estudi de processos de bescanvi iònic - uab …...annex 4 calcium and fluoride release from ion...

UNIVERSITAT AUTÒNOMA DE BARCELONA Escola de Doctorat i Formació Continuada

Departament de Química

Estudi de processos de bescanvi iònic per a l’alliberació controlada en sistemes aplicats

al tractament de teixits organominerals Desenvolupament i caracterització d’una pasta dental

Anna Torrado Bonals 2003

Ca2+

F-

H2PO4-

H2PO4-

Ca2+

F-

Ca2+Centro

GTS

El treball que es recull a la present Tesi Doctoral ha consistit en el

desenvolupament i caracterització d’una pasta dental basada en la tecnologia de

l’alliberació controlada mitjançant la utilització de resines de bescanvi iònic, i la

seva aplicació a processos de remineralització de l’esmalt dental.

El treball s’ha estructurat en tres grans blocs: en el primer d’ells s’han estudiat una

sèrie de paràmetres físico-químics que afecten a la cinètica d’alliberació dels ions

de les resines de bescanvi iònic, en el segon s’ha desenvolupat una base de pasta

dental compatible amb l’alliberació dels ions d’aquestes resines i finalment, s’ha

caracteritzat la pasta dental mitjançant assaigs utilitzats en odontologia.

Centre Grup de Tècniques de Separació en Química Universitat Autònoma de Barcelona Bellaterra

Centro

GTS

UNIVERSITAT AUTÒNOMA DE BARCELONA Escola de Doctorat i Formació Continuada

Departament de Química

Estudi de processos de bescanvi iònic per a l’alliberació controlada en sistemes aplicats

al tractament de teixits organominerals Desenvolupament i caracterització d’una pasta dental

Centre Grup de Tècniques de Separació en Química

Memòria presentada per Anna Torrado i Bonals

per aspirar al grau de Doctor en Química

Bellaterra, setembre de 2003

Centro

GTS

Manuel Valiente i Malmagro, Catedràtic de Química Analítica del Departament de

Química de la Universitat Autònoma de Barcelona,

CERTIFICA: Que els estudis descrits a la present memòria sota el títol, “Estudi de

processos de bescanvi iònic per a l’alliberació controlada en sistemes

aplicats al tractament de teixits organominerals. Desenvolupament i

caracterització d’una pasta dental” que presenta la Llicenciada en

Química na Anna Torrado i Bonals per optar al Grau de Doctor en

Química, han estat realitzats sota la meva direcció.

I perquè així es faci constar, signo la present certificació a

Bellaterra, 3 de Setembre de 2003

Manuel Valiente Malmagro Centro

GTS

Universitat Autònoma de Barcelona

Els estudis que recull la present memòria s’han desenvolupat dins del “Convenio Marco

de Colaboración entre la Universidad Autónoma de Barcelona y la Empresa Desarrollo

Científico Aplicado, S.L (DCA, S.L)”, així com també dins de la col·laboració amb el

Biomaterials Research Center de l’Escola d’Odontologia de la Universitat de Loma

Linda (California, USA).

Igualment voldria agrair:

! Al Ministerio de Educación y Ciencia la concessió d’una beca de col·laboració

durant el curs 1997-1998 i el suport econòmic complementari per a la

finalització dels estudis (Projecte PPQ2002-04267-C03-01)

! A la Universitat Autònoma de Barcelona la concessió d’una beca predoctoral per

a la Formació d’Investigadors, així com també d’una bossa de viatge per tal de

dur a terme una estada de tres mesos a la Universitat de Loma Linda (California,

USA) per realitzar els estudis de caracterització de la pasta dental desenvolupada

en la present memòria.

! Al Departament de Tecnologia Farmacèutica Industrial de la Facultat de

Farmàcia de la Universitat de Barcelona la seva col·laboració per al

desenvolupament d’una pasta dental compatible amb el producte NMTD.

! A la Universitat Internacional de Catalunya la realització d’assaigs clínics in

vitro i in vivo amb la pasta dental desenvolupada. Cen

tro G

TS

Als de casa, per l’esforç que us ha costat

Al meu germà, per haver-me animat a començar

Al Gerard, per tot el que aquesta etapa ha suposat

Al meu director de Tesi, per haver confiat en mi i haver-me donat la oportunitat de realitzar aquest treball

I finalment, a la resta de “jefes”, companys de laboratori i amics, gràcies pel suport i per les bones i no tan bones estones, que d’una

manera o altra, hem compartit i superat junts

Centro

GTS

Índex

Centro

GTS

ÍNDEX SUMMARY..................................................................................................1 CAPÍTOL 1. INTRODUCCIÓ GENERAL .............................................................9

1.1. ELS POLÍMERS EN SISTEMES D’ALLIBERACIÓ CONTROLADA........ 13 1.1.1. Propietats generals........................................................................................ 17

1.1.1.1. Estructures físiques........................................................................ 17 1.1.1.2. Solvatació ...................................................................................... 18 1.1.1.3. Porositat ......................................................................................... 20 1.1.1.4. Estabilitat ....................................................................................... 21

1.2. BESCANVI IÒNIC............................................................................................... 23 1.2.1. Concepte ....................................................................................................... 24 1.2.2. Classificació dels materials bescanviadors................................................... 26 1.2.3. Procediments per als processos de bescanvi iònic ....................................... 30 1.2.4. Bescanviadors iònics en farmàcia i medicina............................................... 31

1.3. CINÈTICA DEL BESCANVI IÒNIC................................................................. 32 1.3.1. Mecanisme del bescanvi iònic...................................................................... 33 1.3.2. Factors que afecten a la velocitat de bescanvi. Etapa determinant de la velocitat ................................................................. 34 1.3.3. Lleis del procés de bescanvi iònic ................................................................ 36

1.4. PREVENCIÓ DE LA CARIES DENTAL.......................................................... 40

1.5. OBJECTIUS.......................................................................................................... 44

1.6. BIBLIOGRAFIA................................................................................................... 45 CAPÍTOL 2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL ............................................ 51

2.1. CARACTERITZACIÓ DELS PROCESSOS DE BESCANVI IÒNIC ........... 55 2.1.1. Preparació de les resines de bescanvi iònic ................................................. 55 2.1.2. Determinació de la cinètica del bescanvi iònic............................................ 57

2.1.2.1. Mostreig......................................................................................... 61 2.1.2.2. Tractament de les dades................................................................. 61

2.2. CARACTERITZACIÓ DE LA PASTA DENTAL............................................ 63 2.2.1. Tractament de les dades ................................................................................ 65

2.3. TÈCNIQUES D’ANÀLISI ................................................................................... 66 2.3.1. Determinació d’espècies iòniques................................................................. 66 2.3.2. Determinació d’espècies atòmiques.............................................................. 67 2.3.3. Determinació d’espècies moleculars............................................................. 70 2.3.4. Determinació de propietats físiques.............................................................. 70

2.4. BIBLIOGRAFIA................................................................................................... 72

Centro

GTS

CAPÍTOL 3. DISCUSSIÓ GLOBAL DELS RESULTATS ................................. 75

3.1. ESTUDI DE LA CINÈTICA DELS PROCESSOS DE BESCANVI IÒNIC DE RESINES CARREGADES AMB IONS CALCI I FLUORUR.................................................................................. 77 3.1.1. Condicions dinàmiques (Tècnica del llit prim)............................................. 78 3.1.2. Condicions en discontinu (Tècnica del volum limitat) ................................. 86

3.2. DESENVOLUPAMENT D’UNA BASE DE PASTA DENTAL COMPATIBLE AMB EL PROCUCTE NMTD .............................. 95

3.3. CARACTERITZACIÓ DE LA PASTA DENTAL DESENVOLUPADA........................................................................................... 100

3.4. BIBLIOGRAFIA................................................................................................. 106

CAPÍTOL 4. CONCLUSIONS.............................................................................. 109

CAPÍTOL 5. ANNEXOS........................................................................................ 115

FE D’ERRADES EN LES PUBLICACIONS.......................................................... 117

Annex 1 Kinetics of release of calcium and fluoride ions from ion-exchange resins in artificial saliva. MURAVIEV, D.; TORRADO, A.; VALIENTE, M. Solv. Extr. & Ion Exch., 2000, 18(2), 345-374.

Annex 2 Kinetics characterization of ions release under dynamic and batch conditions. I. Weak acid and weak base type resins. TORRADO, A.; VALIENTE, M. To be submitted.

Annex 3

Kinetics characterization of ions release under dynamic and batch conditions. II. Strong acid and strong base type resins. TORRADO, A.; VALIENTE, M. To be submitted.

Annex 4 Calcium and fluoride release from ion exchange polyphasic systems. TORRADO, A.; VALIENTE, M. J. Chem. Tech. & Biotech., accepted.

Annex 5 The effect of resins particle size on the rate of ions release. Interactions in mixed bed systems. TORRADO, A.; VALIENTE, M. Anal. & Bional. Chem., accepted.

Annex 6 Dentifrice product. TORRADO, A.; VALIENTE, M. PCT Int. Appl. (2002), WO 02/049588 A3.

Centro

GTS

Annex 7 In vitro cytotoxicity of a new toothpaste based on an ion-exchange resins mixture releasing calcium, fluoride, phosphate and zinc ions. TORRADO, A.; VALIENTE, M.; ZHANG, W.; LI, Y.; MUÑOZ, C.A. Submitted to American Journal of Dentistry.

Annex 8 Remineralization potencial of a new toothpaste based on an ion-exchange resins mixture releasing calcium, fluoride and phosphate ions: an in vitro study. TORRADO, A.; VALIENTE, M.; ZHANG, W.; LI, Y.; MUÑOZ, C.A. The Journal of Contemporary Dental Practice, accepted.

Annex 9 In vitro study on cleaning power and abrasivity of a new toothpaste based on ion-exchange resins. TORRADO, A.; VALIENTE, M.; MUÑOZ, C.A. Am. J. Dent., accepted.

Centro

GTS

Summary

Centro

GTS

Summary

Nowadays dental caries is one of the most common diseases and the main cause of loss

of teeth in young people. Bacteria normally present in the mouth, convert food

(specially sugars and starch) into acids that dissolve enamel surface leading to cavities.

However, dental caries progression can be reduced with treatments that aim to protect

teeth and preventing from such illness. Ideally, a good dental education is the best

weapon for the prevention of this disease.

It has been demonstrated that people who take fluoride through drinking water or

fluoride supplements present less caries incidence. In this sense, fluoride topical

application using dentifrices, mouthrinses, gels, etc, is also recommended.

At the moment, future perspectives in fluoride application to dental tissues are focused

in optimizing its retention and/or obtaining a low fluoride release in oral media. Thus,

taking into account the advantages of ion exchange resins, the aim of the present studies

concerns with characterizing these resins as active components of a toothpaste that will

incorporate the controlled release technology. Calcium, fluoride and phosphate ions are

loaded on the ion exchange resins for its application to remineralizing processes of

dental tissues.

Studies have been structured in three blocks: ion exchange resins characterization,

development of a toothpaste matrix compatible with the ions release from the loaded ion

exchange resins and finally, characterization of the toothpaste.

In the first one, a physico-chemical study of parameters, i.e., particle size, temperature,

porosity, resin type and resin ionic form, that affect the kinetics release of calcium and

fluoride ions from ion exchange resins by an artificial saliva solution, has been carried

out. The individual behaviour of each resin as well as resins mixtures in different

proportion have been evaluated under two different experimental conditions: dynamic

conditions as well as discontinuous ones, depending on the particle sizes studied. In all

cases a clear difference between calcium and fluoride ions release has been observed. A

higher relative affinity of the cationic functional groups, of both weak or strong acid

character, towards calcium ion is observed against the corresponding anionic functional

groups towards fluoride ion, what explains the different release rates. On the other hand,

the rate of release of ions from the respective polymeric matrices is favoured when

temperature and the effective surface increase and also when particle size decreases.

Centro

GTS

Summary

The interpretation of experimental data by the application of kinetic models, selected

after identifying the rate determining step, allows to quantitatively describe the rate of

the ions release.

The system becomes more complex when is formed by mixtures of cationic resin in

calcium ion form and anionic resins in fluoride and/or phosphate form, due to the

formation insoluble solids (in particular calcium fluoride). Such solid formation can be

regulated by controlling the resins particle size and the composition of the mixture. This

will condition the amount of available fluoride. Additionally, when working with

mixtures, the rate of the individual ions release is modified due to the displacement of

the corresponding ion exchange by the formation of species with high stability. Thus,

the rate of calcium ion release increases when resin in fluoride or phosphate ion form is

present. The same occurs to phosphate ion when resin in calcium form is present,

whereas the rate of fluoride ion release decreases when contacting resin in calcium ion

form. In this latter case fluoride release is regulated by the reaction with ions of lower

release.

In the second part, the composition of a toothpaste matrix has been developed and

optimized in order to make it compatible with the release of calcium, fluoride and

phosphate ions from the active principle based on a mixture of ion exchange resins,

formally known as NMTD. The presence of excipients, habitually used in conventional

toothpaste matrices that contain residual ionic groups like for example

carboximethylcellulose and sodium laurylsulphate, prevent from the release of calcium

ion. Its substitution by alternative products with the same function in the toothpaste lead

to the obtention of a toothpaste matrix totally compatible with the active principle

developed. Thus, the rate of ions release in presence and absence of toothpaste matrix

does not differ significantly.

Finally, studies including assays normally used in dentistry for the characterization of

dental materials have been carried out. Due to the risk associated to the ingestion of

high concentrations of fluoride, any dental material to be introduced in the market must

overcome a series of rigorous established tests. From the biologic point of view a

cytotoxicity test must be carried out. The quantity of fluoride releasable from the

developed toothpaste makes it not cytotoxic because the cellular inhibition percentage

does not overcome 50% and, at simple sight, in the different cultures, variations in

Centro

GTS

Summary

shape and density of cellules are not appreciated. On the other hand, the potential of the

developed toothpaste to remineralize artificial carious lesions in dental human enamel

by the application of a protocol based on a cyclic demineralization-remineralization

process has been evaluated. After the initial demineralization of the samples, the

progressive recovery of dental human enamel hardness with successive cycles verifies

that the simultaneous release of calcium, fluoride and phosphate ions contributes

positively to the remineralization of the affected tooth. Another basic characteristic of a

toothpaste is the ability of cleaning teeth surfaces with minimum reactivity on enamel or

dentin. The abrasion of dental tissues is responsibility of the toothpaste, that’s why

abrasives play a very important role in the cleaning potential of the toothpaste. Despite

incorporating an active principle in powder form, the developed toothpaste presents low

abrasive properties.

The possibility offered by the ion exchange resins to immobilize fluoride prevents its

immediate release to the oral media what reduces its toxicological potential. On the

other hand, calcium and phosphate can also be immobilized so the active principle

NMTD provides calcium, fluoride and phosphate simultaneously, what enhances

remineralization of damaged dental tissues by caries action. The developed toothpaste,

despite showing a good kinetic/chemical behaviour needs improving some of the basic

properties that any toothpaste present in the market must offer. However, results

obtained from the different studies have been successful and with acquired experience

lacks will be overcome.

The work has been published (or in process of publication) as it is indicated in Annexes

1-9:

- Annex 1: Kinetics of release of calcium and fluoride ions from ion-exchange

resins in artificial saliva. MURAVIEV, D.; TORRADO, A.; VALIENTE, M.

Solv. Extr. & Ion Exch., 2000, 18(2), 345-374.

- Annex 2: Kinetics characterization of ions release under dynamic and batch

conditions. I. Weak acid and weak base type resins. TORRADO, A.;

VALIENTE, M. To be submitted.

Centro

GTS

Summary

- Annex 3: Kinetics characterization of ions release under dynamic and batch

conditions. II. Strong acid and strong base type resins. TORRADO, A.;

VALIENTE, M. To be submitted.

- Annex 4: Calcium and fluoride release from ion exchange polyphasic systems.

TORRADO, A.; VALIENTE, M. J. Chem. Tech. & Biotech., accepted.

- Annex 5: The effect of resins particle size on the rate of ions release.

Interactions in mixed bed systems. TORRADO, A.; VALIENTE, M. Anal. &

Bional. Chem., accepted.

- Annex 6: Dentifrice product. TORRADO, A.; VALIENTE, M. PCT Int. Appl.

(2002), WO 02/049588 A3.

- Annex 7: In vitro cytotoxicity of a new toothpaste based on an ion-exchange

resins mixture releasing calcium, fluoride, phosphate and zinc ions. TORRADO,

A.; VALIENTE, M.; ZHANG, W.; LI, Y.; MUÑOZ, C.A. Submitted to

American Journal of Dentistry.

- Annex 8: Remineralization potencial of a new toothpaste based on an ion-

exchange resins mixture releasing calcium, fluoride and phosphate ions: an in

vitro study. TORRADO, A.; VALIENTE, M.; ZHANG, W.; LI, Y.; MUÑOZ,

C.A. The Journal of Contemporary Dental Practice, accepted.

- Annex 9: In vitro study on cleaning power and abrasivity of a new toothpaste

based on ion-exchange resins. TORRADO, A.; VALIENTE, M.; MUÑOZ, C.A.

Am. J. Dent., accepted.

Centro

GTS

Capítol 1 Introducció General

Centro

GTS

Introducció general

Durant els darrers anys, la tecnologia de l’alliberació controlada ha sorgit com a una

aproximació alternativa que promet solucionar els problemes associats a l’aplicació

d’alguns agents biològicament actius.

La finalitat de les formulacions d’alliberació controlada és protegir el proveïment de

l’agent actiu i permetre una aportació contínua del mateix a la zona a tractar a una

velocitat adient i, per tant, controlada. D’aquesta manera es pretén mantenir la seva

concentració en el sistema dins d’uns límits òptims durant un determinat període de

temps i així, millorar-ne l’especificitat i la persistència.

L’alliberació controlada es basa en el concepte de combinar substàncies biològicament

actives amb materials polimèrics, ja sigui per combinació física (amb la finalitat

d’actuar com a mecanisme de control de la velocitat) o per combinació química (amb la

finalitat d’actuar com a portador de l’agent):

• Combinacions físiques. Existeixen dues formes de combinar físicament l’agent

biològicament actiu amb la matriu polimèrica:

- Encapsulament de l’agent biològicament actiu en un material polimèric en el

qual el control de la seva alliberació es fa per difusió de tipus Fick a través

dels microporus de les parets de la càpsula1.

Figura. 1. Alliberació de l’agent actiu d’un sistema encapsulat.

- Dispersió heterogènia o dissolució de l’agent biològicament actiu en una

matriu polimèrica sòlida, la qual pot ser biodegradable o no biodegradable.

L’alliberació de l’agent actiu es controla generalment per difusió a través de

la matriu, per erosió química o biològica o per combinació d’ambdues:

difusió i erosió2.

Centro

GTS


Figura. 2. Alliberació de l’agent actiu d’una matriu típica d’un sistema

d’alliberació controlada.

• Combinacions químiques: l’agent actiu s’uneix químicament (iònica o

covalentment) a un material polimèric natural o sintètic. El material actiu és

alliberat degut a la lenta degradació del polímer o a través del trencament de

l’enllaç agent actiu-polímer per acció d’un medi reactiu3,4.

En aquests moments però, la necessitat d’innovació ha portat ja a l’aparició d’estudis en

els quals es combinen substàncies biològicament actives amb materials polimèrics de

manera físico-química; així per exemple existeixen preparacions líquides d’alliberació

controlada en les quals el medicament actiu està enllaçat a un bescanviador iònic de

naturalesa orgànica, coneguts normalment com a resines de bescanvi iònic (combinació

química), i el conjunt és posteriorment recobert amb un polímer determinat (combinació

física), és a dir, és encapsulat5.

La selecció del millor sistema per alliberar l’agent actiu en la quantitat necessària per

desenvolupar l’efecte desitjat amb el mínim d’efectes secundaris biològics i econòmics,

depèn molt tant de les propietats biològiques i químiques del compost actiu com de les

seves interaccions físico-químiques en el sistema.

La present memòria inclou l’estudi d’algunes d’aquestes resines sintètiques de bescanvi

iònic per al posterior desenvolupament d’una pasta dental d’aplicació com a sistema

d’alliberació controlada. El principal objectiu de la utilització d’aquest tipus de producte

per a la higiene dental en odontologia és prevenir i actuar sobre problemes de

remineralització dels teixits dentals i intentar reduir així la incidència de la caries,

malaltia que cada vegada afecta a generacions més joves. El concepte de

remineralització es descriurà detalladament més endavant (vegeu l’apartat 1.4).

Temps

Centro

GTS


Donada la multidisciplinaritat implícita dels estudis i aplicacions dels bescanviadors

iònics inclosos en la present memòria, a continuació es descriuen els diferents elements

bàsics que s’han fet servir per al desenvolupament dels sistemes que es presenten per tal

de fer-los així més comprensibles als lectors no especialitzats.

Abans de passar a descriure els polímers, bescanviadors iònics o resines, que s’utilitzen

en aquest tipus de sistemes, i la síntesi i aplicació dels mateixos, és important definir

alguns termes i conceptes fonamentals6.

En termes estrictes, un polímer és una substància composta per una successió de

molècules que posseeixen llargues seqüències d’un o més àtoms o grups d’àtoms unides

entre elles mitjançant enllaços, normalment covalents. Anàlogament també es pot

definir com a cadascuna de les molècules d'elevat pes molecular constituïdes per unitats

estructurals idèntiques simples (monòmers), repetides i unides entre elles mitjançant

enllaços covalents. El procés pel qual s’aconsegueix aquesta unió es coneix com a

polimerització.

D’altra banda, la definició formal de copolímer és un polímer amb dos o més tipus de

monòmers a la seva molècula.

1.1. ELS POLÍMERS EN SISTEMES D’ALLIBERACIÓ CONTROLADA

Els primers polímers utilitzats per al control de l’alliberació d’agents actius sorgiren en

camps de caràcter no biològic i s’escolliren per les seves bones propietats físiques

(Taula 1). És més, una estructura física adequada, químicament inert i lliure

d’impureses fa que aquests materials puguin ser utilitzats en formulacions d’alliberació

controlada de fàrmacs. Alguns dels materials que s’utilitzen més correntment en aquests

tipus de sistemes són el polivinil alcohol, la poliacrilamida, el polietilenglicol, els àcids

acrílic i polimetacrílic, entre d’altres7-11. Aquest tipus de polímers sintètics són emprats

en varies aplicacions dentals com dentadures postisses, dents artificials, reparacions de

cavitats, materials d’impressió i ciments dentals, etc12. Les resines acríliques són els

principals materials utilitzats ja que proporcionen la millor combinació de propietats

físiques, químiques i cosmètiques per a un gran nombre d’aplicacions dentals13. D’altra

banda, en el camp de l’alliberació controlada s’han introduït, en els últims anys, altres

polímers dissenyats per al seu ús en aplicacions mèdiques, degradables dins del cos,

com per exemple: polilàctids (PLA), poliglicòlids (PGA), polianhídrids, poliortoesters,

Centro

GTS

Els polímers en sistemes d’alliberació controlada

etc14,15. La principal avantatge d’aquests polímers degradables és que es trenquen en

molècules biològiques metabolitzables i fàcilment eliminables del cos mitjançant rutes

metabòliques normals. Tot i això els subproductes generats del procés de trencament

han de ser també convenientment compatibles amb l’entorn biològic.

Taula. 1. Primers polímers utilitzats per al control de l’alliberació de fàrmacs.

Polímers Propietat física

Poliuretans Elasticitat

Polisiloxans o silicones Habilitat d’aïllament

Polimetil metacrilat Força física i transparència

Polivinil alcohol Força i hidrofilicitat

Polietilè Resistència i manca d’inflament

Polivinil pirrolidona Capacitat de suspensió

En aquestes condicions, tant la velocitat d’alliberació del grup actiu de la matriu

polimèrica i, en conseqüència, l’eficàcia i la durada del procés, com la biodegradació de

la matriu polimèrica estan influenciades principalment per factors com els que es

mostren a continuació16,17:

1. Característiques químiques de l’agent actiu.

2. Tipus i força dels enllaços agent actiu-polímer.

3. Naturalesa química de l’esquelet del polímer i dels grups que

envolten els grups actius.

4. Condicions ambientals, temperatura i pH del medi.

5. Dimensions i estructures de la molècula del polímer.

6. Presència d’unitats no esperades o defectes de la cadena.

Un altre tipus de polímers àmpliament utilitzats dins del camp de l’alliberació

controlada són els polímers funcionalitzats. Aquests constitueixen la base de

formulacions, no solament per a la vessant mèdico-farmacèutica18,19 sinó també de

pesticides20, fertilitzants21, pintures22, etc.

Centro

GTS


Els polímers funcionalitzats estan constituïts per macromolècules a les quals s’enllacen

grups químics amb característiques específiques. Les seves propietats i característiques,

potencialment similars a les d’altres molècules de mida més petita amb el mateix grup

funcional, depenen tant del grup funcional com de la naturalesa del polímer.

Els polímers funcionalitzats amb grups bescanviadors d’ions, o resines de bescanvi

iònic, són un tipus destacat de polímers funcionalitzats. En el seu procés de preparació i

síntesi cal tenir en compte dos factors importants, que són:

1- La construcció de la matriu polimèrica base.

2- La introducció de grups funcionals a la matriu per al bescanvi iònic. Aquesta es

pot dur a terme mitjançant dos camins diferents: partir de monòmers que ja

contenen el grup funcional desitjat o fer reaccionar, adequadament, el grup

funcional amb el polímer.

Així en el nostre cas, la matriu polimèrica es pot definir com la xarxa molecular d’una

resina de bescanvi iònic que suporta els grups ionogènics que són els grups funcionals

específics enllaçats o units a la mateixa.

La síntesi d’aquest tipus de resines es pot dur a terme via polimerització o via

policondensació de bescanviadors iònics. En el primer cas es tracta d’unir molècules no

saturades sense donar lloc a la formació de subproductes. La policondensació, en canvi,

té lloc entre parells de grups funcionals amb la conseqüent alliberació de molècules

petites com a subproductes, normalment aigua.

Actualment la polimerització de resines és pràcticament més important que la

policondensació ja que les primeres tenen una estabilitat tèrmica i química molt més

alta. El material més important de partida és l’estirè el qual, polimeritzat amb ell mateix

i amb divinilbenzè, dóna lloc a una xarxa polimèrica l’estructura de la qual es mostra a

la Figura 3. Així, a més dels copolímers d’estirè-divinilbenzè són també àmpliament

utilitzats els d’acrilat-divinilbenzè o metacrilat-divinilbenzè. En tots ells, el divinilbenzè

actua com a agent entrecreuador i dóna estabilitat estructural al copolímer. Al mateix

temps però, fa que la cinètica del procés de bescanvi sigui més lenta, ja que el

bescanviador adquireix una estructura més rígida i tancada, augmentant en

conseqüència, la resistència del medi a la difusió que té lloc a través del llit de resina.

Centro

GTS


Polimerització estirè-divinilbenzè CH=CH2

+

CH=CH2

CH=CH2

CH-CH2-CH-CH2-CH

CH-CH2-CH-CH

Polimerització àcid metacrílic-divinilbenzè

CH3

C=CH2

COOH

+

CH=CH2

CH=CH2

COOH

C-CH2-CH-CH2

CH3

CH-CH2

Figura. 3. Esquema de la reacció de polimerització.

L’altre tipus de resines són les obtingudes per policondensació, aquest és el cas de les

matrius construïdes a partir de fenol i formaldehid:

n H2O+

n

nn

OH

+ HCHO

OHOH OH OH

CH2 CH2

on les propietats del bescanviador depenen entre d’altres, de la naturalesa dels fenols i

de la quantitat de material de partida utilitzada. Així, si s’addiciona un excés

considerable de formaldehid, la reacció de condensació donarà lloc a la formació de

llargues cadenes unides tridimensionalment per grups metilè.

A continuació, es descriuran les característiques principals que han de presentar les

resines de bescanvi iònic per tal d’aconseguir resultats eficaços en els seus múltiples

camps d’aplicació23.

Centro

GTS


1.1.1. Propietats generals

Un polímer funcionalitzat amb grups bescanviadors d’ions ha de presentar una

estructura tal que permeti una bona difusió dels ions cap als llocs actius de l’interior del

polímer. Això depèn de propietats com el grau d’inflament (de l’anglès: swelling), la

mida dels porus, la compatibilitat amb el medi en el qual es troben, la porositat i

l’estabilitat química, tèrmica i mecànica de les resines quan es troben en situacions amb

reaccions químiques concretes. Addicionalment s’hauran de tenir en compte també el

grau d’entrecreuament de la resina i les condicions emprades durant la seva preparació.

1.1.1.1. Estructures físiques

a) Polímers lineals

Un polímer lineal és una estructura de cadena llarga en la qual els monòmers s’han

enllaçat de manera contínua l’un a costat de l’altre. Es poden presentar en forma

cristal·lina on les molècules s’orienten de manera regular entre elles, o amorfa on la

forma més probable vindrà determinada per la màxima entropia.

b) Polímers entrecreuats

Aquest tipus de polímers es formen en presència d’un agent entrecreuador o bé un cop

sintetitzat el polímer s’entrecreua en un procés de post-polimerització, així

s’aconsegueix que totes les cadenes quedin interconectades tot formant una xarxa

infinita.

Els polímers entrecreuats mostren diferencies considerables en les seves propietats en

funció del grau d’entrecreuament i del mètode de preparació. És més, això ens

determinarà la solubilitat, l’extensió amb que tindrà lloc el grau d’inflament, la mida

dels porus, l’àrea superficial total i l’estabilitat mecànica del polímer.

Així, segons l’estructura de la seva xarxa polimèrica podrem dur a terme la següent

classificació:

b.1) Resines microporoses o tipus gel

Aquestes tenen una xarxa macroscòpicament homogènia i elàstica que conté una certa

quantitat del dissolvent emprat en la seva obtenció i que presenta canals (no porus) en la

seva estructura.

Centro

GTS


b.2) Resines macroporoses

Tenen com a característica una matriu fortament entrecreuada amb estructura porosa i

elevada àrea superficial en la qual coexisteixen macroporus i microporus.

b.3) Resines isoporoses

L’estructura dels seus porus i el grau d’entrecreuament es modifiquen de tal manera que

s’obtenen polímers amb una mida de porus força uniforme. Això s’aconsegueix

aprofitant la possibilitat de formar ponts de metilè durant el seu procés d’obtenció, la

qual cosa millora la selectivitat de la resina.

Un tipus de bescanviadors iònics especials són les resines pel·liculars. Aquestes es

composen de capes molt primes d’un material bescanviador, immobilitzades sobre un

suport inert. Aquest material es sol utilitzar en cromatografia iònica perquè presenta

cinètiques de bescanvi iònic molt ràpides. A més, el suport inert fa que el material

bescanviador pugui resistir a les elevades pressions a les quals ha d’estar sotmès24.

a b c d Figura. 4. Models estructurals de les resines de tipus:

(a) gel (b) macroporoses (c) isoporoses (d) pel·liculars

1.1.1.2. Solvatació

El volum d’un bescanviador iònic depèn de varis factors: el medi que l’envolta (aire,

aigua, dissolvents orgànics), la naturalesa de l’esquelet de la resina (tipus de matriu i

entrecreuament), la densitat de càrrega (caràcter i concentració de grups iònics) i el tipus

de contraions. El canvi de volum que té lloc durant la transferència d’un medi a un altre,

i que també està influenciat per altres factors, es coneix amb el nom de grau d’inflament

(de l’anglès: swelling). Aquest es produeix per la diferència de pressió osmòtica entre

l’interior i l’exterior del bescanviador iònic.

El grau d’entrecreuament controla el comportament de la resina en contacte amb els

dissolvents i és inversament proporcional al grau d’inflament. Quan un dissolvent adient

Centro

GTS


s’addiciona a un polímer amb un grau d’entrecreuament baix, les molècules de

dissolvent difonen lentament cap a l’interior del polímer provocant l’inflament i la

gelació, fent-lo tornar altament porós. A mesura que el grau d’entrecreuament

s’incrementa, la possibilitat que té la xarxa polimèrica per expansionar-se amb un

dissolvent apropiat es redueix i la penetració dels reactius al seu interior pot veure’s

perjudicada.

La propietat que tenen els polímers per ser inflats pot determinar-se mesurant tant la

densitat de la resina seca (el grau d’inflament absolut s’assoleix quan s’humiteja una

resina assecada a l’aire) com el pes del dissolvent absorbit (important quan es treballa

amb columnes de bescanvi iònic), emprant tècniques de centrifugació25,26 o bé a partir

de la relació entre el volum específic de la partícula de gel i el seu volum una vegada ha

estat inflat27. El coeficient volumètric d’inflat, B, pot ser calculat emprant l’equació de

Duesseck:

( )solv

apap 1wBρ

ρ−+

ρ

ρ= (1)

on ρap és la densitat aparent (g/ml), ρ és la densitat de l’esquelet (g/ml), ρsolv és la

densitat del dissolvent (g/ml) i w és el quocient entre el pes del polímer inflat i el pes del

polímer sec.

Els processos d’inflament en resines de bescanvi iònic esdevenen més difícils

d’interpretar quan es canvia d’aigua a altres dissolvents. L’aigua amb el seu caràcter de

dipol fort interacciona amb els grups ionogènics altament hidrofílics. Si el caràcter de

dipol d’un dissolvent esdevé més feble, el grau d’inflament del bescanviador serà menys

pronunciat ja que la seva solvatació electrostàtica tendeix a disminuir.

Les condicions de la relació entre el grau d’inflament i els contraions no sempre és

simple; malgrat la norma accepta que el volum d’un bescanviador iònic inflat és més

petit quan més gran és la valència del contraió, el tipus d’ions equivalents també té un

paper important, ja que aquests poden diferir en mida i grau de solvatació. Així, si els

contraions mostren un grau més alt de dissociació, el grau d’inflament serà més

pronunciat, mentre que la formació de parells iònics i l’associació d’ions conduiran a

una disminució del grau d’inflament.

Centro

GTS


Pel que fa a la dependència del grau d’inflament amb la temperatura s’ha vist que

aquesta no influeix però si que ho fa, i de manera positiva, sobre la velocitat del procés

d’inflament així com també a la seva energia d’activació.

1.1.1.3. Porositat

Quan un polímer entrecreuat ja ha dut a terme el procés d’inflament té una certa

porositat en la qual la mida i forma dels porus pot canviar contínuament degut tant als

efectes solvatants del dissolvent com a la mobilitat dels diferents segments del polímer.

Els suports sòlids secs poden ser convenientment caracteritzats en termes de la seva àrea

superficial total, S, (tant interna com externa), del volum total dels porus, P, i de la

mitja del diàmetre dels porus. Aquests paràmetres físics no són independents entre ells

però generalment s’interrelacionen per simples equacions geomètriques:

P = n π r2 l S = 2 n π r l (2)

on P és el volum dels porus, S és l’àrea superficial, r és la mitja del radi dels porus, n és

el nombre de porus, l és la mitja de la llargada i nl és la llargada total efectiva dels

porus.

Els suports tipus gel normalment tenen un diàmetre de “porus” (ja que estrictament no

existeixen sinó que es tracta de canals) relativament petit i una gran àrea superficial

efectiva la qual, en algunes circumstàncies, dóna lloc a altes capacitats de càrrega. Els

suports macroporosos tenen un major diàmetre de porus i també una superfície interna

força elevada. A més, són extremadament uniformes en la seva forma externa. La

modificació química d’aquests polímers es suposa que té lloc majoritàriament a la

superfície dels porus, això fa que les cadenes polimèriques amb un alt grau

d’entrecreuament no estiguin realment disponibles per a la seva funcionalització.

L’àrea superficial normalment es mesura mitjançant les isotermes d’adsorció-desorció

de N2 (mètode Brunauer-Emmet-Teller, BET)28 i el volum dels porus P dels polímers

pot ser calculat emprant la següent equació:

ρ−

ρ= 11P

ap

(3)

Centro

GTS


on ρap és la densitat aparent (g/ml) i ρ és la densitat de l’esquelet (g/ml) i tot això es pot

mesurar per la tècnica picnomètrica29. La microscòpia electrònica i l’escombrat de

raigs-X també poden utilitzar-se per mesurar el diàmetre dels porus. La mitja del

diàmetre dels porus, r, també pot estimar-se segons l’equació:

4

BET

10xS

P2r = (4)

on P és el volum dels porus i SBET és l’àrea superficial mesurada mitjançant les

isotermes d’adsorció-desorció de N2.

La porositat del polímer (%P) pot calcular-se segons:

ρ

ρ−= ap1100P% (5)

S’ha d’assenyalar que, en qualsevol cas, les interaccions entre el dissolvent i el polímer

determinen decisivament l’estructura porosa de la xarxa polimèrica.

1.1.1.4. Estabilitat

La degradació de la cadena del polímer generalment és possible per efectes tèrmics,

hidrolítics o mecànics.

L’estabilitat mecànica de la xarxa pot variar considerablement d’un material a un altre i

depèn, a més, de la naturalesa de l’estrès mecànic i del grau d’entrecreuament. Així,

materials molt poc entrecreuats són extremadament fràgils (en particular quan estan en

contacte amb un bon dissolvent). Fins i tot amb les tècniques d’agitació convencionals

es pot provocar una considerable degradació mecànica/física del suport, fet important a

tenir en compte en el camp de la catàlisi amb polímers suportats on les velocitats de

reacció depenen de la mida de partícula.

L’increment de l’estabilitat física del polímer pot dur-se a terme augmentant el seu grau

d’entrecreuament però caldria tenir en compte també el balanç entre, d’una banda els

requeriments mecànics i de l’altra, la porositat de la xarxa. Les resines macroreticulars

poden emprar-se així en condicions d’alta pressió i presentar una certa flexibilitat en

presència d’alguns dissolvents.

Centro

GTS


Tenint en compte les característiques descrites, els principals requeriments que ha de

tenir una resina bescanviadora d’ions es resumeixen en:

- Ha d’estar suficientment reticulada com perquè sigui insoluble en aigua i

altres líquids i tenir unes bones propietats tèrmiques i mecàniques.

- Sigui tipus gel o porosa, ha de ser suficientment hidrofílica per tal de

possibilitar la difusió dels ions a través de la seva estructura a una velocitat

acceptable.

- Ha de tenir un nombre adequat de llocs de bescanvi iònic accessibles per tal

de potenciar una elevada capacitat de bescanvi.

- Ha de ser estable químicament per evitar la seva degradació durant la

utilització.

Centro

GTS


1.2. BESCANVI IÒNIC

El terme bescanvi iònic no és un descobriment recent. La natura com a tal, ja des de

temps immemorables i molt abans que l’home iniciés els seus estudis en el camp dels

bescanviadors i n’apliqués els seus principis, sempre ha fet un ús extensiu de les

reaccions de bescanvi iònic. El bescanvi d’ions té lloc en sòls, sorres i rocs, i en

organismes vius. Al principi, aquests processos passaven desapercebuts pels químics,

biòlegs i geòlegs però més tard, quan es va descobrir el bescanvi iònic en sòls, va ser

considerat com un fenomen excepcional.

De fet el bescanvi iònic té una història que es remunta a l’època de la Sagrada Bíblia

quan Moisès va desenvolupar un sistema, basat en el bescanvi iònic, per a la preparació

d’aigua potable a partir d’aigua amb una elevada concentració de sals. Aproximadament

mil anys després, Aristòtil afirmava que l’aigua del mar perdia part del seu contingut en

sal quan es filtra a través de determinats tipus de sorres. Posteriorment no es troben

masses referències sobre aquest tipus de fenomen fins que el 1850, Thompson30 i Way31

redescobreixen el bescanvi iònic en sòls, concretament en argiles, glauconites, zeolites i

àcids húmics. Aquests descobriments serviren per utilitzar aquests materials per

exemple, en plantes per al tractament d’aigües, i per sintetitzar productes amb propietats

semblants. Així el 1903, Harm i Rümpler32 sintetitzaren el primer bescanviador iònic

industrial, però l’evolució espectacular va començar el 1935, quan Adams i Holmes,

van sintetitzar els primers bescanviadors iònics de naturalesa orgànica (resines de

bescanvi iònic)33. Aquests materials tenen propietats que superen clarament als

descoberts o desenvolupats fins aleshores i predominen en les aplicacions tècniques.

Avui dia els processos de bescanvi iònic estan plenament establerts en camps

d’aplicació tant a nivell industrial com de laboratori. Així, per exemple en química

analítica, s’han utilitzat en diverses situacions: eliminació d’ions interferents prèvia a

l’anàlisi d’una mostra (per exemple, columnes supressores)34, separació d’ions

metàl·lics35,36,37, catàlisi38 i preconcentració d’analits39. Altres aplicacions importants a

destacar són la seva utilització en la indústria de l’alimentació, en agricultura, en

medicina i en la purificació de substàncies orgàniques, inorgàniques i biològiques40.

També són ben coneguts els fenòmens de bescanvi iònic en els sòls21,41,42; tot i això,

l’aplicació més important encara és el tractament d’aigües43,44,45. De fet, la tècnica del

bescanvi iònic té una gran potencialitat en el camp de la separació i recuperació de

Centro

GTS

Bescanvi iònic

metalls en aplicacions hidrometal·lúrgiques i en els tractaments d’aigües residuals46,47,48,

tot i que les seves aplicacions són encara limitades degut, principalment, a la baixa

selectivitat de les resines comercials. Des del punt de vista pràctic, el gran avantatge

sobre els sistemes d’extracció líquid-líquid és que no hi ha pèrdues de reactiu i, per tant,

la possibilitat de contaminació de l’aigua tractada és menyspreable.

A part de la manca de selectivitat dels materials de bescanvi iònic, una altra limitació

important en la utilització d’aquesta tècnica és la generació de quantitats importants

d’efluents de l’agent eluent o regenerant, els quals han de ser tractats posteriorment.

En aquest sentit però, s’han desenvolupat mètodes per minimitzar aquesta generació de

residus. Aquests inclouen la regeneració de la resina a contracorrent (cal una quantitat

menor d’agent regenerant i dissolució de rentatge)49, la utilització de regenerants

recuperables50 i la reutilització dels residus generats en altres processos. No obstant

això, existeix una estratègia completament diferent que permet eliminar total o

parcialment l’etapa de regeneració de la resina i que està basada en la possibilitat de

desplaçar la reacció de bescanvi iònic a causa de la modificació d’alguna variable

termodinàmica intensiva com pot ser la temperatura51.

1.2.1. Concepte

El bescanvi iònic produït entre una resina bescanviadora d’ions i una dissolució

d’electròlit, és un fenomen o procés que consisteix en la substitució reversible entre els

ions presents a la dissolució, normalment aquosa, i els ions immobilitzats en el material

sòlid amb propietats bescanviadores. Així, un bescanviador iònic podrà ser qualsevol

material capaç de captar els ions d’una dissolució i alliberar-ne simultàniament un

nombre equivalent cap a la mateixa dissolució, mantenint-se en tot moment la

electroneutralitat en el sistema.

Els materials emprats per al bescanvi d’ions són doncs, polielectròlits insolubles que

contenen un cert nombre de posicions fixes carregades que estan neutralitzades per ions

làbils de signe oposat o contraions. D’altra banda, s’anomena co-ions a les espècies

iòniques mòbils amb càrrega del mateix signe que la dels ions fixes. Generalitzant, un

bescanviador catiònic (representat com a R) té llocs actius carregats negativament amb

cations A+ làbils enllaçats electrostàticament que poden dur a terme un bescanvi amb

cations B+ presents a la dissolució, segons l’equació:

Centro

GTS


++−++− +⇔+ ABRBAR (6)

i, de forma equivalent, un bescanviador aniònic (també representat com a R) té llocs

actius carregats positivament amb anions C- làbils enllaçats electrostàticament que

poden dur a terme un bescanvi amb anions D- presents a la dissolució, segons:

−−+−−+ +⇔+ CDRDCR (7)

Sovint es considera que els fenòmens d’adsorció i absorció estan molt estretament

relacionats amb els processos de bescanvi iònic. L’absorció és un procés en el qual el

sòlid absorbent incorpora una substància distribuint-la al llarg de tota la seva estructura

sense produir-ne canvis en la seva concentració. L’adsorció, en canvi, té lloc

principalment a la superfície del sòlid adsorbent i consisteix en la interacció del solut

amb l’adsorbent mitjançant forces físiques associades amb el sòlid, donant lloc a un

canvi en la concentració d’un dels components dissolts que formen part del sistema.

