Analisi mineralogiche in ambito biomedico:a) il caso dell’antracofibrosi;

b) microstrutture in cementi dentistici.

Il caso dell’antracofibrosiIn collaborazione con:Luca Barchi

Dott. Alberto RoggeriDott. Alberto Cavazza

Contributo della mineralogia:riconoscimento fasi

Antracofibrosi

• Definizione: “bronchial luminal narrowing with black pigmentation ofoverlying mucosa”(Chung et al 1998)

• Cause: “esito di tubercolosi” (Chung et al 1998, Kim et al. 2000), “woodsmoke” esposizione al fumo diretta, specialmente nelle donne, scarsaventilazione (Amoli 1998), in Corea e Iran

• È riportato un caso di cura con terapia antitubercolare (Long et al. 2004)• Recentemente osservata la presenza di silice cristallina e fillosilicati (mica e

caolino) in 3 casi di antracofibrosi i primi che l’hanno cercata con il TEM, inpazienti negativi alla tubercolosi (Naccashe et al 2007).

• Si suggerisce quindi anche una eziologia da connessa ad esposizione apolveri miste minerali

• Malattia rara (o non diagnosticata?). Necessita di broncoscopia per ladiagnosi

• Diverso da silicosi che coinvolge le piccole vie aeree e il parenchimapolmonare

• Come per la silicosi però ho formazione di noduli (associati ad adenopatie)ed ostruzione delle vie coinvolte

Esame broncoscopia

Osservazione in sequenza del broncoprincipale di sinistra e del broncosuperiore ed inferiore di sinistra

Esame broncoscopia

Orifizio del bronco superiore sinistro

Esame broncoscopia

Confronto bronchi inantracofibrosi e silicosi

Biopsia chirurgica: bronchi

Elevata presenza di macrofagi (viola),Fibrosi dei bronchiStruttura infiammatoriaZone più scure, grana fine: silicati? Birifrangenti?

Osservazioni microscopiche(campione inparaffina)

• Biopsia chirurgica su bronchi

Biopsia chirugica: polmoni

Cellule fibrotiche, crescita irregolarePresenza di elevata di macrofagi (meno che nei bronchi)Presenza di corpi estranei non biologici (non addensati e menodiffusi)Presenza di noduli silicotici

Problema:• Origine antracofibrosi: una silicosi dei bronchi,

una patologia associata alla tubercolosi, onessuno dei due?

• Può essere una tecnopatia?

• Definire in tre casi la presenza di silicati incampioni provenienti da biopsia bronchiale ed inuno dei tre anche da biopsia chirurgica, siabronchiale che polmonare.

• I pazienti sono tutti negativi alla tubercolosi,presentano tutti antracofibrosi, ma solo in uncaso ho interessamento polmonare

Procedura analitica• Mancanza di procedure definite per

l’antracofibrosi• Presenza di campione abbondante, ma

eterogeneo in un caso (biopsia chirurgica), moltolimitato in altri (biopsie bronchiali)

• Problematica etica: necessità di evitare indaginiche prevedano un disagio per il paziente inassenza di alterazione della TAC o difunzionalità respiratoria, non giustificabili daprospettive di cura

• Effettuata la scelta (opinabile) di non distruggereil campione, per mantenere le relazioni spazialitra granuli minerali e materiale biologico

SEM-EDS

• Preparazione campioni: prima osservazione sul campione paraffinato:proveniente dalla biopsia chirurgica e confronto con negativo.Problemi di vuoto

• Lucidatura ed inglobatura in araldite su campioni da biopsie: problemidi dimensione (circa 100 - 400 m), possibile inquinamento (dasilicati per il taglio) e perdita campione (morbido)

• Campioni inglobati in resina, ma messi a luce con il microtomo

Osservazioni SEM-BSE, campioneparaffinato

antracofibrosi negativo

Presenza di silicati, di Na,K, Al, minore Ca e Fe, e di probabile Zr (o P?)

