assessment System [60]). Die statistische Nichtunterlegenheitsanalyse zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen der HAP-Gruppe und der Fluoridgruppe.
In-situ-Studien
Eine In-situ-Studie zum Schmelzremineralisationspotenzial einer HAP-Zahnpasta unter Mundhöhlenbedingungen wurde im Dezember 2019 von Amaechi und Mitarbeitern im internationalen Fachjournal BDJ Open publiziert [24]. In dieser Studie wurden eine fluoridfreie Zahnpasta mit HAP und eine Zahnpasta mit 500 ppm Fluorid (Aminfluorid) hinsichtlich der Remineralisation initialer Kariesläsionen und dem Schutz vor Demineralisation untersucht. Die Doppelblindstudie wurde mit 30 Probanden in einem Cross-over-Design durchgeführt. Die Mineraldichte und Läsionstiefe der In-situ-Schmelzprüfkörper wurden mittels Mikroradiografie quantifiziert. Beide Zahnpasten führten zu einer signifikanten Remineralisation des Schmelzes und einer Reduktion der Läsionstiefe im Vergleich zu den Ausgangswerten (p < 0,0001). Eine Demineralisation von intakten Schmelzproben wurde nicht beobachtet. Dies lässt schlussfolgern, dass die untersuchte HAP-Zahnpasta in dieser Studie initiale Kariesläsionen genauso gut wie die Fluoridzahnpasta remineralisieren konnte. Die Analysen der mikroradiografischen Aufnahmen dieser In-situ-Studie zeigen zudem, dass Fluorid die Schmelzoberfläche primär oberflächlich remineralisiert, wohingegen HAP bis in tiefere Schichten des Schmelzes homogen remineralisiert [24].
Eine vorangegangene In-situ-Studie von Najibfard et al. zeigte ebenfalls eine remineralisierende Wirkung von HAP [25]. Hier wurden Zahnpasten mit 5% und 10% HAP sowie mit 1100 ppm Fluorid (Natriumfluorid) getestet. Alle 3 Zahnpasten erzielten eine signifikante Remineralisation, wobei es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen gab [25].
In-vitro-Studien
Neben den oben genannten In-situ-Remineralisationsstudien wurden auch In-vitro-Remineralisationsstudien publiziert, von denen einige hier beispielhaft dargestellt werden.
Zahnmediziner an der Charité – Universitätsmedizin Berlin zeigten in einer In-vitro-Studie, dass fluoridfreie Zahnpasten mit HAP zu höheren Remineralisationseffekten an Dentin führten als die Verwendung von Zahnpasten mit Aminfluorid [21]. In einer anderen In-vitro-Studie wurde der Remineralisationseffekt eines HAP-Gels untersucht. Dabei konnte ein signifikanter remineralisierender Effekt festgestellt werden, der deutlich ausgeprägter war als bei künstlichem Speichel alleine [61]. Dies zeigt, dass die Verwendung von HAP auch bei normalem Speichelfluss hinsichtlich der Remineralisation vorteilhaft sein kann. Auch bei reduziertem Speichelfluss (Hyposalivation) ist HAP als Wirkstoff für die Remineralisation interessant, weil er im Gegensatz zu anderen Wirkstoffen für seine Wirkweise nicht zwangsläufig auf die Kalzium- und Phosphationen aus dem Speichel angewiesen ist [62]. Eine In-vitro-Studie von de Carvalho et al. zeigt, dass eine HAP-haltige Paste einen protektiven Effekt gegen die Entwicklung einer Schmelzkaries hat [63]. Jedoch konnten Esteves-Oliveira et al. in einer In-vitro-Studie keinen vor Demineralisation schützenden Effekt durch eine HAP-Zahnpasta (im Gegensatz zu Fluoridzahnpasten) zeigen [64]. Scholz et al. demonstrierten bei der Verwendung von unterschiedlichen Fluoridgelen In vitro, dass Fluorid-Kalzium-Präzipitate nur bei Fluoridgelen mit saurem pH-Wert (und nicht bei Fluoridgelen mit neutralem pH-Wert) beobachtet werden konnten [65]. Dies deutet darauf hin, dass hier Kalziumionen aus dem Zahnmineral gelöst und in den Remineralisatiosprozess eingebunden werden, und diese nicht aus dem Wirkstoff selbst stammen (wie bei der Verwendung von kalziumphosphathaltigen Wirkstoffen). Hornby et al. bestätigten durch die Verwendung von radioaktiv (45Ca) markiertem HAP, dass Kalziumionen aus dem HAP-Wirkstoff im Remineralisationsprozess involviert sind [66].