Tenint en compte això, el bescanvi iònic produït a la superfície d’un bescanviador no

porós es podria considerar com a adsorció mentre que, el bescanvi d’un ió que ha

penetrat a l’interior de la xarxa polimèrica d’un bescanviador porós es podria considerar

com a absorció. Tot i això, el bescanvi iònic, l’adsorció i l’absorció són processos que

es diferencien clarament en el mecanisme a través del qual retenen soluts. A la següent

figura es pot veure un esquema dels tres fenòmens:

Figura. 5. Descripció esquemàtica dels processos de:

(a) Absorció (b) Adsorció (Forces de Van der Waals) i (c) Bescanvi iònic.

En el procés d’absorció té lloc una penetració uniforme d’un solut en un sòlid absorbent

tot seguint la regla de similituds entre la naturalesa del solut i del material absorbent.

a b c Centro

GTS

Bescanvi iònic

D’aquesta manera les substàncies polars penetraran més fàcilment els materials polars

mentre que les substàncies apolars penetraran millor als materials apolars. En el procés

d’adsorció, en canvi, el solut normalment és retingut pel sòlid a través de forces físiques

(per exemple, de tipus Van der Waals) associades amb la superfície interna del sòlid.

Finalment, en el cas dels processos de bescanvi iònic el solut és retingut per associació o

reacció química amb els grups iònics del sòlid.

A continuació es descriuran breument, diferents punts de vista sota els quals es poden

classificar els materials bescanviadors d’ions52.

1.2.2. Classificació dels Materials Bescanviadors

Segons la seva constitució química:

a) Bescanviadors inorgànics:

Foren els primers materials bescanviadors coneguts però, malgrat ser gairebé

completament desplaçats per l’aparició de les resines de bescanvi iònic sintètiques, la

necessitat d’utilitzar processos de bescanvi iònic dins del món de l’energia nuclear els

va donar un nou impuls degut a la baixa estabilitat de les resines orgàniques sintètiques

a la radioactivitat i a les bones propietats mecàniques, tèrmiques i químiques dels

bescanviadors inorgànics.

Entre els materials bescanviadors inorgànics més freqüents trobem les zeolites naturals53

i sintètiques, els hidròxids de Cr(III), Zr(IV) i Th(IV), les sals de metalls polivalents, les

sals d’heteropoliàcids, etc.

b) Bescanviadors orgànics:

Aquests tipus de bescanviadors poden ser de procedència natural (polisacàrids

entrecreuats o substàncies derivades de la cel·lulosa, per exemple, àcids húmics) o

sintètica (resines orgàniques, àmpliament utilitzades).

Centro

GTS


Segons la forma d’utilització:

a) Bescanviadors iònics líquids:

Es tracta de dissolucions d’espècies iòniques de caràcter altament hidrofòbic (degut a la

possessió de llargues cadenes hidrocarbonades) en dissolvents orgànics immiscibles

amb dissolucions aquoses (Figura 6). Quan es posen en contacte ambdues fases i es duu

a terme una agitació de les mateixes es produeix un bescanvi efectiu d’ions a través de

la interfase, d’aquí que formalment es consideri aquesta modalitat com un “bescanvi

iònic” encara que realment s’hauria de considerar com una modalitat d’extracció líquid-

líquid.

Figura. 6. Representació del procés de bescanvi iònic entre dues fases líquides.

b) Bescanviadors sòlids:

Aquests es poden presentar en forma de:

a.1) Grànuls de diferent mida i uniformitat

Figura. 7. Microfotografia de grànuls d’una resina de bescanvi iònic.

Fase orgànica que conté el bescanviador iònic

Fase aquosa

Centro

GTS

Bescanvi iònic

a.2) Membranes bescanviadores d’ions permeables a determinats ions en funció de les

seves característiques, i que podem classificar en dos tipus:

- homogènies: preparades per formació de pel·lícules fines a partir de les resines

habituals.

Figura. 8. Microfotografia d’una membrana homogènia54.

- heterogènies: adhesió de les resines en pols sobre làmines de plàstic.

Figura. 9. Microfotografia d’una membrana heterogènia55.

a.3) Paper bescanviador d’ions que es sol preparar mitjançant dues vies clarament

diferenciades:

- Tractament químic del paper per tal d’introduir els grups funcionals bescanviadors.

- Impregnant el paper amb un material bescanviador líquid.

Centro

GTS


Segons el fonament de la seva actuació que vindrà determinat pel grup funcional actiu

que posseeixi el material bescanviador:

a) Bescanviadors catiònics:

Contenen grups aniònics fixos amb cations units per forces electrostàtiques i que poden

ser bescanviats pels cations de la dissolució. Aquest grup de bescanviadors inclou: els

àcids forts de tipus sulfònic, els àcids moderadament forts de tipus fosfat i els àcids

febles de tipus carboxílic.

b) Bescanviadors aniònics:

Contenen grups catiònics fixos amb anions units per forces electrostàtiques i que poden

ser bescanviats pels anions de la dissolució. També poden classificar-se segons la força

del grup funcional en bescanviadors de base forta (tipus sals d’amoni quaternari) o de

base feble (tipus amina i piridina).

c) Bescanviadors bifuncionals:

Són aquells bescanviadors que es caracteritzen per contenir dos grups funcionals, o bé

àcids o bé bàsics, o si són bescanviadors anfóters un d’àcid i un de bàsic. Així per

exemple, els bescanviadors catiònics bifuncionals contenen dos grups iònics

immobilitzats de la mateixa càrrega56.

d) Bescanviadors quelants:

Aquest són un tipus de bescanviadors iònics específics que incorporen un grup quelant o

complexant (el lligand presenta més d’un lloc per on es pot enllaçar al metall)

responsable de l’especificitat esmentada57.

Hi ha una gran quantitat de lligands que han estat incorporats a les resines amb aquesta

finalitat i que tenen com a principal característica el fet de contenir àtoms donadors

d’electrons (N, O, S, Se, Te, P, As, Sb) capaços de formar enllaços de coordinació amb

ions metàl·lics acceptors d’electrons.

Finalment, segons la naturalesa de les espècies bescanviadores, podrem trobar

bescanviadors d’espècies iòniques (tant orgàniques com inorgàniques), bescanviadors

redox i bescanviadors de molècules no carregades.

Centro

GTS

Bescanvi iònic

1.2.3. Procediments per als processos de bescanvi iònic

Existeixen quatre procediments mitjançant els quals es poden dur a terme els processos

de bescanvi iònic: en discontinu utilitzant recipients amb agitació, en columna, en

continu i en llit fluïditzat. Els processos continus han guanyat popularitat en els darrers

anys perquè treballen amb quantitats de resina menors i poden tolerar la presència de

sòlids en suspensió, malgrat el seu disseny presenta algunes dificultats de tipus tècnic.

A continuació es descriuen breument les característiques d’aquests diferents

procediments:

- Processos en discontinu: la dissolució a tractar i la resina es posen en

contacte en un recipient adequat amb agitació fins a assolir l’equilibri.

Aquest procés només és efectiu quan la reacció de bescanvi es veu molt

afavorida a causa de la formació d’un electròlit molt feble (per exemple,

H2O), d’un producte insoluble o d’un complex molt estable58.

- Processos continus: en aquest tipus de processos l’objectiu es obtenir un flux

de dissolució tractada contínuament. La resina és propulsada

gravitacionalment i/o mecànicament en forma compacta a través del recipient

o columna on es duu a terme el procés de bescanvi. Per un dels extrems de la

columna s’introdueix resina fresca i per l’altre s’extreu la resina exhaurida de

manera que s’obté un flux continu en contracorrent entre la resina i la

dissolució.

- Processos en columna: la dissolució a tractar passa a través d’un llit fix de

resina situat dins d’una columna fins que, per exemple, l’espècie que es vol

recuperar comença a sortir pel final de la columna. Hi ha diferents tipus de

dissenys59:

! Cocorrent: és el disseny menys eficient però el més simple i, per tant, el

més barat. Tant l’etapa de càrrega com la de rentatge i regeneració de la

resina es realitzen utilitzant un flux en el mateix sentit (de la part superior

a la part inferior del llit de la resina).

! Contracorrent: aquest disseny té una elevada eficàcia, consumeix

quantitats menors de regenerant, cosa que implica també una menor

generació de residus, i poden obtenir-se dissolucions molt més

Centro

GTS


concentrades en l’espècie que es vol recuperar. Les etapes de càrrega i

regeneració de la resina tenen lloc per mitjà de fluxos en sentit oposat

(normalment el regenerant és introduït per la part inferior de la columna).

! Llit mixt: consisteix en la utilització de dos tipus de bescanviadors en la

mateixa columna. Quan s’utilitzen bescanviadors catiònics i aniònics en

un llit mixt, s’eliminen simultàniament els cations i els anions presents en

una dissolució i, per tant, s’obtenen graus de desionització molt elevats.

Les dues resines poden regenerar-se independentment, ja que les resines

aniòniques acostumen a ser més lleugeres que les catiòniques i això fa

que puguin separar-se hidràulicament.

- Llit fluïditzat: el bescanvi iònic té lloc en resines no compactades i permet el

tractament d’efluents amb quantitats apreciables de partícules sempre que

aquestes tinguin unes dimensions i una densitat que permetin la seva sortida

del llit de resina junt amb l’efluent tractat.

1.2.4. Bescanviadors iònics en farmàcia i medicina

La utilització de resines de bescanvi iònic sintètiques en les indústries farmacèutiques i

mèdiques és molt diversa i tecnològicament avançada. De fet, l’ús de materials amb

propietats bescanviadores en aquestes indústries (carbó, alúmina, argiles, alginats,

extractes d’òrgans, fulles, arrels, herbes, etc) és molt més previ a la síntesi de la primera

resina bescanviadora d’ions sintètica. Tots aquests materials s’han aplicat durant segles

com a productes farmacèutics60, portadors de medicaments61 o com a ajuda per al

processament de productes farmacèutics62. Aquesta última és potser l’aplicació més

important dins del camp industrial. Així per exemple el processament d’antibiòtics

normalment implica etapes com una extracció, descoloració, concentració,

cromatografia i conversió a sal, en les quals s’utilitzen freqüentment resines de bescanvi

iònic63.

D’altra banda, les resines de bescanvi iònic també fa molts anys que s’utilitzen en

aplicacions galèniques, com per exemple, com a additius per a la desintegració de

pastilles64, estabilitzadors de medicaments per al tractament de malalties diverses5, per

al control de l’alliberació65, etc. Donat que el principal objectiu de la present memòria

Centro

GTS

Cinètica del bescanvi iònic

és el desenvolupament d’un sistema d’alliberació controlada per a la seva aplicació al

camp dental ens centrarem només en aquesta aplicació.

Hi ha moltes tècniques basades en resines bescanviadors d’ions que poden utilitzar-se

per obtenir l’alliberació controlada d’un medicament. Tot i això hi ha una sèrie de

paràmetres intrínsecs de la resina que afecten al procés d’alliberació. D’aquesta manera

la cinètica d’adsorció-desorció està influenciada per paràmetres físics com la mida de la

partícula de resina, el grau d’entrecreuament, la porositat, la temperatura, ... i

paràmetres químics com el tipus de resina, la seva forma iònica, el pH i la força iònica

del medi, entre altres. Tenint en compte tot això, amb la selecció apropiada de les

resines es poden dissenyar preparacions per a aplicacions específiques.

En els treballs que recull la present memòria, s’ha estudiat l’efecte d’alguns dels

paràmetres que acabem de mencionar sobre la velocitat d’alliberació de diferents ions

biològicament actius (Ca2+, H2PO4- i en menor grau F-) de resines de bescanvi iònic i,

per això, els conceptes bàsics relatius a la cinètica d’aquests processos s’expliquen més

detalladament a continuació.

1.3. CINÈTICA DEL BESCANVI IÒNIC

En els processos de bescanvi iònic, la teoria cinètica, a diferencia de la de l’equilibri, no

està tan desenvolupada degut principalment a dificultats dels models de comportament i

del corresponent tractament matemàtic.

Què s’entén per cinètica d’un procés de bescanvi iònic?

Tradicionalment, és l’estudi de la velocitat del fenomen que té lloc quan posem en

contacte un bescanviador iònic amb una dissolució d’electròlit, de manera que el

bescanviador es converteix així a una altra forma iònica, ja sigui de forma parcial o

total.

Davant d’un problema cinètic les preguntes que solen plantejar-se s’indiquen a

continuació:

" Quin és el mecanisme del procés?

" Quina és l’etapa determinant de la velocitat?

" Quines lleis segueix el procés?

" Com pot predir-se teòricament la velocitat?

Centro

GTS


Excepte el quart punt, el qual encara no ha estat resolt satisfactòriament i del que només

es disposa d’estimacions, conclusions per analogia o mesures independents de velocitat,

els altres tres estan ben definits.

1.3.1. Mecanisme del bescanvi iònic

Considerem d’una banda, un material bescanviador amb contraions làbils d’un

determinat tipus (A) i, de l’altra, un líquid que conté contraions B del mateix tipus, i que

els posem en contacte. Quan s’hagi assolit l’equilibri, tindrem que alguns ions A fixats

al bescanviador s’hauran bescanviat per ions B procedents de la dissolució. En

definitiva, ambdues fases contindran els dos tipus d’ions, encara que no amb la mateixa

proporció.

Aquesta seria una manera senzilla d’explicar el fenomen o procés de bescanvi iònic i,

des d’aquest punt de vista, es tractaria d’un simple fenomen de redistribució d’ions

làbils, o el que és el mateix, d’una transferència de massa, més que una reacció química.

Tenint en compte això, el transport de massa total implicat en el procés es pot dividir en

cinc etapes clarament diferenciades:

1.- Difusió de l’ió B a través de la fase líquida cap a la superfície del

bescanviador.

2.- Difusió de l’ió B a través de les partícules de bescanviador.

3.- Bescanvi iònic.

4.- Difusió de l’ió A desplaçat del bescanviador cap a la superfície del mateix.

5.- Difusió de l’ió A desplaçat del bescanviador a través de la fase líquida lluny

de les partícules d’adsorbent.

Depenent de quina d’aquestes etapes sigui la més lenta, la cinètica del bescanvi vindrà

governada bé per una difusió o per un mecanisme d’acció de masses.

Com que els fluxos d’ambdós ions s’han d’acoblar és requisit indispensable que es

compleixi el principi de l’electroneutralitat: la transferència de càrrega d’un ió ha de ser

compensada per una altra transferència de càrrega equivalent en direcció oposada.

Això ens condueix a considerar només dues etapes: la transferència de massa dels ions

bescanviables bé dins del llit del bescanviador o en la fase líquida.

Centro

GTS


En els procediments experimentals generalment s’intenten eliminar les etapes 1 i 5

mitjançant una agitació vigorosa del sistema en estudi per tal de mantenir així una

concentració constant dels ions bescanviables a la interfase partícula de

bescanviador-dissolució. Tot i això, si el bescanvi és molt ràpid pot ser que la velocitat

de transport d’ions cap al límit de la interfase no sigui el suficientment elevat com per

satisfer aquesta condició. Aleshores ens hem d’imaginar una pel·lícula de líquid molt

fina que rodeja/acompanya a la partícula de bescanviador i on existeix un gradient de

concentració persistent.

Tenint en compte aquesta situació, varis estudis sobre la cinètica del bescanvi iònic per

part de Boyd i col·laboradors conclogueren que el bescanvi d’ions no és una reacció

química d’un determinat ordre, sinó que es tracta d’un mecanisme de difusió: ja sigui

una difusió a la capa líquida adherida al voltant de la partícula del bescanviador o bé,

una difusió dins de la pròpia partícula66-70.

El concepte bàsic de difusió es mostra a la Figura 10; en ella es poden observar

fàcilment els dos tipus de mecanismes de difusió que existeixen durant el procés de

bescanvi iònic.

Figura. 10. Mecanismes de difusió existents durant el procés de bescanvi iònic.

1.3.2. Factors que afecten a la velocitat de bescanvi. Etapa determinant de la

velocitat

Tal i com s’ha pogut observar a la Figura 10, la velocitat de bescanvi iònic vindrà

controlada bàsicament per la transferència de massa al llit de la resina o a la fase

líquida, sigui quina sigui la més lenta.

Pel·lícula de dissolució

Difusió a la pel·lícula Difusió dins de la partícula

Fase resina

Dissolució externa

Centro

GTS


D’entrada hi hauria varies raons les quals ens podrien fer pensar en prescindir de la

transferència de massa a la fase líquida; la primera d’elles, és que la difusió a l’interior

del llit de resina està obstruïda per la pròpia matriu de la resina, cosa que no passa a la

fase líquida. A més a més, la distància a recórrer des de la superfície de la resina fins a

l’interior de la mateixa és molt més llarga de la que correspon al gruix de la pel·lícula de

líquid (capa limitant entre la fase líquida sotmesa a agitació i la superfície sòlida).

Tot i això, la força conductora no és la mateixa en ambdues fases ja que, en la fase

líquida, aquesta vindrà regida per la diferència de concentració entre l’interior de la

dissolució i la superfície del sòlid bescanviador, mentre que en la fase sòlida, serà la

diferència de concentració entre la superfície del bescanviador i l’interior del mateix la

que ens la determinarà. Així seran les condicions sota les quals treballem en cada cas

(característiques de la resina, dels ions mòbils, de la dissolució externa, la dinàmica del

procés,...) les que constituiran l’etapa determinant de la velocitat del procés de bescanvi

iònic que tindrà lloc.

Així per exemple, l’etapa determinant de la velocitat del procés de bescanvi iònic

esdevindrà la transferència de massa a la fase líquida en condicions de71:

- Baixa concentració a la fase líquida (la força conductora a la fase líquida és

petita). Quan la concentració d’ions a la dissolució externa és baixa

(aproximadament 0,001 N), el bescanvi entre la resina i la dissolució està

controlat generalment per la difusió a través de la pel·lícula de líquid que

envolta la partícula, mentre que quan la concentració és superior a 0,01 N, la

difusió intraparticular esdevé l’etapa lenta. En un rang de condicions

intermedi ambdós mecanismes poden afectar a la velocitat del bescanvi

d’ions.

- Capacitat elevada del bescanviador iònic (la força conductora a la fase

sòlida és elevada).

- Mida de partícula petita (la distància de la transferència de massa al llit de

resina és petita). Quan més petit és el diàmetre de les partícules de resina més

ràpid és el bescanvi. Tant si la velocitat està controlada per la difusió al film

com si està controlada per la difusió intraparticular, les partícules més petites

duran a terme un bescanvi més ràpid perquè la superfície específica serà

Centro

GTS


major i la distància mitja que els ions que es bescanviaran tindran per

difondre’s a través de la partícula de resina serà menor.

- Grau d’entrecreuament de la resina baix (l’obstrucció a la difusió a l’interior

del llit de resina és petita).

- Agitació ineficaç del líquid. La gruixària de la pel·lícula de líquid que

envolta la partícula de resina depèn extremadament de la velocitat d’agitació:

si l’augmentem disminueix el seu gruix i en conseqüència augmenta la

velocitat de difusió dels ions a través de la mateixa. Aquesta relació és

directa però té un límit a partir del qual l’agitació ja no afecta al bescanvi.

- Preferència de la resina per l’ió que inicialment té immobilitzat. La

selectivitat juga també un paper molt important. Així, si el bescanviador

iònic és més afí a l’ió entrant, la concentració d’aquest a la pel·lícula de

líquid que envolta la partícula de líquid roman baixa fins que no s’ha assolit

una conversió considerable. Contràriament, si el bescanviador iònic és més

afí a l’ió que té inicialment immobilitzat, la concentració de l’ió entrant a la

pel·lícula de líquid va augmentant a l’espera que sigui acceptat.

1.3.3. Lleis del procés de bescanvi iònic

La velocitat dels processos de bescanvi iònic ve determinada per processos de difusió.

Per tant, les lleis que descriuen la velocitat es poden obtenir aplicant les equacions de

difusió a sistemes de bescanvi iònic. Tot i això, fenòmens que es donen en aquests

sistemes com la difusió induïda per forces elèctriques, la selectivitat, interaccions

específiques o canvis en les propietats de l’inflament, provoquen que es desviïn de la

linealitat i l’aplicació d’aquestes equacions no és tan senzilla.

Per començar, en el cas dels processos de difusió, el primer pas consisteix en aplicar la

primera llei de Fick:

iii CDJ ∇−= (8)

on Ji és el flux de la espècie i que difon, ∇Ci és el seu gradient de concentració i Di és el

seu coeficient de difusió.

Mentre que les dades dels coeficients de difusió en líquids són totalment accessibles72,

això no passa per al cas dels bescanviadors iònics. La difusió en els últims és

Centro

GTS


perjudicada per la presència de la matriu, la qual fa que els ions hagin de recórrer un

camí molt més llarg i complicat. De fet, hi ha una sèrie de models que tenen en compte

aquest efecte, és més, tots utilitzen diferents aproximacions i, si més no, donen lloc a

resultats diferents.

Així, per als bescanviadors iònics tipus gel el model més utilitzat mostra una relació

entre el coeficient de difusió efectiu iD dins de la resina i el coeficient de difusió Di a la

dissolució aquosa segons l’equació:

( )[ ]2ii 2/DD ε−ε= (9)

On ε és la fracció de volum dels porus a l’interior de la partícula la qual es pot obtenir a

partir del pes de la fracció de dissolvent absorbida i la densitat del dissolvent. Aquesta

equació és una bona aproximació per al cas de contraions univalents així com també per

a co-ions i molècules petites en polímers moderadament entrecreuats.

A part de l’obstrucció imposada per part de la matriu, la faceta més important de la

difusió en els bescanviadors iònics és l’acció del camp elèctric induït. La conservació de

la electroneutralitat imposa una limitació als fluxos iònics: la transferència de càrrega

deguda a la transferència d’una espècie iònica ha de ser compensada per una

transferència equivalent d’una o varies espècies iòniques. Per a una bona comprensió de

la cinètica del bescanvi iònic s’ha de tenir en compte el mecanisme físic d’aquest

acoblament.

Qualsevol desviació de la electroneutralitat donarà lloc a un camp elèctric que afectarà a

tots els ions presents i que, a la vegada, produirà una transferència elèctrica dels ions. La

direcció de la transferència elèctrica dels contraions és la de la difusió del contraió més

lent. Així, tal i com es mostra esquemàticament a la Figura 11, la transferència elèctrica

augmenta el flux del contraió més lent i disminueix el flux del més ràpid, igualant els

fluxos nets i evitant la presència de qualsevol altra càrrega neta71.

Contraió 1 Contraió 2

Difusió

Transferència

Flux net

Figura. 11. Superposició de la transferència elèctrica a la difusió ordinària.

Centro

GTS


Així, en el corresponent tractament matemàtic, la transferència elèctrica s’ha d’afegir

com a un terme més a la difusió ordinària; d’acord amb això s’hauria d’aplicar l’equació

de Nernst-Planck enlloc de la llei de Fick:

( ) ϕ∇−∇−= RT/FCzDCDJ iiiiii Equació de Nernst-Planck (10)

Difusió Transferència elèctrica

On iJ és el flux de l’ió i a la fase resina,∇ és el gradient, iC és la concentració de l’ió i a

la fase resina, zi és la càrrega de l’ió, F és el nombre de Faraday i ϕ és el potencial

elèctric.

El model de Nernst-Planck clàssic més àmpliament utilitzat s’aplica al bescanvi iònic

binari, en absència de co-ions, controlat per difusió intraparticular i amb composició de

la fase líquida constant.

Matemàticament la combinació de dues equacions de Nernst-Planck per als contraions

A i B sota condicions d’electroneutralitat i sense transferència de càrrega neta ens porta

a la següent equació:

AABA CDJ ∇−= (11)

On ABD és el coeficient d’interdifusió que s’expressa segons:

( )

BB2BAA

2A

B2BA

2ABA

ABDCzDCzCzCzDD

D+

+= (12)

De manera que quan la concentració de l’ió A a la fase resina tendeix a zero ( 0CA → ),

el coeficient d’interdifusió tendeix al coeficient de difusió de l’ió A a la fase resina

( AAB DD → ), i quan la concentració de l’ió B a la fase resina tendeix a zero ( 0CB → ),

el coeficient d’interdifusió tendeix al coeficient de difusió de l’ió B a la fase resina

( BAB DD → ) (llei de la minoria: la minoria governa a la majoria).

Hi ha situacions en les quals els processos de bescanvi iònic van acompanyats per

reacció química73; en ells, la difusió a l’interior de la resina (etapa determinant) es pot

aproximar hipotèticament mitjançant almenys tres mecanismes diferents els quals es

mostren a la següent figura:

Centro

GTS


Figura. 12. Mecanismes de difusió dins la partícula de resina. I) Mecanisme de Fick;

II) Mecanisme homogeni; III) Mecanisme de front d’avançament

- Mecanisme de difusió de Fick: existeix un gradient de concentració dins la

partícula de resina que va variant amb el temps.

- Mecanisme de difusió homogeni: la concentració de l’espècie es considera

homogènia dins la partícula a cada moment. L’espècie reacciona amb la

partícula globalment.

- Mecanisme de difusió de front d’avançament (de l’anglès: shell progressive): la

concentració de l’espècie a l’interior de la partícula és zero i, conforme anem

avançant en el temps, es va formant una “capa” de resina en la que s’ha adsorbit

l’espècie a la superfície de la partícula la qual va progressant cap al centre de la

mateixa.

Les teories sobre la cinètica del bescanvi iònic es poden desenvolupar doncs a partir de

cadascun d’aquests mecanismes hipotètics depenent de si es basen en la llei de Fick,

l’equació de Nernst-Planck o en temps més recents en l’equació de Stefan-Maxwell74.

En funció d’això s’han desenvolupat gran varietat de models per a la interpretació, en

cada cas, de la cinètica del bescanvi iònic71,75.

I II III

Centro

GTS

Prevenció de la caries dental

Un cop duta a terme una breu descripció de les característiques i propietats dels

materials objecte d’estudi en la present memòria, així com del fonament de la seva

actuació, es passarà finalment a explicar breument la problemàtica del camp d’aplicació

dels estudis realitzats així com també la necessitat de desenvolupar un producte

d’higiene dental com una pasta de dents basat en la tecnologia de l’alliberació

controlada.

1.4. PREVENCIÓ DE LA CARIES DENTAL

El grau d’incidència de la caries en la població actual ha disminuït gràcies a la

utilització de fluorur. De fet el seu paper de protecció contra la caries dental no va ser

reconegut fins a mitjans dels anys 30, quan estudis epidemiològics van demostrar que

els nens que consumien aigua fluorada presentaven menys caries que aquells procedents

de poblacions amb subministrament d’aigua amb un contingut molt baix de fluorur. Des

d’aleshores s’ha potenciat la fluoració de l’aigua de consum i, malgrat hi hagi gent que

no la consumeixi, la majoria d’aliments es preparen amb aigua que conté fluorur76,77.

Però què es la caries dental???

El mineral que forma part del teixit dental està format principalment a base de

hidroxiapatita càlcica carbonatada la qual, en medis àcids, és més soluble que la

hidroxiapatita càlcica (Ca10(PO4)6(OH)2). La superfície de l’esmalt està recoberta per

una pel·lícula a la qual es poden adherir bactèries donant lloc al que es coneix com a

placa bacteriana. En aquestes condicions moltes d’aquestes bactèries, unes més

eficients que altres, són capaces de produir àcid làctic a partir dels sucres ingerits a la

dieta. Així microorganismes com els lactobacillus i la Streptococcus mutans són

capaços de sobreviure sota condicions àcides, dur a terme la glicòlisi dels sucres

ingerits, i els àcids orgànics febles generats difonen a través de la placa cap a la dent

provocant una lixiviació del calci i fosfat de l’esmalt. La conseqüència més immediata

d’aquest procés, conegut com a desmineralització, és la creació, després d’alguns mesos

o anys, d’un defecte estructural a la dent i la formació d’una cavitat o caries. La saliva

proporciona una font natural d’ions calci i fosfat per a la remineralització, procés invers

que té lloc entre períodes de desmineralització.

Centro

GTS


El procés de desmineralització i remineralització, tal i com es mostra a la Figura 13, es

pot considerar com un sistema dinàmic caracteritzat pel flux d’entrada i sortida de calci

i fosfat de l’esmalt78. Així si es vol evitar la formació d’una càries, el grau de

remineralització hauria d’igualar-se o superar a la desmineralització.

Figura. 13. Equilibri de desmineralització-remineralització.

La presència de fluorur a la saliva promou la remineralització i inhibeix tant la

desmineralització de l’esmalt dental durant el procés de formació de caries com el

creixement bacterià. L’efecte antibacterià dependrà de la seva concentració i també del

pH ja que és quan aquest és baix que el fluorur es troba en forma d’àcid fluorhídric,

difon a través de la membrana de la bactèria, s’introdueix a la cèl·lula i exerceix l’efecte

inhibidor. El nou mineral format si el fluorur, el calci i el fosfat estan presents en la

proporció adequada79, contindrà hidroxiapatita i fluoroapatita (Ca5(PO4)3F), ambdós

compostos menys solubles que la hidroxiapatita càlcica carbonatada80.

Així doncs, donat l’avantatjós mecanisme d’acció del fluorur81, algunes reaccions del

qual es mostren a la Figura 14, se n’han desenvolupat mètodes per a la seva aportació82.

Placa Saliva

Desmineralització Remineralització

Àcids bacterians (H+)

Dipòsit placa (Ca++, HPO42-, F-)

Dipòsit saliva (Ca++, HPO42-, F-)

Esmalt(amb caries)

Centro

GTS

Prevenció de la caries dental

Figura. 14. Algunes reaccions químiques d’importància en presència de fluorur que

tenen lloc durant el procés de formació de la caries.

Probablement el tractament més efectiu per a la prevenció de la caries segueixi sent la

fluoració de l’aigua municipal, la concentració òptima de la qual oscil·la entre 0,7-1

ppm de fluorur, però s’ha provat en nombrosos estudis clínics que l’ús de pastes dentals

que contenen fluorur (a la normativa americana el límit de concentració està en 1100

ppm) redueix considerablement la incidència de caries. Per aquesta raó, el fluorur s’ha

afegit també altres productes tant d’ús tòpic: col·lutoris, gels, xiclets, vernissos, etc83-86,

com sistèmic: sal, llet, sucs, refrescs, comprimits87-91, etc. Amb tot s’ha de considerar

que aquest augment en el consum de fluorur incrementa el risc de toxicitat i fluorosi

dental92,93, i en aquest sentit és on les pastes de dents comercialitzades actualment que

incorporen fluorur presenten deficiències, ja que alliberen instantàniament gran

quantitat de fluorur als fluids biològics. És per això que s’han identificat tot un seguit

d’accions, les quals es presenten a la taula que es mostra a continuació, per tal de reduir

aquests riscs82 de toxicitat.

Taula. 2. Mètodes per al control de la fluorosi.

Fluoració de l’aigua Utilitzar la concentració apropiada de fluorur Monitoritzar els nivells de fluorur

Suplements Utilitzar la dosi recomanada en el seguiment Informar als pacients amb risc si no compleixen el seguiment. Utilitzar en nens amb risc elevat

Pasta dental Supervisar el raspallat i la quantitat de pasta en nens menors de 6 anys Considerar pastes pediàtriques en nens menors de tres anys

Col·lutoris Utilitzar en pacients amb risc elevat majors de sis anys

Fórmules instantànies Preparar amb aigua no fluorada

En general Monitoritzar la fluorosi i la exposició total a fluorur de la població

Saliva+fluid placa Retorn dissolució F- cap a fluids orals

fosfat

Fluorur de calci

+ molt Fluorur

+ poc Fluorur

Hidroxiapatita Fluoro(hidroxi)apatita

Centro

GTS


Actualment, les perspectives de futur en la utilització de fluorur es centren en optimitzar

la retenció i/o una baixa velocitat d’alliberació del fluorur en el medi oral. Malgrat ja fa

relativament temps que les resines de bescanvi iònic carregades amb ions fluorur

s’utilitzen en el camp dental94,95,96, no es troben en canvi estudis sobre mescles de

resines de bescanvi iònic carregades amb ions calci, fluorur i fosfat. L’aplicació de

materials de bescanvi iònic presenta avantatges en comparació amb els reactius químics

convencionals. No introdueixen ions no desitjables a la dissolució, l’alliberació dels

ions té lloc només a través del mecanisme de bescanvi iònic, es caracteritzen per valors

de pH pràcticament neutres i poden adsorbir bactèries a la seva superfície. Tenint en

compte a més, que el procés de remineralització s’aconsegueix mitjançant l’aportació

simultània d’ions calci, fluorur i fosfat a la dent per tal de facilitar la formació de

fluoroapatita càlcica (remineralitza i proporciona resistència a la dent), es proposa el

desenvolupament d’una pasta dental que incorpori un sistema d’alliberació controlada

basat en bescanviadors iònics. D’aquesta manera es poden barrejar els tres ions

conjuntament tot evitant que entrin en contacte i precipitin abans de la seva aplicació.

Sembla clar doncs, que el primer pas per al desenvolupament d’una formulació

d’alliberació controlada d’ions biològicament actius basada en resines de bescanvi

iònic, és el seu desenvolupament a nivell de laboratori, i la primera acció per tal

d’aconseguir això passa per la caracterització tant dels materials que s’utilitzaran com

dels processos cinètics que tindran lloc en aquesta nova tecnologia per tal de treure’n el

màxim de profit.

Centro

GTS

Objectius

1.5. OBJECTIUS

Tenint en compte els antecedents anteriorment exposats, la finalitat dels estudis

presentats en aquesta memòria és el desenvolupament i caracterització d’una pasta

dental basada en la tecnologia de l’alliberació controlada mitjançant la utilització de

resines de bescanvi iònic i la seva aplicació a processos de remineralització de l’esmalt

dental.

Els estudis a desenvolupar per tal d’aconseguir aquest objectiu són els següents:

1- Caracterització cinètica dels sistemes de bescanvi iònic mitjançant diferents

procediments. Determinació de l’efecte de diferents paràmetres (temperatura,

estructura i mida de partícula de la matriu polimèrica, caràcter del grup

funcional actiu) sobre la velocitat d’alliberació dels ions (calci i fluorur).

2- Avaluació de la influència de la mida de partícula sobre la velocitat d’alliberació

dels ions (calci, fluorur i fosfat) i estudi del mecanisme a través del qual té lloc

l’alliberació dels ions de la mescla de resines que constitueixen el principi actiu,

conegut formalment com a NMTD97, incorporat a una pasta dental.

3- Desenvolupament i optimització d’una base de pasta dental compatible amb els

processos de bescanvi iònic del producte NMTD.

4- Caracterització d’una pasta dental amb NMTD. Estudi de citotoxicologia,

potencial d’eliminació de taques, abrasió i capacitat de remineralització de

lesions de caries artificial sobre l’esmalt dental. Centro

GTS


1.6. BIBLIOGRAFIA

1 SHAH, K.P.; CHAFETZ, L. Int. J. Pharm., 1994, 109, 271. 2 KHAN, G.M.; ZHU, J.B. J. Controlled Release, 1999, 57, 197. 3 SCHOLSKY, K.M.; FITCH, R.M. J. Controlled Release, 1986, 3, 87. 4 PLAIZIER-VERCAMMEN, J.A. Int. J. Pharm., 1992, 85, 45. 5 SRIWONGJANYA, M.; BODMEIER, R. Int. J. Pharm., 1997, 158(1), 29. 6 YOUNG, R.J.; LOVELL, P.A. Introduction to polymers, Second Edition,

CHAPMAN AND HALL (eds.); Londres, 1989, p.3. 7 TORRES, D.; SEIJO, B.; GARCÍA-ENCINA, G.; ALONSO, M.J; VILA-JATO,

J.L. Int. J. Pharm., 1990, 59, 9. 8 SRIWONGJANYA, M.; BODMEIER, R. Int. J. Pharm., 1997, 158, 29. 9 NUJOMA, Y.N.; KIM, C.J; CHERN, R.T. ACS Symp. Ser., 1998, 709, 67. 10 PAREJO, C.; GALLARDO, A.; SAN ROMÁN, J. .J. Mat. Sci.: Med., 1998, 9, 803. 11 AKERMAN, S.; SVARFVAR, B.; KONTTURI, K.; NÄSMAN, J.; URTTI, A.;

PARONEN, P.; JÄRVINEN, K. Int. J. Pharm., 1999, 178, 67. 12 MARK, H.F. et al. (eds.); Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Vol.

7; 3ª ed., John Willey and Sons: Nova York, 1979. 13 WILLIAM, D. (ed.); Concise encyclopedia of Medical & Dental Materials;

Pergamon Press: Oxford,1990. 14 IRWIN, W.J.; BELAID, K.A. Int. J. Pharm., 1988, 48, 159. 15 ANDREOPOULOS, A.G.; HATZI, E.C.; DOXASTAKIS, M. J. Mat. Sci.: Med.,

2000, 11, 393. 16 IRWIN, W.J.; BELAID, K.A.; ALPAR, H.O. Drug Dev. Ind. Pharm., 1987, 13(9-

11), 2047. 17 BRANNON-PEPPAS, L. a http://www.devicelink.com/mpb/archive/97/11/003.html. 18 FEELY, L.C.; DAVIS, S. S. Int. J. Pharm., 1988, 44(1-3), 131. 19 LYMAN, D.L. Pure Appl. Chem., 1978, 50, 427. 20 ALLAN, G.G.; CHOPRA, C.S.; NEOGI, A.N.; WILKINS, R.M. Nature, 1971,

234, 349. 21 SOLDATOV, V.S. Ion Exchange for Industry, STREAT, M. (ed.); Ellis Horwood:

Chichester, 1988, p.652. 22 SUBRAMANIAN, R.V.; SOMASEKHARAN, K.N. J. Macromol. Sci. Chem.,

1981, A-16, 73. 23 AKELAH, A.; MOET, A. Functionalized Polymers and Their Applications,

CHAPMAN AND HALL (eds.); Londres, 1990, p.28. 24 DORFNER, K. a: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter

Publisher: Berlín, 1991, p.26. 25 PEPPER, K.W.; REICHENBERG, D.; HALE, D.K. J. Chem. Soc., 1952, 3129. 26 GREGOR, H.P.; HOOESCHELE, G.K.; POTENZA, J.; TSUK, A.G.; FEINLAND,

R.; SHIDA, M.; TEYSSIE, P. J. Am. Chem. Soc., 1965, 87, 5525. 27 HEITZ, W.; PLATT, K.L. Makromol. Chem., 1969, 127, 113. 28 KURAMA, H.; ZIMMER, A.; RESCHETILOWSKI, W. Chem. Eng. & Techn.,

2002, 25(3), 301. 29 DORFNER, K. a: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter

Publisher: Berlín, 1991, p.311. 30 THOMPSON, H.S. J. Roy. Agr. Soc. Engl., 1850, 11, 68. 31 WAY, J.T. J Roy. Agr. Soc. Engl., 1850, 11, 313; 1852, 13, 123. 32 HARM, F.; RÜMPLER, A. 5th Intern. Congr. Pure Appl. Chem., 1903, 59.

Centro

GTS

Bibliografia

33 ADAMS, B.A.; HOLMES, E.L. J. Soc. Chem. Ind., 1935, 54, 1T. 34 JACKSON, P.E.; ROMANO, J.P.; WILDMAN, B.J. J. Chromatogr. A, 1995, 706,

3. 35 CHEN, L.; XIN W.; DONG, C., WU, W.; YUE, S. a: Ion Exchange and Solvent

Extraction, Vol.12, MARINSKY, J.A.; MARCUS, Y. (Eds.); Marcel Dekker Inc.: Nova York, 1995, p.1.

36 MURAVIEV, D.; NOGUEROL, J.; VALIENTE, M. a: Progress in ion exchange: Advances and Applications, DYER, A.; HUDSON, M.J.; WILLIAMS, P.A. (eds.); The Royal Society of Chemistry: Cambridge, 1995, p.349.

37 MURAVIEV, D.; NOGUEROL, J.; VALIENTE, M. Anal. Chem., 1997, 69, 4234. 38 POPHAL, C.; YOGO, T.; YAMADA, K. Appl. Catal. B, Environm., 1998, 16(2),

227. 39 NOVIC, M.; GUCEK, M.; TURSIC, J.; LIU, Y.; AVDALOVIC, N. J. Chromatogr.

A, 2001, 909, 289. 40 GORSHKOV, V.; MURAVIEV, D.; WARSHAWSKY, A. Solv.Extr.& Ion Exch.,

1998, 16(1), 1. 41 GUPTA, R.K.; SINGH, R.R.; TANJI, K.K. Soil Sci. Soc. Am. J., 1990, 54(5), 1254. 42 LUMBANRAJA, J.; EVANGELOU, V.P. Soil Sci., 1994, 157(5), 269. 43 CROLL, B.T. a: Ion Exchange Processes: Advances and Applications, DYER, A.

(ed.); The Royal Society of Chemistry: Cambridge, 1993, p.141. 44 RODRÍGUEZ, J.; ORTIZ, M.M.; HERNÁNDEZ, L. Environ. Sci. Technol., 1997,

31, 3081. 45 BERDAL, A.; VERRIÉ, D.; ZAGANIARIS, E. a: Ion exchange at the millenium,

Greig, JA (ed.); Society of Chemical Industry: Cambridge, 2000, p.101. 46 MARTINOLA, F. a: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter

Publisher: Berlín, 1991, p.845. 47 MITCHENKO, T.; STENDER, P.; MAKAROVA, N.: Solv. Extr. & Ion Exch.,

1998, 16(1), 75. 48 HÖLL, W.H. a: Ion Exchange Developments and Applications, GREIG, J.A. (ed.);

The Royal Society of Chemistry: Cambridge, 1996, p.404. 49 GORSHKOV, V.I. a: Ion Exchange and Solvent Extraction, Vol.12, MARINSKY,

J. A.; MARCUS, Y. (ed.); Marcel Dekker Inc.: Nova York, 1995, p.29. 50 ETZEL, J.E.; TSENG, D-H. a: Metals Epeciation, Separation and Recovery,

PATTERSON, J.W., PASSINO, R. (ed.); Lewis Publishers Inc.: Chelsea, 1987, p.571.

51 MURAVIEV, D.; NOGUEROL, J.; VALIENTE, M. Env. Sci. & techn., 1997, 31, 379.

52 VALCÁRCEL, M.; GÓMEZ HENS, A.: Técnicas Analíticas de Separación; Reverté: Barcelona, 1994, p.248.

53 GARCÍA, J.E.; DIAZ, R.; NOTARIO J.S.; GONZÁLEZ, M.M. Appl. Clay Sci., 1994, 9, 129.

54 SCHERER, R.; BERNARDES, A.M.; FORTE, M.M.C.; FERREIRA, J.Z.; FERREIRA, C.A. Mat. Chem. & Phys., 2001, 71, 131.

55 VYAS, P.V.; SHAH, B.G.; TRIVEDI, G.S.; RAY, P.; ADHIKARY, S.K.; RANGARAJAN, R. J. Membr. Sci., 2001, 187, 39.

56 SABHARWAL, K.N.; VASUDEVA RAO, P.R.; SRINIVASAN, M. Solv. Extr. & Ion Exch., 1995, 13(3), 561.

57 MIJANGOS, F. Can. J. Chem Eng., 1994, 72, 1028.

Centro

GTS


58 DORFNER, K. a: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, p.1.

59 BROWN, C.J. a: Standard Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal, FREEMAN, H.M. (ed.); McGraw-Hill Book Company: Nova York, 1989, p. 6.59.

60 VILAIN, J. WO Patent, 1990. 61 SELLERS, E.M.; KHOUW, V.; DOLMAN, L. J. Pharm. Sci., 1977, 66(11), 1640. 62 RHEINLANDER, T.; CAGLAR, G. US Patent 2003031626, 2003. 63 CHA, D.Y.; JAHNKE, H.K. US Patent 3515717, 1970. 64 LUKACH, C.A.; SAU, A.C. US Patent 4853437, 1989. 65 CUNA, M.; VILA JATO, J.L.; TORRES, D. Int. J. Pharmaceutics, 2000, 199(2),

151. 66 BOYD, G.E.; ADAMSON, A.W.; MYERS, L.S., JR. J. Am. Chem. Soc., 1947, 69,

2836. 67 BOYD, G.E.; SOLDANO, B.A. J. Am. Chem. Soc., 1954, 75, 6091. 68 SOLDANO, B.A.; BOYD, G.E. J. Am. Chem. Soc., 1954, 75, 6099. 69 BOYD, G.E.; SOLDANO, B.A. J. Am. Chem. Soc., 1954, 75, 6105. 70 SOLDANO, B.A.; BOYD, G.E. J. Am. Chem. Soc., 1954, 75, 6107. 71 HELFFERICH, F.G.; HWANG, Y-L. a: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.);

Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, p.1278. 72 LILEY, P.E.; GAMBILL, W.R. Perry’s Chemical Engineers’Handbook, secció 3,

PERRY, R.H; GREEN, D.W.; MALONEY, J.O. (eds.); 6th ed.; McGraw-Hill: Nova York, 1984.