Diffrazione RX

Nodulo post operatorio in paraffina, esaminato al SEM (prima osservazione) eper diffrazione X

Diffrazione RX

Paraffina, ma anche picchi a 7 e 12 Å (caolino?, montmorillonite?), ZrSiO4 o ZrO2Picchi con d = 12.4 e 18.4Å (basali montmorillonite mono e trihydration layer,12.5 e 17.7-18.6, Sato et al 1992)

00 003 0574 (D) P h llit Al2Si4O10(OH)2 Y 020 % d b 1 WL 154056 M li i 5 15000 b 892000 18 59000 l h 90 000 b t 99 920 90000 B t d C2/ (15) 4 841 220 F200-012-0204 (D) - Montmorillonite - Nax(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·zH2O - Y: 1.75 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - 00-012-0447 (D) - Kaolinite 1T - Al2Si2O5(OH)4 - Y: 1.39 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Triclinic - a 5.14000 - b 8.93000 - c 6.91250 - alpha 91.800 - beta 104.500 - gamma 90.000 - 307.017 - F30= 1(0.1220,195)00-037-1484 (*) - Baddeleyite, syn - ZrO2 - Y: 2.50 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Monoclinic - a 5.31290 - b 5.21250 - c 5.14710 - alpha 90.000 - beta 99.218 - gamma 90.000 - Primitive - P21/a (14) - 4 - 140.700 - I/Ic PDF 2.6 - F300-040-1995 (C) - n-Paraffin - (CH2)x - Y: 96.31 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Orthorhombic - a 7.45500 - b 4.96600 - c 2.58900 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnam (62) - 95.8487 - F9=225(0.0040,10)Operations: Background 1.445,1.000 | Importcaso - File: CASO.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 60.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 20. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 mm - Y: 0.

0

1000

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16000

2-Theta - Scale

6 10 20 30 40 50

Diffrazione X

Osservazioni su biopsie bronchiali(inglobati in resina e lucidati)

•Eterogeneitàdistribuzione granuli.• Possibilità di biopsienon significative• Diffusione dellafibrosi anche in zonenon interessate dallasilicosi

• Biopsia dello stessopaziente della biopsiachirurgica (Campione 1,XR e microscopia)• Macroscopicamentetutto antracotico (nero)

SEM-EDS: campione 1BSE Si

AlNa

Zirconio e Potassio

Analisi a 25 kV, analisi sovrapposte? Zircone: ampiamenteutilizzato nell’industriaceramica comeopacizzante

Zr K

Analisi edsGranuli sodici:

Granuli potassici

risultati analiticicompatibili conminerali delle argilleillite-smectite(montmorillonite), acontenuto variabile diK e Na

SEM-EDS: campione 2•Apparente assenza disilicati, né in retrodiffusi,né in analisi• cristalli più grossi (2-3µm) di NaCl• cristalli di apatite(ossificazione) inferiorial µm

SEM-EDS: campione 2• Occasionali granuli contenetisilicati e ossidi di Fe , Ti e Cu(pigmenti per colorazioneceramica?) . Dimensioniinferiori al µm.

SEM-EDS: campione 3• Assenza di silicati, a parte il punto inesame.• Silicati di Na, Al, Mg, Ca. Probabile origineda minerali argille• Dimensioni intorno al µm

•La presenza di minerali delle argille sarebbecoerente con l’anamnesi. Possibilecampionatura insufficiente (area di circa 100x100 µm2), come campione precedente.

Indicazioni SEM-EDS

• Silicati a grana sempre inferiore a 5-10µm, osservaticon abbondanza in un caso

• Formazione di aggregati ed eterogeneità nelladistribuzione dei granuli

• Prevalenza di analisi Na-Al-Si, talvolta Na assente,talvolta K presente (montmorillonite ? Associazione finedi fillosilicati ?)

• Presenza in un caso di composti di Fe-Ti-Cu (utilizzaticome pigmenti ?)

• Presenza di Zr associato a Si (ZrSiO4?)

• Assenza di silice

TEM (biopsia chirurgica polmonare)

Risultati TEM-EDS

• Presenza di zircone, mica (illite), smectite(montmorillonite?)

• Granulometria inferiore al µm• Assenza di silice, amorfa o non, e in generale di

fasi amorfe (coerente con mixed dust silicosis,ma non con Naccashe et al. 2007, che l’avevanoosservata)

• Non osservate fibre

• Coerente con i risultati XRD e SEM-EDS e conl’anamnesi

Conclusioni (analitiche)• Presenza di silicati nei campioni, ma solo in uno

riscontrati in elevata quantità.• Provenienza da attività in ditte ceramiche,

coerente con l’anamnesi. Indicazione ditecnopatia.

• In un caso riscontrata ossificazione.• L’assenza di silice e l’elevata presenza di granuli

di silicati suggerisce una origine da silicosi deibronchi (quartz free mixed dust silicosis), manon è chiara la causa della forte diversità diconcentrazione dei silicati tra le biopsie.

• Possibile origine multigenica dell’antracofibrosi?Problemi di campionatura?