Interaktion von Hydroxylapatitpartikeln mit der Zahnoberfläche und mechanistische Untersuchungen
Interaktion von Hydroxylapatitpartikeln mit der Zahnoberfläche und mechanistische Untersuchungen
Die Interaktion von HAP-Partikeln mit Zahnschmelzoberflächen wurde in einer In-vitro-Studie von Fabritius-Vilpoux et al. mittels hochaufgelöster REM untersucht [10]. HAP-Partikel lagern sich selbst in Abwesenheit jeglicher organischer Substanzen an Zahnoberflächen an und bilden Mineralbrücken zwischen Schmelz- und Partikelkristalliten [10]. Eine Anlagerung von HAP-Partikeln an Schmelzoberflächen wurde von Kensche et al. auch unter Mundhöhlenbedingungen (In situ) gezeigt [19]. Lelli et al. demonstrierten in einer Ex-in-vivo-Studie, dass sich durch die Verwendung einer HAP-Zahnpasta eine kalziumphosphathaltige Schicht auf der Zahnoberfläche bildet [67]. Die Ergebnisse einer In-vitro-Studie zum Erosionsschutz von HAP bei Säureangriffen zeigt, dass der nach Verwendung entsprechender Produkte auf dem Zahnmineral vorhandene HAP-Film als „Opferanode“ dient und die Zahnoberfläche durch Kalzium- und Phosphationen aus Speichel und gelöstem HAP-Wirkstoff geschützt und teilweise remineralisiert wird [68]. Sudradjat et al. zeigten in einer 3-tägigen Pilotstudie unter In-vivo-Bedingungen an Kindern, dass es durch die Verwendung eines HAP-Gels in den Medianen eine Tendenz zu höheren Kalzium- und Phosphorgehalten in der Plaque gibt: Ausgangswert Kalzium: 0,25 Gew.-%, Kalzium nach Anwendung: 0,40 Gew.-%; p = 0,5/Ausgangswert Phosphor: 1,17 Gew.-%, Phosphor nach Anwendung: 1,41 Gew.-%; p = 0,3 [29]. Cieplik et al. untersuchten das Verhalten von HAP in bakteriellen Biofilmen in einer In-vitro-Studie [69]. Der Wirkstoff HAP setzt in sauren Streptococcus mutans-Biofilmen Kalziumionen frei. Es ist wichtig, gerade bei vorhandenen Biofilmen (z. B. an schwer zu reinigenden Flächen) zusätzlich externe Kalziumquellen bereitzustellen, weil die sogenannten Exopolysaccharide (EPS) der Bakterien Kalzium aufnehmen und damit binden [70]. Hierdurch kann das Remineralisationspotenzial des Speichels gesenkt werden. Außerdem führt die Verwendung von HAP zu einer leichten Erhöhung des Biofilm-pH-Werts [69]. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil die Kristallisation von HAP (d. h. auch die Remineralisation aus dem Speichel) im neutralen bis leicht basischen pH-Bereich begünstigt ist [3].
Shaw et al. zeigten überdies, dass Plaque von Kindern ohne Karieserfahrung mehr Kalzium und Phosphat enthält als Plaque von kariesanfälligen Kindern [71]. Auch deshalb erscheint die Zugabe von kalziumphosphathaltigen Wirkstoffen wie HAP in Zahnpflegeformulierungen sinnvoll zu sein.
Fazit
Der Wirkstoff Hydroxylapatit wird in unterschiedlichen Bereichen der Zahnpflege eingesetzt [9], [15], [17], [18], [19], [20], [21], [24], [31], [41], [42], [53]. Studien zeigen, dass HAP die Remineralisation der Zähne begünstigt [21], [24], [25], [61]. Auf Basis der publizierten Daten lassen sich in der Remineralisation folgende Wirkmechanismen von HAP ableiten [41]:
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biophysikalisch: Anlagerung von HAP an Schmelz und Dentin
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biochemisch: lokale Auflösung, Freisetzung von Kalzium- und Phosphationen, Säurepuffer, Kristallisationskeimbildung und Wachstum
Die oben beschriebenen, publizierten In-vivo-, In-situ- und In-vitro-Studien zeigen ein zunehmend klareres Bild der Wirkweisen und Effizienz von HAP insgesamt und verdeutlichen, dass HAP auch über die Remineralisation von Schmelz und Dentin hinaus ein vielversprechender biomimetischer Wirkstoff in der Zahnpflege für Personen aller Altersstufen ist.
Weiterführende Literatur
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Open Dent J 2019; 13: 274 – 287
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Bioinspir Biomim Nan 2019; 8: 141 – 153
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BDJ Open 2019; 5: 18
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J Invest Clin Dent 2019; 10: e12399
Abstract
The oral cavity is a highly dynamic environment where the de- and remineralization of tooth enamel and dentin are in equilibrium. This equilibrium can be shifted towards an undesired net-demineralization by bacterial biofilms (dental caries) or an acidic diet (dental erosion). One way to remineralize the dental hard tissues with an active ingredient is the use of particulate hydroxyapatite [Ca5(PO4)3(OH)]. Hydroxyapatite (HAP) is a well-tolerated, biomimetic calcium phosphate mineral that represents a potential source of calcium and phosphate ions in an acidic environment. Studies show that hydroxyapatite particles adhere to the tooth surface. As demonstrated under oral cavity conditions (In situ), the use of HAP containing products leads to a remineralization of demineralized enamel down to deeper layers. This article summarizes scientific evidence supporting the biomimetic remineralization of tooth tissues by hydroxyapatite based on In vivo, In situ and In vitro studies.