73 DELAYETTE-MILLS, M.; KARM, L.; JANAUER, G.E.; CHAN, P-K.; BERNIER, W.E. An. Chim. Acta, 1981, 124(2), 365.

74 HELFFERICH, F. Ion Exchange, Dover Publications, Inc.: Nova York, 1995, p. 257.

75 PETRUZZELLI, D.; HELFFERICH, F.G.; LIBERTI, L.; MILLAR, J.R.; PASSINO, R. React. Polym., 1987, 7, 1.

76 WHELTON, H.; CROWLEY, E.; DONALDSON, M.; O’MULLANE, D.; GAVIN, G.; WILSON, D.; KELLEHER, V.; CRONIN, M. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-269, 2065.

77 CURY, J.A.; CASARIN, R.C.V.; LIMA, Y.B.O. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-211, 1593.

78 WINSTON, A.E.; BHASKAR, S.N. J. Am. Dent. Assoc., 1998, 129(11), 1579. 79 LeGEROS, R.Z. J. Clin. Dent., 1999, 10(2), 65. 80 AOBA, T. Crit. Rev. Oral Biol. Med., 1997, 8(2), 136. 81 TEN CATE, J.M. Acta Odontol. Scand., 1999, 57(6), 325. 82 CLARKSON, J.; McLOUGHLIN, J. Int. Dent. J., 2000, 50(3), 119. 83 WHITE, D.J. J. Clin. Dent., 1991, 3(1), 6. 84 CHOW, L.C.; TAKAGI, S.; CAREY, C.M.; SIECK, B.A. Caries Res., 2000, 79(4),

991. 85 SANTOS DE LOS, R.; LIN, Y.-T.; CORPRON, R.E.; BELTRAN, E.D.;

STRACHAN, D.S.; LANDRY, P.A. Caries Res., 1994, 28, 441. 86 JIN, B.H.; LEE, E.-J.; MA, D.-S.; PAIK, D.-I.; KIM, J.B. J. Dent. Res., 2003,

82(Spec Iss B), B-71, 0471. 87 OBRY-MUSSET, A.M.; BETTEMBOURG, D.; CAHEN, P.M.; VOEGEL, J.C.;

FRANK, R.M., Caries Res., 1992, 26(5), 367. 88 TOTH, Z.; GINTNER, Z.; BANOCZY, J.; PHILIPS, P.C. Caries Res., 1997, 31(3),

212.

Centro

GTS

Bibliografia

89 KIRITSY, M.C.; LEVY, S.M.; WARREN, J.J.; GUHA-CHOWDHURY, N.; HEILMAN, J.R.; MARSHALL, T. J. Am. Dent. Assoc., 1996, 127(7), 895.

90 HATTS, J.; ZOHOURI, F.V.; MOYNIHAN, P.; MAGUIRE, A. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-267, 2052.

91 DRISCOLL, W.S.; HEIFETZ, S.B.; BRUNELLE, J.A. J. Am. Dent. Assoc., 1981, 103(6), 878.

92 PADILLA, O.; DAVIS, M.J. N. Y. State Dent. J., 2001, 67(2), 34. 93 BARONI, R.; MEDEIROS, U.V.; GOMES, A.M.M.; SARCINELLI, R. J. Dent.

Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-269, 2064. 94 TURPIN-MAIR, J.S.; RAWLS, H.R.; CHRISTENSEN, L.V. J. Oral Rehab., 1982,

9, 523. 95 COOK. P.A.; YOUNGSON, C.C. Br. J. Orth., 1989, 16, 207. 96 RAWLS, H.R. Adv. Dent. Res., 1991, 5, 50. 97 Desarrollo Científico Aplicado S.L. (Barcelona, Spain (rights owner)). ES Patent

9700016, 1997.

Centro

GTS

Capítol 2

Metodologia Experimental

Centro

GTS

Metodologia experimental

Donades les diferents característiques dels objectius proposats, s’han aplicat, i en alguns

casos desenvolupat, diferents metodologies adients per tal d’obtenir la informació

necessària per assolir l’objectiu central del present treball. Aquest ha consistit en el

desenvolupament d’una pasta dental basada en la tecnologia de l’alliberació controlada

mitjançant la incorporació d’una mescla de resines de bescanvi iònic carregades amb

ions biològicament actius, el que ha implicat l’aplicació de metodologies experimentals

i d’anàlisi de dades totalment diferenciades, donades les dues vessants dels estudis

realitzats:

- D’una banda, la caracterització físico-química dels processos de bescanvi iònic

que tenen lloc a la formulació finalment incorporada a la pasta dental. En aquest

punt s’inclouen estudis preliminars per determinar la influència de paràmetres

com la mida de la partícula de la resina, la temperatura i el tipus de matriu, així

com els estudis amb mescles de resines per tal d’establir, en cada cas, el

mecanisme a través del qual té lloc l’alliberació, tot tenint en compte el gran

nombre d’interaccions implicades en aquest sistema complex.

- D’altra banda, els estudis de desenvolupament i caracterització de la pasta

dental, especialment el seu assaig en proves in vitro.

Tenint en compte aquests aspectes, s’han dut a terme els estudis experimentals següents:

1. Estudi de l’efecte de la mida de partícula i la temperatura sobre la cinètica

d’alliberació dels ions Ca2+ i F- de resines de bescanvi iònic tipus feble i fort

amb saliva artificial (Annexos 1, 2 i 3). Per a això s’ha fet ús de dos tipus de

metodologies experimentals diferents: condicions dinàmiques i en discontinu,

amb l’objectiu d’avaluar la resposta cinètica dels diferents materials davant de

possibles situacions dins del medi oral. Aquesta caracterització permetrà

determinar la influència de la temperatura i la mida de partícula sobre la

velocitat d’alliberació dels ions en condicions de medi iònic adient. Així mateix,

es podrà comparar, en aquestes condicions, el comportament dels sistemes de

bescanvi iònic en funció del tipus i caràcter del grup ionogènic immobilitzat a la

matriu polimèrica corresponent.

2. Estudi sobre la velocitat d’alliberació dels ions Ca2+ i F- en sistemes polifàsics

(Annex 4). Aquests experiments representen la primera fase de l’estudi sobre les

Centro

GTS


interaccions que tenen lloc quan es mesclen resines de bescanvi iònic de tipus

catiònic i aniònic que poden produir la formació de substàncies de baixa

solubilitat. La realització dels estudis d’aquest tipus de processos de bescanvi

iònic permeten obtenir dades per a la modelització del procés de formació de

precipitat en funció de la relació estequiomètrica de resines.

3. Estudi de l’efecte de la mida de partícula de les resines de bescanvi iònic (llit

mixt) que constitueixen el principi actiu NMTD1 sobre la velocitat d’alliberació

dels ions i caracterització de les interaccions que tenen lloc en els processos de

bescanvi iònic d’aquesta mescla de resines la qual serà incorporada a la pasta

dental (Annexos 1 i 5). Aquests experiments permeten comprovar la importància

que té el control de la mida de la partícula de la resina per tal d’obtenir, en una

formulació determinada, l’efecte desitjat.

4. Desenvolupament d’una matriu de pasta dental compatible amb el producte

NMTD (Annex 6). Amb aquest objectiu, s’ha dut a terme un estudi sistemàtic

per determinar la composició de la matriu de pasta dental compatible amb

l’alliberació dels ions del principi actiu. L’estudi s’ha basat en l’avaluació de

l’efecte dels diferents additius d’una pasta dental sobre l’esmentada alliberació.

5. Caracterització del comportament de la pasta dental amb NMTD (Annexos 7, 8 i

9). En aquest cas s’ha dut a terme una avaluació de la citotoxicitat del producte

d’aplicació en higiene dental així com la seva abrasió i poder d’eliminació de

taques. S’ha completat l’estudi amb un assaig in vitro sobre la capacitat de

remineralització de lesions de caries artificials de l’esmalt dental. En tots els

casos s’han utilitzat els controls positius i negatius corresponents i necessaris per

a l’obtenció de conclusions encertades.

A partir d’ara, procedirem a descriure en termes generals la metodologia experimental

que s’ha utilitzat en la present memòria, per tal de fer més comprensibles els resultats

obtinguts que es recullen als annexes i es discuteixen en el capítol següent.

Centro

GTS


2.1. CARACTERITZACIÓ DELS PROCESSOS DE BESCANVI IÒNIC

2.1.1. Preparació de les resines de bescanvi iònic

El primer pas per dur a terme els estudis de la cinètica d’alliberació d’ions de resines de

bescanvi iònic és la càrrega de les mateixes amb els ions desitjats. En els estudis de la

present memòria s’utilitzaren bàsicament dos tipus diferenciats de resines de bescanvi

iònic en funció del caràcter del grup ionogènic. Per una banda resines de caràcter

àcid/base feble i de l’altra de caràcter àcid/base fort, característiques de les quals es

resumeixen a la taula següent.

Taula. 3. Característiques de les resines estudiades.

Resines Lewatit S8528 MP62/S3428 SP112WS MP600 S100 M600

Grup funcional àcid carboxílic amina terciària àcid

sulfònic amina

quaternària àcid

sulfònic amina

quaternària

Matriu Poliacrilat entrecreuat

Poliestirè entrecreuat





Estructura Macro- porosa

Macro- porosa

Macro- Porosa

Macro- porosa gel gel

Capacitat específica (mmol ió/g resina)

3,11±0,03 (Ca2+)

3,55±0,03 (Ca2+)

3,47±0,03 (Ca2+)

2,91±0,04 (F-) 2,53±0,03 (F-) 2,73±0,04 (F-)

3,38±0,01 (H2PO4

-)

1,47±0,01 (Ca2+)

2,33±0,08 (F-)

1,75±0,03 (Ca2+)

2,84±0,05 (F-)

Pel que fa a les primeres, aquestes requereixen d’un pas previ per facilitar la seva

conversió a la forma iònica desitjada. Aquest consisteix en dissociar l’àcid carboxílic en

el cas de la resina catiònica i protonar l’amina terciària en el cas de l’aniònica.

Posteriorment es procedia a la càrrega de les mateixes tot fent fluir dissolucions de

CaCl2, NaF i H3PO4 a través dels llits de resina de columnes de bescanvi iònic

(Annexos 1, 2, 3 i 4) o en condicions en discontinu en un reactor (Annex 5). Un cop

convenientment carregades es rentaven amb aigua per eliminar l’excés d’electròlit o

àcid, depenent del cas, es transvasaven quantitativament de la columna a un vas de

precipitats, es filtraven o centrifugaven, i finalment s’assecaven. Posteriorment se’n

determinava la capacitat específica.

Centro

GTS

Caracterització dels processos de bescanvi iònic

El paràmetre de la capacitat específica de cada una de les resines és clau, tan de cara a la

preparació de les mescles de resina com per a la interpretació de les dades obtingudes

als diferents experiments per a la caracterització cinètica. El seu càlcul passa per dur a

terme primer una elució de l’ió corresponent d’una petita fracció de resina (1 gram

aproximadament), que s’introdueix en una columna de bescanvi iònic de 10 cm d’alçada

i 8 mm de diàmetre. L’elució es duu a terme mitjançant una dissolució d’àcid clorhídric

per al cas de la resina catiònica, o de nitrat sòdic o sosa per al cas de l’aniònica. La

dissolució, recollida a la sortida de la columna en un volum controlat, s’analitzava amb

la tècnica adequada i els resultats obtinguts permetien, mitjançant l’aplicació de

l’equació 13, el càlcul de la capacitat específica de cada una de les resines (aquests

valors s’inclouen a la Taula 3 anteriorment presentada).

i

is W

VCq = (13)

on V és el volum de la dissolució eluïda, Ci la concentració de l’ió eluït a la dissolució

recollida i Wi el pes de resina que conté l’ió corresponent.

Mòlta i tamisat

Donat que un dels principals paràmetres objecte d’estudi en la present memòria ha estat

la mida de partícula, a continuació es descriurà breument com s’ha dut a terme el procés

de discriminació de mides.

Les fraccions de resina es molien mitjançant un morter d’àgata i es tamisaven amb un

conjunt de tamisos d’acer inoxidable de mida de malla: 0,5, 0,42, 0,25, 0,16, 0,1, 0,075,

0,063 i 0,05 mm respectivament per tal d’obtenir fraccions de mida de partícula

controlada. Amb ells es recolliren nou fraccions de resina: una fracció corresponent a

només les partícules esfèriques que quedaven atrapades en els forats de la malla de 0,42

mm i les fraccions de partícules que quedaven entre les malles de 0,5 i 0,42 mm (0,45

mm), 0,42 i 0,25 mm (0,335 mm), 0,25 i 0,16 mm (0,205 mm), 0,16 i 0,05 mm (0,105

mm), 0,1 i 0,075 mm (0,0875 mm), 0,075 i 0,063 mm (0,069 mm), 0,063 i 0,05 mm

(0,0565 mm) i la fracció inferior a 0,05 mm. La mida de partícula present en aquestes

últimes es va assignar com la mitjana dels valors nominals de les malles (mm)

utilitzades per a la obtenció de la fracció de partícules corresponent (valors indicats

entre parèntesis).

Centro

GTS


2.1.2. Determinació de la cinètica del bescanvi iònic

Les metodologies utilitzades per als estudis de caracterització de la cinètica dels

diferents sistemes de bescanvi iònic han estat dues: la tècnica del llit prim (de l’anglès:

shallow bed technique) i la tècnica del volum limitat (de l’anglès: limited volume

technique)2.

Tècnica del llit prim (Annexos 1, 2, 3 i 4)

Aquesta tècnica consisteix en utilitzar un volum de resina molt petit de manera que es

pot considerar que la concentració de la dissolució de treball és constant per tot el llit de

resina. Per tal de satisfer la condició de concentració constant, acostuma ser necessari

treballar a fluxos elevats de dissolució. El flux utilitzat en aquests experiments fou

d’uns 30 ml/min i s’emprà una columna de 1,5 cm de diàmetre intern en el cas dels

experiments presentats a l’Annex 1 i una columna amb camisa termostatitzada (a 293 i

310 K) de 1,3 cm de diàmetre intern com la que es presenta a la Figura 15, per als

experiments reportats als Annexos 2, 3 i 4.

Figura. 15. Esquema d’una columna amb camisa termostatitzada

Els experiments es dugueren a terme de la mateixa manera per a tots els tipus de resina.

Un cop la petita porció de resina (0,5-0,1 g) de mida de partícula concreta i carregada

amb l’ió corresponent era introduïda dins la columna, es passava una dissolució de

saliva artificial (dissolució que conté NaCl i KCl amb una concentració de 0,5 i 1 g/l

respectivament) a flux elevat, i es recollia la dissolució a la sortida de la columna en

Llit de resina

Entrada camisa

Sortida camisa

Entrada de la dissolució desorbidora per al seu acondicionament

Entrada a la columna de la dissolució desorbidora

Centro

GTS


matrassos aforats de diferents volums per al posterior anàlisi del contingut de cada

mostra en l’ió d’interès.

Indicar que per als experiments de l’Annex 1 en els que es va utilitzar la resina catiònica

en forma d’ió calci i una dissolució de NaF com a dissolució desorbidora, els matrassos

aforats de recollida de l’eluat contenien un 10 % del seu volum d’una dissolució de

EDTA 0,1 M i pH= 11,0 per tal d’evitar la precipitació de CaF2 a la dissolució recollida.

També a l’Annex 4, es dugué a terme un experiment per tal de detectar la formació del

sòlid CaF2, en el que els matrassos de recollida contenien un 10 % del seu volum d’una

dissolució d’EDTA 0,1 M i pH= 8,0. Les dades així obtingudes es comparaven amb els

experiments en els quals no s’addicionava cap agent complexant.

Un cop acabada la cinètica de desorció amb saliva artificial s’eliminaven les restes

d’electròlit passant petites porcions d’aigua desionitzada a través del llit de resina per tal

de dur a terme una elució posterior dels ions residuals que no havien pogut ser desorbits

amb la dissolució salina. Així, en el cas de la resina catiònica es va utilitzar una

dissolució de HCl 1 M o 0,5 M (Annexos 1, 2 i 3) mentre que per al cas de l’aniònica

s’utilitzava una dissolució de NaNO3 0,5 M, determinant així la capacitat específica de

la petita porció de resina utilitzada (Annexos 1, 2, 3 i 4). En els experiments de l’Annex

4, la desorció de la resina catiònica posterior als experiments cinètics es duia a terme

mitjançant una dissolució 0,1 M de EDTA de pH= 8,0 per tal de desorbir selectivament

el calci restant immobilitzat a la fase resina i evitar així la dissolució del fluorur de calci

format a la superfície de la mateixa. Indicar que en el cas dels sistemes de llits mixtos es

procedia a la desorció final després d’haver separat ambdós components mitjançant un

tamís (els dos tipus de resines emprats tenien diferent mida de partícula) i havent

transvasat quantitativament el component de major mida de partícula a una petita

columna de bescanvi iònic, a través de la qual es faria fluir la dissolució desorbidora

adequada per a cada cas. D’aquesta manera s’evita una possible interacció entre els ions

calci i fluorur que encara romanen immobilitzats a la corresponent matriu polimèrica

després de l’experiment de desorció amb saliva artificial.

Tècnica del volum limitat (Annexos 1, 2, 3 i 5)

Aquesta tècnica és la que s’utilitza normalment en els estudis d’alliberació controlada

de fàrmacs així com també en els processos d’immobilització dels mateixos a les

matrius polimèriques desitjades3,4. Bàsicament consisteix en addicionar una petita

Centro

GTS


fracció del compost o material objecte d’estudi a una dissolució vigorosament agitada

que contindrà o bé el medi de reacció en el qual es durà a terme l’alliberació o el

compost a immobilitzar sobre el material corresponent.

Així, en els estudis que es presenten als Annexos 2 i 3, s’introduïa una petita quantitat

de resina (0,05 g) a una cel·la de 5,5 cm de diàmetre intern, que contenia 50 ml de

dissolució de saliva artificial termostatitzada a 293 o 310 K vigorosament agitada. El

moment en el qual la resina entrava en contacte amb la dissolució es considerava com el

temps inicial (temps zero) a partir del qual s’iniciava l’alliberació de l’ió de la matriu

polimèrica corresponent. El període de seguiment de la cinètica d’alliberació depenia de

la rapidesa amb què s’assolia l’equilibri entre els ions presents a la dissolució i els

immobilitzats a la resina.

Un dels motius pels quals l’estudi de la cinètica del bescanvi d’ions per al cas de les

resines de mida de partícula inferior a 0,105 mm es va dur a terme només en condicions

en discontinu (Annexos 1 i 5), és l’elevada resistència hidrodinàmica que té lloc en els

processos en columna i que no faria viable l’estudi proposat. En general, a més, les

resines que s’utilitzen normalment en les formulacions farmacèutiques tenen mides de

partícula de 10-150 µm (forma de pols)5. És per això que les condicions experimentals

en discontinu són tan àmpliament utilitzades.

Així doncs, per tal d’estudiar la cinètica d’alliberació dels ions d’aquest tipus de resines

carregades amb ions calci, fluorur o fosfat, així com també la influència mútua que

s’exerceixen entre elles quan es troben mesclades dos a dos o finalment constituint el

principi actiu NMTD, es va desenvolupar una metodologia per a la seva immobilització

a l’interior de la cel·la, esquema del qual es presenta a la següent figura.

Centro

GTS


Figura. 16. Esquema de la cel·la termostatitzada que incorpora la cel·la de Franz modificada amb la mostra de resina de mida de partícula inferior a 100 micres immobilitzada. El seguiment d’alguns dels ions es fa amb elèctrodes selectius.

La mostra es col·locava a l’interior d’un tub de membrana de cel·lulosa prèviament

sotmès a un tractament convenient per tal d’eliminar-ne les possibles impureses. El tub

es tancava hermèticament per ambdós costats i es col·locava a sobre d’una plataforma,

construïda a partir d’una malla d’acer inoxidable, formalment anomenada cel·la de

Franz modificada6. Aquesta s’introduïa al fons de la cel·la i, al moment en que el suport

amb la mostra (cel·la de Franz modificada) entrava en contacte amb la saliva artificial

termostatitzada a 310 K (50/60 ml) se’l considerava com el temps zero per a l’inici dels

diferents experiments cinètics realitzats. El període de seguiment de l’alliberació dels

ions en aquest cas era de 20 minuts.

Amb aquesta simple modificació es van poder dur a terme les determinacions

corresponents i, la verificació de la seva idoneïtat per al seguiment dels analits objecte

d’estudi (ions calci, fluorur i fosfat), ens va permetre la seva posterior aplicació en

l’avaluació de l’alliberació d’aquests ions del principi actiu NMTD en presència de la

matriu de pasta dental. En aquesta sèrie d’experiments, inclosos a l’Annex 6, es pesava

aproximadament 0,5 gram de pasta contenint la resina, o mescla de resines

corresponent, directament a l’interior del tub de membrana de cel·lulosa i, un cop seguit

el procediment descrit al paràgraf anterior, s’avaluava el comportament de la velocitat

d’alliberació d’un o varis dels ions. Es comparaven els resultats obtinguts amb els

corresponents resultants dels experiments amb resina o mescla de resines en absència de

Elèctrodes selectius d’ions

Sortida d’aigua

Entrada d’aigua per a la termostatització

Cel·la de Franz modificada

Mostra

Centro

GTS


matriu de pasta dental i es modificava la formulació de la mateixa fins a obtenir

velocitats d’alliberació comparables en ambdós sistemes.

2.1.2.1. Mostreig

En tots els casos per tal de poder seguir el procés d’alliberació dels ions de les

respectives matrius polimèriques, cal dur a terme una presa de mostra al llarg del temps.

Així, els estudis d’alliberació dels ions calci i fluorur en els quals s’utilitzava la tècnica

del llit prim, es transvasava el contingut de les fraccions de volum controlat a vials de

vidre o se’n prenia una alíquota en el cas de les fraccions de més de 25 ml. La

concentració dels ions a la dissolució es podia determinar així directament mitjançant la

tècnica de l’espectroscòpia d’emissió atòmica per plasma d’acoblament inductiu (ICP-

OES) per al cas de l’ió calci o mitjançant un elèctrode selectiu per al cas de l’ió fluorur

(ISE). En el cas dels experiments en discontinu, les determinacions dels ions calci i

fluorur es realitzaven en continu mitjançant un sistema d’elèctrodes selectius controlats

automàticament per un programa d’adquisició de dades. En el cas de l’ió

dihidrogenfosfat (Annexos 5 i 6), donat que no es disposa d’un elèctrode selectiu

comercial que ens permeti fer-ne un seguiment en continu, calia prendre mostres de la

dissolució de la cel·la termostatitzada a diferents intervals de temps. En total es prenien

vuit alíquotes de 2,5 ml de dissolució les quals es guardaven en vials de plàstic per a la

posterior determinació mitjançant la tècnica de l’espectroscòpia d’emissió atòmica per

plasma d’acoblament inductiu. En aquest últim cas, el volum de mostreig venia

condicionat per la quantitat mínima necessària requerida per la tècnica que es va

utilitzar per a la determinació de l’ió en qüestió.

2.1.2.2. Tractament de les dades

En tots els experiments, la velocitat d’alliberació dels ions de la matriu polimèrica

corresponent es va determinar mitjançant el grau de conversió, F, el qual relaciona la

quantitat d’ions presents a la dissolució procedents de la fase resina amb la quantitat

d’ions inicialment immobilitzats a la mateixa. Així, en el cas dels experiments en

condicions dinàmiques (llit prim) els resultats de l’anàlisi de les mostres de dissolució

eluïdes permetien calcular el grau de conversió segons l’equació:

Centro

GTS


∞

=∑

=q

vcF

n

i

t

1tii

(14)

on Vi és el volum de la mostra eluïda i, Ci és la seva concentració i q∞ és la capacitat

total de la resina. Aquesta última inclouria la quantitat total de mil·limols d’ions

recuperats a l’experiment de desorció, més la quantitat recuperada en l’elució posterior,

i s’expressaria com:

strstrii CVvcq += ∑∞ (15)

on Vstr és el volum de la dissolució eluïda recollida i Cstr és la concentració de l’ió

d’interès de la mateixa. En els experiments de l’Annex 4, donada la complexitat dels

sistemes de llits mixtos estudiats, es va considerar la capacitat total de la resina

utilitzada a l’experiment (q∞) com a producte de la quantitat de mostra pesada per la

capacitat específica de la mateixa vers l’ió immobilitzat (q∞= m qs).

En els experiments en condicions en discontinu (volum limitat) en canvi, amb els

resultats obtinguts del seguiment dels ions, el grau de conversió es calculava segons

l’equació:

∞

=q

)t(cVF ias (16)

on Vas és el volum de saliva artificial present a la cel·la, c(ti) és la concentració de l’ió

estudiat en el període de temps ti des de l’inici de l’experiment de desorció i, q∞ és la

capacitat total de la resina i que es calcula tal i com s’ha indicat anteriorment. Quan es

duien a terme experiments amb mescla de resines, calia afegir un terme a l’expressió de

la capacitat total que tingués en compte el percentatge de resina de la forma iònica

d’interès a la mescla. Centro

GTS


2.2. CARACTERITZACIÓ DE LA PASTA DENTAL

Donada la varietat de metodologies implicades en cadascun dels estudis pertanyents a

aquest bloc, es tractarà cadascun per separat.

Estudi de citotoxicitat (Annex 7)

En aquests assaigs s’utilitzaren cultius de cèl·lules de fibroblasts de ratolí. En primer

lloc es preparaven plaques de 96 pouets (de l’anglès: 96-well microplate) amb una

suspensió de medi de cultiu amb cèl·lules de concentració 105 cèl·lules / ml, i es

posaven a incubar durant 24 h a 37 ºC en una atmosfera al 5 % en CO2. Es preparaven

suspensions de pasta dental de concentracions de 0,7 a 5000 ppm en un medi salí i a

l’hora de carregar les plaques es mesclaven amb medi de cultiu cel·lular diluït. De la

mateixa manera s’incloïa un control negatiu (medi salí) i un de positiu (fenol). Per a

cada tipus de pasta assajada es carregava una placa en absència de cultiu cel·lular

(blanc) i dues amb presència del mateix que s’incubaven durant 24 o 48 hores. Per tal de

dur a terme la determinació del grau de citotoxicitat es va emprar un assaig colorimètric,

basat en la reducció d’una sal de tetrazoli (bromur de 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-

difenil-tetrazoli, MTT) a un producte insoluble, per acció de deshidrogenasses. Així

s’afegien 10 µl de reactiu MTT a cadascun dels pouets i, passades quatre hores més

d’incubació, es dissolia el producte resultant de la reacció (formazan) amb una

dissolució 10 % de laurilsulfat sòdic i 0,01 N en àcid clorhídric. S’incubava finalment

durant 24 hores més i es duia a terme la determinació mitjançant un espectrofotòmetre

UV-VIS.

Estudi de desmineralització i remineralització (Annex 8)

En primer lloc es va dur a terme la preparació de les mostres d’esmalt dental

(espècimens). Es seccionaven dents tercers molars humanes, es muntaven sobre varetes

de plàstic mitjançant la seva adhesió, es polien per tal d’aconseguir una superfície

d’esmalt perfectament plana i se n’avaluava la duresa inicial. La finalitat d’aquesta

mesura era assegurar que la composició de la superfície de cadascun dels espècimens

preparats era esmalt i no dentina producte d’un excés de poliment. Es creaven lesions de

caries artificial submergint els espècimens en una dissolució àcida a pH= 5,0 durant 72

hores, de composició: àcid làctic 0,1 M, àcid poliacrílic (Carbopol C907) al 0,2 % i

hidroxiapatita saturada al 50 %. Passat aquest temps es duia a terme una segona mesura

Centro

GTS

Caracterització de la pasta dental

de control de la duresa, la qual es prenia com a valor de partida. Aleshores, s’iniciava

l’aplicació, durant 16 dies, del protocol de desmineralització i remineralització. Aquest

consistia en submergir els espècimens durant un minut en una suspensió de pasta dental

en saliva humana quatre vegades al dia per tal de simular la exposició al raspallat. Entre

aquestes etapes els espècimens es submergien en saliva humana en agitació a 37 ºC

durant una hora. D’aquesta manera s’aconsegueix la simulació del procés de

remineralització. Pel que fa a la simulació de l’atac de l’àcid generat per les bactèries

presents a la placa, aquesta es duia a terme mantenint els espècimens durant tres hores

en el mateix tipus de dissolució àcida amb la qual es creaven les lesions de caries

artificial inicials. Es feia un altre control de la duresa de l’esmalt als 10 dies i finalment

un cop acabat el tractament.

Estudi d’abrasió i poder d’eliminació de taques (Annex 9)

Els espècimens en aquest cas procedien de dents centrals incisives de boví. Aquestes

s’encabien en un motlle a base de resina polimetacrílica, de mida adequada per al seu

encaix a la màquina de raspallat, i es polia la superfície de l’esmalt. En el cas de l’estudi

d’abrasió els espècimens, prèvia mesura de la rugositat de la superfície, estaven

preparats per ser sotmesos al procés de raspallat amb les pastes dentals corresponents.

En el cas de l’estudi sobre el poder d’eliminació de taques, en canvi, calia sotmetre els

espècimens a una etapa prèvia de formació de taques. Així, es feia un lleuger gravat

àcid de la superfície de l’esmalt per tal de facilitar l’acumulació i adherència de les

taques i es fixaven els espècimens a una roda giratòria de l’aparell on tindria lloc el

procés de formació de les mateixes. El tractament consistia en l’exposició, durant 96

hores, a una dissolució a 37 ºC de soja esterilitzada que contenia cafè i te instantanis,

mucina gàstrica i cultiu d’una bactèria, que es canviava cada 12 hores. Acabat aquest

llarg període es rentaven els espècimens, es duia a terme una mesura inicial del color, en

concret de la coordenada L* (veure apartat 2.3.4. a la pàgina 70) (en aquest estudi

només es pretenia avaluar el grau de variació de la foscor que presenten els espècimens

respecte a l’inici de l’estudi), i es fixaven a la màquina de raspallat. En ambdós estudis

calia un calibratge previ de la pressió exercida pels raspalls de dents sobre la superfície

de l’esmalt dental. Es preparaven suspensions homogènies de les pastes dentals en aigua

i es duien a terme 800 raspallades en el cas de l’estudi d’eliminació de taques i 2000,

4000 i 8000 en el cas de l’estudi d’abrasió. Després del procés de raspallat es duia a

Centro

GTS


terme la mesura final de color. Com a controls es van utilitzar el material de referència

de la American Dental Association (ADA), pirofosfat càlcic, com a control positiu en el

cas de l’estudi d’eliminació de taques i pastes dentals de coneguda alta i baixa abrasió

segons la literatura, com a controls positius i negatius respectivament, per al cas de

l’estudi d’abrasió.

2.2.1. Tractament de les dades

En tots els estudis les dades obtingudes de les determinacions dels diferents paràmetres:

absorbància, duresa (unitats Knoop), rugositat (Ra) i la coordenada L* de l’espai de

color CIELab (coordenades L*a*b*), van ser tractades mitjançant un anàlisi de

variances (ANOVA). Tot seguit es va aplicar el mètode de Student-Newman-Keuls per

determinar diferències significatives entre els grups considerats en cada cas.

A l’estudi sobre l’avaluació de la citotoxicitat de la pasta dental desenvolupada (Annex

7), els valors d’absorbància obtinguts es van utilitzar també per al càlcul del percentatge

d’inhibició de les pastes dentals assajades sobre el creixement de les cèl·lules, a partir de

l’equació que es mostra a continuació:

100xAbsAbs1inhibició%

neg

m

−= (17)

on Absm és l’absorbància ja sigui de la mostra problema o del control positiu i Absneg

és l’absorbància del control negatiu.

De manera semblant, es va dur a terme el càlcul dels percentatges tant de

remineralització (Annex 8) com del poder de neteja (Annex 9), aconseguits amb les

pastes dentals assajades (Equacions 18 i 19).

100xKHNKHNtzacióReminerali%

in

fin= (18)

on KHNin és el valor de la duresa en unitats Knoop a l’inici de l’estudi de

remineralització, és a dir, després de la desmineralització i KHNfin és el valor de la

duresa en unitats Knoop després d’un cert període de temps de tractament.

100xLLLLtaquesdeeliminació%

CiCf

TiTf

−−

= (19)

Centro

GTS

Tècniques d’anàlisi

on LTi i LTf són els valors de la coordenada L* abans i després d’haver sotmès els

espècimens al raspallat amb les suspensions de pasta dental, mentre que LCi i LCf són els

valors de la coordenada L*, abans i després d’haver sotmès els espècimens al raspallat

amb la suspensió de pirofosfat càlcic.

2.3. TÈCNIQUES D’ANÀLISI

Les tècniques emprades han estat diverses al llarg dels diferents estudis recollits a la

present memòria, en funció de les propietats, físiques o químiques, a mesurar.

Bàsicament han estat tècniques per a la determinació d’espècies iòniques i atòmiques:

calci, fluor i fòsfor però també de propietats físiques com la duresa, el color i la

rugositat de superfícies.

2.3.1. Determinació d’espècies iòniques

Com ja s’ha comentat anteriorment, l’alliberació dels ions d’interès: calci, fluorur o

calci i fluorur a la vegada, en el cas tant dels experiments en que es van utilitzar resines

com dels experiments amb pasta dental, Annexos 1, 2, 3, 5 i 6, es va determinar

mitjançant un sistema d’elèctrodes selectius (ISEs) controlats automàticament

mitjançant un programa d’adquisició de dades. Aquesta tècnica permetia una

determinació directa i ràpida d’ambdós ions.

Les determinacions van realitzar-se mitjançant un elèctrode selectiu a ions calci de tipus

indicador i un elèctrode selectiu a ions fluorur de tipus combinat. En el primer dels

casos calia incloure el corresponent elèctrode de referència. En el segon cas, l’elèctrode

selectiu a ions i el de referència constituïen una sola unitat. Aquest sistema basa el seu

funcionament en el fet que quan s’introdueixen els elèctrodes en una dissolució

s’estableix un flux momentani d’ions a través de la interfase existent entre la membrana

selectiva d’ions i la dissolució, de manera que, un cop assolit l’equilibri termodinàmic

es genera una diferència de potencial. Així mateix, l’element sòlid que constitueix

l’elèctrode de referència interacciona amb la dissolució interna del mateix donant lloc a

una altra diferència de potencial. La dissolució interna de l’elèctrode de referència i la

dissolució problema estan en contacte directe a través d’un orifici del mateix elèctrode

de referència: la unió líquida; en aquest punt els ions poden migrar d’una dissolució a

Centro

GTS


l’altra. El circuit queda tancat quan connectem els cables a l’element de mesura el qual

ens permet mesurar la diferència de potencial entre elèctrodes.

Els elèctrodes responen logarítmicament als canvis que es produeixen en la

concentració de l’ió corresponent a la dissolució, de manera que representant el

potencial proporcionat per l’elèctrode en funció del logaritme de la concentració de les

diferents dissolucions patró obteníem una relació lineal. Així previ a la quantificació de

la concentració d’ions a la dissolució als diferents intervals de temps, es deixava

estabilitzar el potencial inicial proporcionat per l’elèctrode amb la dissolució de saliva

artificial a la temperatura de treball.

Un cop dut a terme aquest pas, es procedia al calibratge dels elèctrodes amb la mesura

dels patrons (mitjançant una addició estàndard), a la construcció de la recta de calibratge

corresponent, i seguidament a la mesura de la variació de la concentració de l’ió a la

dissolució de treball per interpolació en aquesta recta.

En el cas de l’estudi de remineralització in vitro (Annex 8), on s’inclou la determinació

de la disponibilitat de fluorur a les pastes dentals estudiades, les mesures es dugueren a

terme en discontinu sota un fons de TISAB (dissolució ajustadora de la força iònica) i

també mitjançant un elèctrode selectiu a ions fluorur. Es mesuraven els patrons per a la

construcció de la recta de calibratge i les mostres es quantificaven per interpolació de

les seves mesures en aquesta recta.

2.3.2. Determinació d’espècies atòmiques

S’han utilitzat diferents tècniques d’espectroscòpia per a la determinació dels ions en

estudi en funció de les necessitats de cada cas. De fet la selecció s’ha dut a terme segons

es tractava d’una mostra líquida o sòlida i de la informació final requerida.

Espectroscòpia d’emissió atòmica per plasma d’acoblament inductiu (ICP-OES)

La determinació dels elements calci i fòsfor mitjançant aquesta tècnica es duia a terme

per quantificar la quantitat d’ions calci i dihidrogenfosfat alliberats de les matrius

polimèriques corresponents a la dissolució de saliva artificial. En el cas del calci la

tècnica s’utilitzava per a la determinació de les concentracions de les alíquotes

obtingudes dels experiments duts a terme mitjançant la tècnica del llit prim, Annexos 1

a 4, donat que en aquestes sèries d’experiments no es requeria d’un anàlisi tan ràpid i

Centro

GTS


directe. Al mateix temps també ens permetia dur a terme alguna comparació amb les

determinacions obtingudes mitjançant la tècnica potenciomètrica descrita anteriorment.

La font d’ICP és la part més característica d’un aparell d’emissió atòmica per plasma

d’acoblament inductiu. Consta d’una torxa on es produeix i es manté el plasma calent,

gas parcialment ionitzat (típicament argó), al qual es transfereix una potència de

radiofreqüència mitjançant una bobina enrotllada al voltant de la torxa7,8. Aquesta

bobina, que està refrigerada per aigua, acobla inductivament l’energia al plasma i un

cop energetitzada indueix un camp electromagnètic dins la torxa que escalfa

inductivament el plasma format a temperatures que superen els 5000 K. La torxa

consisteix en una sèrie de tubs concèntrics de quars els quals condueixen els gasos a

diferents velocitats a través de la regió de la bobina de radiofreqüència. Allà, el gas

s’escalfa i s’ionitza ràpidament. Un cop l’aerosol de la mostra arriba al plasma es

dessolvata, dissocia, s’atomitza i s’excita. A mesura que les espècies iòniques i

atòmiques passen a través del plasma, es relaxen cap als seus estats fonamentals emetent

la radiació característica. La llum emesa és enfocada a l’obertura d’entrada d’un

monocromador o policromador per controlar l’emissió dels diferents elements de

manera, en el nostre cas, seqüencial. El senyal detectat depèn tant del nombre d’ions (o

àtoms) al plasma com de la fracció d’aquests ions (o àtoms) que són excitats9.

En la següent taula es mostren les línies d’emissió utilitzades en l’anàlisi dels elements

d’interès, així com també el seu límit de detecció i interferències10:

Taula. 4. Especificacions espectroscòpiques.

Ca P

Línia d’emissió (nm) 422,67 214,94

Límit de detecció (ppm) 0,150 0,3

Interferències Fe Al, Cu

Les línies van ser escollides de manera que no hi haguessin interferències espectrals

entre els elements presents a la mostra i al mateix temps perquè el rang lineal fos el més

ampli possible i reduir així la manipulació de les mostres al mínim.

La determinació es feia per interpolació sobre una recta de calibratge preparada amb

patrons del no metall en el mateix medi de les mostres i mesurada abans de cada anàlisi.

Centro

GTS


Microscòpia electrònica

La tècnica de la microscòpia electrònica és una de les tècniques més típicament

utilitzada per a la caracterització de superfícies: membranes, polímers, entre altres. Es

poden distingir dues tècniques bàsiques: la microscòpia electrònica d’escombrat (SEM,

de l’anglès: scanning electron microscopy) i la microscòpia electrònica de transmissió

(TEM, de l’anglès: transmission electron microscopy).

El microscopi electrònic d’escombrat (SEM), utilitzat en els estudis de la present

memòria (Annexos 4 i 5), és un dels instruments més versàtils que tenim a l’abast per a

l’estudi i anàlisi de les característiques microestructurals dels objectes sòlids. La

primera raó que justificaria la utilitat d’aquesta tècnica és l’alta resolució que es pot

obtenir quan s’estudien objectes voluminosos (de l’ordre de 2 a 5 nm, encara que pot

arribar a ser inferior a 1 nm). El principi amb el qual treballa el microscopi electrònic

d’escombrat consisteix en que un feix d’electrons primaris molt estret (d’energia

cinètica de l’ordre de 1-25 KV) xoca contra la mostra i genera un feix d’electrons

secundari o reflexat, procedent de l’alliberació dels elements presents a la superfície;

aquests són els que determinen principalment la imatge obtinguda a la pantalla.

Donat que l’acció del feix d’electrons pot afectar greument al polímer, es recobria la

mostra amb una capa d’or, per tal de dur a terme fotografies (l’or permet reflexar els

electrons incidits i mostrar el relleu de la mostra) o carboni, per tal de dur a terme

l’anàlisi qualitativa per raigs X dels elements presents a la superfície del polímer (el

carboni permet el pas d’electrons cap a la mostra i la protegeix de la llum incident). Per

a la caracterització dels espectres de raigs X es va utilitzar un espectròmetre d’energia

dispersiva (EDS). Els raigs X mesurats s’aprofiten també per determinar la composició

química de la mostra comparant la intensitat (nombre de fotons de raigs X emesos per

unitat de temps) d’una emissió de raigs X característica de l’element d’interès amb la

d’un estàndard de composició coneguda (exactitud i precisió properes a l’1 %). La

combinació d’aquest mètode amb la microscòpia electrònica d’escombrat ens va

facilitar, d’una banda, la identificació qualitativa d’elements i, per l’altra, ens donava

una idea de la seva distribució per tota la superfície del sòlid11.

Centro

GTS


2.3.3. Determinació d’espècies moleculars

Espectrofotometria UV-VIS

L’ús d’aquesta tècnica ens ha permès l’avaluació directa i ràpida de la citotoxicitat de la

pasta dental desenvolupada a la present memòria (Annex 7). La determinació del

producte resultant de l’assaig colorimètric utilitzat, va realitzar-se a 570 nm mitjançant

un equip que permetia la lectura simultània de fins a 96 mostres diferents d’una mateixa

placa (de l’anglès: microplate reader). Es prenia com a referència una mescla del medi

diluït de creixement de les cèl·lules amb: el medi salí en el que es preparaven les

suspensions de pasta per al control negatiu, el fenol per al control positiu i finalment les

suspensions de pasta de diferent concentració. L’aparell duia a terme un autocalibratge

la qual cosa permetia procedir a la mesura directa tan dels blancs com de les plaques de

diferents períodes d’incubació.

2.3.4. Determinació de propietats físiques

Duresa

El test de microduresa és un mètode que s’utilitza per mesurar la duresa d’un material a

escala microscòpica. Amb ell es va fer el seguiment del potencial remineralitzador de la

pasta dental desenvolupada mitjançant l’avaluació dels canvis en la duresa de l’esmalt

dental. Es va poder investigar així la relació entre ambdós (Annex 8). Una peça de

diamant d’alta precisió marca el material aplicant un pes determinat (200 g en el present

estudi) i juntament amb la mesura microscòpica de la llargada de la marca d’impressió

es calcula el valor de duresa automàticament. Si la peça de diamant té la forma de

piràmide de base quadrada es parla de duresa Vickers mentre que si té forma

romboèdrica, com era el cas, es parla de duresa de tipus Knoop. Els valors de duresa

obtinguts s’utilitzen com a indicador de les propietats dels materials així com del seu

possible comportament.

Colorimetria

Aquesta tècnica ens permetia determinar les diferencies de color existents a la superfície

de l’esmalt dental abans i després d’haver estat sotmès al procés de raspallat amb pastes

dentals diverses. Previ calibratge de l’aparell, es procedia a la determinació del color

mitjançant l’espai de color CIELab (coordenades L*a*b*). Cadascuna d’aquestes

coordenades representen la foscor o lluminositat, i les cromaticitats, vermell-verd i

Centro

GTS


groc-blau respectivament, de la percepció de l’ull humà. La necessitat de poder

quantificar el color i expressar-lo numèricament, va resultar en l’aparició, el 1905, del

primer mètode per a l’expressió dels colors12. Avui dia, aquests espais de color

(mètodes per expressar el color d’un objecte o font de llum utilitzant algun tipus de

notació, com per exemple números) són utilitzats internacionalment per a la

comunicació del color.