Classificazione

Conclusioni generali

• Esiste uno spazio nella caratterizzazionedelle fasi di interesse biomedicoimmediatamente occupabile con lecompetenze analitiche di un mineralogista

• Lavori non indipendenti: competenzemediche per la definizione del problema el’utilizzazione dei risultati, competenzeanalitiche e sul materiale perl’interpretazione dei risultati

Analisi mineralogiche in ambito biomedico:a) il caso dell’antracofibrosi;

b) microstrutture in cementi dentistici.

Applicazioni ai materiali dentistici

• Materiali biocompatibili (p.es. apatitenanocristallina e paradontosi).Review in Silicate Biomaterials for Orthopaedic and Dental Implants (2006)RiMG 64, 283-313

• Materiali per ceramici (minerali)• Cementi dentistici (MTA)

Contributo mineralogia:analitico e sperimentale

Ceramiche dentistiche: proprietàrichieste

• Resistenza meccanica: ridurre al minimo lemicrofratture che si hanno durante il raffreddamento

• Aspetto estetico: colore bianco avorio, ottenuto convetri di composizione feldspatica e modificato dapigmenti (indici di rifrazione simili tra le fasi), aspettoopaco se con supporto metallico

• Biocompatibilità

• Facilità di preparazione e installazione

Materiali per ceramici• I ceramici ad uso dentistico sonovetri per lo più feldspatici con unafase cristallina (in genere leucite olithium disilicate). La fasecristallina è necessaria perminimizzare la fratturazionedurante il raffreddamentosuccessivo alla fase di cottura.•La leucite è stata la prima fasecristallina aggiunta: presenta unaelevata espansione termica (inrealtà in parte legata allatransizione tetragonale-cubico), ingrado di far espandere laporcellana come il metallo dellastruttura di supporto

Tecniche di preparazione•Il processo di preparazioneprevede sinterizzazione ad HT ofusione (700-900°C) ecristallizzazione delle fasipresenti durante il trattamento atemperature inferiori.• Esistono tuttavia numerosevarianti, con diverse modalità ditrattamento,diverse fasi mineraliaggiunte (p.es. mica, apatite),preparazioni su base metallica(più vecchia e più usata) e non

Microfratture• Le microfratture si sviluppano nelle porcellane

feldspatiche durante il raffreddamento e sono dovute alladifferenza di contrazione termica tra vetro e matricecristallina o tra vetro e substrato metallico.

• Nelle porcellane a supporto metallico l’accordo tra vetroV = 8 x 106/°C e supporto metallico ( V = 13 x 106/°C ) è

ottenuto con l’aggiunta di leucite ( V = 27 x 106/°C).• L’aggiunta di fasi cristalline è comunque necessaria a

stabilizzare meccanicamente il vetro

Denry, 1996, Crit Rev. Oral Biol. Med.

Problemi• Scelta del materiale biocompatibile• Proprietà meccaniche ideali: granuli inferiori alµm• La natura, quantità, distribuzione delle fasicristalline influenzano le proprietà meccaniche eottiche del materiale…

Selezionare le condizioni sperimentali ottimali perl’aspetto termodinamico (fasi presenti), cinetico(dimensioni e distribuzioni dei granuli) e di fisicadei minerali (comportamento termomeccanicodelle varie fasi)

Esempio di materiale

“HSP porcelain compared with conventional feldspathic porcelain for metal-ceramicsleads to a higher modulus of rupture and compressive streng th (Vaidyanathan et al,1989). The large amount of leucite in the material contributesto a high thermalcontraction coefficient (Katz,1989). In addition, the large thermal contractionmismatch between leucite (22 to 25 x 10-6/°C) and the glassy matrix (8 x 10-6/°C)results in the development of tangential compressive stresses in the glass around theleucitecrystals when cooled. These stresses can act as crack deflectors andcontribute to increase the resistance of the weaker glassy phase to crackpropagation. After a treatment of Optec HSP for one hour at temperatures rangingfrom 705 to 980°C, a second metastable phase identified as sanidine (KAlSi3O8)forms at the expense of the glassy matrix (Vaidyanathan et al, 1989). Thecrystallization of sanidine is associated with a modification of the optical properties ofthe material from translucent to opaque. However, sanidine does not appear whenthe porcelain is heated to 980°C, since sanidine is metastable (?) in the temperaturerange 500-925°C. The precipitation of sanidine has been reported as well uponisothermal heat treatment of conventional feldspathic porcelain for metal-ceramics”

Denry, 1996, Crit Rev. Oral Biol. Med.

