Membrane phenomena in carious dissolution of the teeth

Abstract

Experiments were described that have been conducted to ascertain the role of Donnan membrane effects in carious dissolution of the mineral components of the tooth structures. When a solution of an ionized macromolecular substance (in biological environment this is practically always some protein or a mixture of proteins) is separated from another solution by a semipermeable membrane, which arrests the macromolecules but allows free passage to all small ions from both sides, the latter are distributed over both solutions in a peculiar way. Under certain circumstances, depending on the charge of the macromolecule, a drop of the pH on one side of the membrane can be effected, accompanied by a rise of the pH on the other side. We applied this principle to the problem of carious tooth decalcification, the enamel surface being permeable to small ions only. It was possible to predict and obtain results in vitro that closely resemble actual caries, much more so than could be achieved until now with the use of buffered or unbuffered acids. Further experiments, partly still under way, strongly suggest that the beneficial effect of saliva on the tooth substance, mostly described as a mineralizing or remineralizing activity, can also be ascribed to a Donnan membrane effect, the macromolecular agent being salivary mucin. Des expériences ont été entreprises pour établir le rôle des effets de membrane de Donnan dans la dissolution des composés minéraux de la dent au cours de la carie dentaire. Lorsqu'une solution d'une substance macromoléculaire ioniséc (dans un milieu biologique, qui est pratiquement toujours une proteine ou un mélange de protéines) séparée d'une autre solution par une membrane semi-perméable, celle-ci arrête les macromolécules, mais laisse passer tous les ions de petites tailles situés de part et d'autre. Ces petits ions se distribuent d'une façon particulière dans les deux solutions. Dans certaines conditions, liées à la charge de la macromolécule, une chute du pH peut s'éffectuer d'un côté de la membrane, avec une élévation du pH du côté opposé. Ce principe a été appliqué par l'auteur au problème de la décalcification de la dent cariée, la surface de l'émail n'étant perméable qu'à des ions de petites tailles. Il a été possible de prévoir et d'obtenir des résultats in vitro qui ressemblent de très près aux caries “naturelles”; beaucoup plus fidèlement même que les résultats obtenus avec des solutions d'acides tamponnées ou non. D'autres expériences, partiellement encore en cours, suggèrent que l'effet bénéfique de la salive sur les dents, décrit le plus souvent comme une activité de minéralisation ou de reminéralisation, peut aussi être qualifié d'effet de membrane de Donnan, l'agent macromoléculaire étant la mucine salivaire. Es werden Versuche beschrieben die durchgeführt wurden, um die Rolle de Donnan-Membran-Effekts bei der Herauslösung der mineralischen Komponenten aus den Zahnsubstanzen bei der Karies zu verdeutlichen. Wenn eine Lösung einer ionisierten makromolekularen Substanz (im biologischen Bereich ist dieses praktisch immer ein Protein oder eine Mischung von Proteinen) von einer anderen Lösung durch eine semipermeable Membran getrennt wird, die Makromoleküle festhält, alle kleinen Ionen jedoch in beiden Richtungen passieren lässt, werden letztere in beiden Lösungen auf eine bestimmte Weise verteilt. Unter gewissen Umständen, die von der Ladung der Makromoleküle abhängen, kann ein Absinken des pH auf der einen Seite der Membran hervorgerufen werden, das mit einem Steigen des pH auf der anderen Seite einhergeht. Wir haben dieses Prinzip auf das Problem der kariösen Zahnentkalkung übertragen, wobei die Schmelzoberfläche als nur für kleine Ionen permeabel angesehen wird. Es war möglich, in-vitro-Ergebnisse vorauszusagen und zu erzielen, die “natürlicher” Karies weitgehend gleichen, jedenfalls weit mehr als dieses bisher durch gepufferte oder ungepufferte Säuren erreicht werden konnte. Weitere noch nicht abgeschlossene Untersuchungen geben deutliche Hinweise dafür, dass der schützende Effekt des Speichels für die Zahnsubstanzen, meist als mineralisierende oder remineralisierende Wirkung bezeichnet, auch dem DonnanMembran-Effekt zugeschrieben werden kann, wobei das Speichelmucin das makromolekulare Agens darstellt.