L’ull humà pot veure llum en el rang visible, tot i això, “llum” no és el mateix que

“color”. La llum es defineix com a radiació que estimula la retina de l’ull i permet la

visió. L’estimulació de l’ull és transmesa cap al cervell, i és aquí on es genera el

concepte de “color” com a resposta del cervell a la informació rebuda de l’ull. El

principi pel qual els humans perceben el color i el principi pel qual un colorímetre “veu”

el color són bàsicament comparables. Així en el colorímetre, un conjunt de sensors

reben llum d’un objecte i en transmeten la informació a un microcomputador que

determina els valors numèrics segons un espai de color predeterminat.

Profilometria

Les mesures de profilometria, que consisteixen en la mesura del grau de rugositat de la

superfície d’un material, és un dels mètodes que s’utilitzen habitualment en odontologia

per a l’avaluació de l’abrasió de superfícies d’esmalt i dentina13. És per això que es van

utilitzar per a l’estudi de l’abrasió de la pasta dental desenvolupada en la present

memòria (Annex 9). L’aparell de profilometria està constituït per una agulla molt fina

que es mou, a una determinada velocitat, a través de la superfície de l’esmalt dental

sotmès a abrasió i perpendicularment a la direcció de l’acció del raspallat. S’obté una

corba, coneguda com a corba de rugositat, a partir de la qual s’avalua el paràmetre que

ens permet quantificar la rugositat de la superfície, Ra, i en conseqüència el grau

d’abrasió. Centro

GTS

Bibliografia

2.4. BIBLIOGRAFIA

1 Desarrollo Científico Aplicado S.L. (Barcelona, Spain (rights owner)). ES Patent 9700016, 1997.

2 DORFNER, K. a: Ion Echangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, p. 94 i 126, respectivament.

3 KHAN, G.M.; ZHU, J.B. J. Controlled Release, 1998, 56, 127. 4 SAWAYA, A.; BENOIT, J.P.; BENITA, S. J. Pharm. Sci., 1987, 76(6), 475. 5 BELLAMY, S.A. a: Ion Exchange Developments and Applications, GREIG, J.A.

(ed.); The Royal Society of Chemistry: Cambridge, 1996, p.494. 6 Veure cel·la de Franz a la referència: Conseil de l’Europe: PHARMACOPEÉ

EUROPÉENNE, 3e édition; Strasbourg: França, 1996. 7 MEYER, G.A. Anal. Chem., 1987, 59, 1345A. 8 MOORE, G.L.: Introduction to Inductively Coupled Plasma Atomic Emission

Spectroscopy; Elsevier Science Publishers: Nova York, 1989. 9 OLESIK, J.W. Anal. Chem., 1991, 63, 12A. 10 WINGE, R.K.; FASSEL, V.A.; PETERSON, V.J.; FLOYD, M.A.: Inductively

Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy. An Atlas of Spectral Information; Elsevier: Amsterdam, 1985.

11 GOLDSTEIN, J.I.; NEWBURY, D.; ECHLIN, P.; JOY, D.; ROMIG, A.D., JR.; LYMAN, C.E.; FIORI, C.; LIFSHIN, E.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis; 2nd ed.; Plenum Press: Nova York, 1992

12 CRAIG, R.G.; POWERS, J.M. Restorative Dental Materials, Mosby Inc.: Missouri, 2002, p.38.

13 DE BOER, P; DUINKERKE, A.S.; ARENDS, J. Caries Res., 1985, 19, 232.

Centro

GTS

Capítol 3

Discussió Global dels Resultats

Centro

GTS

Discussió global dels resultats

Aquest capítol recull aquells aspectes més remarcables dels resultats de cadascun dels

estudis presentats. D’altra banda, no es pretén repetir el contingut dels treballs que

s’adjunten als annexos, sinó que s’intenta donar una visió de conjunt tot ressaltant

aquells aspectes que suposen una nova contribució així com les avantatges i

inconvenients que presenta el producte objecte de desenvolupament en la present

memòria.

3.1. ESTUDI DE LA CINÈTICA DELS PROCESSOS DE BESCANVI IÒNIC DE

RESINES CARREGADES AMB IONS CALCI I FLUORUR (Annexos 1-5)

Com ja hem vist en el capítol d’introducció, les resines de bescanvi iònic són

àmpliament utilitzades en les indústries mèdiques i farmacèutiques. De fet, hi ha moltes

d’aquestes indústries que són pioneres en el desenvolupament de l’ús industrial de

polímers sintètics com per exemple les pròpies resines bescanviadores d’ions i els

adsorbents polimèrics. En aquest sentit l’aplicació d’aquest tipus de materials en els

camps esmentats basen el seu funcionament en molts aspectes de la tecnologia de

l’adsorció i el bescanvi iònic. L’interès de la utilització de les resines de bescanvi iònic

en aquesta àrea es fonamenta bàsicament en la possibilitat que ofereixen per dur a terme

un control de l’alliberació de les substàncies que es troben immobilitzades en les

mateixes.

És ben conegut a la literatura que la cinètica d’alliberació d’espècies de resines de

bescanvi iònic depèn de paràmetres físico-químics com la porositat, el grau

d’entrecreuament, la temperatura, la mida de partícula, el pH i la força iònica de la

dissolució externa, el tipus de resina, la forma iònica de la mateixa, entre altres. La

modificació de paràmetres com els que s’han mencionat ens permetran obtenir el perfil

d’alliberació desitjat. D’aquí la necessitat de dur a terme un estudi preliminar

d’avaluació de la influència de paràmetres com la mida de partícula, la temperatura, la

porositat, el tipus de resina i la forma iònica de la mateixa sobre la velocitat

d’alliberació, en el cas que ens ocupa, d’ions com el calci i el fluorur.

Ara bé però, quan ens preguntem el perquè d’aquest tipus d’estudis amb aquests ions en

concret. L’origen de l’explicació el trobem en el desenvolupament i posterior registre de

patent l’any 1997, dins del grup de recerca on s’ha dut a terme la present Tesi Doctoral,

Centro

GTS

Estudi de la cinètica dels processos de bescanvi iònic de resines carregades amb Ca2+ i F-

d’un material, conegut com a NMTD, per a la remineralització de teixits

organominerals. Aquest producte està constituït per una mescla de resines de bescanvi

iònic, catiòniques i aniòniques, carregades amb ions calci, fluorur, fosfat i zinc. Si bé es

disposava d’uns estudis previs, amb resultats prometedors, basats en:

- Assaigs in vivo sobre la composició mineral de la dentina de monos i humans

després d’haver dut a terme un tractament de les caries profundes amb diferents

materials: agents convencionals com l’hidròxid càlcic en comparació amb el

material NMTD, i

- Assaigs in vitro sobre la capacitat obliteradora de túbuls dentinaris del material

NMTD, en comparació amb els materials convencionals per al tractament de la

hipersensibilitat,

no s’havia dut a terme una caracterització adient, des del punt de vista químic, de les

resines de bescanvi iònic a partir de les quals es pot dur a terme la preparació de

formulacions d’alliberació controlada per a la remineralització de teixits dentals. De la

mateixa manera, tampoc hi havia cap estudi del mecanisme a través del qual té lloc

l’alliberació dels ions de les respectives matrius polimèriques.

Tenint en compte tot això, fixats paràmetres com el grau d’entrecreuament de les

matrius polimèriques utilitzades en els diferents estudis, i el pH i la força iònica de la

dissolució externa, que en tots els casos fou saliva artificial preparada anàlogament, es

va procedir a avaluar la influència de la resta de paràmetres mencionats anteriorment.

3.1.1. Condicions dinàmiques (Tècnica del llit prim) (Annexos 1, 2, 3 i 4)

Una de les raons per les quals es va dur a terme l’estudi de la velocitat d’alliberació dels

ions de les respectives matrius polimèriques en aquestes condicions està relacionada

amb l’aplicació final a la qual va destinada el producte desenvolupat en la present

memòria. La boca és una cavitat on hi ha una constant renovació de fluids biològics, és

per això que es va considerar que aquestes condicions experimentals podien utilitzar-se

com a bona simulació del medi oral.

Centro

GTS


Influència de la mida de partícula, la temperatura, la porositat, el tipus i caràcter del

grup ionogènic immobilitzat

L’avaluació de la velocitat d’alliberació dels ions de la matriu polimèrica corresponent

es va dur a terme a partir de l’anàlisi de la variació del grau de conversió de la resina

amb el temps. Tal i com era d’esperar, i independentment de la porositat i del grup

ionogènic immobilitzat a la matriu polimèrica, s’ha posat clarament de manifest

l’augment de la velocitat d’alliberació al reduir la mida de la partícula i es que, el camí

que haurà de recórrer l’ió fins arribar a la superfície del bescanviador serà menor.

Contràriament, la velocitat d’alliberació, la temperatura i la porositat estan directament

relacionades. Un augment de temperatura provoca un augment en els coeficients de

difusió la qual cosa es tradueix en una més gran velocitat d’alliberació i d’altra banda

porus més grans com és el cas de la resines de tipus macroporós es tradueixen en una

més gran àrea superficial efectiva i en conseqüència es facilita el desplaçament dels ions

bescanviables i bescanviats a través de la matriu polimèrica. No obstant això, l’efecte

que exerceixen aquest dos últims paràmetres sobre els sistemes estudiats no és massa

rellevant. No passa el mateix però amb el tipus de grup ionogènic immobilitzat, sobretot

pel que fa a les resines de tipus catiònic. Les de tipus aniònic ja siguin de caràcter base

forta o feble, donat que l’afinitat de l’ió bescanviable (Cl-) és més gran que la de l’ió

inicialment immobilitzat (F-), presenten velocitats d’alliberació semblants i

considerablement més elevades respecte a les corresponents catiòniques. Aquestes

últimes, tant de caràcter àcid feble com fort en canvi, són molt més afins als ions calci

que als ions alcalins, com el sodi i el potassi, presents a la dissolució de desorció. Amb

tot, la interacció que s’estableix entre l’ió calci i el grup àcid carboxílic és molt més

forta que la corresponent amb l’àcid sulfònic ja que en aquest darrer cas s’assoleixen

velocitats d’alliberació notablement superiors.

Així doncs, els factors més influents a l’hora de desenvolupar formulacions amb el

perfil d’alliberació desitjat seran la mida de partícula i sobretot el tipus i caràcter del

grup ionogènic immobilitzat. Donat que les condicions experimentals dinàmiques no

ens permetien estudiar la cinètica d’alliberació de les fraccions de mida de partícula

petita (φ < 100 micres, adequades per a la preparació de les formulacions per a les

aplicacions dentals), es va dur a terme una extrapolació de les dades experimentals

obtingudes amb les partícules de mida més gran.

Centro

GTS


Ja s’ha comentat en el primer capítol que els processos de difusió són essencials en el

camp del bescanvi iònic, de manera que, el bescanvi iònic és bàsicament un procés que

assoleix l’equilibri principalment per difusió.

Davant l’existència dels dos mecanismes de difusió ja esmentats durant el procés de

bescanvi iònic: difusió intraparticular i difusió en el film, el primer pas era determinar

quin dels dos era el responsable de l’etapa determinant de la velocitat, és a dir, el més

lent.

Kressman i Kitchener van desenvolupar un mètode, conegut com a test d’interrupció,

per distingir experimentalment entre ambdós tipus de difusió. Dels resultats que es

mostren a la Figura 17 (Figures 2a i 2b de l’Annex 1) es va deduir que l’etapa

determinant de la velocitat en el procés de bescanvi iònic que tenia lloc entre els ions

sodi, potassi i clorur presents a la dissolució de saliva artificial i els ions calci i fluorur

immobilitzats a la resina corresponent, era el mecanisme de la difusió intraparticular, ja

que, després de la parada temporal en la que es separaven les partícules de resina de la

dissolució desorbidora (test d’interrupció) es podia apreciar un augment en la velocitat

de bescanvi. Aquest fet era degut a que els gradients de concentració interns tenien

temps d’anivellar-se.

Time (min)0 4 8 12 16 20 24 28 250 300 350 400

F (C

a2+ )

0,00

0,04

0,08

0,12

0,16 a

Time (min)0 1 2 3 190 200 210 220

F (F

- )

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 b

Figura. 17. Corbes de la cinètica d’alliberació dels sistemes (a) Ca2+-Na+/K+ i (b) F-- Cl-

obtingudes quan s’aplica el test d’interrupció. Mida de partícula: 0,42 mm (cercles), 0,335 mm (quadrats) i 0,205 mm (triangles).

Centro

GTS


Així doncs a l’Annex 1, tenint en compte aquest precedent, es va dur a terme un

tractament dels resultats presentats a les figures corresponents amb models cinètics

específics, vàlids per a la descripció de la cinètica del bescanvi iònic controlada pel

mecanisme de la difusió intraparticular. El bon ajust dels models a les dades

experimentals va confirmar les conclusions a les que s’havia arribat prèviament: els

processos de bescanvi iònic estudiats estan controlats pel mecanisme de la difusió

intraparticular.

Amb el coneixement dels sistemes en estudi adquirit en el tractament de les dades

obtingudes al primer dels treballs, es va procedir, en els estudis plantejats als Annexos 2

i 3, a l’aplicació directa dels mateixos models cinètics, la descripció dels quals es

presenta a continuació:

a) Model desenvolupat per Boyd et al1:

Aquest model és vàlid per a graus de conversió baixos (F< 0,05) i permet calcular el

coeficient de difusió, D, dels ions a la fase resina mitjançant l’equació:

2/1)Bt(08,1F = (20)

on el paràmetre B és la velocitat d’alliberació efectiva que es relaciona amb el coeficient

de difusió, mitjançant l’equació:

2

2

rDB π

= (21)

on r i t són el radi de la partícula de resina i el temps respectivament.

Aquest model només fou aplicable en el cas de la resina caràcter àcid feble carregada

amb ions calci donat que fou l’únic sistema que reunia les condicions requerides per a

l’aplicació del mateix.

b) Model desenvolupat per Vermeulen2:

El rang d’aplicabilitat d’aquest model cobreix tot l’interval de possibles valors de graus

de conversió, des de 0 fins a 1, i es basa en la utilització de l’equació que es mostra a

continuació:

Bt2tr

D2)F1(ln 2

22 =

π=−− (22)

Centro

GTS


A les taules 5 i 6 es recullen de manera resumida els resultats obtinguts de la velocitat

d'alliberació efectiva, B, per a ambdós ions, calci i fluorur, a les diferents fases resina.

Taula. 5. Velocitat d’alliberació efectiva, B, de l’ió calci de les diferents fases resina en

condicions experimentals dinàmiques.

B (Ca2+) x 106 (s-1)

Model Boyd et al.

293K 310K

∅ (mm) S8528 SP112WS S100 S8528 SP112WS S100

0,42 1,4 - - 2,2 - -

0,335 1,7 - - 2,2 - -

0,205 4,9 - - 3,1 - -

0,105 9,3 - - 14 - -

B (Ca2+) x 104 (s-1)

Model Vermeulen

293K 310K

∅ (mm) S8528 SP112WS S100 S8528 SP112WS S100

0,42 0,01 1,0 0,5 0,015 1,0 0,5

0,335 0,01 1,0 1,0 0,015 1,5 1,0

0,205 0,025 2,5 2,0 0,015 2,5 1,5

0,105 0,035 4,0 3,5 0,045 4,0 3,0

Taula. 6. Velocitat d’alliberació efectiva, B, de l’ió fluorur de les diferents fases resina

en condicions experimentals dinàmiques.

B (F-) x 103 (s-1)

Model Vermeulen

293K 310K

∅ (mm) MP62 MP600 M600 MP62 MP600 M600

0,42 4,4 3,3 5,7 3,0 5,9 7,1

0,335 7,1 7,1 6,9 5,0 7,0 8,2

0,205 12,3 13,3 12,5 10,0 11,3 10,1

0,105 35,8 17,0 12,0 13,0 15,0 12,2

A la vista dels resultats es pot concloure que l’aplicació d’aquests models resulta en una

quantificació de la velocitat d’alliberació efectiva que es correlaciona amb la mida de

Centro

GTS


partícula de les resines corresponents. Es pot verificar també com la temperatura i la

porositat de la matriu polimèrica no afecten significativament a la velocitat d’alliberació

dels ions en els sistemes estudiats. Contràriament, si que s’observa un efecte clar de la

mida de partícula de les resines i del tipus de grup ionogènic immobilitzat a la matriu

polimèrica i es posen de manifest també les diferències existents en la difusivitat dels

ions.

Les relacions lineals obtingudes de la representació del logaritme negatiu dels diferents

valors de velocitat d’alliberació efectiva en funció del diàmetre de les partícules de

resina, permeten dur a terme una predicció (mitjançant extrapolació) del comportament

de les resines que presentin mides de partícula inferiors a 100 micres que no es poden

estudiar en condicions experimentals dinàmiques.

Amb això es demostra que l’aplicació d’aquestes condicions pot ser una bona

alternativa a les corresponents en discontinu per a l’estudi d’aquest tipus de resines en

forma de pols. Malgrat tot, la diferència entre ambdues condicions experimentals és

molt clara sobretot en quant al procés de desorció: en condicions dinàmiques el llit de

resina està en contacte en tot moment amb una dissolució de saliva artificial fresca, en

condicions en discontinu en canvi es disposa d’un volum de saliva artificial limitat que

amb el temps es va enriquint amb l’ió objecte d’estudi. Aquest fet repercuteix

directament sobre la velocitat d’alliberació de l’ió en qüestió, tal i com es podrà

observar en els resultats que es descriuen en el següent apartat i que farà que no siguin

directament comparables amb els valors corresponents obtinguts en condicions

dinàmiques. Conseqüentment, el volum de dissolució desorbidora necessari per a 25

minuts d’experiment en condicions dinàmiques és 15 vegades superior als 50 ml que

són necessaris per a les condicions en discontinu.

Llits mixtos

Aquests tipus de sistemes són àmpliament utilitzats en el camp del tractament d’aigües,

sobretot pel que fa a la reducció de la seva duresa i desionització. En aquest tipus

d’aplicacions és important controlar una sèrie de paràmetres com: la selectivitat dels

bescanviadors iònics, la seva capacitat específica, la seva estabilitat físico-química, la

capacitat de filtració de partícules sòlides, la resistència a l’enverinament, la seva

facilitat per a l’assoliment d’una separació completa, una bona predisposició a la seva

Centro

GTS


regeneració i finalment el tipus de grup ionogènic immobilitzat a la matriu polimèrica3.

L’aplicació d’aquest tipus de sistemes en el camp de la tecnologia de l’alliberació

controlada, en canvi, és molt més novedosa i se la pot caracteritzar d’important

innovació, sobretot pel que fa a les aplicacions en el camp dental.

La saliva humana proporciona una font natural d’ions calci i fosfat per al procés de

remineralització que té lloc entre períodes de desmineralització. La presència de fluorur

a la mateixa s’ha correlacionat amb un augment en el grau de remineralització i en

conseqüència amb una disminució de la incidència de caries dental. De fet s’ha vist que

traces de concentració de fluorur en dissolucions supersaturades de calci i fosfat ajuden

a promoure la formació de hidroxiapatita càlcica (composició del mineral dental). Tot i

això, l’acció del fluorur en el medi oral està limitada per la presència de calci a la

saliva4. Si bé la saliva natural és un sistema de gran complexitat amb nombrosos

constituents i variacions segons l’hora del dia, se n’han reportat diferents formulacions i

se n’ha avaluat l’efecte de paràmetres com el pH i l’efecte tampó, el paper del CO2, la

força iònica i conductivitat, la presència d’ions calci (entre 0 i 280 ppm), entre altres5.

Així, mitjançant mescles de resines de bescanvi iònic carregades amb ions calci i fluorur

es podria, d’una banda, aportar el fluorur necessari i de l’altre, regular la concentració

de calci present a la saliva i aconseguir una potenciació de la remineralització dels

teixits organominerals dentals. Tenint en compte tot això, en el treball presentat a

l’Annex 4, es recullen tota una sèrie d’experiments per tal d’avaluar com es modifica la

corba d’alliberació dels ions calci i fluorur quan mesclem resines de bescanvi iònic

carregades amb els mateixos, mitjançant la utilització d’una dissolució de saliva

artificial de composició ja indicada en l’apartat anterior de metodologia. Amb aquesta

finalitat es va estudiar la influència de la composició de la mescla de resines de bescanvi

iònic en forma d’ió calci i fluorur, respectivament, i la mida de partícula de les mateixes

sobre la velocitat d’alliberació dels ions. En els Annexos 1 i 2 ja s’ha pogut constatar

l’elevada velocitat d’alliberació de l’ió fluorur de la resina de bescanvi iònic de caràcter

base feble per a qualsevol mida de partícula. Pel que fa al calci, la quantitat alliberada al

medi mitjançant el sistema estudiat a l’Annex 4 esmentat, vindrà determinada per la

mida de partícula de la resina de bescanvi iònic de caràcter àcid feble en forma d’ió

calci, així com també per la concentració de fluorur present bé a la dissolució externa o

a la corresponent resina bescanviadora d’ions. De fet quan més petita sigui la mida de la

Centro

GTS


partícula de resina i més gran la concentració de fluorur, més afavorida estarà

l’alliberació de l’ió calci. Ara bé s’ha de tenir en compte que aquest sistema posseeix un

grau de complexitat addicional que és la formació d’un sòlid insoluble: CaF2, i que

dificulta l’estudi de la cinètica dels processos de bescanvi iònic que tenen lloc en els

llits mixtos. És important dur a terme un seguiment de la seva formació. La

visualització del precipitat format es va dur a terme a partir de l’observació de les

imatges obtingudes del microscopi electrònic de rastreig (SEM) i de la detecció d’una

disminució en la senyal potenciomètrica pertanyent a l’ió fluorur. En els nostres

experiments amb mescles de resines bescanviadores d’ions carregades amb ions calci i

amb ions fluorur, la major mida de la partícula de resina en forma d’ió calci, juntament

amb la cinètica de caràcter lent per la que es caracteritza, fan que observem un precipitat

no uniforme format majoritàriament sobre la superfície d’aquesta resina (Figura 10 de

l’Annex 4). Quan el procés de bescanvi iònic va acompanyat per la formació de

precipitat tenim d’una banda, un desplaçament de l’equilibri cap a l’alliberació dels ions

immobilitzats a la fase resina i de l’altra, la formació de precipitat sobre la superfície de

les partícules de bescanviador iònic. Així, en el cas que ens ocupa, s’observa un

augment de l’alliberació de l’ió calci que dóna com a conseqüència una disminució de la

concentració de l’ió fluorur degut a la formació del sòlid fluorur de calci. D’altra banda,

anàlogament al medi oral, es considera l’existència de situacions de supersaturació.

Aquest fenomen explica el fet que al disminuir la mida de la partícula de la resina en

forma d’ió calci s’obté una menor formació de fluorur de calci. Quan més gran sigui la

quantitat de resina amb la que treballem (cas del sistema R2-Ca2+ (0,105 mm)-R-F- (0,45

mm)) més gran és l’estabilització de la dissolució supersaturada. La dissolució

supersaturada roman estable dins l’espai intersticial de la columna i l’eluat recollit pot

començar a cristal·litzar després d’un cert període de temps o espontàniament.

El fluorur de calci es forma com a conseqüència de l’aplicació tòpica de fluorur.

L’avantatge que suposa la seva formació està relacionada amb la possibilitat que ofereix

per actuar com a dipòsit de fluorur per a llargs períodes de temps i facilitar així la

formació de fluoroapatita. Ara bé, malgrat la seva formació no seria perjudicial, cal

indicar que està qüestionat que aquest sigui l’element bàsic en la prevenció de la caries

dental i es que majoritàriament s’accepta, tal i com ja s’ha comentat anteriorment, que el

Centro

GTS


desenvolupament de la caries es restringeix o inhibeix parcialment amb la concentració

adequada dels ions calci, fosfat i especialment fluorur6.

3.1.2. Condicions en discontinu (Tècnica del volum limitat) (Annexos 1, 2, 3 i 5)

Aquestes condicions experimentals es van utilitzar donat que, com ja hem comentat en

l’apartat de metodologia, aquestes són les condicions més àmpliament utilitzades en la

recerca per al desenvolupament i millora de productes farmacèutics, la majoria dels

quals s’absorbeixen a l’estómac o l’intestí.

En aquestes sèries d’experiments es van obtenir les mateixes conclusions sobre la

influència de la mida de partícula, la temperatura, la porositat i el tipus i caràcter del

grup ionogènic immobilitzat, sobre la velocitat d’alliberació dels ions de les respectives

matrius polimèriques. A destacar però que en aquest cas la magnitud de la velocitat

d’alliberació, concretament de l’ió calci sigui quina sigui la matriu polimèrica sobre la

qual es troba inicialment immobilitzat, és considerablement menor. Hem puntualitzat ja,

que en aquest tipus de sistema, caracteritzat per una cinètica lenta, la presència de l’ió

objecte d’estudi a la dissolució desorbidora a mesura que el procés de bescanvi iònic

evoluciona, afecta directament a la velocitat d’alliberació del mateix. La situació

d’equilibri que s’estableix entre la fracció d’ions present a la dissolució i els romanents

a la fase resina, n’alenteix encara més la velocitat d’alliberació i, en conseqüència,

n’accentua la lentitud per la qual es caracteritza aquest sistema.

Una alternativa al test d’interrupció descrit anteriorment en condicions experimentals

dinàmiques a l’hora de determinar l’etapa determinant de la velocitat del procés de

bescanvi iònic en condicions en discontinu, és avaluar la dependència de la velocitat

d’alliberació amb l’agitació de la dissolució desorbidora. En el cas de les resines de

caràcter àcid i base fortes, la determinació de l’etapa determinant de la velocitat del

procés en condicions experimentals en discontinu es va dur a terme d’aquesta manera

(Annex 3). Donat que la velocitat d’alliberació dels ions no depenia de l’agitació de la

dissolució desorbidora (Figures 5a-b i 6a-b) s’establia que el procés de bescanvi iònic

estava controlat per la difusió intraparticular.

Globalment doncs, els processos de bescanvi iònic dels sistemes estudiats en la present

memòria estan controlats per la difusió intraparticular.

Centro

GTS


Amb la finalitat de determinar els paràmetres cinètics es va prendre com a referència un

estudi posterior a Boyd et al. realitzat per Kressman i Kitchener7 aplicat a condicions

experimentals en discontinu, en els que el procés de bescanvi iònic està controlat per la

difusió intraparticular. L’expressió desenvolupada es mostra a continuació:

π−=

∞∞

DtQQ

Qr6

QQ

0

0t (23)

on Q0 representa la quantitat total d’ions inicialment immobilitzats a la fase resina, Q∞

la quantitat d’ions alliberats un cop assolit l’equilibri, Qt la quantitat d’ions alliberats

fins al moment t, r el radi de les partícules de resina, D el coeficient de difusió de l’ió a

través del bescanviador iònic i t el temps. El coeficient de difusió es relaciona amb la

velocitat d’alliberació efectiva mitjançant l’equació 21.

Del tractament de les dades s’obtingueren bons ajustos del model amb els valors

experimentals, ara bé, per a les partícules de mida superior, les quals tenen una

superfície de contacte amb la dissolució externa menor, resultaren dos comportaments

clarament diferenciats (Figures 6a-h de l’Annex 2 i Figures 10a-h de l’Annex 3). Aquest

fet es relaciona amb la tendència que tenen les resines a absorbir dissolvent del medi

(conegut com a swelling). Així, aquestes dues tendències no s’observaven en el cas de

les condicions experimentals dinàmiques donat que abans de carregar les resines a la

columna de bescanvi iònic per tal d’iniciar els experiments, es mantenien un cert

període de temps en aigua.

Aquest fenomen inicial condicionarà de manera significativa els resultats del posterior

tractament, els quals es recullen a les taules que es mostren a continuació.

Centro

GTS


Taula. 7. Velocitat d’alliberació efectiva, B, de l’ió calci de les diferents fases resina en condicions experimentals en discontinu.

B (Ca2+) x 104 (s-1)

Model Kressman i Kitchener

293K 310K

∅ (mm) S8528 SP112WS S100 S8528 SP112WS S100

0,42 0,42 6,7 4,3 0,1 3,6 5,1

0,335 0,36 9,9 17 0,36 4,1 9,0

0,205 0,37 35,0 30 1,2 19 24

0,105 2,3 49 46 3,8 17 60

<0,05 9,4 130 80 10,7 175 129

Taula. 8. Velocitat d’alliberació efectiva, B, de l’ió fluorur de les diferents fases resina en condicions experimentals en discontinu.

B (F-) x 105 (s-1)

Model Kressman i Kitchener

293K 310K

∅ (mm) MP62 MP600 M600 MP62 MP600 M600

0,46-0,42 62,1 0,6 5,2 24,9 0,06 18

0,335 0,54 0,9 2,6 0,61 1,1 13

0,205 0,16 19 15 0,8 26 31

0,105 29,7 28 17 58,6 19 51

< 0,05 1,0 24 35 3,4 33 125

Els valors obtinguts en condicions experimentals en discontinu difereixen

significativament dels obtinguts en condicions dinàmiques, malgrat per al cas de l’ió

calci són del mateix ordre de magnitud. A excepció sobretot del cas del sistema amb

resina de caràcter base feble carregada amb ions fluorur on s’obtenen valors amb una

extremada variabilitat, es segueix reflectint la relació inversa que existeix entre la mida

de partícula i la velocitat d’alliberació. De la mateixa manera, anàlogament als estudis

en condicions dinàmiques es pot concloure que el model descrit no ens permet posar de

manifest l’efecte que exerceixen la temperatura i la porositat de la matriu polimèrica

sobre les velocitats d’alliberació dels ions. Ara bé a diferència, aquestes condicions

Centro

GTS


experimentals no permeten determinar amb fiabilitat la influència del caràcter del grup

ionogènic immobilitzat. De fet en aquest model, la velocitat d’alliberació és un

paràmetre que s’obté a partir del tractament dels valors que resulten a l’inici dels

experiments cinètics on paràmetres com la repetitivitat i la reproduïbilitat estan més

qüestionades, i es que, petites variacions a priori menyspreables es tradueixen finalment

en resultats amb una variabilitat més que significativa. D’altra banda, també s’ha de

destacar la complexitat que suposa tant el seguiment de processos de bescanvi iònic

d’elevada velocitat on l’alliberació és pràcticament instantània (cas dels bescanviadors

aniònics estudiats en la present memòria) com aconseguir una bona homogeneïtzació de

la suspensió de resina mitjançant l’agitació donat que les resines catiòniques presenten

densitats superiors a la de la dissolució desorbidora utilitzada, de valor equivalent a la

de l’aigua.

La conseqüència directa d’aquests resultats és que, per a aquest cas concret, les

condicions experimentals dinàmiques, malgrat no permeten l’estudi directe de resines

en forma de pols, serien més adequades donat que proporcionarien resultats més

correctes i acceptables.

Llits mixtos

El tractament actual de la caries profunda (lesió molt propera a l’extrem superior de la

polpa que conté el nervi i que pot donar lloc a una infecció bacteriana de la mateixa)

passa encara, en alguns casos, per la utilització d’hidròxid càlcic. Aquest producte

provoca una forta reacció alcalina que pot contribuir a l’augment del dolor i pot ser

atacat per l’àcid làctic produït per les bactèries. D’altra banda, els rebliments habituals

utilitzats per a omplir la cavitat, poden causar molèsties degut a la conducció de

sensacions tèrmiques (diferències entre fred i calor) fins a la proximitat del nervi. A la

Figura 18 es mostra un esquema d’una dent humana. Amb la finalitat de proporcionar

una solució satisfactòria a aquests problemes es va desenvolupar la mescla de resines de

bescanvi iònic, coneguda com a NMTD8, objecte d’estudi a l’Annex 5.

Centro

GTS


Figura. 18. Esquema d’una dent humana. La part externa s’anomena corona i l’arrel

s’introdueix en el maxil·lar. La capa més externa de la corona està formada per un teixit calcificat que rep el nom d’esmalt, la substància més dura de l’organisme. Per dins de l’esmalt es troba la dentina, una substància de naturalesa òssia que s’estén des de la superfície més interna de l’esmalt i penetra en el maxil·lar per formar l’arrel. La dentina de l’arrel està coberta per una capa prima d’un teixit dur anomenat ciment. Les arrels es mantenen en la seva posició mitjançant fibres elàstiques que formen la membrana periodontal. La dentina tanca la cavitat pulpar que continua cap a l’arrel com a conducte radicular. A través de l’orifici que s’obre a l’extrem de l’arrel, penetren vasos sanguinis, nervis i teixit conjuntiu, que ocupen el conducte radicular i la cavitat pulpar.

Per a l’estudi de l’alliberació dels ions d’aquesta formulació es va utilitzar la cel·la de

Franz modificada que s’ha desenvolupat en la present Tesi Doctoral, per ser la manera

de mantenir en contacte totes les resines que formen part de la preparació i poder predir

així quin seria el seu comportament en posteriors aplicacions com a fons cavitari. Cal

indicar que la membrana de cel·lulosa que s’utilitza per a la immobilització de la resina

a la cel·la indicada no suposa cap barrera de difusió addicional per als ions donat que un

cop s’ha produït el procés de bescanvi, la seva aparició a la dissolució externa és

immediata. En el treball presentat a l’annex esmentat anteriorment s’ha realitzat un

estudi sobre la importància del control de la mida de les partícules de resina degut a

l’efecte que aquest paràmetre exerceix sobre la velocitat d’alliberació dels ions, i s’ha

intentat donar una explicació del mecanisme a través del qual té lloc l’alliberació dels

mateixos.

Corona EsmaltDentina

Cavitat pulpar

Geniva

Òs mandibular Arrel

Vasos sanguinis Ciment

Membrana periodòntica

Nervi

Centro

GTS


Sembla clar, a priori, que mitjançant la utilització de malles d’acer inoxidable de les

mides d’interès es poden aconseguir les fraccions necessàries amb èxit. Ara bé, la

verificació de les mides obtingudes, duta a terme amb l’ajuda de la tècnica de referència

de la difracció per làser, ha posat de manifest la dificultat inherent al procés de

discriminació el qual és lent i tediós, sobretot quan es tracta de materials de bescanvi

iònic dels tipus estudiats i quan es pretenen aconseguir fraccions de mides tan petites i

properes entre elles. Amb tot, el control de la mida de la partícula és clau per a

l’obtenció de corbes d’alliberació amb la validesa suficient com per poder dur a terme

una bona interpretació dels fenòmens que tenen lloc quan mesclem les resines

carregades amb els diferents ions.

El procés de càrrega de les diferents resines de bescanvi iònic amb els ions d’interès,

Ca2+, F- o H2PO4-, també és de vital importància. Així, una deficient eliminació de

l’electròlit de càrrega donaria com a conseqüència una alliberació inicial de l’ió a

estudiar al medi, producte de la solubilització de la sal corresponent romanent del

procés de càrrega de la resina, el que afectaria conseqüentment no només als processos

de bescanvi iònic del mateix ió a la respectiva matriu polimèrica, sinó també als altres

ions presents al sistema. Així doncs, tant el procés de preparació de les resines de

bescanvi iònic com la seva discriminació per mides, condicionaran l’obtenció de

l’efecte adequat mitjançant la formulació objecte d’estudi.

En el present annex, anàlogament als treballs presentats anteriorment als Annexos 1, 2 i

4, es tornen a posar de manifest les diferències de difusivitat que existeixen entre els

ions calci i fluorur quan es troben immobilitzats en resines de bescanvi iònic de caràcter

àcid i base febles, respectivament. No s’havia estudiat encara però, el comportament de

l’ió dihidrogenfosfat. Aquest presenta una elevada velocitat d’alliberació en comparació

a la de l’ió calci però lleugerament inferior a la de l’ió fluorur (Figures 4a-b de l’Annex

5). De fet, de l’observació de la seqüència de sorbabilitat d’alguns anions

immobilitzables en resines de bescanvi iònic de caràcter base feble9 que es mostra a

continuació:

OH->SO42->CrO4

2->NO3->H2PO4

->Cl->F- (24)

es pot veure com l’ió dihidrogenfosfat s’adsorbeix més fortament que l’ió fluorur. Així,

l’anió clorur present a la dissolució desorbidora de saliva artificial, que es troba enmig

d’ambdós ions a la seqüència de sorbabilitat, desplaçarà més fàcilment a l’ió més

Centro

GTS


feblement adsorbit (F-), fet que es reflexa coherentment en les corresponents corbes

d’alliberació anteriorment indicades. En tots els casos, tant quan s’estudia cadascuna de

les resines carregades amb l’ió corresponent per separat com quan es fan mescles amb

les mateixes, s’observa altre cop com la velocitat d’alliberació dels ions augmenta al

disminuir la mida de les partícules de resina.

Quan es mesclen resines de bescanvi iònic de caràcter àcid i base febles carregades amb

els ions calci, fluorur i dihidrogenfosfat, les velocitats d’alliberació en canvi, si que es

veuen considerablement modificades. Si bé la velocitat d’alliberació de l’ió

dihidrogenfosfat no varia significativament malgrat la presència, bé de resina de

bescanvi iònic en forma d’ió calci o d’aquesta juntament amb la carregada amb fluorur,

les altres dues si que es veuen considerablement afectades. D’aquesta manera, la

velocitat d’alliberació de l’ió calci de la resina catiònica augmenta ja sigui en presència

de resina de bescanvi iònic en forma d’ió fluorur o dihidrogenfosfat, o d’ambdues. La

influència que exerceix la resina en forma d’ió dihidrogenfosfat és clarament superior a

la corresponent en forma d’ió fluorur. En el primer dels casos la formació de complexes

solubles carregats de dihidrogenfosfat càlcic és la responsable del desplaçament cap a la

dreta de l’equilibri del procés de bescanvi següent:

R2-Ca2+ + 2 Na+/K+ ↔ 2 R-Na+/K+ + Ca2+ (25)

En el segon cas, en canvi, ens trobem davant d’un sistema de més elevada complexitat

donat que hi ha involucrada la formació d’una substància insoluble, CaF2. Aquest

sistema, el qual ja ha estat objecte de rigorós estudi a l’Annex 4, inclou d’una banda el

desplaçament cap a la dreta de l’equilibri prèviament indicat degut a la formació del

CaF2 sòlid i de l’altra el dipòsit d’aquest a sobre de les partícules de bescanviador iònic.

Anàlogament al treball prèviament discutit a l’apartat 3.1.1, s’ha observat que la

velocitat d’alliberació de l’ió calci es veu lleugerament incrementada mentre que la

corresponent a l’ió fluorur disminuïda. En aquest cas la formació del sòlid CaF2 s’ha

verificat també mitjançant la comparació amb el corresponent sistema binari R2-Ca2+:

R-H2PO4- ja que malgrat la resina en forma d’ió dihidrogenfosfat provoca una

acceleració sobre la velocitat d’alliberació de l’ió calci, la magnitud d’aquesta

alliberació es veu disminuïda quan s’afegeix resina en forma d’ió fluorur a la mescla.

Addicionalment, la presència de fluorur de calci a sobre de les partícules de

Centro

GTS


bescanviador catiònic carregat amb ió calci s’ha comprovat mitjançant l’estudi

qualitatiu dels espectres de raigs X de la superfície de les partícules dels diferents

bescanviadors iònics. Aquesta tècnica presenta una gran potencialitat en quan a l’estudi

de superfícies planes, en el nostre cas però, es disposava de partícules irregulars amb un

cert volum, fet que limita considerablement la qualitat dels resultats obtinguts.

A l’Annex 1, es va dur a terme un estudi preliminar del llit mixt format a partir de la

mescla de resines de mida de partícula inferior a 50 micres en forma d’ions calci i

fluorur, respectivament, per tal d’avaluar la funcionalitat del sistema experimental

desenvolupat. En aquest estudi es van utilitzar resines de bescanvi iònic de capacitats

específiques lleugerament diferents a les corresponents emprades a l’Annex 5: la

capacitat específica de la resina catiònica en forma d’ió calci del primer dels estudis

presenta un valor aproximadament un 2% més elevat mentre que la corresponent a l’ió

fluorur és fins a un 6% menor. Si bé el comportament de la resina aniònica en forma

d’ió fluorur és totalment comparable (veure Figures 6a de l’Annex 1 i 4b de l’Annex 5)

en ambdós casos, no passa el mateix amb la resina catiònica en forma d’ió calci (Figura

7a de l’Annex 1 i 4a de l’Annex 5). No només s’observen diferències d’un ordre de

magnitud en la velocitat d’alliberació de l’ió calci sinó que aquest fins i tot presenta un

comportament diferent quan es troba en presència d’ió fluorur. En el cas de l’estudi que

es presenta a l’Annex 1, la velocitat d’alliberació de l’ió calci de la resina catiònica

esdevé molt més lenta quan es troba en presència de resina aniònica carregada amb ions

fluorur. La cinètica del bescanvi F-↔Cl-, en canvi, no es veu essencialment afectada per

la presència de la resina catiònica en forma d’ió calci a la mescla. La interacció doncs,

entre els ions calci i fluorur té lloc sobre la superfície de la resina catiònica en forma

d’ió calci, donant lloc a la formació d’una capa en aquest cas uniforme del sòlid

insoluble CaF2, el qual constitueix una important barrera addicional a la difusió dels

ions calci cap a la dissolució externa.

La diferència observada en els valors absoluts del factor de conversió corresponent a la

resina en forma d’ió calci obtinguts en els diferents sistemes estudiats, s’atribueixen

més aviat a una diferència, no controlada fins al moment, en les propietats

físico-químiques de les diferents partides de resina subministrades per la casa comercial,

que a la diferència, considerada com a no significativa, apreciada en els valors de

capacitat específica determinats. En aquest sentit i tal i com es mostra a la Figura 19, en

Centro

GTS


el cas de la resina aniònica en forma d’ió fluorur, cal remarcar que diferències superiors

al 4 % entre valors de capacitat específica no han donat lloc a diferències significatives

entre corbes d’alliberació.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Temps (min)

F (F

- )

2.91mmol/g

3.04mmol/g

Figura. 19. Corbes d’alliberació de l’ió fluorur de resines de bescanvi iònic de caràcter

base feble, funcionalitzades amb ions fluorur, de diferent capacitat específica. Mida de partícula inferior a 50 micres.

Finalment, advertir també altre cop el valor de dur a terme un control acurat de la

distribució de mides. Així per exemple, en el cas de les resines de bescanvi iònic de

mida de partícula inferior a 50 micres (Figura 20) on la cua de mides inferiors a 40

micres és força important, no es pot apreciar amb claredat l’efecte de la composició del

llit mixt sobre la velocitat d’alliberació tant de l’ió calci com del fluorur (Figures 6b i 7b

de l’Annex 1). No passa el mateix en el cas dels llits mixtos estudiats a l’Annex 4

(Figures 2a-b i 3 a-b) on es disposava de mides de partícula de resina controlats.

Malgrat tot, en tots els estudis que han involucrat la presència simultània de resines de

bescanvi iònic en forma d’ions calci i fluorur respectivament, s’ha pogut constatar una

formació del sòlid CaF2 a través de l’anàlisi de les corbes d’alliberació d’ambdós ions

les quals ens han reflectit, de manera desigual en cada cas, l’efecte dominant sobre

l’equilibri 25.

Centro

GTS


0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

Canal

mm0,9

71,3

81,9

52,7

53,8

95,5

07,7

811

,0015

,5622

,0031

,1144

,0062

,2388

,00

124,5

0

176,0

0

248,9

0

352,0

0

497,8

0

Mida de partícula (φ , mm)

Frac

ció

(%)

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00A

cumulada (%

)Fracció (%)

Acumulada (%)

Figura. 20. Corba de distribució de mides de partícula d’una mostra de resina de

bescanvi iònic de mida de partícula < 50 micres, obtinguda mitjançant la tècnica de la difracció per làser.

3.2. DESENVOLUPAMENT D’UNA BASE DE PASTA DENTAL

COMPATIBLE AMB EL PRODUCTE NMTD (Annex 6)

Mantenir uns bons hàbits en la higiene bucal, com per exemple: raspallar-se les dents

almenys dues vegades al dia, netejar-se les dents amb un fil dental, controlar els sucres i

midons de la dieta, visites periòdiques a l’odontòleg i, l’ús de pastes dentals que

contenen fluorur, és bàsic per a la prevenció de la caries dental.