Esempi di lavori

• The crystallization of an aluminosilicate glass in theK2O–Al2O3–SiO2 system (2005) Dental Materials, 21,811-822

• Quantification of leucite concentration using X-raydiffraction (2000) Dental Materials, 16, 20-25

• High-temperature X-ray diffraction measurement ofsanidine thermal expansion (2000) J Dent Res,Biomaterials and Bioengeneering 79, 1590-1595 (celleelementarideterminate su 10 diffrazioni, in 8 misure, conuna dettagliata descrizione su come si esegue unaffinamento di cella elementare). L’impact factor dellarivista è 3.192. la prima nel settore.

Possibili problemi di pertinenzamineralogica (s.l.)

• Studi sul comportamento di frattura e resistenza altaglio

• Indagini sperimentali per definire le condizioni ottimali dipreparazione delle ceramiche: pochi difetti,granulometria dei cristalli omogenea ed intorno al µm,distribuzione tale da ottenere un feltro omogeneo dicristalli che ne aumenta la resistenza

• Espansioni termiche e transizioni di fase

• Analisi tessiturali e composizionali dei prodotti ottenuti

• Caratterizzazione di materiali commerciali

Microstrutture in cementi per l’odontoiatria:il mineral trioxyde aggregate (MTA)

In collaborazione con:

Mauro RigoloneMario LendiniDaniele MazzaLuca BarchiRoberto Cossio

Caratteristiche MTA• È un cemento, introdotto nel

1995 (Torabinejad et al.) eutilizzato nelle cureendodontiche. I tre ossidisono CaO, SiO2, Al2O3

Vantaggi:• Promuove la ricrescita ossea• Presenta elevata

biocompatibilità• È un ottimo sigillante

(elimina le microinfiltrazioni)• Minimizza l’infiammazione

periapicale

Ricrescita ossea

Formazione di legamentoparadontale all’interfaccia cemento -osso

Facilità d’uso

Perforazione radicolare

Biocompatibile

Dopo l’operazione Dopo 6 mesiDurante l’operazione

Otturazione ortograda

Limiti MTA

• Bassa resistenza alla compressione (dopo4 ore 40 Mpa, dopo 21 giorni 67 MPa).Impossibile uso in aree funzionali.

• Distanza critica per il consolidamento 4-5mm

Differenze con Portland• Venduti come prodotti specifici sono in realtà un

variante del cemento di Portland, con l’aggiuntadi Bi2O3 come opacizzante (materiale ad elevatoassorbimento dei RX per verificarne ilposizionamento nel dente)

• Il costo però non è del cemento di Portland…• Ci sono limitate differenze composizionali (meno

Fe e S), ma manca una comparazionetessiturale a condizioni uguali di consolidamento

• Esistono inoltre cinque varianti dello stessoprodotto, poco o nulla caratterizzatemineralogicamente

Problemi clinici e materiali• Adesività con il dente maggiore nel gray

MTA rispetto agli altri prodotti

• Resistenza meccanica durante la messain posto maggiore nel gray MTA

Da quantificare e mettere inrelazione con le caratteristiche

microstrutturali dei materiali

Problema affrontato• Caratterizzazione di prodotti commerciali post-

consolidamento• Confronto interno tra prodotti - confronto con un

cemento di Portland

Strumenti e metodi• Esaminati 4 prodotti diversi di cemento MTA (su

5 in commercio) ed un cemento Portland• Campioni consolidati secondo una procedura

comune, analoga alla pratica clinica, in ambienteumido, inglobati e lucidati

• Caratterizzazione SEM-BSE e con mappequantitative SEM-EDS del materiale lucidato

Diffrazione X (polvere prima delconsolidamento)

03-0727 (D) - Apatite - Ca5(F,Cl)P3O12 - Y: 31.33 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Hexagonal - 01-1012 (D) - Calcium Silicate Oxide - Ca2SiO4 - Y: 29.17 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - 44-1481 (D) - Portlandite, syn - Ca(OH)2 - Y: 14.58 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Hexagonal - I/Ic PDF 2.9 - 41-1449 (*) - Bismite, syn - Bi2O3 - Y: 18.75 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Monoclinic - I/Ic PDF 1.4 - 13-0272 (N) - Calcium Magnesium Aluminum Oxide Silicate - Ca54MgAl2Si16O90/54CaO·16SiO2·Al2O3·MgO - Y: 8.33 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Monoclinic - 42-0551 (*) - Calcium Silicate - Ca3SiO5 - Y: 81.02 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Monoclinic - Operations: Smooth 0.300 | Background 0.813,1.000 | Importcampione4 - File: campione4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 2.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 2.5 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 2.000 ° - Theta: 1.000 ° - Display

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2-Theta - Scale

2 10 20 30 40 50 60 7

Dicalcium silicate etricalcium silicate, bismite.Fasi tipiche dei cementi diPortland, a parte la bismite.In un campione ancheapatite.