En els últims anys s’han dut a terme nombrosos estudis en el camp de la

remineralització. Ara bé, totes les formulacions de pastes dentals trobades a la

bibliografia incorporen els ions responsables de la mateixa en forma de sals

inorgàniques varies. De fet, als anys setanta ja es troben referències on es presenten les

propietats remineralitzants de pastes dentals basades en mescles de sals de calci i fòsfor,

i fluorur10. L’inconvenient que presenten aquest tipus de preparacions és que al posar en

contacte els diferents ions hi ha una formació de compostos insolubles, i es que cal

destacar que una fracció important de la composició de la pasta és aigua. Això suposa

una disminució de la quantitat efectiva d’ions disponibles per dur a terme el procés de

Centro

GTS

Desenvolupament d’una pasta dental compatible amb el producte NMTD

remineralització. No obstant això, sembla ser que els resultats obtinguts de la

comparació de mostres de dents tractades amb aquests tipus de pastes dentals amb

mostres que no han estat sotmeses a cap tipus de tractament, són clarament significatius.

Per tal de millorar aquesta problemàtica s’han proposat alternatives com la utilització de

compartiments separats per als components catiònics i aniònics11 o, el tractament en

dues etapes12: primer l’aplicació d’una pasta amb els components aniònics (sals de

fosfat, monofluorofosfat i fluorur) i seguidament una altra que conté sals de calci i altres

cations. En aquests casos s’aconseguiria una major eficàcia de l’acció remineralitzant de

la pasta dental.

Ara bé, les resines de bescanvi iònic objecte d’estudi a la present memòria destaquen

per la possibilitat que ofereixen d’immobilitzar els ions, impedint-ne així la interacció

entre ells (i per tant, la formació de compostos insolubles) abans que aquests arribin al

teixit desmineralitzat. D’altra banda, aquestes actuen com a reguladores dels

components d’aquests teixits (per exemple, de l’esmalt de les dents) responent a la

demanda dels mateixos i aconseguint així, un bon efecte remineralitzant. Aquest efecte

regulador és degut a la capacitat que presenten d’alliberar no solament ions sinó també

d’adsorbir-los en el cas d’un excés, quan la seva concentració és superior a l’apropiada

per regenerar el teixit organomineral.

En el treball que es presenta a l’Annex 6, el qual s’ha dut a terme en col·laboració amb

el Departament de Tecnologia Farmacèutica Industrial de la Facultat de Farmàcia de la

Universitat de Barcelona, es recull tot el procés de desenvolupament i preformulació

d’una pasta dental eficaç i de qualitat galènica tenint en compte les característiques

físico-químiques, especialment la insolubilitat, del principi actiu NMTD.

Els assaigs per a la obtenció de les corbes d’alliberació dels diferents ions de les resines

de bescanvi iònic “encapsulades” a la matriu de pasta dental es van dur a terme també

mitjançant la utilització de la cel·la de Franz modificada en condicions experimentals

en discontinu. D’aquesta manera es podien comparar els resultats obtinguts amb els

corresponents experiments amb resina sola, fet que ens permetia d’una banda avaluar la

influència exercida per part de la matriu de pasta dental sobre la velocitat d’alliberació

dels diferents ions i de l’altra modificar-ne la composició conseqüentment fins a

aconseguir-ne la seva compatibilitat amb el principi actiu.

Centro

GTS


El desenvolupament es va iniciar amb una fórmula bàsica comunament utilitzada en

pastes dentals, la qual es presenta a la taula que es mostra a continuació.

Taula. 9. Fórmula bàsica per a pasta dental.

Component Funció

Carboximetilcel·lulosa Espessant

Fosfat càlcic Abrasiu

Laurilsulfat sòdic Tensioactiu

Glicerina Humectant

Aigua destil·lada Diluent

La considerable reducció en la velocitat d’alliberació dels components catiònics (Ca2+ i

Zn2+) de les respectives matrius polimèriques en presència d’aquesta base de pasta

dental, va conduir a la substitució dels excipients iònics (carboximetilcel·lulosa sòdica,

fosfat càlcic i laurilsulfat sòdic) per altres de tipus no iònic. Concretament, la presència

de carboximetilcel·lulosa sòdica i laurilsulfat sòdic a la base de pasta de dents provoca

una acceleració en la velocitat d’alliberació dels anions mentre que la seva interacció

(complexació) amb els cations contribueix al retard apreciat sobre la velocitat

d’alliberació dels mateixos. Una nova fórmula amb metilcel·lulosa com a espessant,

Aerosil 200 com a abrasiu i sense tensioactiu, presentava unes característiques

galèniques i d’alliberació de l’ió calci (el Zn2+ es comporta idènticament i és component

minoritari a les mescles donat que actua com a bactericida) acceptables, però per

optimitzar la pasta dental cal afegir un tensioactiu no iònic (Figura 1 de l’Annex 6).

L’elecció de l’oli de ricí polioxietilenat es va fer en base l’elevat HLB (de l’anglès:

hydrophilic lipophilic balance) que presenta i per les seves característiques

organolèptiques, especialment el seu sabor insípid.

Finalment es va estudiar, d’una banda, la incorporació d’un agent conservant no iònic, i

per tant compatible amb el principi actiu, amb la inèrcia química suficient com per

prevenir la contaminació del preparat, i de l’altra, es van assajar edulcorants i

aromatitzants per tal de fer més agradable l’aplicació de la pasta. Arribats a aquest punt

calia dur a terme novament una verificació del comportament de la corba d’alliberació

Centro

GTS

Desenvolupament d’una pasta dental compatible amb el producte NMTD

tant d’un dels components catiònic com aniònic incorporat a la base de pasta dental

convenientment modificada.

L’alliberació tant dels ions calci com fluorur de la respectiva nova matriu de pasta

dental es duia a terme pràcticament a la mateixa velocitat que quan es realitzava l’estudi

amb les resines pures (sense presència de matriu de pasta dental). Tenint en compte

aquest precedent, el pas següent fou l’estudi simultani de l’alliberació els ions que

constitueixen el principi actiu com a tal (NMTD) incorporat a la nova base de pasta

dental. Davant les bones expectatives dels resultats obtinguts (Figura 2 de l’Annex 6),

es va confirmar la compatibilitat de la base de la pasta dental desenvolupada amb la

l’alliberació dels ions del principi actiu NMTD.

Així doncs, la fórmula que es considera com a definitiva donat que ofereix unes

característiques organolèptiques i de compatibilitat amb l’alliberació dels ions calci,

fluorur, fosfat i zinc, més acceptables és la que conté els ingredients que es recullen a la

Taula 10. La concentració de principi actiu (NMTD) més eficaç per al tractament de

patologies dentals, cal establir-la mitjançant assaigs clínics, tant in vitro com in vivo, de

les formulacions acceptables des del punt de vista galènic. En aquest sentit es va

treballar en col·laboració amb el Departament d’Odontologia i Estomatologia de la

Universitat Internacional de Catalunya, i dels estudis realitzats s’ha pogut concloure

que:

- L’aplicació tòpica in vitro amb la pasta dental que incorpora un 15% de principi

actiu NMTD és la que registra els millors resultats en quant a la proporció de

túbuls dentinaris obliterats (Figura 3 de l’Annex 6). Aquest fet posa de manifest

la seva potencial utilitat en la remimeralització de teixits dentals (regeneració de

la dentina) així com també per al tractament de la hipersensibilitat dentinària.

- El principi actiu manté la seva capacitat d’actuació malgrat la seva incorporació

a una matriu de pasta dental degudament desenvolupada.

- Els estudis clínics in vivo proven que mitjançant la utilització de la pasta dental a

base de NMTD al 15% s’assoleix una reducció significativa, de fins al 45% en

dos mesos de tractament continuat i sense cap altre tractament complementari

(Figura 21), de la simptomatologia de la hipersensibilitat dentinària.

Centro

GTS


0123456789

10

Inicial 15 dies 1 mes 2 mesosPeríode de tractament

Esc

ala

anal

ògic

a vi

sual

d'

aval

uaci

ó de

l dol

or

producte NMTD placebo

Min.

Max.

Figura. 21. Variació de la hipersensibilitat entre els pacients que utilitzen pasta dental

de composició placebo i els que utilitzen pasta dental amb un 15% de NMTD.

Taula. 10. Formulació final de la pasta dental desenvolupada.

Component Funció

NMTD Principi actiu

Parahidroxibenzoat de metil Conservant

Sacarina sòdica Edulcorant

Oli de ricí polioxietilenat Tensioactiu

Mentol líquid Aromatitzant

Aroma de menta líquida Aromatitzant

Metilcel·lulosa Espessant

Aerosil 200 Abrasiu

Glicerina Humectant

Propilenglicol Agent portador

Aigua desionitzada Diluent

Centro

GTS

Caracterització de la pasta dental desenvolupada

3.3. CARACTERITZACIÓ DE LA PASTA DENTAL DESENVOLUPADA

(Annexos 7, 8 i 9)

Tothom està d’acord amb que l’ús apropiat de fluorur a través de la fluoració de l’aigua,

la ingestió de suplements que contenen fluorur o l’aplicació tòpica amb productes que el

contenen, és un factor molt important en la prevenció de la càries dental i la

remineralització de les dents13. Tot i això cal anar amb compte donat que la ingestió de

concentracions elevades de fluorur poden resultar tòxiques o fins i tot letals. La

fluoració de l’aigua de consum ha estat aprovada, per la majoria d’organitzacions

professionals de la salut americana, com a mesura de salut dental pública més eficaç. A

més, l’Associació Dental Americana disposa de recerca força extensiva en la qual

demostra que la fluoració de l’aigua, tenint en compte els nivells de concentració als

que es subministra (1,2 ppm com a màxim) no augmenta ni la incidència o el grau de

mortalitat en malalties cròniques, ni provoca cap reacció adversa per a la salut14.

S’haurien de consumir grans quantitats d’aigua en una sola vegada com perquè el

fluorur present a l’aigua esdevingués tòxic. Si que cal anar amb compte, en canvi, amb

l’administració de productes que contenen una concentració més elevada de fluorur com

les pastes dentals, sobretot en els nens.

Tenint en compte tot això, qualsevol material dental que es vulgui introduir al mercat

nord-americà haurà de ser sotmès a una sèrie de proves estàndard, rigorosament

establertes, per tal de poder ser avaluat en última instància pel màxim organisme que

n’aprovarà o no finalment la seva comercialització, la FDA (de l’anglès: Food and Drug

Administration).

Un dels components bàsics requerit dins de l’avaluació biològica de materials dentals en

fase de desenvolupament és el test de citotoxicitat. El principal defecte que presenten les

pastes dentals fluorades actualment comercialitzades, és que alliberen una elevada

concentració de fluorur de manera instantània al medi oral. Aquest fet dota a la pasta

dental d’una elevada potencialitat remineralitzant però contràriament n’augmenta

considerablement el risc de toxicitat, pel que cal prendre les mesures de precaució

pertinents, sobretot pel que fa a nens menors de sis anys. En aquest sentit, la pasta

dental desenvolupada en la present memòria disposa d’un mecanisme, a través de la

incorporació de resines de bescanvi iònic, per al control i optimització de l’alliberació

de fluorur al medi oral. La quantitat de fluorur alliberable de la pasta dental

Centro

GTS


desenvolupada no dóna lloc a cap efecte citotòxic (veure Figures 1 i 2 de l’Annex 7), el

que permet considerar que la seva utilització en el medi oral és completament segura i

que no ha de suposar cap mena de risc per a la salut. Ara bé cal destacar que a la realitat,

malgrat que els productes presents al mercat hagin estat prèviament sotmesos a

rigorosos controls sanitaris establerts per la normativa, es potencia a més una política de

prevenció de riscos a través d’una sèrie de recomanacions que van dirigides bàsicament

a fabricants de pastes dentals i pares. Els primers haurien d’informar sobre la utilització

del producte i fabricar pastes dentals per a nens petits en tubs segurs i amb baix

contingut de fluorur, mentre que els pares haurien d’educar als seus fills en la tasca

diària del rentat de les dents tot supervisant que la quantitat de pasta dental utilitzada no

superi la mida d’un pèsol i ensenyant-los a escopir enlloc d’empassar-se la pasta.

Actualment els estudis de més gran interès en el camp del desenvolupament de

productes per a la higiene dental són els que es centren en l’avaluació del poder de

remineralització de lesions de caries. El fluorur promou la remineralització dels teixits

danyats per l’acció de la càries, n’augmenta la seva resistència a la desmineralització tot

millorant la morfologia de la dent i interfereix en la formació i acció dels

microorganismes de la placa bacteriana. Ara bé el seu efecte es veu clarament potenciat

si aportem calci, fluorur i fosfat simultàniament a la dent15. De fet, malgrat les resines

de bescanvi iònic en forma d’ió fluorur ja fa més de vint anys que s’utilitzen en el camp

dental16, no es troben dades sobre pastes dentals que incorporin mescles de resines de

bescanvi iònic que alliberin ions calci, fluorur i fosfat de manera simultània.

En el treball presentat a l’Annex 8, s’ha determinat l’habilitat de la pasta dental

desenvolupada contenint NMTD en afavorir la remineralització de l’esmalt dental

humà, mitjançant l’aplicació d’un protocol basat en un procés cíclic de

demineralització-remineralització (de l’anglès pH-cycling). Les dades obtingudes s’han

comparat amb les que han resultat de l’aplicació del mateix protocol a una pasta dental

convencional actualment comercialitzada basada en fluorur sòdic i que s’ha utilitzat

com a control.

La possibilitat que ofereixen els resines de bescanvi iònic per immobilitzar el fluorur,

evitant-ne així la seva alliberació immediata al medi oral, fa que d’entrada la

concentració nominal de la pasta dental desenvolupada pugui ser superior a la establerta

per la legislació americana i que està fixada en 1100 ppm. Ara bé, en aquest estudi es

Centro

GTS


posa de manifest la importància que té dur a terme tant una càrrega de la resina amb la

dissolució de concentració adequada com una bona eliminació de la mateixa, o el que és

el mateix un bon rentat de la resina. Inesperadament, l’aportació de fluorur al medi per

part de la pasta dental desenvolupada ha tingut lloc mitjançant dos mecanismes: en

primer lloc, per solubilització directa d’una capa de la sal de fluorur sòdic que envolta a

les partícules de resina en forma d’ió fluorur (donat que aquesta sal va quedar romanent

durant el procés de càrrega), i en segon lloc, com a producte del propi procés de

bescanvi iònic. Així, tal i com es pot observar a la Taula 1 de l’Annex 8, el sobrenadant

d’una suspensió de la pasta dental desenvolupada (fluorur lliure) presenta ja una

concentració de fluorur equivalent a la pasta control. Amb aquestes dades s’evidencia

també el fet, comentat ja anteriorment, que les pastes dentals basades en fluorur sòdic

alliberen instantàniament tot el fluorur disponible al medi, i es que la concentració de

fluorur lliure equival a la total. No passa el mateix amb la pasta dental desenvolupada,

on es disposa d’una quantitat de fluorur residual immobilitzada a la fase resina

considerablement inferior a la esperada, que serà alliberada posteriorment en el temps i

en funció de la composició del medi oral. Malgrat tot, en aquestes condicions els

resultats obtinguts de l’estudi esmentat han demostrat que ambdues pastes dentals

presenten un percentatge de remineralització totalment comparable (Veure Figura 4 i

Taula 2 de l’Annex 8).

Si bé formalment no podem dir que s’hagi avaluat el potencial real de la pasta dental

desenvolupada, s’han pogut dur a terme una sèrie d’observacions d’interès vàlides per a

un futur. La pasta dental desenvolupada incorpora un principi actiu el funcionament del

qual es basa en l’alliberació controlada. Tal i com el seu nom indica, l’alliberació

variarà en funció del temps com a conseqüència tant del funcionament del propi sistema

de bescanvi iònic (l’alliberació inicialment és baixa i a mesura que va passant el temps

aquesta va augmentant, recordar Annexos 2 i 5) com de la composició del medi extern,

la qual vindrà regulada per la demanda existent en cada moment. Així, malgrat a temps

inicials, els nivells de fluorur alliberat per ambdues pastes són comparables (cal

recordar que la concentració de fluorur lliure en ambdues pastes és idèntica), a mesura

que avancem en el temps la pasta desenvolupada en el nostre grup de investigació en

proporciona una quantitat addicional fruit del procés de bescanvi iònic. Això ens fa

pensar en el fet que, un cop preparada una formulació en condicions, el temps

Centro

GTS


d’aplicació de la pasta dental desenvolupada haurà de ser superior a l’establert pel

protocol emprat en la present investigació donat que el mecanisme a través del qual té

lloc l’alliberació dels ions del producte NMTD ja hem vist que és complex i funció del

temps. De totes maneres, si la concentració de fluorur que ens pot aportar la pasta dental

desenvolupada a temps inicials es veu limitada degut al procés de bescanvi iònic, es

podria aprofitar la possibilitat de millorar el sistema a través de la introducció d’una

petita fracció fluorur en forma de sal de soluble. Caldria desenvolupar així una

metodologia que ens permetés controlar la creació d’una petita capa de, per exemple,

fluorur sòdic al voltant de les partícules de resina en forma d’ió fluorur, fet que ens

asseguraria un nivell de fluorur adequat a l’inici de la utilització del producte. Passats

els primers minuts es reforçaria la concentració no només de fluorur sinó també de calci

i fosfat com a conseqüència del procés de bescanvi iònic.

Donades les dades de les que es disposa en aquest moment, el següent pas que cal dur a

terme primer seria aconseguir una resina de bescanvi iònic en forma d’ió fluorur lliure

de la capa de sal de fluorur sòdic, per tal de poder dur a terme la preparació d’una

formulació adient de NMTD amb la qual poder preparar una nova pasta dental. El poder

de remineralització determinat aleshores, si que ens permetrà avaluar la potencialitat

que ens pot oferir l’alliberació simultània dels ions calci, fluorur i fosfat mitjançant el

sistema de bescanvi iònic proposat, sobre la disminució de la incidència de la càries així

com també de la seva prevenció.

Tenint en compte aquestes consideracions i havent estudiat els paràmetres que més

influencien sobre la velocitat d’alliberació dels ions d’una resina de bescanvi iònic

(Annexos 1-5) es poden arribar a resoldre amb èxit les possibles mancances. Així

mitjançant modificacions de mida de partícula, caràcter d’àcid o de base forta o feble de

la matriu polimèrica, o fins i tot de la pròpia composició de la mescla de resines es pot

arribar a crear un producte que respongui a les necessitats existents en cada moment.

La composició de la base de pasta dental també és determinant, no només a nivell de

compatibilitat amb el principi actiu com ha estat el nostre cas, sinó també pel que

respecta a les propietats com l’abrasió i la capacitat d’eliminació de taques. De fet,

actualment ja comencen a aparèixer estudis en els que s’intenta desenvolupar productes

en els que, a part d’aconseguir una remineralització, es milloren característiques com

l’emblanquiment i l’eliminació de taques 17-20.

Centro

GTS


Una pasta dental ha de ser capaç de netejar de la superfície de les dents amb la mínima

reactivitat possible sobre la superfície de l’esmalt o la dentina. De fet, la millor pràctica

d’higiene dental diària que existeix per a la eliminació tant de la placa com de les

taques, és el raspallat amb una pasta dental. Es podria pensar que l’acció del raspallat és

la responsable dels desperfectes que es poden originar sobre els teixits dentals. A la

realitat això no és així, ja que el raspall de dents actua només com a vehicle a través del

qual la pasta dental pot ser aplicada sobre la superfície de la dent. L’abrasió dels teixits

dentals és responsabilitat de la pasta dental. És per això que els agents abrasius juguen

un paper molt important en el poder de neteja que caracteritzarà a la pasta dental21.

L’agent abrasiu escollit en la present formulació de base de pasta dental, indicat

pertinentment a l’apartat anterior, és la sílice col·loïdal. Les sílices són els abrasius més

comunament utilitzats en la major part de pastes dentals comercialitzades. El seu interès

deriva de les múltiples avantatges que ofereixen: són compatibles amb la resta

d’ingredients que constitueixen la pasta, presenten una mida i forma de partícula i

puresa controlades i possibiliten la variació de la seva concentració per tal d’aconseguir

el grau de neteja desitjat. Amb tot la pasta dental desenvolupada no presenta un grau

d’abrasió significatiu i conseqüentment la seva potencialitat en quant a eliminació de

taques és realment baixa (Veure Figures 4-6 i Taules 2 i 5 de l’Annex 9). Es pensava

que el fet d’incorporar un principi actiu en forma de pols influiria positivament sobre el

poder abrasiu de la pasta donat que actualment, alguna de les pastes comercialitzades en

el mercat nord-americà d’elevat poder abrasiu i eliminador de taques, com per exemple

Crest Extra-Whitening, incorporen partícules d’una certa mida, apreciables a simple

vista, amb la finalitat de potenciar el seu poder abrasiu. A la pràctica però no ha estat

així.

La freqüència del raspallat i la duresa dels pèls del raspall són altres aspectes que no

tenen res a veure amb la composició de la pasta dental, i que s’haurien de tenir en

compte de cara a la interpretació dels resultats obtinguts. En el cas que ens ocupa però, i

independentment a l’estudi al qual es faci referència: eliminació de taques o abrasió,

aquests paràmetres s’han mantingut constants en cada cas. Per a cada tipus de pasta

assajada en cada estudi, s’han utilitzat el mateix nombre de raspallades i raspalls

dentals. D’altra banda, no hi ha diferències significatives entre l’estat dels raspalls abans

i després d’haver dut a terme el nombre de raspallades corresponents (Figura 22).

Centro

GTS


Figura. 22. Imatges de l’estat dels raspalls de dents al microscopi òptic a 16 augments. (a) Abans de dur a terme les raspallades (b) Després d’haver dut a terme les raspallades.

Caldria buscar doncs una explicació dels resultats obtinguts en la composició de la

pasta. L’abrasió d’una pasta dental s’ha de determinar en base a la composició total de

la pasta dental i no limitar-la només a l’acció de l’agent abrasiu donat que, pastes

diferents amb el mateix tipus d’abrasiu, poder donar lloc graus d’eliminació de taques

diferenciats22.

Tal i com s’ha pogut constatar però en l’apartat anterior, el desenvolupament d’una base

de pasta dental compatible amb l’alliberació simultània dels ions calci, fluorur i fosfat

no ha estat evident, pel que abans de plantejar-se seriosament una revisió de la seva

composició s’optaria primer per dur a terme algunes proves més pel que fa a la durada

del temps de raspallat i tests d’abrasió sobre la dentina. Els valors de duresa

considerablement més baixos que presenta la dentina fan que aquesta sigui molt més

vulnerable a l’abrasió, és per això que els estudis d’abrasió sobre l’esmalt dental no

siguin prioritaris quan es duen a terme assaigs d’aquest tipus.

Avui dia el desenvolupament de noves formulacions amb millors propietats netejadores

s’ha complicat molt degut a la tendència que existeix cap a l’ús de ingredients com

antimicrobiants23, agents dessensibilitzadors24, etc, però el que s’ha de tenir molt

present i que és bàsic en el desenvolupament de qualsevol producte per a la higiene

dental és la compatibilitat entre ingredients, el poder de neteja i la integritat dels teixits

biològics del medi oral.

Centro

GTS

Bibliografia

3.4. BIBLIOGRAFIA

1 BOYD, G.E.; ADAMSON, A.W.; MYERS, L.S. Jr. J. Am. Chem. Soc., 1947, 69, 2836.

2 STREAT, M.; NADEN, D.: Ion Exchange and Sorption Processes in Hidrometallurgy. Critical Reports on Applied Chemistry, Vol. 19; STREAT, M.; NADEN, D. (eds.); John Willey & Sons: Chichester, 1987, p.1.

3 CALMON, C. a: Ion Exchange and Solvent Extraction, vol. 9,: MARINSKY, J. A.; MARCUS, Y. (eds.); Marcel Dekker Inc.: New York, 1985, p.1.

4 WINSTON A.E, JADA, 1998, 129, 1579. 5 GAL, J.Y.; FOVET, Y.; ADIB-YADZI, M. Talanta, 2001, 53, 1103. 6 SCHEMEHORN, B.R.; ORBAN, J.C.; WOOD, G.D.; FISCHER, G.M. J. Clin.

Dent., 1999, 10(1), 13. 7 KRESSMAN, T.R.E.; KITCHENER, J.A. Disc. Faraday Soc., 1949, 7, 90. 8 Desarrollo Científico Aplicado S.L. (Barcelona, Spain (rights owner)). ES Patent

9700016, 1997. 9 KORKISCH, J. Handbook of Ion Exchange Resins: Their Application to Inorganic

Analytical Chemistry, vol. 1; CRC Press, Inc.: Florida, 1989, p.17. 10 GAFFAR, M.C.S.; GAFFAR, A. US Patent 4177258, 1979. 11 WINSTON, A.E.; USEN, N. US Patent 5858333, 1999. 12 MAGAS, S.; GORSKI, Z.; MENDYK, W.; KOSTANSKI, M. Czas. Stomatol.,

1990, 43(6), 323. 13 PALMER, C.A.; WATSON, L.M. J Am. Diet. Assoc., 1994, 94, 1428. 14 RIPA, L. J. Public Health Dent., 1993, 53 (1), 17. 15 SCHEMEHORN, B.R. J. Clin. Dent., 1999, 10(1), 13. 16 TURPIN-MAIR, J.S.; RAWLS, H.R.; CHRISTENSEN, L.V. J. Oral Rehab., 1982,

9(6), 523. 17 WINSTON, A.E.; BARTH, J.; USEN, N. WO Patent 2000047173, 2000. 18 BRIGNOLI, C.; FERRO, R.; MENDEZ, A.E. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B),

B-71, 0470. 19 WALSH, T.F.; WILDGOOSE, D.G.; MARLOW, I.; HAYWOOD, J. J. Dent. Res.,

2003, 82(Spec Iss B), B-143, 1043. 20 PICKLES, M.J.; TANNER, C.L. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-355, 2763. 21 CREETH, J.E.; PLATTS, A.T.; JONES, S.P. J. Dent. Res., 2003, 82(Spec Iss B),

B-91, 0633. 22 SVINNSETH, P.N.; GJERDET, N.R.; LIE, T. Acta Odontol. Scand., 1987, 45(3),

195. 23 ARWEILER, N.B.; AUSCHILL, T.M.; DEIMLING, D.; HELLWIG, E. J. Dent.

Res., 2003, 82(Spec Iss B), B-283, 2175. 24 SOWINSKI, J.; AYAD, F.; PETRONE, M.; DeVIZIO, W.; VOLPE, A.;

ELLWOOD, R.; DAVIES, R. J. Clin. Periodontol., 2001, 28(11), 1032.

Centro

GTS

Capítol 4 Conclusions Cen

tro G

TS

Conclusions

Les conclusions més importants que es poden extreure dels resultats obtinguts en els

treballs recollits en la present memòria són les següents:

1. Les diferències en la velocitat d’alliberació dels ions calci i fluorur de les

matrius polimèriques corresponents de caràcter feble i fort, es pot explicar en

termes d’afinitat relativa del grup funcional immobilitzat a la fase resina vers els

ions presents a la dissolució i de l’àrea superficial efectiva de la pròpia matriu

polimèrica.

2. La velocitat d’alliberació dels ions de les respectives resines de bescanvi iònic,

augmenta al disminuir la mida de partícula i al augmentar la temperatura.

3. La cinètica d’alliberació dels ions calci i fluorur de resines de bescanvi iònic tant

de caràcter àcid o base feble com forta en contacte amb una dissolució de saliva

artificial està controlada pel mecanisme de la difusió intraparticular. Els models

cinètics seleccionats han ajustat correctament les dades obtingudes de les

cinètiques dutes a terme tan en condicions dinàmiques com en discontinu, el que

ha permès descriure quantitativament la velocitat d’alliberació dels ions de la

fase resina en termes de velocitat d’alliberació efectiva (B) o coeficients de

difusió (D). D’aquesta manera, la dependència lineal obtinguda entre el –log (B)

i la mida de les partícules de resina superior a 100 micres, ha possibilitat

l’estimació dels valors de velocitat d’alliberació efectiva per a fraccions de

resina en forma de pols.

4. La cinètica del procés de bescanvi iònic en sistemes trifàsics i quadrifàsics

formats per resina de bescanvi iònic de caràcter base feble en forma d’ió fluorur

i resina de bescanvi iònic de caràcter àcid feble en forma d’ió calci està

acompanyada per la precipitació del sòlid insoluble CaF2. La quantitat de

precipitat que cristal·litza sobre la superfície de les partícules de resina depèn del

tipus de bescanviador iònic, la seva mida de partícula i de la relació de

components catiònic/aniònic presents a la mescla de resines. Aleshores,

mitjançant la variació d’aquests dos últims paràmetres es pot aconseguir la

precipitació majoritàriament sobre un o altre tipus de bescanviador iònic. Ara bé,

donades determinades condicions, la precipitació també pot tenir lloc a la

dissolució transcorregut un cert període de temps.

Centro

GTS

Conclusions

5. El procés de separació de les resines de bescanvi iònic en fraccions de mida de

partícula controlada és crític per al posterior estudi de la influència d’aquest

paràmetre sobre la velocitat d’alliberació dels ions immobilitzats a les matrius

polimèriques corresponents.

6. L’addició d’una tercera resina bescanviadora d’ions de caràcter base feble en

forma d’ió dihidrogenfosfat a la mescla binària de resines de caràcter àcid i base

febles en forma de pols en forma d’ió calci o fluorur, provoca una acceleració de

la velocitat d’alliberació de l’ió calci com a conseqüència de la formació de

complexos carregats de dihidrogenfosfat càlcic. D’altra banda es posa de

manifest altre cop l’efecte de la precipitació de CaF2 sobre les partícules de

resina del bescanviador iònic en forma d’ió calci.

7. La potencialitat que ofereixen les resines de bescanvi iònic ha portat a incorporar

el producte NMTD com a principi actiu d’una pasta dental per a la prevenció i

remineralització de la càries dental. La optimització de la base de pasta dental

mitjançant la substitució de la carboximetilcel·lulosa per metilcel·lulosa i del

tensioactiu iònic per un de no iònic ha permès aconseguir una pasta dental

compatible amb l’alliberació de tots els ions integrants del material NMTD,

responsable de la remineralització dels teixits dentals. Aquesta alliberació no es

veu afectada per la quantitat de principi actiu introduïble a la matriu de pasta de

dents.

8. Els estudis de caracterització de la pasta dental basada en la mescla de resines de

bescanvi iònic carregades amb els ions calci, fluorur, fosfat i zinc (NMTD) no és

citotòxica i proporciona un grau de remineralització in vitro de l’esmalt humà

comparable a l’assolit amb una pasta dental comercial basada en fluorur sòdic.

En contrapartida, no és capaç d’eliminar les taques de l’esmalt dental boví el que

està directament relacionat amb la baixa abrasió que presenta.

Centro

GTS

Capítol 5 Annexos

Centro

GTS

Annexos

FE D’ERRADES A LES PUBLICACIONS

ANNEX 1

Kinetics of release of calcium and fluoride ions from ion-exchange resins in artificial

saliva. MURAVIEV, D.; TORRADO, A.; VALIENTE, M. Solv. Extr. & Ion Exch.,

2000, 18(2), 345.

L’equació corresponent al Model cinètic 2 aplicat, així com els valors numèrics

obtinguts, són erronis (pàgines 352 i 360 respectivament).

Les modificacions adients es detallen a continuació:

Pàgina 352:

Model 2 (Vermeulen approximation) [27, 28].

Bt2tr

D2)F1ln( 2

22 =

π=−− (6)

Pàgina 358:

“…effective diffusion coefficients, D , of …”, com a substitució de:

“…effective diffusion coefficients, D, of …”

Pàgina 359:

“As follow from Table 3, the D (Ca2+) values calculated by both equation 4 and 6 don’t

differ much with each other, furthermore both models provide a similar accuracy of D

determination. The absolute D (Ca2+) and D (F-) values…” com a substitució de:

“As follows from Table 3, the D(Ca2+) values calculated by both equation 4 and 6 are in

a good agreement with each other, the use of Model 1 (equation 4) provides a better

accuracy of D determination. The absolute D(Ca2+) and D(F-) values…” Cen

tro G

TS

Fe d’errades a les publicacions

Pàgina 360:

TABLE. 2. EFFECTIVE DIFFUSION RATES, B, OF Ca2+ AND F- IONS IN RESIN

PHASE.

B (s-1)

B (Ca2+) x 106 B (F-) x 103

Particle diameter (mm) Model 1 Model 2 Model 2

0.42 1.4 1 4.4

0.335 1.7 1 7.1

0.205 4.9 2.5 12.3

0.105 9.3 3.5 35.8

0.05* 13 4.5 39

* Estimated from –log (B) vs particle size dependencies shown in Fig.5 (see text).

TABLE. 3. EFFECTIVE DIFFUSION COEFFICIENTS, D , OF Ca2+ AND F- IONS

IN RESIN PHASE.

Effective diffusion coefficient (m2 s-1)

D (Ca2+) x 1015 D (F-) x 1011

Particle diameter (mm) Model 1 Model 2 Model 2

0.42-0.105 4.8 ± 1.6 2.7 ± 1.4 1.6 ± 0.5

Pàgina 361:

Com a conseqüència de la modificació de les velocitats d’alliberació efectives dels ions

calci i fluorur obtingudes mitjançant el tractament de les dades experimentals amb el

model 2, cal substituir les dependències del –log (B) amb la mida de partícula

presentades a les figura 5a i 5b per les que es mostren a continuació: Cen

tro G

TS

Annexos

Particle diameter (mm)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

-log

(B)

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

a

Particle diameter (mm)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-lo

g (B

)

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

b

Amb la rectificació, les rectes que ajusten el –log (B) versus la mida de partícula

queden desplaçades cap a valors del –log (B) superiors.

Centro

GTS

ANNEX 1

Centro

GTS

Centro

GTS

Cen

tro G

TS

Centro

GTS

ANNEX 2

Cen

tro G

TS

KINETICS CHARACTERIZATION OF IONS RELEASE UNDER

DYNAMIC AND BATCH CONDITIONS. I. WEAK ACID AND WEAK BASE

TYPE RESINS.

A.Torrado and M. Valiente*

Departament de Química, Unitat Analítica, Centre GTS, Universitat Autònoma de

Barcelona, Facultat de Ciències, Edifici Cn, E-08193, Bellaterra (Barcelona), Spain

Abstract

The aim of the present work concerns with a study on the kinetics of release of both

Ca2+ and F- from loaded ion exchange resins (weak acid and base character for Ca2+ and

F- respectively), using both dynamic and batch experimental conditions, with an

artificial saliva solution as ion exchange media at 293 and 310 K. The influence of

resins particle size and temperature were evaluated by the kinetics parameters effective

rate of release (B) and diffusion coefficient (D). The rate of ions release increases with

temperature and when particle size decreases. The experimental data were fitted by

models based on intraparticle diffusion controlled processes. Under dynamic

experimental conditions, the linear dependence of –log (B) with the diameter of resin

particles can be applied for the estimation of B values when resins of very low particle

size are considered. Under batch experimental conditions, only a linear relationship was

attained for the case of slow ion exchange kinetics systems.

Keywords: ion exchange, kinetics release, macroporous ion exchanger, intraparticle

diffusion, calcium, fluoride.

*Correspondence to: Manuel Valiente, Departament de Química, Unitat Analítica,

Centre GTS, Universitat Autònoma de Barcelona, Facultat de

Ciències, Edifici Cn, E-08193 Bellaterra (Barcelona), Spain

Phone number. +34 93 581 2903

Fax number: +34 93 581 1985

E-mail: [email protected]

Centro

GTS

1. Introduction

Calcium is a very abundant element in human body, 99% is found in bones and teeth

whereas the 1% remaining is required for functions like blood clotting, nervous signals

transmission and muscular contraction. Fluoride, on the other hand, is present in trace

quantities but, ingested in appropriated quantities in water and food, and used topically

in toothpastes, chewing gums, mouthrinses, etc, reduces the risk of dental caries and

promotes enamel remineralization.1 With this aim, new controlled release formulations

based on ion exchange resins loaded with both ions immobilized have been

developed.2,3,4 The main advantage of including ion exchange resins in controlled

release systems is the possibility of lowering the release rate of the active principle, thus

increasing the long-lasting effect. On the other hand, these ion exchange resins act as

regulators of the damaged tissues (e.g. teeth enamel) responding to their demand and

providing, this way, an efficient remineralizing effect. The application of ion exchange

materials has also additional advantages, in comparison with conventional chemical

reagents. They do not introduce undesirable ions in the solution, the ions release is only

due to the ion exchange reaction, they are characterized by pH values practically neutral

and they can also adsorb bacteria on their surface. The majority of these resins are non

toxic and are used not only in the pharmaceutical industry and medical applications,5

but in the food industry as well.6

The aim of the present work has been to carry out a preliminary study on the kinetics of

release of both Ca2+ and F- from the corresponding ion exchange resins (weak acid and

base character for Ca2+ and F- respectively), using both dynamic and batch experimental

conditions, with an artificial saliva solution as ion exchange media at 293 and 310 K.

With fixed physicochemical parameters like porosity, crosslinkage, shape and ionic

resins form, pH and ionic strength of the external solution, the influence of particle size

and temperature were evaluated by kinetics parameters effective rate of release (B) and

diffusion coefficient (D).

2. Experimental

2.1. Materials

Highly purified ion exchange resins, carboxylic type Lewatit S8528 and terciary amine

type Lewatit MP62 with macroporous structures were kindly supplied by Bayer

Hispania Industrial, S.A (Barcelona, Spain). CaCl2 1 M and 0.3 M, KCl 0.01 M, NaCl

Centro

GTS

0.008 M, NaF 0.9 M, NaNO3 0.3 M and, NaOH 2.2 M solutions were prepared from the

corresponding Panreac (Barcelona, Spain) pro analysis quality solid salts. HCl 1 M and

HAc 0.8 M solutions were prepared by dilution of the corresponding concentrated

Panreac (Barcelona, Spain) pro analysis quality acids. In all cases, deionized water

Milli-Q quality (Millipore, USA) was used.

2.2. Instrumentation

The release of Ca2+ and F- under batch experimental conditions, was determined by

corresponding ion selective electrodes system Orion (USA) controlled automatically by

a PC, whereas under dynamic conditions, Ca2+ was determined spectrofotometrically by

inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy technique (ICP-OES) using

an ARL model 3410 minitorch (USA). All the samples were analyzed with an

uncertainty lower than 1.5 % and all the experiments were carried out by triplicate.

2.3. Resins loading

Resins were conditioned by following a standard procedure.7 The conversion of the

resins to the desired ionic form was carried out in ion exchange columns under dynamic

conditions by passing aqueous solutions of the corresponding concentrations through

the resin bed. After complete loading, the resin phase was successively washed with

water to remove the excess of electrolyte solution, then quantitatively removed from the

column and separated from water by filtration, followed by drying at the oven (60-70

ºC). Resins in the different ionic forms were kept in hermetically sealed vials to avoid

water absorption.

2.4. Resins capacity

Determination of the specific capacity of the different resins towards Ca2+ and F- was

carried out under dynamic conditions in columns by following a standard procedure.8 A

weighed portion of each loaded resin was introduced in a 10 cm column (8 mm Ø) and

the counterion of interest was eluted with HCl in the case of the cationic resin and with

NaNO3 in the anionic one. Eluate was collected in volumetric flasks and analyzed. The

results of the analysis were used to determine the specific capacity of the resins, qs,

according to the equation:

Centro

GTS

i

is W

VCq = (1)

where V is the total volume of eluted solution, Ci is the concentration of the solution

containing the eluted ion i and Wi is the weight of resin loaded with this ion. The

specific capacities determined experimentally are shown in Table 1.

2.5. Grinding and sieving

A fraction of each type of resin was ground in a mechanical agate mortar Retsch RMO

(Germany) and sieved by using a set of standard stainless steel sieves in a mechanical

siever, CISA (Spain). Thus, separate fractions of the resins were collected with particle

sizes of diameter 0.42 mm, 0.5-0.42 mm, 0.42-0.25 mm, 0.25-0.16 mm, 0.16-0.05 mm,

and <0.05 mm.

2.6. Ion exchange kinetics determination

2.6.1. Dynamic conditions

The study of ion exchange kinetics of the different samples was carried out under

dynamic conditions using the “shallow bed” technique.9 A small sample resin portion

loaded with the specific target ion was introduced in a column connected to a thermostat

and, a solution of artificial saliva (solution of concentration 1g/l KCl and 0.5g/l NaCl)

was passed through the resin bed at high flow rate (∼30 ml/min). Experiments were run

at 310 K. All the resulting eluate was collected in volumetric flasks, analyzed and these

analytical data transformed to the degree of conversion, F, by using the equation:

∞

=∑

=q

vcF

n

i

t

1tii

(2)

where vi corresponds to the volume of the eluate portion i, Ci to its concentration and q∞

the total capacity of the resin, expressed as:

CstrVstrvcq ii += ∑∞ (3)

where Vstr corresponds to the volume of an eluate sample obtained from an elution,

with either acid or nitrate, carried out after the kinetics experiment and, Cstr to its

concentration.

Centro

GTS

2.6.2. Batch conditions

The study of the kinetics of ions release under batch experimental conditions was

carried out using the “limited volume” technique.10 A small resin portion loaded with

the corresponding target ion was introduced in a thermostated cell (at 293 or 310 K),

containing 50 ml of artificial saliva vigorously agitated. The moment when the sample

got into contact with the desorbing solution (artificial saliva) was considered as the

starting time (time zero) for the kinetics experiment.

The experimental data obtained by ion selective electrodes were expressed in terms of

degree of conversion values, F, of the resins by applying the equation:

∞

=q

)t(cVF ias (4)

where Vas is the volume of artificial saliva contained in the cell, c(ti) is the concentration

of the target ion at the experiment time ti and, q∞= mqs is the total capacity of the resin

(in mmols), being m the weight of resin portion and qs (mmol/g) the specific capacity of

the resin towards the corresponding ion determined as described in the section 2.4.

3. Results and discussion

3.1. Influence of particle size on the rate of Ca2+ and F- release.

Kinetics release of Ca2+ and F- from the different particle size fractions, either under

dynamic or batch experimental conditions, are shown in Figures 1a-b and 2a-d. It can be

observed that when resin particle size decreases the rate of ions release increases,

because the contact surface between the solution and active functional groups of the

polymeric matrix increases. Note that for fluoride ion this effect can be appreciated in

shorter times because the rate of release is very fast. In previous studies,11 it was shown

that the rate of Ca2+ release is considerably lower than the corresponding of F-, what can

be explained by the higher affinity of Ca2+ towards the related polymeric matrix against

the corresponding affinity of F-.

Under batch conditions, resins characterized by a slow kinetics can rarely release all

ions initially immobilized in the resin phase because of the attainment of the

equilibrium with the media surrounding that will then contain the ion released as the ion

exchange process proceeds. On the contrary, under dynamic conditions the desorbing

Centro

GTS

solution passing through the resin bed is free of counterions to be released, that’s why

higher degrees of conversion are obtained.

3.2. Influence of temperature on the rate of Ca2+ and F- release

Temperature has a clear effect on ion exchange processes.12 Figures 3a-d show that an

increase in temperature results in an increase in the rate of ions release as a consequence

of an increase in diffusion coefficients. This effect is reflected under both, dynamic and

batch conditions.

3.3. kinetics characterization of the ion exchange process

3.3.1. Kinetics models description

Interruption tests carried out in a previous study11 showed that the rate determining step

of the ion exchange process under study was the intraparticle diffusion. So, results from

the above Figures 1a-b and 2a-d were treated by specific kinetics models, valid for the

description of ion exchange processes controlled by an intraparticle diffusion

mechanism under dynamic and batch conditions.

3.3.1.1. Dynamic conditions

a) Model 113

This model is valid for low degrees of conversion (F<0.05), so it will be applied only to

the data obtained from the kinetics release of Ca2+ because F- conversion degree gets

unity in a few minutes. The model is based on the following equation:

2/1)Bt(08.1F = (5)

where B is the effective rate of release which is related to the diffusion coefficient, D,

by the expression:

2

2

rDB π

= (6)

being r and t are the resin particle radius and time respectively.

Centro

GTS

b) Model 214

The applicability rank of this model covers the whole range of degrees of conversion, F,

from 0 to 1, and is based on the equation:

Bt2tr

D2)F1ln( 2

22 ==−−

π (7)

where B is the effective rate of release, D the diffusion coefficient, r the radius of the

resin particle and t the respective time.

Lineal dependencies of F versus t1/2 (Model 1) and –ln (1-F2) vs t (Model 2) verify that

the mechanism through which the ion exchange process takes place is controlled by

intraparticle diffusion. Some results of the treatment of the experimental data are shown

in Figures 4a-c. Figures 4a and 4b correspond to the application of models 1 and 2

respectively to the data obtained of the release of Ca2+ whereas, results on Figure 4c

corresponds to the application of model 2 on data of the release of F-. In this latter case

and as indicated before, only model 2 can be applied because F- conversion degrees are

considerably higher than 0.05.

Results obtained from data treatment with equations 5, 6 and 7, are shown in Table 2.

As can be appreciated in this table, the effective rates of release increase when particle

size decreases.15,13 It is also remarkable the great difference existing in the diffusivity of

both ions in the respective resin phase. This difference can also be characterized in

terms of the effective diffusion coefficient, D , defined as the mean of diffusion

coefficients of all particle sizes. The corresponding values are presented in Table 3.

The obtention of Ca2+ effective diffusion coefficients four orders of magnitude lower

than the corresponding of F-, makes evident the influence of the selectivity parameters

of the ion exchange systems studied.

The application of both models to Ca2+ release data provides effective rates of release

and effective diffusion coefficients that are in a good agreement between each other.

Results presented in Table 2 for Ca2+ at 310 K, together with those obtained at 293 K

reported in a previous study,11 are plotted as –log (B) versus particle size in Figures 5a-

b. Note that for the results obtained from the application of both models at 293 K there

is a lineal relationship with particle size. On the contrary, at 310 K the corresponding

slope is considerably lower than the expected if it is compared with the results at 293 K.

Only a good correlation of –log (B) versus particle size at both temperatures will allow

predicting the behaviour of the ions release from resins of particle diameters different of

Centro

GTS

those studied in the present study. In the case of F- (Figure 5c), there are no significantly

differences between correlations obtained at 293 and 310 K. The high rate of release of

the F- ↔ Cl- exchange results in minimal variations in rate of F- release from the

corresponding polymeric matrix of different particle size.

Batch conditions are specially interesting for particle size resins lower than 100 microns

due to the high hydrodynamic resistance existing when working under dynamic

conditions using the “shallow bed” technique.

3.3.1.2. Batch conditions

T.R.E. Kressman and J. A. Kitchener16 deduced an equation for ion exchange systems

under batch experimental conditions:

πDt

QQQ

r6

QQ

0

0t

∞∞ −= (8)

where Q0 is the total quantity of ions initially immobilized in the resin phase, Q∞ is the

quantity of ions released from the resin phase at equilibrium time, Qt is the quantity of

ions released from the resin phase till the moment t, r the resin particle radius, D the

diffusion coefficient of the ion through the ion exchanger and, t time.

By plotting of Qt/Q∞ versus t1/2, diffusion coefficients will be determined and, from

equation 6 effective rates of release will be evaluated. In Figures 6a-h examples of the

treatment of data presented in Figures 2a-d by the model described above are shown.

The model fits all particle sizes correctly, however, two different behaviours can be

distinguished mainly in fractions of bigger particle size. The initial release is slower due

to a first step of swelling of the resin. Resins tend to absorb solvent from the media

increasing the volume, thanks to an elastic gel structure; this behaviour was not

appreciated in the study under dynamic experimental conditions discussed above since

before each experiment the resin portion was kept in water for an hour. Once swelling

has taken place an increase in the rate of release occurs. This phenomena is more

relevant for higher particle sizes due to its smaller contact surface with external

solution.

As it can be observed in Figures 6a-h, lineal dependencies of Qt/Q∞ versus t can be

obtained. This verifies that the kinetics of the studied ion exchange processes under

batch experimental conditions is controlled by intraparticle diffusion and, in the other

Centro

GTS

side, allows to calculate the kinetics parameters of interest for both ions. These values

are presented in Tables 4 and 5.

Figures 7a-b show the dependence of the effective rate of Ca2+ and F- release with

particle size. As seen, the rate of Ca2+ release increases when particle size decreases.

Note the exponential relation obtained for particle sizes under 100 microns. On the

contrary, there is a direct relationship between the rate of release and temperature: when

temperature increases the rate of release increases.

Correlation between –log (B) with particle sizes comprised between 0.42mm and

<0.05mm is shown in Figure 8a. For Ca2+, a linear correlation is obtained whereas, in

the case of F-, the variability in the effective rates of release of the different particle size

fractions (Figure 7b) does not allow to establish any correlation (Figure 8b). F- shows

degrees of conversion considerably higher than that of Ca2+, in fact, practically just

when contacting the resin phase with artificial solution, full conversion is achieved.

Thus, determining kinetics parameters with accuracy is very difficult.

Finally point out that under batch conditions, Ca2+ presents higher effective rates of

release than F-. This fact was explained in terms of the operation of the experimental

system itself. In the case of high kinetics release resins, although ions are quickly

released to the bulk solution and equilibrium is immediately achieved, the saturation of

the solution in the releasing ion can delay the initial rate of release. Surprisingly, this

effect affects mainly to F-. Under dynamic conditions though, the desorbing solution

passing through the resin bed is free of counterions to be released, so higher conversion

degrees are obtained.

4. Conclusions

1- Differences in the rate of Ca2+ and F- release from the corresponding weak type

polymeric matrices can be explained in terms of relative affinity of the functional group

immobilized in the resin phase towards the ions present in the solution.

2- The rate of ions release increases when temperature increases and particle size

decreases.

3- Results from the study of the kinetics of release of Ca2+ and F- under either dynamic

or batch conditions are well interpreted by the models described valid for intraparticle

diffusion controlled processes.

Centro

GTS

4- The rate of ions release from the ion exchange resins studied are quantitatively

described in terms of effective rate of release (B) and effective diffusion coefficient ( D )

of the respective ions in the resin phase. Under dynamic conditions, the linear

dependence of –log (B) with the resin particles diameter can be used for the estimation

of B values in very low particle resins. Under batch conditions, despite very low particle

resins can be studied a linear relationship was only attained for the case of slow ion

exchange kinetics systems.

Acknowledgements

A. T. acknowledges the Universitat Autònoma de Barcelona for the FI Research Grant

to support her research studies. DCA, S.L. (Barcelona, Spain) is acknowledged for the

financial support provided to this study.

Centro

GTS

REFERENCES

1 RIPA, L. J. Public Health Dent., 1993, 53(1), 17-44.

2 NAUMANN, G.; PIEPER G.; REHBERG, H-J. Dental Composition and

Appliances Containing Anti-Carious Ion Exchange Resins, US Patent 3,978,206,

1976.

3 URUSOV, K. KH.; NIKITINA, T.V.; PAKHOMOV, G.N. Periodontitis

Stomatological Treatment, SU Patent 825074, 1981.

4 VALIENTE, M; MURAVIEV, D; ZVONNIKOVA, L.V. Material remineralizante

de tejidos organominerales, ES Patent 9700016, 1997.

5 PIROTTA, M.: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter

Publisher: Berlín, 1991, p.1073.

6 KUNIN, R.: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter Publisher:

Berlín, 1991, p.677.

7 DORFNER, K.: Ion Exchangers, DORFNER, K. (ed.); Walter der Gruyter








11 MURAVIEV, D.; TORRADO, A.; VALIENTE, M. Solv. Extr. & Ion Exch., 2000,

18(2), 345-374.

12 MURAVIEV, D.; NOGUEROL, J.; VALIENTE, M. React. & Funct. Polym., 1996,

28, 111-126.

13 BOYD, G.E.; ADAMSON, A.W.; MYERS, L.S. Jr. J. Am. Cem. Soc., 1947, 69,

2836-2848.

14 STREAT, M.; NADEN, D.: Ion Exchange and Sortion Processes in

Hidrometallurgy. Critical Reports on Applied Chemistry, Vol. 19; STREAT, M.;

NADEN, D. (eds.); John Willey & Sons: Chichester, 1987, p.1.

15 IRWIN, W.J.; BELAID, K.A.; ALPAR, H.O. Drug dev. Ind. Pharm., 1987, 13 (9-

11), 2047-2066.

16 KRESSMAN, T.R.E.; KITCHENER, J.A. Disc. Faraday Soc., 1949, 7, 90-104.

Centro

GTS

CAPTIONS AND LEGENDS

Table 1. Specific capacity of the resins towards Ca2+ and F-.

Table 2. Effective rates of release, B, of Ca2+ and F- in the resin phase, at 310K under

dynamic conditions.

Table 3. Effective diffusion coefficients, D , of Ca2+ and F- in the resin phase at 310K

under dynamic conditions.

Table 4. Effective rates of release, B, of Ca2+ and F- in the resin phase under batch

conditions.

Table 5. Effective diffusion coefficients, D , of Ca2+ and F- in the resin phase under

batch conditions.

Figure 1 Kinetics release of resin samples of different particle size under dynamic

conditions at 310K. (a) Lewatit S8528 in Ca2+-form (b) Lewatit MP62 in F--

form.

Figure 2 Kinetics release of resin samples of different particle size under batch

conditions. (a) Lewatit S8528 in Ca2+-form, at 293K (b) Lewatit MP62 in F--

form, at 293K (c) Lewatit S8528 in Ca2+-form, at 310K (d) Lewatit MP62 in

F--form, at 310K.

Figure 3 Kinetics release of resin samples of different particle size at 293 and 310K.

(a) Lewatit S8528 in Ca2+-form, under dynamic conditions (b) Lewatit

MP62 in F--form, under dynamic conditions (c) Lewatit S8528 in Ca2+-form,

under batch conditions (d) Lewatit MP62 in F--form, under batch conditions.

Figure 4 Data treatment of resin samples of particle size 0.335mm at 310K with

dynamic models (a) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S8528 in

Ca2+-form. Model 1 (b) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S8528

in Ca2+-form. Model 2 (c) Ion exchange system F-↔Cl-: Lewatit MP62 in F--

form. Model 2.

Figure 5 Dependence of –log (B) with resins particle size under dynamic conditions at

293 and 310K. (a) Lewatit S8528 in Ca2+-form. Treatment with model 1 (b)

Lewatit S8528 in Ca2+-form. Treatment with model 2 (c) Lewatit MP62 in F-

-form. Treatment with model 2.

Centro

GTS

Figure 6 Data treatment of resin samples with batch model. (a) Ion exchange system

Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S8528 in Ca2+-form of particle size 0.42 mm at 293K

(b) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S8528 in Ca2+-form of

particle size 0.42 mm at 310K (c) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+:

Lewatit S8528 in Ca2+-form of particle size 0.105 mm at 293K (d) Ion

exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S8528 in Ca2+-form of particle size

0.105 mm at 310K (e) Ion exchange system F-↔Cl-: Lewatit MP62 in F--

form of particle size 0.45mm at 293K (f) Ion exchange system F-↔Cl-:

Lewatit MP62 in F--form of particle size 0.45mm at 310K (g) Ion exchange

system F-↔Cl-: Lewatit MP62 in F--form of particle size 0.105mm at 293K

(h) Ion exchange system F-↔Cl-: Lewatit MP62 in F--form of particle size

0.105mm at 310K.

Figure 7 Effective rate of release of resin samples of different particle size under

batch conditions at 293 and 310K. (a) Lewatit S8528 in Ca2+-form (b)

Lewatit MP62 in F--form.

Figure 8 Dependence of –log (B) with resins particle size under batch conditions at

293 and 310K. (a) Lewatit S8528 in Ca2+-form (b) Lewatit MP62 in F--form.

Cen

tro G

TS

Table 1 Capacity (mmol g-1)

Ca2+ F-

Lewatit S8528 3.11± 0.03 -

Lewatit MP62 - 2.91±0.04

Centro

GTS

Table 2

B (s-1)

B (Ca2+) x 106 B (F-) x 103

∅ (mm) Model 1 Model 2 Model 2

0.42 (Ca2+) – 0.45 (F-) 2.2 1.5 3.0

0.335 2.2 1.5 5.0

0.205 3.1 1.5 10.0

0.105 14 4.5 13.0

Centro

GTS

Table 3

D ( m2 s-1)

D (Ca2+) x 1015 D (F-) x 1011

∅ (mm) Model 1 Model 2 Model 2

0.42/0.45 - 0.105 5.6 ± 3.0 3.5 ±2.5 1.0 ± 0.5

Centro

GTS

Table 4

B ( s-1)

T= 293K T= 310K

∅ (mm) B (Ca2+) x 105 B (F-) x 106 B (Ca2+) x 105 B (F-) x 106

0.42 (Ca2+)- 0.45 (F-) 4.2 621 1.0 249

0.335 3.6 5.4 3.6 6.1

0.205 3.7 1.6 12 7.8

0.105 23 297 38 586

<0.05 94 9.8 107 34

Centro

GTS

Table 5

D ( m2 s-1)

T= 293K T= 310K

∅ (mm) D (Ca2+) x 1014 D (F-) x 1013 D (Ca2+) x 1014 D (F-) x 1013

0.42/0.45 - <0.05 11 ± 6 8 ± 16 9 ± 3 3 ± 6

Centro

GTS

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 4 8 12 16 20 24 28

Time/min

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.45mm0.335mm0.205mm0.105mm

Figure 1

a

b

Centro

GTS

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm0.05mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.5 1 1.5 2

Time (min)

F (F

- )

0.45mm0.335mm0.205mm0.105mm0.05mm

Figure 2

a

b

Centro

GTS

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 2 4 6 8

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm0.05mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.5 1 1.5 2

Time (min)

F (F

- )

0.45mm0.335mm0.205mm0.105mm0.05mm

Figure 2

c

d

Centro

GTS

0

0.015

0.03

0.045

0.06

0.075

0.09

0.105

0.12

0.135

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.45mm 293K0.45mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

Figure 3

a

b

Centro

GTS

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 2 4 6 8

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2

Time (min)

F (F

- )

0.45mm 293K0.45mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

Figure 3

c

d

Centro

GTS

y = 0.0015x - 0.0005R2 = 0.9993

00.005

0.010.015

0.020.025

0.030.035

0.040.045

0.05

0 10 20 30 40

Time0.5 s0.5

F (C

a2+)

0.335mm

y = 2E-06x + 3E-05R2 = 0.9975

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0 500 1000 1500 2000

Time (s)

-ln(1

-F2 )

0.335mm

Figure 4

a

b

Centro

GTS

y = 0.0098x - 0.0995R2 = 0.9915

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

0 50 100 150 200 250 300

Time (s)

-ln(1

-F2 )

0.335mm

Figure 4

c

Centro

GTS

y = 2.2352x + 4.7997R2 = 0.7232

y = 2.73x + 4.7606R2 = 0.9664

4.5

4.7

4.9

5.1

5.3

5.5

5.7

5.9

6.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)

Continuous 293KContinuous 310K

y = 1.9289x + 5.2509R2 = 0.93

y = 1.2738x + 5.3549R2 = 0.554

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

6

6.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)


Figure 5

a

b

Centro

GTS

y = 1.8314x + 1.6636R2 = 0.9814

y = 2.3108x + 1.3147R2 = 0.9237

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Particle size (mm)

-log

(B)


Figure 5

c

Centro

GTS

y = 0.0008x + 0.007R2 = 0.7158

y = 0.0067x - 0.0252R2 = 0.9973

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0 5 10 15 20 25 30 35

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

y = 0.0004x + 0.0023R2 = 0.9017

y = 0.0022x - 0.007R2 = 0.994

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

Figure 6

a

b

Centro

GTS

y = 0.0154x - 0.0023R2 = 0.9833

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

y = 0.0253x + 0.0019R2 = 0.9772

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

Figure 6

c

d

Centro

GTS

y = 0.0383x + 0.0002R2 = 1

y = 0.083x - 0.1428R2 = 0.9988

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 2 4 6 8 10 12

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

y = 0.0368x + 0.0002R2 = 1

y = 0.097x - 0.1841R2 = 0.9972

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8 10

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

Figure 6

e

f

Centro

GTS

y = 0.1514x + 0.0186R2 = 0.9873

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

y = 0.1968x + 0.0247R2 = 0.9733

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

Figure 6

g

h

Centro

GTS

y = 6E-06x-1.5835

R2 = 0.8942

y = 3E-06x-2.0645

R2 = 0.9536

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

0.0016

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

B /

s-1

Experimental batch model 293K

Experimental batch model 310K

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

B /

s-1

Experimental batch model T=293KExperimental batch model T=310K

Figure 7

a

b

Centro

GTS

y = 3.4264x + 3.2227R2 = 0.6971

y = 5.1534x + 2.8029R2 = 0.9893

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

B

293K310K

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

(B)

293K310K

Figure 8

a

b

Centro

GTS

ANNEX 3

Centro

GTS

KINETICS CHARACTERIZATION OF IONS RELEASE UNDER

DYNAMIC AND BATCH CONDITIONS. II. STRONG ACID AND STRONG

BASE TYPE ION EXCHANGE RESINS.



Barcelona, Facultat de Ciències, Edifici Cn, E-08193, Bellaterra (Barcelona), Spain

Abstract

The purpose of this study has been to investigate the influence of key parameters (i.e.,

the structure of the resin organic polymer and its particle size, as well as the temperature

of the process) on the release of calcium and fluoride ions from cationic and anionic ion

exchange resins of strong character, in order to develop a formulation for a controlled

release of the mentioned ions, that are present in organomineral tissues. Kinetics

parameters were evaluated under dynamic and batch conditions. It has been observed

that the rate of Ca2+ and F- release increases when temperature increases and particle

size decreases. Because of the larger pore volumes that provide a greater effective

surface area, macroporous ion exchangers observe a higher rate of ions release than

those of gel nature. Results obtained in this study are well interpreted by the models

based on intraparticle diffusion as rate controlling step of the ion exchange process. The

effective rate of release, B (obtained from the application of mentioned models), of the

respective ions in the resin phase describes quantitatively the kinetic process. Linear

dependences of –log (B) with the resin particles diameters can be applied to the

estimation of B values for very low particle size resins, materials commonly used in the

development of controlled release formulations.

Keywords: ion exchange, kinetics release, gel ion exchanger, macroporous ion

exchanger, intraparticle diffusion, calcium, fluoride.




Phone number. +34 93 581 2903

Fax number: +34 93 581 1985


Centro

GTS

1. Introduction

Since the first ion-exchange resin was synthesized for the use in the isolation and

purification of products from solutions, investigations carried out using this system have

led to a considerable increase in the number of possible applications. This is especially

true in the field of pharmacy where their use for sustained release of orally administered

drugs was proposed some 40 years ago,1,2 and quickly gained popularity.

Synthetic organic resins are the most widely used ion exchange materials. They are

water-insoluble polymers possessing acidic or basic functional groups which are

covalently bound to the hydrophobic matrix and associated with oppositely charged

mobile counterions which enable the resin to undergo ion exchange.3

Among the advantages of including drugs in ion-exchange resins, so that they can be

used as new drug delivery systems, we can mention the following: (i) a delay in the

release of the drug that will permit a longer duration of its effects; a variety of drug

delivery systems in the form of microspheres,4 microcapsules,5 nanoparticles,6 and

liposomes7 have been developed for this purpose, (ii) an increase in its stability and (iii)

the masking of possible unpleasant tasting drugs.8

Out of many methods for the preparation of sustained release formulations, the use of

ion exchange resins has occupied an important place due to its well controllable

properties like particle size, shape, and internal pore structure. The release of any

substance that possesses an ionic site from a resin particle, can be controlled by

intraparticle diffusion or by the resistance of the film surrounding the particle (film

diffusion).9 Several equations have been proposed in the literature.10,11 In this concern,

the essential objective is to determine the mechanism controlling the release. Normally,

intraparticle diffusion control is expected for the release of species from a resin and

hence the experimental data are tested for this type of mechanism.

Cationic and anionic ion exchange resins are suitable for the design of preparations with

prolonged action.12,13 Selection of the matrix quality (IX groups, capacity, particle size,

cross-linking), external conditions (e.g. ionic strength, pH, temperature and choice of

the release salt in the medium), and the properties of the releasable substance (charge,

lipophilicity and molecular weight), can be manipulated to control the kinetics release

of the active principle from the ion exchange system.14,15

The present study aims to investigate the influence of key parameters (i.e., the structure

of the resin polymer and its particle size, as well as the temperature of the process) on

Centro

GTS

the release of calcium and fluoride ions from cationic and anionic ion exchange resins

of strong character (strong acid and strong base) to develop a controlled release

formulation for the possible applications to remineralization of dental tissues, which are

known to be formed by carbonated calcium hydroxyapatite. In the presence of fluoride,

after a remineralization process the new mineral will contain calcium hydroxyapatite

and fluoroapatite (Ca5(PO4)3F), both of which are less soluble than the original

carbonated calcium hydroxyapatite, what will protect the teeth from further acid attacks.

Kinetics parameters of the release of target ions calcium and fluoride were evaluated

under dynamic and batch experimental conditions.

2. Experimental

2.1. Materials

Ion exchange sulphonic resins Lewatit S100 (gelular structure) and SP112WS

(macroporous structure) and quaternary amine resins Lewatit M600 (gelular structure)

and MP600 (macroporous structure) were kindly supplied by Bayer Hispania Industrial,

S.A (Barcelona, Spain). CaCl2 0.5 M, KCl 0.01 M, NaCl 0.008 M, NaF 0.8 M, and

NaNO3 0.5 M solutions were prepared from the corresponding pro analysis quality solid

salts Panreac (Barcelona, Spain). HCl 0.5 M solution was prepared by dilution of the

corresponding concentrated pro analysis quality acid Panreac (Barcelona, Spain). In all

cases, deionized water Milli-Q quality (Millipore, USA) was used.

2.2. Instrumentation

The release of Ca2+ and F- under batch experimental conditions, was determined by ion

selective electrodes Orion (USA) controlled automatically by a PC, whereas under

dynamic conditions, Ca2+ was measured spectrofotometrically by inductively coupled

plasma atomic emission spectroscopy technique (ICP-OES) using an ARL model 3410

minitorch (USA). All the samples were analyzed with an uncertainty lower than 1.5 %

and all the experiments were carried out by triplicate.

2.3. Resins loading

Resins were conditioned by following a standard procedure.16 The conversion of the

resins to the desired ionic form was carried out in ion exchange columns under dynamic

conditions by flowing aqueous solutions of the corresponding reagents through the resin

Centro

GTS

bed. After complete loading, the resin phase was successively washed with water to

remove the excess of electrolyte solution, quantitatively removed from the column and

separated from water by filtration, followed by drying at the oven (60-70 ºC). Resins in

the different ionic forms were kept in hermetically sealed vials to avoid water

absorption.

2.4. Resins capacity

Determination of the specific capacity of the different resins towards Ca2+ and F- was

carried out under dynamic conditions in columns by following a standard procedure.17

A weighed portion of each resin was introduced in a 10 cm column (8 mm Ø) and the

counterion of interest was eluted with HCl in the case of the cationic resin and with

NaNO3 in the anionic one. Eluate was collected in volumetric flasks and analyzed. The

results of the analysis were used to determine the specific capacity of the resins, qs,


i

is W

VCq = (1)

where V is the total volume of eluted solution, Ci is the concentration of the solution

containing the eluted ion i, and Wi is the weight of resin loaded with this ion. The

specific capacities determined experimentally are shown in Table 1.


A fraction of each type of resin was ground in a mechanical agate mortar Retsch RMO

(Germany) and sieved by using a set of standard stainless steel sieves in a mechanical

siever, CISA (Spain). Thus, separate fractions of the resins were collected with particle

sizes of diameter 0.42 mm, 0.42-0.25 mm, 0.25-0.16 mm, 0.16-0.05 mm, and <0.05

mm.

2.6. Ion exchange kinetics


The study of ion exchange kinetics of the different samples was carried out under

dynamic conditions using the “shallow bed” technique.18 A small resin portion loaded

with the specific target ion was introduced in a column connected to a thermostat and, a

Centro

GTS

solution of artificial saliva (solution of concentration 1g/l KCl and 0.5g/l NaCl) was

passed through the resin bed at high flow rate (∼30 ml/min). Experiments were run at

293 and 310 K. All the resulting eluate was collected in volumetric flasks, analyzed and

these analytical data transformed to the degree of conversion, F, by using the equation:

∞

=∑

=q

vcF

n

i

t

tii

1 (2)

where vi corresponds to the volume of the eluate portion i, Ci to its concentration and q∞

the total capacity of the resin, expressed as:

CstrVstrvcq ii += ∑∞ (3)

where Vstr corresponds to the volume of an eluate sample obtained from an elution,

with either acid or nitrate, carried out after the kinetics experiment and, Cstr to its

concentration.


The study of the kinetics of ions release under batch conditions was carried out by using

the “limited volume” technique.19 A small resin portion loaded with the corresponding

target ion was introduced in a thermostated cell (at 293 or 310 K), containing 50ml of

artificial saliva vigorously agitated. The moment when the sample got into contact with

the desorbing solution (artificial saliva) was considered as the starting time (time zero)

for the kinetics experiment.

The experimental data obtained by ion selective electrodes were expressed in terms of

degree of conversion, F, of the resins by applying the equation:

∞

=q

)t(cVF ias (4)


of the target ion at the time of the experiment ti and, q∞= mqs is the total capacity of the

resin (in mmols), being m the weight of resin portion and qs (mmol/g) the specific

capacity of the resin towards the corresponding ion determined as described in the

section 2.4.

Centro

GTS


3.1. Influence of particle size on the rate of Ca2+ and F- release

Kinetics release of Ca2+ and F- from the different matrices and particles size fractions,

either under dynamic or batch conditions, are shown in Figures 1a-d and 2a-d. It can be

observed that the rate of ions release increases when resin particle size decreases. The

rate of release depends significantly on the average size of the resin particles due to the

greater diffusional path lengths in larger beds.20 Note that for fluoride ion this effect

must be appreciated in shorter times because the equilibrium is quickly achieved. As

previously reported in the case of weak base and acid types of ion exchangers21 this can

be explained in terms of affinity of the ion exchanger matrix towards the ion of interest.

Quaternary amine anionic ion exchangers have a higher selectivity for chloride ion

present in the artificial saliva whereas, sulphonic cation exchangers have a higher

affinity for calcium ion (ion initially fixed) than for Na+ and K+ present in the desorbing

solution. In the first studies though, Ca2+ rate of release was even lower than the one

obtained with the corresponding strong acid type matrix. In fact, calcium ions are

known to adsorb stronger to carboxylic groups than to sulphonic ones.22

3.2. Influence of temperature on the rate of Ca2+ and F- release

As observed in Figures 3a-d and 4a-d, temperature affects the ions rate of release due to

its influence on the diffusion coefficients. The rise in temperature, under either dynamic

or batch conditions, accelerates the rate of exchange.23

3.3. Kinetics characterization of the ion exchange process

To a proper characterization of ion exchange kinetics, it is essential to determine the

mechanism of control release.

Boyd et al.24 demonstrated that three possible control mechanisms may take place in an

ion exchange process: (i) Diffusion in the resin boundary liquid (film diffusion rate

determining step) (ii) Diffusion in the solid particle (intraparticle diffusion rate

determining step) (iii) Diffusional resistances in both phases. Several factors will affect

to proper ascertain the mechanism taking place in a given system.

Under batch conditions, if the rate of ions release increases with the stirring of the

liquid, then either (i) or (iii) will be the rate controlling step, whereas for mechanism (ii)

Centro

GTS

the ions release should be independent of the power stirring. Experiments were carried

out under controlled 450 and 780 rpm stirring conditions and are shown in Figures 5a-b

and 6a-b. It can be appreciated, that the stirring conditions have no influence on the ion

exchange rates. This fact together with the dependence of the degree of conversion with

the exchanger bead diameter for both resins tested, gel and macroporous type, suggests

an ion exchange mechanism controlled by intraparticle diffusion.20

Under dynamic conditions, the information provided by the interruption tests of

previous studies,25,21 establishes that the ion exchange mechanism is controlled by

intraparticle diffusion.

Thus, results from the above Figures 1 and 2 were treated by specific kinetics models,

valid for the description of ion exchange processes controlled by intraparticle diffusion.


The model selected, developed by Vermeulen,26 is applicable over the whole range of

degrees of conversion, F, from 0 to 1, and is based on the equation:

Bttr

DF 22)1ln( 2

22 ==−−

π (5)

where B is the effective rate of release, D the diffusion coefficient, r the radius of the

resin particle and t the respective experiment time.

Observed linear dependences of –ln (1-F2) versus time verify that the mechanism

through which ion exchange process takes place, in both gel or macroporous type ion

exchangers, is controlled by intraparticle diffusion. Some results of data treatment are

shown in Figures 7a-d. Results obtained from experiments carried out at higher

temperature (310 K) were also correspondingly treated. The effective rates of release, B,

calculated according to equation 5 are presented in Tables 2 and 3. As can be

appreciated in the collected data, the effective diffusion rates increase when particle size

decreases, this is in accordance with the results shown in Figures 1a-d. Differences in

diffusivity between both ions are also confirmed whatever polymeric structure is

studied. On the other hand, differences between effective rates of the ions release and

the polymeric matrix structure are not appreciated because the model only include data

obtained at the beginning of the experiments. On the contrary, a comparison of the rate

of Ca2+ and F- release from gel and macroporous ion exchangers (Figures 8a-b) reveals

some appreciable and advantageous difference towards macroporous matrix, mainly

Centro

GTS

when long periods of time are considered. A single macroporous ion exchange particle

may be viewed as a cluster of tiny microgels with an interconnected network of pores

which provide a greater effective surface area due to the larger pore volumes.27 The

same conclusions can be drawn at 310 K.

When comparing the results obtained from the –log (B) dependence with particle size at

273 and 310 K (Figures 9a-d), it is observed that at both temperatures there is a good

linear correlation. This correlation will enable to predict the behaviour of Ca2+ and F-,

under the conditions studied, for resin fractions under 100 microns; otherwise

discontinuous conditions (batch) should be applied. Batch conditions are especially

interesting for particle size resins lower than 100 microns due to the high hydrodynamic

resistance existing when working under dynamic conditions using the “shallow bed”

technique. However, the small acceleration promoted by the increase of temperature can

not be quantitatively appreciated with the model applied.


T.R.E. Kressman and J. A. Kitchener28 deduced the following equation for ion exchange

processes under batch experimental conditions:

πDt

QQQ

rQQt

∞∞ −=

0

06 (6)

where Q0 is the total quantity of ions initially immobilized in the resin phase, Q∞ is the

quantity of ions released from the resin phase at equilibrium time, Qt is the quantity of

ions released from the resin phase till the moment t, r the resin particle radius, D the

diffusion coefficient of the ion through the ion exchanger and, t time. The diffusion

coefficient can be related with the effective rate of release B, by the equation:

2

2

rDB π

= (7)

where r and t are the resin particle radius and time respectively.

By plotting Qt/Q∞ versus t1/2, diffusion coefficients will be determined and effective

rates of release calculated with equation 7. In Figures 10a-h examples of the treatment

of data from Figures 2a-d by the model described above are shown. The model fits

correctly the data from different particle sizes; however, two different behaviours can be

distinguished mainly in fractions of higher diameter. Swelling of resin particles

Centro

GTS

produced at the beginning of the experiments causes this effect. A much higher

surface/volume ratio in small particle sizes results in a faster hydration process. This

different behaviour was not observed in the study under dynamic experimental

conditions discussed above because, in this case, before each experiment the resin was

kept in water for an hour to prevent the cracking of the column due to swelling effect.

Once swelling has taken place, a considerable increase in the rate of release is

appreciated.

Taking into account this last consideration, linearity attained with all particle sizes,

temperatures and ion exchangers structures (plots with a correlation coefficient, r2,

always higher than 0.9), suggests that the ions diffusion is controlled by a intraparticle

diffusion process.

Results obtained from data treatment with equations 6 and 7, are shown in Tables 4 and

5.

Similar conclusions to those obtained from the corresponding dynamic conditions can

be drawn now. An inversely proportional relationship between particle size and the rate

of ions release is once again reflected in the obtained results. Differences between

effective rates of the ions release and the polymeric matrix structure are hardly

appreciated in the case of Ca2+ whereas, for F- there is more variability. This will affect

the correlation of –log (B) versus particle size which is presented in Figures 11a-d.

Indeed, only in the case of cationic ion exchangers, linear plots with a correlation

coefficient r2 higher than 0.9 are obtained. Again, the model described does not let to

quantify neither the effect of temperature nor the differences between ion exchange

structures, despite Figures 12a-b, show considerable higher rates of ions release for

macroporous type ion exchangers.

Finally, it is remarkable that Ca2+ presents effective rates of release of the same order of

magnitude for both dynamic and batch conditions. In the latter case Ca2+ shows higher

rates of release than F- that presented effective rates of release two orders of magnitude

higher under the corresponding dynamic conditions. It has been reported13 than when

samples prepared for sustained release delivery system are loaded at higher

temperatures, they show slower release profiles, this is probably due to the swelling of

the resin particles as a result of both thermal and hydration effects produced as

temperature increases. An increase in the pore diameter provides access to centers of

ionic activity deep within the resin structure, and as temperature drops on cooling, resin

Centro

GTS

particles shrink and trap the drug within the matrix, leading to increased drug loading

and reduced release profiles. After the loading process resins in fluoride form were not

submitted to an excessively high temperature in the drying process, so this effect must

be explained in terms of operation of the system itself. Under batch conditions with

resins of low kinetics release, all ions initially immobilized in the resin phase can rarely

be released from the polymeric matrix because an equilibrium situation with bulk

solution surrounding the ion exchanger is achieved. In the case of high kinetics release

resins, although ions are quickly released to the bulk solution and equilibrium is

immediately achieved, saturation of the solution in the releasing ion can delay the initial

rate of release. Under dynamic conditions though, the desorbing solution passing

through the resin bed is free of counterions to be released, so higher conversion degrees

are obtained.

4. Conclusions

1- Differences in the rate of Ca2+ and F- release from the corresponding strong type

polymeric matrices can be explained in terms of relative affinity of the functional group

immobilized in the resin phase towards the ions present in the solution. Besides, the rate

of ions release increases when temperature increases and when particle size decreases.

2- Macroporous ion exchangers show a higher rate of ions release than gel type resins

due to the larger pore volumes resulting in a greater effective surface area.

3- Results from the study of the kinetics of release of Ca2+ and F- under either dynamic

or batch conditions are explained by the models described valid for intraparticle

diffusion controlled processes.

4- The rate of ions release from the strong ion exchange resins studied are

quantitatively described in terms of effective rate of release (B) of the respective ions in

the resin phase. Under dynamic conditions, the linear dependence of –log (B) with the

resin particles diameter can be used for the estimation of B values in powdered resins.

Under batch conditions, despite powdered resins can be studied a linear relationship was

also obtained. However, differences observed in kinetics release curves due to the type

of polymeric matrix and temperature effects are not reflected in the corresponding

effective rates of release.

Centro

GTS

Acknowledgements

A. T. acknowledges the Universitat Autònoma de Barcelona for the FI Research Grant to support her research studies. DCA, S.L. (Barcelona, Spain) is acknowledged for the financial support provided to this study.

Centro

GTS

REFERENCES

1 CHAUDHRY, N.C.; SAUNDERS, L. J. Pharm. Pharmacol., 1956, 8, 975-986.

2 SCHLICHTING, D.A. J. Pharm. Sci., 1962, 51, 134-136.


Publisher: Berlín, 1991, p.1-5.

4 ISHIZAKA, T.; ENDO, K.; KOISHI, M. J. Pharm. Sci., 1981, 70, 358-363.

5 GARCÍA-ENCINA, G.; TORRES, D.; SEIJO, B.; VILA JATO, J.L. J. Controlled

Release, 1993, 23, 201-207.

6 SOPPIMATH, K. S. et al. J. Controlled Release, 2001, 70, 1-20.

7 PESCHKA, R.; DENNEHY, C.; SZOKA, F.C. Jr. J. Controlled Release, 1998, 56,

41-51.

8 BORODKIN, S.; SUNDBERG, D. P. J. Pharm. Sci., 1971, 60, 1523-1527.

9 HELFFERICH, F. Ion Exchange, Dover Publications, Inc., New York, 1995, p.250-

322.

10 BHASKAR, R.; MURTHY, R.S.R.; MIGLANI, B.D.; VISWANATHAN, K. Int. J.

Pharm., 1986, 28, 59-66.

11 PETRUZZELLI, D.; HELFFERICH, F.G.; LIBERTI, L.; MILLAR, J.R.;

PASSINO, R. React. Polym., 1987, 7, 1-13.

12 PLAIZIER-VERCAMMEN, J.A. Int. J. Pharm., 1992, 87, 31-36.

13 MOHAMED, F.A. S.T.P. Pharm. Sci., 1996, 6(6), 410-416.

14 JASKARI, T. et al. J. Controlled Release, 2001, 70, 219-229.

15 CONAGHEY, O.M.; CORISH, J.; CORRIGAN, O.I. Int. J Pharm., 1998, 170,

215-224.









20 OANCEA, A.M.S.; PINCOVSCHI, E. Solv. Extr. & Ion Exch., 2000, 18(5), 981-

1000.

Centro

GTS

21 MURAVIEV, D.; TORRADO, A.; VALIENTE, M. Solv. Extr. & Ion Exch., 2000,

18(2), 345-374.

22 JASKARI, T. et al. J Controlled Release, 2001, 70, 219-229.

23 BRICCIO, O.; COCCA, J.; SASTRE, H. Solv. Extr. & Ion Exch., 1992, 10(2), 381-

401.

24 BOYD, G.E.; ADAMSON, A.W.; MYERS, L.S. Jr. J. Am. Chem. Soc., 1947, 69,

2836-2848.

25 LI, P.; SENGUPTA, A.K. React. & Func. Polym., 2000, 44, 273-287.

26 STREAT, M.; NADEN, D.: Ion Exchange and Sortion Processes in

Hidrometallurgy. Critical Reports on Applied Chemistry, Vol. 19; STREAT, M.;

NADEN, D. (eds.); John Willey & Sons: Chichester, 1987, p.1.

27 DELAYETTE-MILLS, M et al. An. Chim. Acta, 1981, 124, 365-372.

28 KRESSMAN, T.R.E.; KITCHENER, J.A. Disc. Faraday Soc., 1949, 7, 90-104.

Centro

GTS

CAPTIONS AND LEGENDS

Table 1. Specific capacity of the resins towards Ca2+ and F-.

Table 2. Effective rates of release of Ca2+ and F- in the macroporous type resin phase at

293K under dynamic conditions.

Table 3. Effective rates of release of Ca2+ and F- in the gel type resin phase at 293K

under dynamic conditions.

Table 4. Effective rates of release of Ca2+ and F- in the macroporous type resin phase at

293K under batch conditions.

Table 5. Effective rates of release of Ca2+ and F- in the gel type resin phase at 293K

under batch conditions.


conditions at 293K. (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b) Lewatit

MP600 in F--form. (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit M600 in F--

form.


conditions at 293K (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b) Lewatit MP600

in F--form (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit M600 in F--form.


conditions at 293 and 310K. (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b)

Lewatit MP600 in F--form (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit M600

in F--form


conditions at 293 and 310K (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b)

Lewatit MP600 in F--form (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit

M600 in F--form.

Figure 5 Agitation effect on the kinetics release of resin samples of different particle

size under batch conditions at 293K. (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form

(b) Lewatit MP600 in F--form.

Figure 6 Agitation effect on Kinetics release of resin samples of different particle

size under batch conditions at 310K. (a) Lewatit S100 in Ca2+-form (b)

Lewatit M600 in F--form.

Centro

GTS

Figure 7 Data treatment of resin samples of particle sizes 0.42 and 0.105 mm with

dynamic model (293K). (a) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit

SP112WS (b) Ion exchange system F-↔Cl-: Lewatit MP600 in F--form (c)

Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Ion

exchange system F-↔Cl-: Lewatit M600 in F--form.

Figure 8 Kinetics release of resin samples of particle sizes of 0.42 and 0.105mm,

under dynamic conditions at 293K (a) Lewatit SP112WS and S100 in

Ca2+-form (b) Lewatit MP600 and M600 in F--form.

Figure 9 Dependence of –log (B) with resin particle size under dynamic conditions

at 293 and 310K. (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b) Lewatit MP600

in F--form. (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit M600 in F--form.

Figure 10 Data treatment of resin samples with batch model (293K and 310K). (a)

Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit SP112WS in Ca2+-form of

particle size 0.42 mm (b) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit

SP112WS in Ca2+-form of particle sizes 0.105 mm (c) Ion exchange

system F-↔Cl-: Lewatit MP600 in F--form of particle size 0.42mm (d) Ion

exchange system F-↔Cl-: Lewatit MP600 in F--form of particle size

0.105mm. (e) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+: Lewatit S100 in Ca2+-

form of particle size 0.42 mm (f) Ion exchange system Ca2+↔Na+/K+:

Lewatit S100 in Ca2+-form of particle size 0.105 mm (g) Ion exchange

system F-↔Cl-: Lewatit M600 in F--form of particle size 0.42mm (h) Ion

exchange system F-↔Cl-: Lewatit M600 in F--form of particle size

0.105mm.

Figure 11 Dependence of –log (B) with resin particle size in size under batch

conditions at 293 and 310K. (a) Lewatit SP112WS in Ca2+-form (b)

Lewatit MP600 in F--form (c) Lewatit S100 in Ca2+-form (d) Lewatit

M600 in F--form.

Figure 12 Kinetics release of resin samples of particle sizes of 0.42 and 0.105mm

under batch conditions at 293K. (a) Lewatit SP112WS and S100 in Ca2+-

form (b) Lewatit MP600 and M600 in F--form.