Analisi medie (at %)

57.6056.9855.5957.5656.64O

1.480.501.150.30Bi

0.35W

0.900.180.100.561.54Fe

0.090.040.810.34Ti

17.1824.5831.5824.0023.42Ca

0.110.30K

0.180.210.360.52S

1.36P

9.6810.989.448.9810.09Si

8.625.380.833.745.92Al

3.700.860.491.541.25Mg

0.290.340.260.360.36Na

Angelusgray

Angeluswhite

Prorootwhite

AureosealPortland • Analisi nel campodei cementi Portland• Minore Fe (coloradi grigio), minore S• Elementi pesanticome Bi e W• Al, Ti e Mg moltovariabili (clinker dipartenza?)

SEM-EDS: Portland e MTABSE BSE

• Assenza di opacizzante• Si osservano meno fasi residuali (maggiore reazione?)• Maggiore fratturazione nell’ MTA

SEM-EDS confronto tra prodotti• Differenze nelledimensioni e formadegli”opacizzanti”. Inparticolare la bismitemonoclina e lascheelite tetragonale,ma con abitopseudottaedrico• Presenza di fasiresiduali (belite) didimensioni diverse• Presenza di apatite inun prodotto

Aureoseal Proroot WMTA

Angelus WMTA Angelus GMTA

Analisi Ca

Proroot WMTA

Aureoseal Angelus WMTA

Angelus GMTA

Analisi Bi

Proroot WMTA

Aureoseal Angelus WMTA

Angelus GMTA

Analisi Al

Proroot WMTA

Aureoseal Angelus WMTA

Angelus GMTA

Analisi Mg

Proroot WMTA

Aureoseal Angelus WMTA

Angelus GMTA

Conclusioni (MTA): differenzecon il Portland

• Tessiturali: maggiore omogeneità del cemento

• Mineralogiche: presenza oltre alle fasi tipiche del cemento diPortland di apatite e/o opacizzanti (Bi2O3, CaWO4)

• Composizionali: differenze tra i vari prodotti, ma in genereminore Fe e S. Riscontrato anche un minore contenuto dielementi in traccia potenzialmente nocivi (Mn, Sr ecc.,Dammarsche et al. Dental Materials 2005)

• Messa in opera: assenza di inerti (allo studio microinerti)

Differenze presenti, ma non talida giustificare l’enorme differenza di costo

LLLMHS

ElevatoElevatoParzialeCompletoRidottoGrado direazione

HLLMMMg

MLLMHFe

Al

Cristalli diBi2O3

Fasiresiduali

Opacizzanti

Angelusgray

Angeluswhite

Prorootwhite

OgnaPortland

HMLMM

Grandi, feltronel cemento

Grandi (50-100µm),disomogenei

Fini (10-20 µm), feltro nelcemento

Grandi (50-100µm),disomogenei

Assenti

2CaO•SiO22CaO•SiO22CaO•SiO2(3CaO•SiO2)

Apatite2CaO•SiO2

Bi2O3Bi2O3Bi2O3Bi2O3

CaWO4

-

Tabella riassuntiva

Conclusioni (MTA): differenzetra prodotti

• Tessiturali: diverse dimensioni e morfologie dei granuli,specialmente gli opacizzanti

• Mineralogiche: presenza di diversi opacizzanti inquantità variabili e con apatite in un caso

• Chimiche: variablità di Ti, Al, Fe, Mg

Differenze significative, mamarginali rispetto allo scopo.

Possibili cause delle differenzecliniche

• Presenza di un feltro di Bi2O3, con effettodi microrinforzo strutturale

• Differente composizione del clinker dipartenza ed effetto sull’adesività edurezza (specialmente per l’Al)

• Minore durezza apatite rispetto al cementoper il campione Aureoseal

Da valutare• Ottimizzazione delle caratteristiche del cemento

(brevettabilità)• Misure delle caratteristiche fisiche

(microdurezza, resistenza al taglio…)• Interazione con la parte ossea e biocompatibilità

(crescita cristallina)

Da fare• Prove cliniche• Presenza di microinerti• Prove fisiche e chimico-fisiche: durezza altaglio, alterazione strutturale

Conclusioni generali

• Esiste uno spazio nella caratterizzazionedelle fasi di interesse biomedicoimmediatamente occupabile con lecompetenze analitiche di un mineralogista

• Lavori non indipendenti: competenzemediche per la definizione del problema el’utilizzazione dei risultati, competenzeanalitiche e sul materiale perl’interpretazione dei risultati