Centro

GTS

Table 1

Capacity (mmol g-1)

Ca2+ F-

Lewatit S100 1.75± 0.03 -

Lewatit S112WS 1.47± 0.01 -

Lewatit M600 - 2.84±0.05

Lewatit MP600 - 2.33±0.08

Centro

GTS

Table 2 B (s-1)

Particle diameter (mm) B (Ca2+) x 104 B (F-) x 103

0.42 1.0 3.3

0.335 1.0 7.1

0.205 2.5 13

0.105 4.0 17

Centro

GTS

Table 3 B (s-1)


0.42 0.5 5.7

0.335 1.0 6.9

0.205 2.0 12.5

0.105 3.5 12.0

Centro

GTS

Table 4 B (s-1)


0.42 6.7 0.6

0.335 9.9 0.9

0.205 35.0 19

0.105 49 28

<0.05 130 24

Centro

GTS

Table 5

B (s-1)


0.42 4.3 5.2

0.335 17 2.6

0.205 30 15

0.105 46 17

<0.05 80 35

Centro

GTS

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm

Figure 1

a

b

Centro

GTS

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm 0.205mm0.105mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm

Figure 1

c

d

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm

0.335mm

0.205mm

0.105mm

<0.05mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm<0.05mm

Figure 2

a

b

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm<0.05mm

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )

0.42mm0.335mm0.205mm0.105mm<0.05mm

Figure 2

c

d

Centro

GTS

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.42mm 293K

0.42mm 310K

0.105mm 293K

0.105mm 310K

Figure 3

a

b

Centro

GTS

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

Figure 3

c

d

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K

0.42mm 310K

0.105mm 293K

0.105mm 310K

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

Figure 4

a

b

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm 293K

0.42mm 310K

0.105mm 293K

0.105mm 310K

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 2 4 6 8 10 12

Time (min)

F (F

- )

0.42mm 293K0.42mm 310K0.105mm 293K0.105mm 310K

Figure 4

c

d

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Time (min)

F (C

a2+)

0.335mm 450 rpm0.205mm 450 rpm0.105mm 450 rpm0.335mm 780 rpm0.205mm 780 rpm0.105mm 780 rpm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )


Figure 5

a

b

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 3 6 9 12 15

Time (min)

F (C

a2+)

0.335mm 450 rpm

0.205mm 450 rpm

0.105mm 450 rpm

0.335mm 780 rpm

0.205mm 780 rpm

0.105mm 780 rpm

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )


Figure 6

a

b

Centro

GTS

y = 0.0002x + 2E-05R2 = 0.9963

y = 0.0008x - 0.0012R2 = 0.9951

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 250 500 750 1000 1250

Time (s)

-ln (1

-F2 )

0.42mm0.105mm

y = 0.0066x - 0.0812R2 = 0.9603

y = 0.0336x - 0.546R2 = 0.9577

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250

Time (s)

-ln(1

-F2 )

0.42mm0.105mm

Figure 7

a

b

Centro

GTS

y = 0.0001x + 0.0018R2 = 0.9908

y = 0.0007x + 8E-05R2 = 0.9949

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 250 500 750 1000 1250

Time (s)

-ln (1

-F2 )

0.42mm0.105mm

y = 0.0114x - 0.3983R2 = 0.9848

y = 0.024x - 0.4761R2 = 0.9818

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 75 150 225 300 375 450 525 600 675

Time (s)

-ln(1

-F2 )

0.42mm0.105mm

Figure 7

c

d

Centro

GTS

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)

0.42mm macroporous0.105mm macroporous0.42mm gel0.105mm gel

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (F

- )

0.42mm macroporous0.42mm gel0.105mm macroporous0.105mm gel

Figure 8

a

b

Centro

GTS

y = 2.0898x + 3.1936R2 = 0.9372

y = 1.8815x + 3.205R2 = 0.9985

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4

4.1

4.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)

293K310K

y = 2.2072x + 1.4838R2 = 0.9433

y = 1.3198x + 1.6889R2 = 0.9914

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)

293K310K

Figure 9

a

b

Centro

GTS

y = 2.6231x + 3.1656R2 = 0.9917

y = 2.3057x + 3.2981R2 = 0.9708

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)

293K310K

y = 1.1583x + 1.7489R2 = 0.8851

y = 0.7405x + 1.8407R2 = 0.9986

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Particle size (mm)

-log

(B)

293K310K

Figure 9

c

d

Centro

GTS

y = 0.0385x - 0.1025R2 = 0.9916

y = 0.0362x - 0.0849R2 = 0.992

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

y = 0.1225x - 0.0307R2 = 0.982

y = 0.0751x - 0.0077R2 = 0.9853

00.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

1

0 2 4 6 8 10

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

Figure 10

a

b

Centro

GTS

y = 0.0997x - 0.2078R2 = 0.9928

y = 0.113x - 0.2632R2 = 0.9925

0

0.1

0.20.3

0.4

0.5

0.6

0.70.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

y = 0.1814x + 0.0197R2 = 0.9801

y = 0.1948x + 0.0123R2 = 0.9935

00.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

1

0 1 2 3 4 5

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

Figure 10

c

d

Centro

GTS

y = 0.0345x - 0.0877R2 = 0.9916

y = 0.0343x - 0.0694R2 = 0.9903

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20 25

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

y = 0.1163x - 0.0029R2 = 0.9823

y = 0.19x + 0.0133R2 = 0.9942

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

Figure 10

e

f

Centro

GTS

y = 0.092x - 0.2878R2 = 0.9905

y = 0.1006x - 0.2251R2 = 0.9954

00.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

1

0 2 4 6 8 10 12

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

y = 0.1505x + 0.0282R2 = 0.9856

y = 0.1773x + 0.0022R2 = 0.9953

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8

Time0.5 s0.5

Qt/Q

oo

293K310K

Figure 10

g

h

Centro

GTS

y = 3.3384x + 1.8198R2 = 0.9648

y = 3.9386x + 1.9373R2 = 0.8026

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

B

293K310K

y = 4.9912x + 3.111R2 = 0.8816

y = 7.0914x + 2.8124R2 = 0.8506

1

2

3

4

5

6

7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

B

293K310K

Figure 11

a

b

Centro

GTS

y = 3.021x + 1.9407R2 = 0.9299

y = 3.7012x + 1.7878R2 = 0.9872

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

B

293K310K

y = 2.601x + 3.4021R2 = 0.7882

y = 2.2683x + 2.9562R2 = 0.8329

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Size particle (mm)

-log

B

293K310K

Figure 11

c

d

Centro

GTS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

F (C

a2+)


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10

Time (min)

F (F

- )


Figure 12

a

b

Centro

GTS

ANNEX 4

Centro

GTS

Centro

GTS

UNCORRECTED PROOFS

JCTB906.57/2003

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960

Journal of Chemical Technology and Biotechnology J Chem Technol Biotechnol 78:000–000 (online: 2003)DOI: 10.1002/jctb.906

616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

Calcium and fluoride release from ionexchange polyphasic systemsAnna Torrado and Manuel Valiente∗Departament de Quımica, Unitat Analıtica, Centre GTS, Universitat Autonoma de Barcelona, Facultat de Ciencies, Edifici Cn, E-08193Bellaterra (Barcelona), Spain

Abstract: The present study concerns the kinetics of ion exchange accompanied by CaF2 precipitation intri-phasic and quadri-phasic systems involving a weak base anionic exchanger and a carboxylic cationicexchanger in the F− and Ca2+ forms, respectively, in contact with a solution of artificial saliva. It wasshown that in both systems the rate of Ca2+ release from the cationic exchanger is much lower than that ofF− from the anionic one. The rate of release for both ions, controlled by intraparticle diffusion, has beencharacterized by a Fick’s law model. The kinetic parameters of effective rate of release (B) and diffusioncoefficient (D) of the respective ion in the resin phase depend on the type of resin and the presence ofdifferent numbers of phases. The amount of the precipitate crystallizing on the surface of the resin beadsdepends on the type of the ion exchange resin, its particle size and on the ratio of resin components. Byvarying this ratio and the particle size of the ion exchangers it is possible to accomplish the precipitationmostly on the larger surface of the ionic exchanger. 2003 Society of Chemical Industry

Keywords: ion exchange; kinetics release; polyphasic system; calcium fluoride

1 INTRODUCTIONThe most traditional forms of investigation in thefield of ion exchange are habitually bi-phasic systems.These systems involve, as a rule, a solid or liquidion exchanger and a liquid solution. The presence ofadditional phases in such systems, either by additionof new phases or by possible formation during theion exchange process, will substantially complicatethe study. Despite this, a new tri-phasic systemcan show some advantages in comparison with thetraditional ion exchange process. The best knowntri-phasic systems are the catalytic systems,1–3 whichconsist of a solid phase and two immiscible liquids(S–L–L systems). Recently, new studies based onthe AIR (Aqua Impregnated Resins) concept haveappeared. They attempt to convert S–L–L systemsto the corresponding bi-phasic system, where resinsimpregnated with an aqueous solution (AIR) arecontacted with an organic solution. In this way, a batchoperation process can be transformed to a dynamicone by using a column procedure. Successful resultshave been obtained in the selective separation andrecovery of metal ions using the AIR technique.4–6

Another type of tri-phasic system used classicallyare the solid–solid–liquid systems (S–S–L systems)which are known as mixed resin beds. These are

widely used for water deionization,7–9 synthesis,10

liquid chromatographic separations11 and for otherpurposes. However, the precipitation of poorly solublesubstances in the resin bed increases the resistanceto mass transfer in the resin phase because ofthe precipitate coating the exchanger beads. Thisproblem has been addressed by either the additionof precipitation inhibitors, or by the use of sectionalcolumns or counter-current units.12

On the other hand, a combination of ion exchangematerials loaded with required ions can be effectivelyapplied as an ion release system to solve differentremineralization problems. Thus, a sustained releaseof nutrients for plants has been successfully obtainedby using an appropriate ion exchange blending.13 Asimilar approach can be used on the remineralizationof organomineral dental tissues.14,15 Fluoride has beenproved to be effective for the prevention of dental cariesin various forms and concentrations, and its reactivitywith the mineral components of sound and cariousdental enamel has been associated with both increasedresistance to acid demineralization and increased ratesof remineralization in vitro and in vivo.16,17 Severalstudies report the deposition of CaF2 on the surfaceof human enamel after treatment with fluoridatedsolutions.18,19 The hypothesis that CaF2 uptake by

∗ Correspondence to: Manuel Valiente, Departament de Quımica, Unitat Analıtica, Centre GTS, Universitat Autonoma de Barcelona, Facultatde Ciencies, Edifici Cn, E-08193 Bellaterra (Barcelona), SpainE-mail: [email protected]/grant sponsor: Spanish Ministry of Science and Technology; contract/grant number: PPQ2002-04 267-C03-01Contract/grant sponsor: Universitat Autonoma de Barcelona(Received 18 February 2003; revised version received 13 June 2003; accepted 9 July 2003)

2003 Society of Chemical Industry. J Chem Technol Biotechnol 0268–2575/2003/$30.00 1

UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960

A Torrado, M Valiente

616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

dental enamel acts as a fluoride reservoir for a longperiod of time and that it enhances fluorapatiteformation has been defended. However, it is notfirmly established that CaF2 formed as a result oftopical fluoride application is the basic element in theprevention and control of dental caries.20 As is known,the rate at which the components are released is a keyparameter to successful crystal growth.21,22 Because inour case this is a primary objective related to enamelrestoration, ion exchange resins mixed bed systemslet to control• the concentration of ions released toQ1

the solution. So, the characterization of this releaseprocess will be of key importance in optimizing asuccessful application in a dental treatment.

The aim of the present work is to study the kineticsof ion exchange accompanied by CaF2 precipitationin tri-phasic and quadri-phasic systems involving aweak base anionic exchanger and a carboxylic cationicexchanger, respectively in the F− and Ca2+ forms, incontact with a solution of artificial saliva.

2 EXPERIMENTAL2.1 MaterialsHighly purified ion exchange resins, carboxylictype, Lewatit S8528 (pK a = 4.5–5), and tertiaryamine types, Lewatit S3428 and MP62 (pK a =7–8), with macroporous structures, were kindlysupplied by Bayer Hispania Industrial, SA Solu-tions of CaCl2 (1 mol dm−3 and 0.3 mol dm−3),KCl (0.01 mol dm−3), NaCl (0.008 mol dm−3), NaF(0.9 mol dm−3), NaNO3 (0.5 mol dm−3), NaOH(2.2 mol dm−3), and EDTA (0.1 mol dm−3; pH = 8•Q2

adjusted with NH3) were prepared from the corre-sponding Panreac (Barcelona) pro analysis qualitysolid salts. HCl (1 mol dm−3) and HAc (0.8 mol dm−3)

solutions were prepared by dilution of the correspond-ing concentrated Panreac pro analysis quality acid. Inall cases, deionized water of Milli-Q quality (Millipore,USA) was used.

2.2 InstrumentationThe release of F− was determined by potentiometryusing an ion selective electrode, Orion (USA),whereas Ca2+ was measured spectrophotometricallyby inductively coupled plasma atomic emissionspectroscopy (ICP–OES) using an ARL model 3410minitorch (USA). All the samples were analyzed withan uncertainty lower than 1.5% and all the experimentswere carried out in triplicate.

Qualitative analysis of the elements present in thepolymer surface was carried out by an X-ray elementalanalysis. This technique takes advantage of the X-rays emitted by a sample covered with carbon, afterbeing bombed by a primary electron beam froman SEM (Scanning Electron Microscopy) instrument(Jeol model JSM-6300, Japan) equipped with an X-Ray Energy Dispersive Spectrometer (EDS) (LinkISIS-200, England) to generate the X-ray spectra.

2.3 Resins loadingResins were conditioned by following a standardprocedure.23 The conversion of the resins to thedesired ionic form was carried out in columns underdynamic conditions by flowing aqueous solutions ofthe corresponding concentrations through the resinbed. After complete loading, the resin phase wassuccessively washed with water to remove the excessof electrolyte solution, quantitatively removed fromthe column and separated from water by filtration,followed by drying in an oven (60–70 ◦C). Resins inthe different ionic forms were kept in hermeticallysealed vials.

2.4 Resins capacityDetermination of the specific capacity of the differentresins towards Ca2+ and F− was carried out underdynamic conditions in columns following a standardprocedure.24 A weighed portion of each resin wasintroduced in a 10 cm column (8 mmØ) and thecounterion of interest was eluted with HCl in the caseof the cationic resin and with NaNO3 in the anionicone. Eluate was collected periodically in volumetricflasks and analyzed. The results of the analysis wereused to determine the specific capacity of the resins,qs, according to the equation:

qs = VCi

Wi(1)

where V is the total volume of eluted solution, Ci isthe concentration of the solution containing the elutedion and Wi is the weight of resin loaded with this ion.The specific capacities determined experimentally areshown in Table 1.

2.5 Grinding and sievingA fraction of each type of resin was ground in amechanical agate mortar Retsch RMO (Germany)and sieved using a set of standard stainless steelsieves in a mechanical siever, CISA (Spain). Thus,separate fractions of the resins were collected withparticle sizes of diameter 0.42 mm, 0.5–0.42 mm and0.16–0.05 mm.

2.6 Ion exchange kineticsThe study of ion exchange kinetics for the differentsystems was carried out under dynamic conditionsusing the ‘shallow bed’ technique.25 A small portion ofloaded resin was introduced into a column connectedto a thermostat and a solution of artificial saliva

Table 1. Specific capacity of the resins towards Ca2+ and F−

Capacity (mmol g−1)

Ca2+ F−

Lewatit S8528 3.11 ± 0.03 —Lewatit MP62 — 2.91 ± 0.04Lewatit S3428 — 2.53 ± 0.03

2 J Chem Technol Biotechnol 78:000–000 (online: 2003)

UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960

Calcium and fluoride release from ion exchange polyphasic systems

616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

at 310K with a relatively high concentration of theexchanging ion (solution of concentration 1g dm−3

KCl and 0.5g dm−3 NaCl, pH = 5.5) passed throughthe resin bed at a high flow rate (∼30 cm3 min−1•). AllQ3

the resulting eluate was collected in volumetric flasks,analyzed and these analytical data transformed to thedegree of conversion, �, by using the equation:•Q4

� =

tn∑

ti=1

civi

q∞(2)

where vi corresponds to the volume of the eluatesample i, ci to its concentration and q∞ = mqs is thetotal capacity of the resin where m is the resin sampleweight and qs (mmol g−1) the specific capacity of theresin towards the immobilized ion as determined inSection 2.4.

In the case of tri-phasic systems, a further elutionafter the first artificial saliva desorption and washingwith water was carried out by using either a 0.1M

EDTA solution at pH 8 for cationic resins, or a 0.5M

NaNO3 solution for anionic resins.In the case of quadri-phasic systems with mixed

bed resins mixtures (composed of both anionic andcationic exchangers with different particle sizes), afterthe artificial saliva desorption and washing with water,the mixed bed system was separated in the two resincomponents by sieving. Separated resin samples withlarger particle sizes were transferred quantitatively to acolumn and either the EDTA or NaNO3 solution waspassed through the column depending on the type ofion exchanger. During elution, the CaF2 precipitateremained on the surface of the resin beads and only theCa2+ or F− still immobilized in the polymeric matrixwas eluted by the respective solutions.

On the basis of the analytical results, the CaF2 massprecipitated on the surface of the exchanger beads (P)

was calculated by:

P(mg) = (q∞ − qf )MWCaF2

2(3)

where qf is the total number of mmol of F− released tothe solution, q∞ is the total capacity of the resin and,MWCaF2 is the molecular weight of CaF2.

All samples were additionally washed with water,dried and kept for Scanning Electron Microscopy(SEM) analysis with the instrument equipped withan X-Ray Energy Dispersive Spectrometer (EDS), asdescribed in Section 2.2.

To investigate the influence of the mixed bedcomposition on the � value for both the anionic andcationic exchanger components, kinetic experimentswere performed on mixtures of the resins at differentratios. For comparison, tri-phasic systems (loadedresin, target counterion solution and solid CaF2)

were studied at the same anionic to cationic ratios.The ratios Ca2+:F− studied, expressed in terms ofmilliequivalents, were 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 and 1:4. In

the case of tri-phasic systems, the concentrations ofCa2+ and F− in solution (direct solubilization of thecorresponding solid salts in the artificial saliva) areshown in Table 2. The main parameters of the systemsinvestigated are given in Table 3.

3 RESULTS AND DISCUSSIONThe experimental data have been expressed in termsof degree of conversion, �, versus time.

The corresponding curves for systems 1, 4 and 5–8(Table 3) are presented in Figs 1a and 1b and indicatethat the conversion rates of the cationic exchangersare much lower than that of anionic exchangers bothin the bi-, tri- and, quadri-phasic systems. This can beexplained by the different selectivity of the cationic andanionic exchange resins towards the target exchangingions.26 It is also observed that the increase in thenumber of phases leads to an increase in � values inthe case of cationic ion exchangers, and a decreasein the case of anionic exchangers. To interpret theseresults the following facts are considered: the resultsobtained for the tri-phasic and quadri-phasic systemsinclude both the shifting of the equilibrium in systemswhere ion exchange is accompanied by precipitation(in this case CaF2, • • Kps = 2.7 × 10−11) and the Q5

Q6coating of the surface of the resin beads with theprecipitate. The formation of solid CaF2 follows theactual equilibrium conditions in the related systems.Thus, the concentrations of fluoride and calcium playan important role. In the case of fluoride (Fig 1b), theobserved decrease is due to the presence of Ca2+ atdifferent conditions. Thus, in the tri-phasic system,Ca2+ is at relatively low concentration in the solutionof artificial saliva, whereas in the quadri-phasic system,the resin is loaded with Ca2+ and provides a higherlocal concentration of this ion when meeting thereleased fluoride in the artificial saliva flowing throughthe mixed bed of resins. These results correlate withthose obtained for Ca2+ (Fig 1a) since the observedhigher release of this cation in the quadri-phasicsystem, within the relative low volume of the resin,leads to a lower concentration of fluoride because ofthe formation of the solid CaF2 under these conditions.In the case of Ca2+, the observed increase in the degreeof conversion in comparison with the bi-phasic systemmay be attributed to the ‘supersaturation’ effect thatoccurs in the mixed bed system. This supersaturation

Table 2. Ca2+ and F− concentration in the desorption solution of

tri-phasic systems studied

Ca2+:F− ratios

R2-Ca2+:F−solution system

(mol dm−3)

R − F−:Ca2+solution system

(mol dm−3)

4:1 5.6 × 10−4 1.0 × 10−3

2:1 8.4 × 10−4 7.0 × 10−4

1:1 9.6 × 10−4 4.4 × 10−4

1:2 1.1 × 10−3 2.6 × 10−4

1:4 1.2 × 10−3 1.5 × 10−4

J Chem Technol Biotechnol 78:000–000 (online: 2003) 3

UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

Table 3. Parameters of ion exchange systems under investigation

System NoResin 1, Ionic

form, Granulation (mm)Resin 2, ionic

form, granulation (mm)Desorbingsolution Precipitate

Number ofphases

Overallreactiona

1 S8528Ca2+-form0.42

— KCl + NaCl — 2 R2-Ca + 2Na+/K+ = 2R-Na/K+Ca2+

2 — MP62F-form0.105

KCl + NaCl — 2 R-F + Cl− = R-Cl + F−

3 S8528Ca2+-form0.105

— KCl + NaCl — 2 R2-Ca + 2Na+/K+ = 2R-Na/K + Ca2+

4 — S3428F-form0.45

KCl + NaCl — 2 R-F + Cl− = R-Cl + F−

5a S8528Ca2+-form0.42

— KCl + NaCl + NaF CaF2 3 R2-Ca + 2NaF = 2R-Na/K + CaF2

6a — S3428F-form0.45

KCl + NaCl + CaCl2 CaF2 3 2R-F + CaCl2 = 2R-Cl + CaF2

7 S8528Ca2+-form0.42

MP62•F−-form0.105

KCl + NaCl CaF2 4 R2-Ca + 2R-F + 2Na/KCl = 2R-Na/K + 2R-Cl + CaF2

8 S8528Ca2+-form0.105

S3428F−-form0.45

KCl + NaCl CaF2 4 R2-Ca + 2R-F + 2Na/KCl = 2R-Na/K + 2R-Cl + CaF2

a NaCl and KCl have not been taken into account in the overall reaction despite being involved in the ion exchange process.

stabilizes the solution within the column interstitial

Q7

space and the eluate collected can start to crystallizeeither spontaneously,27,28 or after a certain periodof time.10 Thus, both Ca2+ and F− would benefitfrom such an effect, but it is only noticed for Ca2+because of its low � values. For F−, the degree ofconversion is very high so the supersaturation effect isnot appreciated.

Results obtained in a previous study using interrup-tion tests29 have shown that the rate-determining stepof the ion exchange processes on individual resins isintraparticle diffusion. Taking into account these find-ings, data collected in Figs 1a and 1b of the presentstudy have been treated by a specific kinetic modelvalid for the description of ion exchange processescontrolled by an intraparticle diffusion mechanism indynamic systems.30

The model is based on a Fick’s law adapted to ionexchange resins composed of spherical beads by usingthe equation:

− ln(1 − �2) = 2Dπ2

r2 t = 2Bt (4)

where B is the effective rate of release related to thediffusion coefficient, D, by the equation:

B = Dπ2

r2 (5)

and r and t are the resin particle radius and timerespectively.

(a)

(b)

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

11.1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Bi-phasic system 4Tri-phasic system 6Quadri-phasic system 8

Ψ (F

- )

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Bi-phasic system 1

Tri-phasic system 5

Quadri-phasic system 7

Ψ (C

a2+)

Figure 1. (a) Kinetics of Ca2+ release from cationic resin inCa2+-form of 0.42 mm particle size in the 1:1 Ca2+:F− ratio.(b) Kinetics of F− release from anionic resin in F−-form of 0.45 mmparticle size in the 1:1 Ca2+:F− ratio.


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

The observed linear dependencies of experimentaldata in terms of − ln(1 − �2) vs t verify theintraparticle diffusion control of the ion exchangeprocess.

The results obtained in terms of B values arepresented in Table 4. As can be appreciated, theincrease in B(Ca2+) with the number of phasescorresponds to the shift of the equilibrium reactionbecause of the formation of solid CaF2. On thecontrary this solid formation causes a decreasein B(F−), ie, the presence of the correspondingequilibrium diminishes the rate of fluoride release.In addition, the remarkable difference on diffusivityof both ions in the respective resin phase is revealed.This difference can also be characterized in terms ofthe diffusion coefficient, D, calculated by eqn (5). Thecorresponding values are presented in Table 5.

The influence of the resin affinity for the differentions is emphasized by the significant difference in therespective diffusion coefficients.

The relative proportion of anionic and cationicexchange resins in these mixed bed systems hasa remarkable influence on the respective � values.Thus, kinetic experiments using mixtures of differentproportions of the resins as described above werecarried out to elucidate such influences. The resultsof this series of experiments are shown in Figs 2a, 2b,3a and 3b. As seen, as more Ca2+ is present in theresins mixture, the more solid CaF2 is formed andconsequently less Ca2+ is released into the solutionphase (due to the influence of the related ion exchangereaction) and this outcome is independent of theparticle size of the resins. Therefore, the intraparticlediffusion barrier is not a relevant process comparedwith the precipitating reaction.

In these figures, the dependence of the release rateof the ions with particle size can be observed. Acomparison of the rates of Ca2+ and F− release fromthe size fractions 0.42/0.45 and 0.105 mm shows that

Table 4. Effective rates of release, B, of Ca2+ and F− in the resin

phase

B(s−1)

System typeB (Ca2+ 0.42 mm)

× 106B (F− 0.45 mm)

× 103

Bi-phasic 0.4 4.3Tri-phasic 0.5 3.6Quadri-phasic 1.5 2.3

Table 5. Diffusion coefficients, D, of Ca2+ and F− in the resin phase

D (m2 s−1)

System typeD (Ca2+ 0.42 mm)

× 1015D (F− 0.45 mm)

× 1011

Bi-phasic 2.0 2.2Tri-phasic 2.2 1.8Quadri-phasic 6.7 1.1

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 5 10 15 20 25 30Time (min)

(a)

Ψ (C

a2+)

Ratio 4:1Ratio 2:1Ratio 1:1Ratio 1:2Ratio 1:4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

(b)

Ψ (F

- )Ratio 4:1Ratio 2:1Ratio 1:1Ratio 1:2Ratio 1:4

Figure 2. (a) Kinetics of Ca2+ release from cationic resin inCa2+-form in mixed beds R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) ofdifferent composition. (b) Kinetics of F− release from anionic resin inF−-form in mixed beds R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) ofdifferent composition.

the decrease in the resin particle size increases therate of ion release. This follows from the increase inthe amount of surface contact between the solutionand functional groups in the polymeric matrix as theparticle size diminishes. This fact is clearly shown inthe case of the cationic ion exchanger. Again, therelatively sharper increase of the Ca2+ release rate isseen to be more relevant because of the low value ofits degree of conversion.

In the corresponding tri-phasic systems, the resultsobtained at the same Ca2+:F− ratios, plotted in Figs 4and 5, support the above findings.

3.1 Formation of solid CaF2

Several experiments were carried out to study theformation of the solid CaF2. Thus, the results obtainedusing EDTA solutions (10% v/v, pH 8) are shown inFigs 6a–6d. The higher conversion degree obtainedfor Ca2+, under these conditions, shows that EDTAdiminishes the formation of CaF2 by competitionwith fluoride for calcium ions. Furthermore, thetotal quantity of Ca2+ and F− recovered, obtainedas the sum of both the kinetic release experimentand the additional stripping with the corresponding


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

(a)Ψ

(Ca2+

)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

(b)

Ψ (F

- )



Figure 3. (a) Kinetics of Ca2+ release from cationic resin inCa2+-form in mixed beds R2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm) ofdifferent composition. (b) Kinetics of F− release from anionic resin inF−-form in mixed beds R2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm) ofdifferent composition.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Ψ (C

a2+)

Ratio 4:1

Ratio 2:1

Ratio 1:1

Ratio 1:2

Ratio 1:4

Figure 4. Kinetics of Ca2+ release from cationic resin in Ca2+-form of0.42 mm particle size in tri-phasic systems of different composition.

solution, is lower than the number of ions initiallyimmobilized on the respective ion exchange resins. Itwas also demonstrated that neither the EDTA nor theNaNO3 stripping solutions are capable of dissolving

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Ψ (F

- )


Figure 5. Kinetics of F− release from anionic resin in F−-form of0.45 mm particle size in tri-phasic systems of different composition.

CaF2 at the working pH. On the contrary, completedesorption of both Ca2+ and F− is achieved fromthe corresponding ion exchangers when the abovesolutions are used. Accordingly, the observed lack ofCa2+ and F− and the low solubility of CaF2 supportits precipitation on the surface of the exchanger beads.

As a consequence of the previous findings, theamount of CaF2 precipitated on the exchanger beadsin the quadri-phasic systems 7 and 8 has beendetermined (Fig 7). Note that this amount of CaF2

has been obtained by potentiometric measurementsof fluoride, since Ca2+ was determined by atomicemission spectroscopy (ICP–OES), where both Ca2+free in solution and present as suspended particles ofCaF2 are jointly determined. In fact, some precipitatecan be observed in the first aliquots of the desorptionsolution due to the high flux rate flowing throughthe resin bed that carries away some of the solidprecipitated on the exchanger beads.

To verify the above results, comparative analysis ofthe data of calcium determination by both potentio-metric (ISE) and atomic emission spectroscopy wasperformed. As seen in Fig 8, the higher conversionvalues for Ca2+ when the solutions are analyzed byICP–OES support the presence of solid CaF2.

Additional confirmation of the formation of solidCaF2 is reflected in the concave curves shown inFigs 9 and 9b, where the concentrations of Ca2+ orF− with time in the desorption solutions for systems 5and 6 are plotted. Indeed, during the first 0.5–2 mina decrease in either Ca2+ or F− concentration, in therespective system, reveals the formation of solid CaF2.

Finally, acidic treatment of both cationic andanionic resins from systems 7 and 8 (1:1 Ca2+:F−ratio) after the kinetic •experiments indicates the Q8

presence of fluoride mainly in the larger resin granules(Table 6), that can directly be assigned to theCaF2 precipitated on the surface of the exchangerbeads.

Note that in system 7 the quantity of CaF2

precipitated is considerably higher and is concentratedon the cationic exchanger. According to previousfindings,31 the formation of these crystals in a mixture


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Ψ (F

- )

Eluate without EDTA

Eluate with EDTA

(c) (d)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Ψ (C

a2+)

Eluate without EDTA

Eluate with EDTA

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 5 10 15

(a)

20 25 30

Time (min)

Ψ (C

a2+)

Eluate without EDTA

Eluate with EDTA

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15

(b)

20 25 30

Time (min)

Ψ (F

- )

Eluate without EDTA

Eluate with EDTA

Figure 6. (a) Kinetics of Ca2+ release from cationic resin in Ca2+-form in mixed bed R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) of 1:1 ratio. (b) Kinetics ofF− release from anionic resin in F−-form in mixed bed R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) of 1:1 ratio. (c) Kinetics of Ca2+ release from cationicresin in Ca2+-form in mixed bed R2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm) of 1:1 ratio. (d) Kinetics of F− release from anionic resin in F−-form in mixedbed R2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm) of 1:1 ratio.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

X Ca2+

mg

CaF

2

0.42:0.105 mm0.105:0.45 mm

Figure 7. Dependence of the formation of crystalline solid CaF2 withmixed bed systems R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) andR2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm) composition.

of ion exchange resins mainly takes place on thesurface of the resin characterized by the lowestkinetics of release and largest particle size. In fact,

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 5 10 15 20 25 30

Time (min)

Ψ (C

a2+)

ICP-AES ISE

Figure 8. Kinetics of Ca2+ release from cationic resin in Ca2+-form inmixed bed R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm) of 1:1 ratio. Detectiontechniques comparison: ion selective electrode (ISE) and atomicemission spectroscopy (ICP).

under the experimental conditions employed, rapidaccumulation of F− in the solution surrounding theion exchangers, in comparison with Ca2+, can be


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

Table 6. Mass of CaF2 precipitated on the surface of the ion exchangers

R2-Ca R-F

0.42 mm(system 7)

0.105 mm(system 8)

0.45 mm(system 8)

0.105 mm(system 7)

mg CaF2 2.33 ± 0.05 0.067 ± 0.002 0.233 ± 0.005 0.130 ± 0.003

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8

(a)

(b)

1 1.2 1.4

Time (min)

(mol

dm

-3) t

/(m

ol d

m-3

) i F

-


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4

Time (min)

(mol

dm

-3) t

/(m

ol d

m-3

) i C

a2+


Figure 9. (a) Variation of the concentration of F− with time in thedesorption solutions used in tri-phasic systems R2-Ca2+(0.42 mm):F− (solution). (b) Variation of the concentration of Ca2+ withtime in the desorption solutions used in tri-phasic systems R-F−(0.45 mm):Ca2+ (solution).

expected and thus promotes the formation of solidCaF2 on the surface of the cation exchanger. However,the contribution of the bead surface is remarkable sincein system 8 the precipitate of CaF2 is observed on theparticles of larger size and not on those with a slowerrelease• rate.Q9

Following the previous description and taking intoaccount size and rate of ion release, the formation ofCaF2 follows the sequence:

Q10 R2-Ca 0.42mm• > R-F 0.45mm > R2

-Ca 0.105mm > R-F 0.105mm

In addition, the data in Fig 7 show that the increasein the cationic component in the •mixture increases Q11

the amount of CaF2 formed, so the mass of crystallinesolid formation is dependent on the lower releasableion, ie calcium. Thus because the rate of releaseis also dependent on the resin surface, system 8,which is formed by the cationic resin in Ca2+-form with the smallest particle size, should leadto the highest CaF2 formation. However, none ofthe experiments have confirmed this expectation. Inthis case, the supersaturation taking place within thecolumn interstitial space clearly depends on the extentof such space, which is far higher in system 8 thanin system 7 because the lower density of, the anionicresin leads to a higher bed volume when the largestparticles are used.

3.2 SEM characterizationThe results obtained can be further confirmed bythe scanning electron microscopy images shown inFig 10. As seen from the figure, the crystals formed onthe surface of the cationic ion exchanger of 0.42 mmparticle size can be clearly seen; indeed a smalleramount is observed in the image of the 0.45 mmparticle size anionic ion exchanger and practicallynothing in the resins of 0.105 mm particle size. OtherSEM images of ion exchangers of large size fromthe ratios Ca2+:F− 4:1 and 1:4 obtained from bothsystems 7 and 8, also show (Fig 11), in comparisonwith systems 1 and 2, the presence of CaF2 crystalson the surface of the ion exchanger. Further analysisby SEM–EDS and the fact that the system does notchemically allow formation of any other solids (noions other than calcium and fluoride are present in thepolymeric matrices) have confirmed the presence ofCaF2 crystals on the ion exchangers’ surface.

4 CONCLUSIONSFrom the results obtained, the following conclusionscan be drawn.

1. The ion exchange kinetics in tri-phasic and quadri-phasic systems involving a weak base anionicexchanger in F−-form and a weak acid cationicexchanger in Ca2+-form is accompanied by CaF2

precipitation and shows that in both systems therate of Ca2+ release from the cationic exchanger islower than that of F− from the anionic resin.

2. The release rate of calcium and fluoride ionsis controlled by intraparticle diffusion and hasbeen characterized by a Fick’s law model. The


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

F- 0.105 mmCa2+ 0.42 mm

(a)

(b)Ca2+ 0.105 mmF- 0.45 mm

Figure 10. SEM images from mixed bed systems 7 and 8 (1:1 ratio) after desorption. (a) System 7: R2-Ca2+ (0.42 mm):R-F− (0.105 mm). (b) System8: R2-Ca2+ (0.105 mm):R-F− (0.45 mm).

R2-Ca2+:R-F- 0:1R2-Ca2+:R-F- 4:1

R2-Ca2+:R-F- 1:0

R2-Ca2+:R-F- 1:4

R2-Ca2+:R-F- 4:1 R2-Ca2+:R-F- 1:4

(a)

(b)

Figure 11. SEM images from mixed bed systems 7 and 8 of different composition after desorption. (a) R2-Ca2+ (0.42 mm) of system 7 (R-Ca2+ :R-F− ratios: 1:0, 4:1 and, 1:4). (b) R-F− (0.45 mm) of system 8 (R-Ca2+ : R-F− ratios: 4:1, 1:4 and, 0:1).

quantitative terms of effective rate of release (B)and diffusion coefficient (D) of the respective ionsin the resin phase clearly depend on the type of resinand the presence of different numbers of phases.

3. The amount of precipitate crystallizing on thesurface of resin beds depends on the type of the ion

exchange resin, the respective particle size •and on Q12

the ratio of resin components (cationic/anionic)mainly in the case of a quadri-phasic systemcontaining a mixed resin bed.

4. By Varying the ratio of type of resins andtheir particle size it is possible to accomplish


UNCORRECTED PROOFS

123456789

101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960


616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899

100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

the precipitation mostly on the larger surfaceof the ionic exchanger. Under supersaturationconditions, when the solution leaves the resincolumn, precipitation takes place mainly in thesolution phase after a certain period of time.

ACKNOWLEDGEMENTSThis work was supported by the Spanish Ministry ofScience and Technology (research project PPQ2002-04267-C03-01). AT acknowledges the UniversitatAutonoma de Barcelona for the FI Research Grantto support her studies.

REFERENCES1 Regen SL, Triphase catalysis. Kinetics of cyanide displacement

on 1-bromooctane. J Am Chem Soc 98:6270–6274 (1976).2 Regen SL and Besse JJ, Liquid–solid–liquid triphase catalysis.

Consideration of the rate-limiting step, role of stirring, andcatalyst efficiency for simple nucleophilic displacement. J AmChem Soc 101:4059–4063 (1979).

3 Wu HS and Tang JF, Formation and hydrolysis of 4-methoxyphenylacetic acid butyl ester reacting from 4-methoxyphenylacetic acid and n-bromobutane using triphasecatalysis. J Molec Catal A 145:95–105 (1999).

4 Muraviev D, Oleinikova M and Valiente M, Aqua-impregnatedresins. 1. Mass transfer active interfaces in bi- and triphasesystems involving solid polymer and two immiscible liquidphases. Langmuir 13:4915–4922 (1997).

5 Oleinikova M, Muraviev D and Valiente M, Aqua-impregnatedresins. 2. Separation of polyvalent metal ions on iminodiaceticand polyacrylic resins using bis(2-ethylhexyl)phosphoric andbis(2-ethylhexyl) dithiophosphoric acids as organic eluents.Anal Chem 71:4866–4873 (1999).

6 Muraviev D, Torrado A and Valiente M, Extraction of non-extractable ionic species in aqua impregnated resin systems,in Proceedings of ISEC ‘99, Barcelona, Spain. Vol 2,pp 1291–1295 (2001).

7 Kataoka T, Muto A and Nishiki T, Theoretical analysis ofmass transfer of deionization by cation and anion mixed-ion exchange resins—A batchwise contact. J Chem Eng Japan27:375–381 (1994).

8 Harries RR, Ion exchange kinetics in ultra pure water systems.J Chem Technol Biotechnol 51:437–447 (1991).

9 Noh B II, et al,• Parametric studies on the performance ofQ13mixed-bed ion exchange at ultralow concentrations—1.Multicomponent system. Korean J Chem Eng 16:737–744(1999).

10 Muraviev D, Noguerol J, Gaona J and Valiente M, Clean lon-exchange technologies 3. Temperature-enhanced conversionof potassium chloride and lime milk into potassium hydroxideon a carboxylic ion exchanger. Ind & Eng Chem Res38:4409–4416 (1999).

11 Pietrzyk DJ, Senne SM and Brown DM, Anion–cation sepa-rations on a mixed-bed ion-exchange column with indirectphotometric detection. J Chromatogr 546:101–110 (1991).

12 Gorshkov VI, Ion exchange methods for ultra purification ofinorganic, organic, and biological substances. Solv Extr & IonExch 16:1–73 (1998).

13 Soldatov VS, Ion exchanger mixtures used as artificial nutrientmedia for plants, in Ion Exchange for Industry, ed by Streat M.Ellis Horwood, Chichester, pp 652–658 (1988).

14 Naumann G, Pieper G and Rehberg HJ, Dental compositionand appliances containing anti-carious ion exchange resins.US Patent 3,978,206 (1976).

15 Valiente M, Muraviev D and Zvonnikova LV, Material reminer-alizante de tejidos organominerales. Spanish Patent 9700016(1997).

16 Corpron RE, et al, In vivo remineralization of artificial enamellesions by fluoride dentifrice or mouthrinse. Caries Res20:48–55 (1986).

17 White DJ, Reactivity of fluoride dentifrices with artificial cariesIII. Quantitative aspects of acquired acid resistance (AAR): Fuptake, retention, surface hardening and remineralization. JClin Dent 3:6–14 (1991).

18 Gerould CH, Electron microscope study of the mechanism of afluoride deposition in teeth. J Dent Res 24:223–233 (1945).

19 Wefel JS and Harless JD, The effect of topical fluoride agentson fluoride uptake and surface morphology. J Dent Res60:1842–1848 (1981).

20 Benediktsson S, et al, The effect of contact time of acidulatedphosphate fluoride on fluoride concentration in humanenamel. Arch Oral Biol 27:567–572 (1982).

21 Brice JC, Diffusive and kinetic processes in growth fromsolution. J Crystal Growth 1:(1967).

22 Pamplin BR, Crystal Growth. Pergamon Press, Oxford (1975).23 Dorfner KA,• Ion Exchangers, ed by Dorfner K Walter der Q14

Gruyter Publisher, Berlın, •p 128 (1991).Q1524 Dorfner KA, Ion Exchangers, ed by Dorfner K Walter der

Gruyter Publisher, Berlın, p 328• (1991). Q1625 •Dorfner KA, Ion Exchangers, ed by Dorfner K Walter der

Q17

Gruyter Publisher, Berlın, p 94• (1991). Q1826 Korkisch J, Handbook of Ion Exchange Resins: Their Application

to Inorganic Analytical Chemistry. CRC Press, Inc, Florida,Vol 1, •p 16 (1989).

Q1927 Muraviev D, et al, Clean ion-exchange technologies. I. Synthesis

of chlorine-free potassium fertilizers by an ion-exchangeisothermal supersaturation technique. Ind Eng Chem Res37:1950–1955 (1998).

28 Khamizov RKh, et al, Clean ion-exchange technologies. 2.Recovery of high-purity magnesium compounds from seawa-ter by an ion-exchange isothermal supersaturation technique.Ind Eng Chem Res 37:2496–2501 (1998).

29 Muraviev D, Torrado A and Valiente M, Kinetics of release ofcalcium and fluoride ions from ion-exchange resins in artificialsaliva. Solv Extr & Ion Exch 18:345–374 (2000).

30 Streat M and Naden D, Ion exchange in uranium extraction, inIon Exchange and Sorption Processes in Hydrometallurgy. CriticalReports on Applied Chemistry,ed by Streat M and Naden D.John Wiley & Sons, Chichester, pp 1–55 (1987).

31 Muraviev D, Sverchkova OYU, Voskresensky NM and Gor-shkov VI, Kinetics of ion exchange in polyphase systemsincluding crystallizing substances. React Polym 17:75–88(1992).


UNCORRECTED PROOFS

QUERIES TO BE ANSWERED BY AUTHOR (SEE MARGINAL MARKS)

IMPORTANT NOTE: Please mark your corrections and answers to these queriesdirectly onto the proof at the relevant place. Do NOT mark your corrections on thisquery sheet.

Query No. Query

Q1 Please clarifyQ2 Confirm pH 8 refers only to EDTA?Q3 Confirm amendment?Q4 Define tQ5 Confirm OK, not Kps or Kps,Q6 Define symbolQ7 F or F−Q8 Please clarifyQ9 Confirm amendmentQ10 What does R indicatesQ11 Please clarifyQ12 Please clarifyQ13 ‘‘Please provide names of all contributors rather than et al’’Q14 ?KA or KQ15 Closing page nosQ16 Closing page nosQ17 ?Chapter titlesQ18 Closing page nosQ19 Closing page nos

ANNEX 5

THE EFFECT OF RESINS PARTICLE SIZE ON THE RATE OF IONS

RELEASE. INTERACTIONS IN MIXED BED SYSTEMS.



Barcelona, Facultat de Ciències, Edifici Cn, E-08193 Bellaterra (Barcelona), Spain

Key words. Kinetics release, particle size, ion-exchange, Calcium, Phosphate, Fluoride.

Abstract. The aim of the present study is to evaluate the influence of the resins particle

size towards the rate of ions release of a mixture of ion-exchange resins (named NMTD)

which supplies calcium, fluoride, phosphate ions as the main mineral content, and to

elucidate the different phenomena taking place through the related ion-exchange process.

The final goal of the study, related to dental application (enamel restoration), is limiting

the particle size range since the rate of ions release is a key parameter to a successful

achievement of such objective. Weak type ion-exchange resins, loaded with the

appropriate ions, were grinded and sieved into granulometric fractions of bead diameters

between 0.1-0.075 mm, 0.075-0.063 mm and 0.063-0.05 mm. Particle size was controlled

by a laser diffraction particle distribution analyzer. The experiments on the kinetics of

ions release were carried out under batch conditions in artificial saliva desorption solution

thermostatized at 37ºC. The release of Ca2+ and F- was determined by corresponding ion

selective electrodes automatically controlled, whereas H2PO4- was measured

spectrophotometrically by the inductively coupled plasma-optical emission technique

(ICP-OES). The results of this study show that the process of the ion-exchange for the

different particle size fractions of resins is critical for the study of the kinetics release of

the ions immobilized in the corresponding mixed bed polymeric matrices. In fact, despite

the apparent narrow range of particle sizes of the mixed bed systems studied, appreciable

differences in the rate of ions release are obtained. Since the ion release rate is depending

on the contact surface, an increase of factor of 2 in particle size represents an increase of

an order of magnitude of the resin contact surface due to the resin porosity. In this

concern, it has been observed that the rate of ions release increases when particle size

decreases. The interactions occurring during the ion release from the mixed bed resins

(containing calcium, fluoride and phosphate loaded resins) can be interpreted by the

following phenomena: H2PO4- that hardly modifies its rate of release in the presence of

Ca2+ and F- in the mixture, promotes a considerable increase on the rate of Ca2+ release

due to the formation of a calcium dihydrogen phosphate soluble complex. F- also

produces an acceleration in the rate of Ca2+ release due to the formation, on the surface of

cationic resin particles, of solid CaF2 that, on the contrary, it leads to a decrease in the rate

of F- release.




Phone number. +34 93 581 2903

Fax number: +34 93 581 1985


1. Introduction

The wide applicability of ion-exchange resins in laboratory, industry [1,2], and reactive

polymers [3], is very well known. It’s a long time since they have been used in galenic

applications like disintegrating additive for pills [4], drugs stabilization for treatment of

several diseases [5], controlled release preparations [6], and so on. Several physico-

chemical parameters can affect the adsorption/desorption kinetics of the active principle;

with appropriate selection of resins, preparations for specific application can be designed.

In this concern, particle size is one of the most studied parameter in the process

characterization of materials [7,8], because several properties in the final application will

depend on it. In these sense, zeolites with small particle size provide a relatively high

external surface area to volume ratio and reduced mass transfer resistance what make

them suitable for several industrial catalytic, sorption, and ion exchange processes [9].

Also, in the use of titanium dioxide as a photocatalyst in the removal of organic matter

from wastewater streams, the control of the particle morphology and size distribution are

key points [10]. A similar situation can be found in the biomedical materials field. Thus,

for example, the powder properties of hydroxiapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, biocompatible in

vivo), such as crystallinity, surface area and particle size will determine its effectiveness

for the specific application [11].

In this work, a new material (formulation) based on an ion-exchange resins mixture, also

known as mixed bed, has been prepared. Different particle size fractions have been

separed by the use of sieves. The formulation is a mixture of weak type ion-exchangers

for dental application. Several studies use ion-exchange resins in calcium and fluoride

forms for dental tissues treatment against tooth decay [12, 13], as well as calcium,

fluoride and phosphate for the same objective [14]. The particle size characterization of

these samples was performed by the laser diffraction technique. The effect of the particle

size towards the rate of ions release from the polymeric matrix and the interactions

involved were evaluated. For this purpose, a 37 ºC thermostatized artificial saliva solution

was used.

2. Experimental

2.1. Materials and equipment

Highly purified ion-exchange resins: carboxylic Lewatit S8528 (weak cationic) and

tertiary amine Lewatit S3428 (weak anionic), were kindly supplied by Bayer Hispania

Industrial, S.A. CaCl2 1 mol L-1 and 0.3 mol L-1, KCl 0.01 mol L-1, NaCl 0.008 mol L-1,

NaF 0.9 mol L-1, NaNO3 0.5 mol L-1, NaOH 2.2 mol L-1 and 0.5 mol L-1 solutions were

prepared from the corresponding Panreac analysis quality solid salts. HCl 1 mol L-1,

H3PO4 0.8 mol L-1 and 0.32 mol L-1 solutions were prepared by dilution of the

corresponding concentrated Panreac analysis quality acid. In all cases deionized water of

Milli-Q quality (Millipore, USA) was used.

In this work, artificial saliva is considered as a solution which composition consists of

0.01 mol L-1 KCl and 0.008 mol L-1 NaCl.

2.2. Analytical determination

The release of Ca2+and F- was determined by an ion selective electrodes system (Orion,

USA) automatically controlled by a PC, whereas H2PO4- was controlled

spectrophotometrically by inductively coupled plasma atomic emission technique (ICP-

OES) (ARL, model 3410 minitorch, USA), taking aliquots of the liquid phase

periodically. All samples were analyzed with an uncertainty less than 1.5% and all

experiments were run in triplicate.

Particle size distribution was determined with a particle size distribution analyzer by laser

diffraction with a detector window of 0.688-704.0 microns (Microtac, USA). For this

purpose, the moist method was used by dispersing the resin sample in water. Mean values

deviations between replicates were less than 2%.

Qualitative analysis of the elements present in the polymer surface were carried out by an

X-Ray elemental analysis. This technique takes advantage of the X-Rays emitted by a

sample covered with carbon, after being bombed by a primary electron beam from a SEM

(Scanning Electron Microscopy) instrument (Jeol model JSM-6300, Japan) equipped by

an X-Ray Energy Dispersive Spectrometer (EDS) (Link ISIS-200, England)

incorporating a Super ATW Light Element Detector (138 eV resolution, elemental range

from B to U), for the obtention of the X-Ray spectra.

An optic microscope (Nikon Labophot2-POL, Japan) with coupled digital camera was

used for the morphologic ion-exchange resins study.

2.3. Resins loading

Resins were conditioned following a standard procedure [15]. The conversion of the

resins to the desired ionic form was carried out in a reactor under batch conditions. It is

interesting to remark that fluoride loading was carried out on an anionic resin previously

loaded with phosphate (in the form of H2PO4- species). In this case, it was observed that

the fluoride did not replace completely the loaded phosphate (a 25% of the resin capacity

remained loaded with phosphate species).

After complete loading of the resins with respective loading solution, the resin phases

were rinsed with water to remove the excess of electrolyte or acid solution, depending on

the case, unloaded from the reactor quantitatively, centrifuged and dried in an horizontal

drier. Resins, in different ionic forms, were stored in completely sealed containers.

2.4. Determination of loading capacity

Determination of the loading capacity for the different resins towards Ca2+, F- and H2PO4-

was carried out under dynamic conditions in ion-exchange columns by following a

standard procedure described thoroughly in the literature [16]. A weighed portion of each

specific resin was introduced in a small column and the target counter-ion was eluted

either with acid (in the case of the cationic resin) or with strong base (or NaNO3) in the

case of anionic exchangers. Eluates were collected in glass volumetric flasks for later

analysis. Adsorption or desorption effects of Ca2+, F- and H2PO4- at or from the glass

surface were negligible, taking into account the magnitude of the working concentrations.

The results of the analysis were used to determine the resins specific capacity, qs


i

is W

VCq = (2.1)

where V is the volume of eluted solution, Ci is the concentration of the solution

containing the eluted ion and Wi is the weight of resin which contains the corresponding

ion. Specific capacities determined experimentally are shown in Table 1.


A portion of each loaded and dried resin was ground in a mechanical agate mortar Retsch

RMO (Germany) and then sieved using a set of standard stainless steel sieves in a

mechanical siever, CISA (Spain). Thus, separate fractions of the resins were collected

with particle sizes of diameter comprised between 0.1-0.075 mm, 0.075-0.063 mm and

0.063-0.05 mm. Formulations were prepared by mixing after sieving the corresponding

weak resins loaded with Ca2+, F-, H2PO4- and Zn2+ (small amount) in the adequate

proportions [14] (weak formulation).

Because of the relatively small content of zinc ions in the resins mixture and after the

observation that its presence does not influence on the ion exchange process of the other

ions, the present study does not include the related characterization on zinc ion-exchange.

2.6. Characterization of ion-exchange resins morphology

In order to verify the validity of the grinding and sieving processes, a characterization of

the obtained resin particles has been carried out by means of optical image analysis.

Figure 1 shows the irregular shape of the weak formulation particles which is a

consequence of the fracture caused by the mortar action. Practically there are no particles

with a filiform shape, so, the perception of disagreement between the sieving process and

the measurement of particle size distribution by laser diffraction methods is not caused by

the particles shape.

As it is known, the measurement of particle size by the mentioned laser technique,

depends on the position at which the particle disperses light which leads to a particle size

that can be considerably over or under the size fraction selected. A thorough observation

of images of the corresponding fractions under study reveals small differences between

particles at first sight.

To verify the particle size distribution analysis, one individual sample was analyzed by

two commercially different instruments. The agreement between results of this

experiment indicates the validity of all particle size distribution curves.

On the other hand, the observed differences between the sieving process for particle size

discrimination and the corresponding higher particle size measured, can be attributed to

the resins swelling properties in water, since the measurements are carried out by a

suspension of the insoluble powder in the mentioned solvent.

2.7. Determination of Ion-exchange kinetics

Experiments to evaluate the kinetics of ions release of the different finely powdered

formulations were carried out under batch conditions by using the “limited volume”

technique [17]. A small portion of resin was placed in a dialysis cellulose membrane tube

closed hermetically by both sides and placed in a Franz modified cell [18] which was

introduced in a 37 ºC thermostated cell containing 50 or 60 ml of artificial saliva

vigorously agitated. The moment when the sample got into contact with artificial saliva

was considered as the starting time (time zero) for the kinetics experiment.


3.1. Determination of the degree of conversion

The experimental data obtained either by ion selective electrodes or ICP-OES were

expressed in terms of degree of conversion, F, of the resins by applying the expression:

∞

=q

tcVF ias )(

(3.1)


of the target ion at the time of the experiment ti and q∞=mpqs is the total capacity of the

resin (in mmols), being m the total weight of resin or resins mixture, p is the percentage

of resin in the corresponding ionic form in the mixture and qs (mmol/g) the specific

capacity of that resin towards the corresponding ion determined as described in the

section 2.4.

3.2. Effect of the precision of sieving on the ions release rate

As observed in Figure 2a the appropriate sieving is determinant to get a better particle

size distribution, that leads to narrower and higher bands. Figure 2b shows the different

patterns for the three fractions of particle size obtained under the optimized sieving. In

the three cases the mean value of particle size of the corresponding fraction is

considerably displaced to higher values (i.e., 0.0807, 0.096 and 0.114 mm instead of

0.0565, 0.069 and 0.0875 mm, respectively). This might be caused by the fact that laser

diffraction measurements are performed in a water suspension of the resin samples, what

takes account of the swelling of the resins in water. Furthermore and despite the

optimization of the sieving process, the obtained fractions have a remarkable similarity,

thus overlapping each other in a considerable extent.

On the other hand, a comparison of the results obtained on the calcium release before and

after carrying out the optimization of the sieving procedure is shown in Figure 3. The

decrease of the rate of release is due to the removal of most of the lower particle size

fraction. As noticed, these small particles have a high contribution to the increase of the

rate of ions release.

3.3. Evaluation of the effect of particle size towards the rate of ions release from

monocomponent weak acid type ion-exchange resins samples

To carry out the study of the interactions of the ions when released from the ion-exchange

resins mixture, a systematic characterization has been undertaken including the individual

behavior of each resin component of the formulation, i.e., cationic resin loaded with Ca2+,

anionic resin loaded with F- and the anionic resin loaded with H2PO4-. In a second step of

the study, binary mixtures were analyzed and related results are discussed below. Figures

4a-b show no significant differences on release rate for the various particle sizes, that is

probably due to the small variation of size between the studied fractions. On the other

hand, the fact that the degree of conversion of anions is considerably higher than the one

of Ca2+, is because the weak acid cationic resin has a higher affinity towards Ca2+ than to

Na+/K+ ions present in artificial saliva [19], which are responsible for the corresponding

ion-exchange. In the case of anions, the observed higher rate of release for F- vs H2PO4- is

due to the relatively higher affinity of the weak anion exchange resin towards H2PO4- .

3.4. Binary mixtures of weak acid type ion-exchange resins. Evaluation of the effect

of particle size towards the rate of ions release

Two binary formulations including the mixture of the calcium loaded resin and an anionic

resin in either F- or H2PO4- form were prepared. The molar ratio between the ionic

components loaded in resins was the one used in the weak formulation. In Figures 5a and

5b kinetic release curves versus particle size are presented for the Ca2+: F- system,

whereas Ca2+: H2PO4- system is shown in Figure 6. The higher release of anions vs

calcium is also observed in the binary mixtures. However, some differences are

appreciated in the behavior of calcium. Thus, calcium release has a slight increase in

presence of fluoride ions while facing phosphate the release is 20 fold times higher. The

increase of release can be attributed to the interaction between calcium and the respective

ions F- or H2PO4-. In the case of fluoride, it has been observed the formation of solid CaF2

at the surface of the calcium resin particles (see EDS analysis in Fig. 10b and respective

comments below). This fact can explain the strong decrease on fluoride release with

respect to the one observed in absence of Ca2+. In fact, such a decrease is apparent since

our data correspond to the fluoride in solution and do not account for the precipitated

fluoride. Furthermore, the increase on Ca2+ release may be a consequence of the shift of

the ion-exchange reaction by the mentioned formation of solid CaF2. It is remarkable that

the observed solid formation phenomenon is taking place at the resin phase since in

solution the corresponding solubility product is not achieved to form the solid CaF2

mostly because of the low calcium concentration. On the contrary, at the resin phase, the

local concentration of Ca2+ is much higher, leading to a precipitation of solid CaF2 on the

surface of the lower kinetics ion exchanger, that is the cationic one.

In the case of phosphate, the mentioned ionic interactions are enhanced by the formation

of weak Ca2+-phosphate complex species [20]. These interactions are also reflected in the

slight increase of phosphate release, which is expected to be relatively lower than calcium

release because of the high difference in absolute values.

On the other hand, note that in both systems a correlation between the rate of the

corresponding ions release and particle size is obtained for both calcium and anions

release. This effect, which was not practically noticed in the corresponding

monocomponent systems, is enhanced when a manifest chemical interaction occurs at the

solid-liquid interface (in the monocomponent systems, the interactions of calcium with

chloride are much weaker) [21].

3.5. Study of the interactions between ions released from mixed bed (weak

formulation)

A comparison of the kinetic curves for loss of Ca2+, F- and H2PO4- in resins mixture with

those corresponding to samples of monocomponent and binary mixtures, reveals the

expected multiple interactions between these ions. Figures 7a-c show an increase in the

rate of Ca2+ release when both anions are present in the resins mixture, whereas the cation

presence promotes a decrease in the rate of F- release and an slight increase in the

corresponding phosphate liberation. These observations follow the previous findings for

binary mixtures (i.e. increase on calcium and phosphate release rate and a decrease on the

fluoride discharge with respect to the monocomponent resins). It is remarkable that

fluoride has a higher decrease when phosphate is present. This particular effect can be

attributed to the increase of calcium release in presence of phosphate, as the presence of

calcium lowers the fluoride release.

From the concentrations found at the end of the experiment, and taking into account that

the ICP technique allows us to quantify the total phosphorous content present in the

solution whereas ion selective electrodes only determine charged free species in solution

(in this case Ca2+ and F-), the distribution diagram of the species was built with the help

of the Equilibrium calculations [22] program. At pH=5.5 (which corresponds to the

working pH conditions) the predominant species in solution result Ca2+, F-, H2PO4- and

HPO42- and positively charged calcium fluoride or calcium dihydrogen phosphate

complexes, with concentrations of 10-4, 10-4, 6.3 10-4, 10-5, 3.2 10-8 and 10-6 mol L-1

respectively. So, this theoretical predictions fit well with the observations above

commented. In order to verify the potentiometric data of fluoride, it was checked that the

dihydrogen phosphate presence does not affect to fluoride signal through the evaluation

of the response of the ion selective electrode towards F- in the presence and absence of

dihydrogen phosphate in solution.

At this point a more exhaustive analysis of the results obtained from the three studied

systems was carried out with the help of a surface resin particle study by scanning

electron microscopy.

3.5.1. Resins surface qualitative analysis by SEM-EDS.

A complementary study to support the findings on the interactions of mixed bed system

was carried out.

Samples of different systems, i.e., binary mixtures in dried form, both before and after

treatment with artificial saliva as well as dried monocomponents have been analyzed by

SEM-EDS. Also, samples of individual unloaded resins were analyzed by SEM-EDS.

Corresponding spectra results are collected in Figures 8-11.

Unloaded resins spectra show no signal corresponding to target ions. Monocomponent

samples (Figures 8a-b) reveal the presence of each immobilized ion in the corresponding

matrix. However, the fluoride anionic resin presents signals for F and P (H2PO4-,

originally present, remains from the fluoride loading process, see experimental section

2.3).

It must be noticed the relatively weak spectral signal corresponding to Na+ (1.041 keV,

practically non detected) and to F- [23].

Spectra of binary mixtures including either Ca2+ and H2PO4- or Ca2+ and F- loaded resins

show a different behaviour. Thus, in Figure 9a (Ca2+-H2PO4- system) it is observed that

no contamination between cationic and anionic components occurs before the treatment

with artificial saliva as a consequence of the absence of reaction when no ionic solution

contacts the loaded resins mixture. After desorption with artificial saliva, the observed

signals correspond, as expected, besides the original ions (the ion-exchange is not

complete), to Cl- that appears from the anionic exchange. Na+ is not observed because of

its low intensity signal commented before.

For the Ca2+: F- binary system, the spectra results shown in Figure 10a indicate that

before desorption, the signals are similar to the previously described monocomponents

for the anionic component (in this case, fluoride is practically non detected). After

desorption, the signal of Cl- also appears on the anionic particles due to the ion-exchange

process. The absence of F- signal can be attributed to both the weakness of the

corresponding signal as well as the non plain surface of the target resin particle. Spectra

that results from the microanalysis of calcium particles treated with the desorption

solution (Fig. 10b) appear with a fluoride signal. This indicates that a solid deposit of

insoluble CaF2 on the cationic resin particles has been formed; the higher rate of F-

release affects the ion-exchange equilibrium

R2-Ca2+ + 2 Na+/K+ ↔ 2 R-Na+/K+ + Ca2+

by inducing a displacement to the right and on the other hand, F- are surrounding the

cationic resin particles and the appearance of Ca2+ leads to the formation of the

mentioned precipitate.

In addition, as observed in Figure 10a, the spectra resulting from the microanalysis of

cationic particles also shows an unexpected fluoride signal, since this sample has not

been treated with artificial saliva solution and it is simply a mixture of the two resins

loaded with corresponding Ca2+ or F-. In a magnification of the image of a cationic

particle, when different zones are analyzed, two different situations can be clearly

observed. Thus, there are zones where there is no presence of fluoride, whereas the ones

that give fluoride signal are accompanied by the corresponding phosphorous signal (See

Figure 11a). This would indicate that, in this mixture, the cationic resin particles in Ca2+

form are surrounded with anionic resin in F- form by electrostatic attraction. So, fluoride

detected on cationic particles does not form solid CaF2.

On the contrary, after desorption, the fluoride signal that appears in the related spectra,

Figure 11b, is not accompanied by the corresponding phosphorous one, indicating the

formation of solid CaF2 on the cationic resin particles in Ca2+ form.

From the findings that results of both the resin particles characterization by electronic

microscopy and the ion release curves shown in Figures 7a-c, the interactions occurring

during the ion release from the sample of resins mixture (containing the three

components) can be interpreted by the following phenomena: H2PO4- that hardly modifies

its rate of release in the presence of Ca2+ and F- in the mixture, promotes a considerable

increase on the rate of Ca2+ release due to the formation of a calcium dihydrogen

phosphate soluble complex. Furthermore, this increase of calcium release is affected by

the presence of fluoride in the mixture. Thus, when resin loaded with F- is added to the

Ca2+: H2PO4- binary system, the rate of Ca2+ release experiments a clear decrease; this is a

consequence of the insoluble solid CaF2 formation on the surface of the resin particles in

Ca2+ form, that had already been detected by the scanning electron microscopy technique.

On the other hand, the observed decrease of F- release rate with Ca2+ presence and even

more if H2PO4- is added to the system is due to the increase of the mentioned formation

of solid CaF2 as the Ca2+ released to the system increases considerably under these

conditions.

The use of an alternative technique (scanning electron microscopy), to ascertain the

formation of a solid CaF2, verifies the lack of fluoride by potentiometric measurements.

4. Conclusions

The results obtained in the present study lead to the following conclusions:

The rate of ions release increases when particle size decreases (Figure 12).

The interactions occurring during the ion release from the mixed bed resins (containing

calcium, fluoride and phosphate loaded resins) can be interpreted by the following

phenomena: H2PO4- that hardly modifies its rate of release in the presence of Ca2+ and F-

in the mixture, promotes a considerable increase on the rate of Ca2+ release due to the

formation of a calcium dihydrogen phosphate soluble complex. F- also produces an

acceleration in the rate of Ca2+ release due to the formation, on the surface of cationic

resin particles, of solid CaF2 that, on the contrary, it leads to a decrease in the rate of F-

release. Such opposite behavior can be interpreted as the buffering effect provided by the

solid CaF2 which enhances the low release of calcium from the carboxylic resin and

diminishes the high release of fluoride from the anionic resin.

Acknowledments

This work was supported by the research project PPQ2002-04267-C03-01, a Research

Grant from the Spanish Ministry of Science and Technology. A. T. acknowledges the

Universitat Autònoma de Barcelona for the FI Research Scholarship to support her during

the present studies.

REFERENCES

1. Muraviev D, Gonzalo A, Valiente M (1995) Anal Chem 67(17):3028-3035

2. Martinola F (1991) Waste Water Treatment and Pollution Control by Ion Exchange. In:

Dorfner K. (ed.) Ion exchangers. Walter der Gruyter Publisher, Berlín, p.845

3. Tomoi M, Ford W T (1981) J Am Chem Soc 103:3828-3832

4. Lukach CA, Sau AC (1989) Nonswelling, fibrous, particulate crosslinked polymers

insoluble in water and alkalies, US Patent 4853437

5. Sriwongjanya M, Bodmeier R (1997) Int J Pharmaceutics 158:29-38

6. Cuna M, Vila Jato JL, Torres D (2000) Int J Pharmaceutics 199(2):151-158

7. Coutinho FMB, Carvalho DL, La Torre Aponte ML, Barbosa CCR (2001) Polymer

42:43-48

8. Ramakrishnan KN (2000) J Mater Sci 19:1903-1906

9. Brar T, France P, Smirniotis PG (2001) Ind Eng Chem Res 40:1133-1139

10. Oh S-M, Park D-W (2001) Thin Solid Films 386:233-238

11. Gibson IR, Ke S, Best SM, Bonfield W (2001) J Mater Sci-Mater M 12:163-171

12. Naumann G, Pieper G, Rehberg H-J (1976) Dental Composition and Appliances

Containing Anti-Carious Ion Exchange Resins, US Patent 3,978,206

13. Urusov KKH, Nikitina TV, Pakhomova GN (1981) Periodontitis Stomatological

Treatment, SU Patent 825,078

14. Valiente M, Muraviev D, Zvonnikova LV (1997) Material remineralizante de tejidos

organominerales, ES Patent 9700016

15. Dorfner K (1991) Introduction to Ion Exchange and Ion Exchangers. In: Dorfner K

(ed.) Ion Exchangers. Walter der Gruyter Publisher, Berlín, p.126

16. Dorfner K (1991) Synthetic Ion Exchange Resins. In: Dorfner K (ed.) Ion

Exchangers. Walter der Gruyter Publisher, Berlín, p.328

17. Helfferich FG, Hwang Y-L (1991) Ion Exchange Kinetics. In: Dorfner, K (ed.) Ion

exchangers. Walter der Gruyter Publisher, Berlín, p.1278

18. See modified Franz cell in reference: Conseil de l’Europe: PHARMACOPEÉ

EUROPÉENNE, 3e edition. Strasbourg: France, 1996

19. Muraviev D, Noguerol J, Valiente M (1997) Environ Sci Technol 31(2):379-383

20. Sutter JR, McDowell H, Brown WE (1971) Inorganic Chemistry 10(8):1638-1643

21. Raschman P (2000) Hydrometallurgy 56(1):109-123

22. Puigdomenech I. (1999) Medusa. Royal Institut of Technology, Estocolm

(http://www.inorg.kth.se)

23. Murr LE (1982) Electron and Ion Microscopy and Microanalysis: Principles and

Applications. Marcel Dekker Inc., New York, p.181

LEGENDS

Table 1. Specific capacity of the resins towards Ca2+, F- and H2PO4-

Figure 1. Optic microscopy images of the weak formulation fractions at 200

magnification. (a) 0.0875 mm (b) 0.069 mm (c) 0.0565 mm

Figure 2a. Comparison of particle size distribution curves of the 0.069 mm weak

formulation fraction before and after re-sieving

Figure 2b. Comparison of particle size distribution curves of the 0.0875, 0.069 and

0.0565 mm weak formulation fractions after re-sieving

Figure 3. Kinetics release of Ca2+ ion from weak formulation samples of different

particle size at 37ºC. Evaluation of the re-sieving effect

Figure 4a. Kinetics release of Ca2+ ion from monocomponent weak type resin samples in

Ca2+ -form of different particle size at 37ºC

Figure 4b. Kinetics release of F- and H2PO4- ions from monocomponent weak type resin

samples in F- and H2PO4--forms respectively of different particle size at 37ºC

Figure 5a. Kinetics release of Ca2+ ion from samples binary mixture of weak type resins

in Ca2+ and F- -forms of different particle size at 37ºC

Figure 5b. Kinetics release of F- ion from samples binary mixture of weak type resins in

Ca2+:and F- -forms of different particle size at 37ºC

Figure 6. Kinetics release of Ca2+ and H2PO4- ions from samples binary mixture of weak

type resins in Ca2+ and H2PO4- -forms of different particle size at 37ºC

Figure 7a. Comparison of the kinetics release of Ca2+ ion from weak formulation

(NMTD) and Ca2+ -form monocomponent samples of different particle size

at 37ºC

Figure 7b. Comparison of the kinetics release of F- ion from weak formulation (NMTD)

and F- -form monocomponent samples of different particle size at 37ºC

Figure 7c. Comparison of the kinetics release of H2PO4- ion from weak formulation

(NMTD) and H2PO4- -form monocomponent samples of different particle

size at 37ºC

Figure 8a. X-Ray microanalysis of the cationic polymeric matrix with immobilized Ca2+

ions and the anionic one with immobilized H2PO4- ions

Figure 8b. X-Ray microanalysis of the anionic polymeric matrix with immobilized F-

ions

Figure 9a. X-Ray microanalysis of a sample binary mixture of weak type resins in Ca2+

and H2PO4- - forms not submitted to desorption

Figure 9b. X-Ray microanalysis of a sample binary mixture of weak type resins in Ca2+

and H2PO4- -forms submitted to desorption

Figure 10a. X-Ray microanalysis of a sample binary mixture of weak type resins in Ca2+

and F- -forms not submitted to desorption

Figure 10b. X-Ray microanalysis of a sample binary mixture of weak type resins in Ca2+

and F- -forms submitted to desorption

Figure 11a. X-Ray microanalysis of a magnified image of a calcium particle of a sample

binary mixture of weak type resins in Ca2+ and F- -forms not submitted to

desorption

Figure 11b. X-Ray microanalysis of a magnified image of a calcium particle of a sample

binary mixture of weak type resins in Ca2+ and F- -forms submitted to

desorption

Figure 12. Effect of the resins particle size on the rate of the corresponding F- and

H2PO4- ions release from binary mixtures of weak acid type ion-exchange

resins

Table 1

Capacity (mmol g-1)

Ca2+ F- H2PO4-

Lewatit S8528 3.47± 0.03 - -

Lewatit S3428 - 2.73±0.04 3.38±0.01

Figure 1

a b c

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

Canal

mm1.0

61.6

42.5

23.8

96.0

09.2

514

.2722

.0033

.9352

.3380

.70

124.5

0

191.9

0

296.0

0

456.5

0

Particle size (Ø, µm)

Frac

tion

(%)

Before re-sieving

After re-sieving

Figure 2a

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

Canal

mm1.0

61.6

42.5

23.8

96.0

09.2

514

.2722

.0033

.9352

.3380

.70

124.5

0

191.9

0

296.0

0

456.5

0

Particle size (φ, µm)

Frac

tion

(%)

0.1-0.075 mm fraction



Figure 2b

114.10 µm

95.96 µm

80.70 µm

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (C

a2+)

0.0875mm0.069mm0.0565mm0.0875mm after re-sieving0.069mm after re-sieving0.0565mm after re-sieving

Figure 3

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0.004

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (C

a2+)

0.0875mm0.069mm0.0565mm

Figure 4a

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time (min)

F (F

- and

H2P

O4- )

Fluor. 0.0875mmFluor. 0.069mmFluor. 0.0565mmDihydr. 0.0875mmDihydr. 0.069mmDihydr. 0.0565mm

Figure 4b

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (C

a2+)

Calc. 0.0875mmCalc. 0.069mmCalc. 0.0565mm

Figure 5a

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (F

- )

Fluor. 0.0875mmFluor.0.069mmFluor. 0.0565mm

Figure 5b

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time (min)

F (C

a2+ a

nd H

2PO

4- )

Calc. 0.0875mmCalc. 0.069mmCalc. 0.0565mmDihydr. 0.0875mmDihydr. 0.069mmDihydr. 0.0565mm

Figure 6

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (C

a2+)

0.0875mm NMTD0.069mm NMTD0.0565mm NMTD0.0875mm monocomp.0.069mm monocomp.0.0565mm monocomp.

Figure 7a

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (min)

F (F

- )


Figure 7b

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time (min)

F (H

2PO

4- )


Figure 7c

0

200

400

600

800

1000

1200

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

Polym. matrix with calc. ion

Polym. matrix with dihydr. phosph. ion

Ca

P

Figure 8a

0

200

400

600

800

1000

1200

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

P

F

Figure 8b

0

1000

2000

3000

4000

5000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

Resin calc. ion formResin dihydr. phosph. ion form

P

Ca

Figure 9a

0

1000

2000

3000

4000

5000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

Resin calc. ion formResin dihydr. phosph. ion form

P

Cl

Ca

Figure 9b

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

Resin calc. ion formResin fluor. ion form

P

Ca

F

Figure 10a

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s

Resin calc. ion formResin fluor. ion form

PCl

Ca

F

Figure 10b

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s Ca

F P

Figure 11a

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-2 0 2 4 6 8 10

Energy (keV)

Cou

nts /

s Ca

F

Figure 11b

00.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

0.45

0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Particle size (φ, mm)

F (2

0 m

inut

es)

Fluoride ion Dihydrogenphosphate ion

Figure 12

ANNEX 6

ANNEX 7

IN VITRO CYTOTOXICITY OF A NEW TOOTHPASTE BASED ON AN ION-EXCHANGE RESINS MIXTURE RELEASING CALCIUM, FLUORIDE,

PHOSPHATE AND ZINC IONS

Anna Torrado 2, Manuel Valiente2, Wu Zhang1, Yiming Li1 and Carlos A. Muñoz1

1School of Dentistry, Loma Linda University, Loma Linda, CA 92350, USA

2Quimica Analitica, Universitat Autonoma de Barcelona, Bellaterra, E-08193, Spain

Corresponding author:

Carlos A. Muñoz, DDS, MSD

School of Dentistry

Loma Linda University

11092 Anderson St.

Loma Linda, CA 92350

Phone: 909-558-0656

Fax: 909-558-0270

E-mail address: [email protected]

Keywords: cytotoxicity, ion-exchange, dentifrice, toothpaste, fluoride Running Head: Cytotoxicicity of an Ion-exchange resins toothpaste

In-vitro Cytotoxicity of a New Toothpaste Based on an Ion-Exchange Resins Mixture Releasing Calcium, Fluoride, Phosphate and Zinc Ions.

Abstract.

Objective: This study evaluated the effects for cytotoxicity of two dentifrices: a

toothpaste commercially available (Crest Extra-whitening toothpaste) and a new

experimental toothpaste based on a mixture of ion-exchange resins (named NMTD) that

supplies calcium, fluoride, phosphate and zinc ions.

Methods: Cultures of mouse fibroblasts cells L929 were used in a MTT assay for in vitro

cytotoxicity of the dentifrices. Cells were cultured in Eagle’s minimal essential medium

supplemented with 10 % fetal bovine serum. Cultures were incubated at 37 ºC in a

humidified atmosphere of 5 % CO2 and collected by tripsinization (0.05 % trypsin / 0.5

mM EDTA). A 96-well microplate method was employed for the MTT colorimetric

assay. Positive control consisted of 10 µl of phenol in 5 ml of 6 % media, a dose that

produces zero percent cell survival. Negative control was prepared by adding 0.5 ml of

HBSS to 4.5 ml of 6 % media. The plates were incubated for 24 and 48 hours at 37 ºC in

a 5 % CO2 atmosphere.

Results: Means and standard deviations of absorbance values for each group and

percentage inhibitory dosage (% ID) for each test material were calculated. None of the

dentifrices resulted in a percentage of inhibition higher than 50 % and did not observe

marked increases in cytotoxicity with time of incubation. The positive control gave

almost zero percent cell survival, whereas the negative control gave a hundred percent

cell survival. Analysis of the results indicated that test dentifrice dose had no significant

effect towards the cell viability (P<0.05).

Clinical Significance: The new experimental toothpaste is not cytotoxic despite

presenting a higher fluoride availability potential than a conventional commercial

dentifrice.

Introduction

Fluoride is the thirteenth most abundant element on the earth. The major source of intake

comes from drinking water and diet and from involuntary swallowing during and after

the use of fluoride containing products like dentifrices, mouthrinses, tablets and gels,

developed because of fluoride cariostatic properties. Everybody agrees in that fluoride

taken in high amounts is toxic and can be lethal. Fluoride acute toxicity affects

gastrointestinal, neurological and cardiovascular systems, and blood chemistry.

Depending on the dosage, the treatment will be different: either milk ingestion, as a way

of calcium administration, or quick hospitalization.1 Therefore, care must be taken in

order to prevent undesirable risks, that is why several recommendations, mainly

concerning dentifrices, are made: 2,3 (1) dentifrice tubes should advice about the use of

the product by young children, (2) all dental products should be equipped with secure

caps (3) manufacturers should consider the production of dentifrices with low fluoride

concentration for the children use and (4) parents should supervise their children’s

toothbrushing and teach them no to swallow the toothpaste.

The general metabolism of ionic fluoride is shown in Figure I. Commonly, fluoride is

absorbed and enters the body fluids by way of the gastrointestinal system or the lungs.

Fluoride uptake by calcified tissues or excretion in the urine are the major mechanisms by

which fluoride is eliminated from the plasma and other body fluids.2 Fluoride uptake by

bone is inversely proportional to age basically because crystallites of younger bone are

smaller, more abundant, well organized and larger surface area due to hydration. Urine

pH will be determining in the excretion of fluorides from the body. If the urine is

relatively alkaline, fluoride proportionally exists in ionic form, which will remain in the

tubule for later being excreted because of its charge and size. On the contrary, in acidic

environment, fluoride proportionally exists in the un-dissociated form, hydrogen fluoride

(HF), which will be re-absorbed and incorporated into the general circulation.

A new experimental toothpaste containing a mixture of ion-exchange resins that supply

calcium, phosphate, fluoride and zinc ions (named NMTD)4 was developed with the aim

of preventing early caries formation and improving remineralization effects. Cytotoxicity

testing is an important component of the biological evaluation of dental materials 5-7 and

it is a required part of the standard screening procedures. The purpose of this in vitro

study was to evaluate the effects of two dentifrices: a toothpaste commercially available

(Crest Extra-whitening toothpaste) and the new experimental toothpaste including a

mixture of resins (NMTD) mentioned above, for cytotoxicity to mouse fibroblasts.

Methods and Materials

Test Dentifrices

A commercial, sodium fluoride dentifrice containing 0.16 % (w/v) fluoride iona, and an

experimental formulation based on a mixture of ion-exchange resins (identified as

NMTD)b, which releases calcium, fluoride, phosphate and zinc ions, were evaluated for

cytotoxicity. A specified quantity of toothpaste was weighed and a suspension of

toothpaste and Hank’s balanced solution (HBSS)c was prepared.

Cell Culture

Cultures of mouse fibroblasts cells L929 (ATCC CCL 1, NCTC clone 929 strain L)d were

used in a MTT assay for in vitro cytotoxicity of the two dentifrices. Cells were cultured

in Eagle’s minimal essential medium (MEM)c supplemented with 10% fetal bovine

serum (FBS), 2 mM L-glutamine, non-essential amino acids (1x), penicillin (100 IU/ml),

streptomycin (100 µg/ml), and amphotericin B (0.25 µg/ml). This media is referred as to

complete media. Cultures were incubated at 37 ºC in a humidified atmosphere of 5% CO2

and collected by tripsinization (0.05 % trypsin / 0.5 mM EDTA).

Cytotoxicity testing in the MTT assay

A 96-well microplate method was employed for the MTT colorimetric assay, based on

the reduction of the tetrazolium salt, 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-

tetrazolium bromide (MTT)e to an insoluble formazan product by mitochondrial

dehydrogenases of viable cells 8,9. Cells grown near to confluence were washed with

HBSS, treated with trypsin, and suspended in complete media. A 0.1 ml aliquot of a cell

suspension of density 1 x 104 cells/ml was placed into each well. The plates were

incubated for 24 hours at 37 ºC in a 5 % CO2 atmosphere.

Concentrates of test agents were prepared for each group using HBSS. Five milliliters of

test media were prepared by adding 0.5 ml of concentrate to 4.5 ml of 6 % media

produced by dilution of complete media. A positive control consisted of 10 µl of phenol

in 5 ml of 6 % media, a dose that produces zero percent cell survival. A negative control

was prepared by adding 0.5 ml of HBSS to 4.5 ml of 6 % media. The media in wells was

removed by aspiration and 0.1 ml of either test media, positive control or baseline, was

added to each corresponding well. Media blank was prepared by adding 0.1 ml of test

media to wells without cell culture. The plates were incubated for 24 and 48 hours,

respectively, at 37 ºC in a 5 % CO2 atmosphere.

After incubation, 10 µl of MTT stock (5 mg/ml MTT in HBSS) were added to each well,

including the cell-free media blank. The plates were incubated for four additional hours.

The purple formazan product was dissolved in 0.1 ml of 10 % sodium laurylsulphate /

0.01 N HCl by gently shaking the plates. Then plates were incubated overnight at 37 ºC

and 5 % CO2 atmosphere to allow the solution to solubilize, and evaluated using a

microplate reader (Bio-Rad, USA) at 570 nm.

Statistical Analysis

Means and standard deviations were calculated for absorbance values for each group and

percentage inhibitory dosage (% ID) for each test material. The data were analyzed using

a one-way analysis of variance (ANOVA) followed by a Student-Newman–Keuls method

(P<0.05) to determine the significance among the means.

Results

Results of the variability of the percentage of inhibition with the test dentifrice dose are

shown in Figures 1 and 2. The points on each line represent the mean of six wells per

dose. The percentage of inhibition corresponds to the extent of cytotoxicity of the

material. Neither of the dentifrices produced a percentage of inhibition greater than

50 %, the value at which the degree of cytotoxicity starts to be appreciable. Furthermore,

there were no marked increases in cytotoxicity with either incubation time. The positive

control had almost zero percent cell survival and a 97 ± 2 % inhibitory dosage. The

negative control had a 100 % cell survival rate and a 0 % inhibitory dosage. Close

examination of Figures 1and 2 indicates that the 48-hour incubation test resulted in a

higher percentage of inhibition than the 24-hour test. Statistical analysis of the data

presented in Tables 1 and 2 indicated that the test dentifrice dose had no significant effect

on cell viability.

Discussion

The MTT cytotoxicity assay is an in vitro screening test for dental materials. The results

of this investigation indicated that the new dentifrice formulation based on a mixture of

ion-exchange resins that release calcium, zinc, fluoride, and phosphate ions is safe for

intra-oral use. The fact that the experimental formulation had a higher level of available

fluoride (approximately 1400 ppm) than Crest® Extra Whitening toothpaste (control

group) (1100 ppm) was reflected in the slightly higher percentage of inhibition of the

experimental formulation in the 24-hour incubation test. However, this outcome did not

result in cell cytotoxicity, because in the 48-hour test the differences between them were

not appreciable. One conceivable rationale for adding the ion-exchange resin mixture to

the toothpaste matrix was to provide a controlled release system with long-term action.

In this way, calcium, phosphate, zinc and mainly fluoride ions can be slowly introduced

into the media over time. In fact, the theoretical fluoride dose differed from the measured

level as a result of the ion-exchange process. The new experimental toothpaste was not

cytotoxic even after 48 hours of incubation. Apart from the MTT chemical evaluation of

cell survival, viable cells were observed under the optic microscope during the incubation

procedure. Direct cell observation, another way of verifying the toxic effect of fluoride

on cell growth 10 showed no visible effect on cell health for both dentifrices and MTT

assays, since cell density and characteristic shape were maintained. After the 48-hour

incubation periods, higher dentifrice concentrations showed that a higher percentage of

inhibition could produce cytotoxicity. Because no signs of cytotoxicity were observed, it

was concluded that fluoride dentifrice dosages above 500 ppm acted as a barrier for cell

growth. It has already been reported11 that low levels of cytotoxicity are associated with

fluoride levels above 10 ppm. The highest dentifrice concentrations used in this study

were approximately 7.4 ppm of fluoride for the new experimental toothpaste and 5.5 ppm

of fluoride for the Crest® Extra Whitening dentifrice. Both of these products contain

fluoride but at levels below that reported limit for fluoride cytotoxicity.

It was concluded that the experimental toothpaste based on a mixture of ion-exchange

resins (named NMTD) containing calcium, fluoride, phosphate and zinc ions that was

evaluated in this study was not cytotoxic despite having a potentially higher fluoride

release than the existing commercial dentifrice, Crest Extra Whitening toothpaste.

Acknowledgements

This work was supported by an F.I. Research Grant from the Autonomous University of

Barcelona. The authors wish to thank Professor Josep Mª Suñé from the Industrial

Pharmaceutical Technology Department of the University of Barcelona for his

collaboration in the development of the new experimental toothpaste.

a.- Crest Extra Whitening toothpaste, Procter & Gamble, OH, USA b.- NMTD - Spanish Patent 9700016, Desarrollo Científico Aplicado, S.L., Barcelona

(rights owner). c.- Sigma Chemical Co., St Louis. MO, USA d.- American Type Culture Collection, Rockville, MD, USA e.- Acros. organics, New Jersey, USA

Tables and Figures Table 1.

Statistical evaluation of the NMTD experimental toothpaste dose on percentage of inhibition in a 24-hour and a 48-hour MTT cytotoxicity assay

Table 2.

Statistical evaluation of Crest Extra Whitening toothpaste dose on percentage of inhibition in a 24-hour and a 48-hour MTT cytotoxicity assay

Figure I. The metabolism of fluoride Figure 1. Percentage of cell growth inhibition after 24 hours (A) and 48 hours (B) incubation with the NMTD experimental toothpaste Figure 2. Percentage of cell growth inhibition after 24 hours (A) and 48 hours (B) incubation with Crest® Extra Whitening toothpaste

References [1] Shulman JD, Wells LM. Acute fluoride toxicity from ingesting home-use dental

products in children, birth to 6 years of age. J Public Health Dent. 1997 Summer;57(3):150-8.

[2] Whitford GM. The physiological and toxicological characteristics of fluoride. J

Dent Res. 1990 Feb;69 Spec No:539-49; discussion 556-7. [3] Ripa LW. An evaluation of the use of professional (operator-applied) topical

fluorides. J Dent Res. 1990 Feb;69 Spec No:786-96; discussion 820-3. [4] Spanish Patent 9700016, Desarrollo Científico Aplicado, S.L., Barcelona (right

owner). [5] Whitford GM, Birdsong-Whitford NL, Finidori C. Acute oral toxicity of sodium

fluoride and monofluorophosphate separately or in combination in rats. Caries Res. 1990;24(2):121-6.

[6] Tse CS, Lynch E, Blake DR, Williams DM. Is home tooth bleaching gel

cytotoxic? J Esthet Dent. 1991 Sep-Oct;3(5):162-8. [7] Schweikl H, Schmalz G. Toxicity parameters for cytotoxicity testing of dental

materials in two different mammalian cell lines. Eur J Oral Sci. 1996 Jun;104(3):292-9.

[8] Mosmann T. Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival:

application to proliferation and cytotoxicity assays. J Immunol Methods. 1983 Dec;65(1-2):55-63.

[9] Bean TA, Zhuang WC, Tong PY, Eick JD, Chappelow CC, Yourtee DM.

Comparison of tetrazolium colorimetric and 51Cr release assays for cytotoxicity determination of dental biomaterials. Dent Mater. 1995 Sep;11(5):327-31.

[10] Helgeland K, Leirskar J. pH and the cytotoxicity of fluoride in an animal cell

culture system. Scand J Dent Res. 1976 Jan;84(1):37-45. [11] Kan KC, Messer LB, Messer HH. Variability in cytotoxicity and fluoride release

of resin-modified glass-ionomer cements. J Dent Res. 1997Aug;76(8): 1502-7.

Table 1.

24-hour Incubation 48-hour Incubation Dentifrice

dose (µg/ml)

Absorbance SD Dentifrice

dose (µg/ml)

Absorbance SD

Positive control* 0.018 0.017 Positive

control* 0.021 0.008

75.75 0.409 0.034 5050 0.608 0.050 252.5 0.423 0.034 0.750 0.737 0.080 7.575 0.427 0.020 7.575 0.753 0.100 126.5 0.43 0.034 2525 0.759 0.010 0.750 0.459 0.020 75.75 0.76 0.050 505.0 0.469 0.053 1010 0.771 0.070 5050 0.479 0.147 126.5 0.773 0.100 1010 0.488 0.064 252.5 0.781 0.060

Negative control*’ 0.582 0.014 Negative

control*’ 0.924 0.045

Groups connected by brackets are not statistically different P >0.05 * Positive control: Phenol 10 µl/5ml in 6% MEM *’ Negative control: HBSS

Table 2.

24-hour Incubation 48-hour Incubation Dentifrice

dose (µg/ml)

Absorbance SD Dentifrice

dose (µg/ml)

Absorbance SD

Positive control* 0.03 0.008 Positive

control* 0.016 0.007

129.6 0.423 0.057 5183 0.476 0.045 77.40 0.443 0.072 2591 0.695 0.056 1037 0.449 0.023 1037 0.73 0.074 259.1 0.451 0.040 259.1 0.738 0.032 7.770 0.454 0.036 77.40 0.821 0.070 2591 0.458 0.036 7.770 0.858 0.059 0.770 0.463 0.033 129.6 0.872 0.104 518.3 0.473 0.041 0.770 0.901 0.038

Negative control*’ 0.508 0.031 Negative

control*’ 0.949 0.017

Groups connected by brackets are not statistically different P >0.05 * Positive control: Phenol 10 µl/5ml in 6% MEM *’ Negative control: HBSS

Figure I.

Lungs GI Tract Metabolism

Hard Tissues Plasma

Soft Tissues ECF ICF

Urine Feces Sweat

Figure 1A.

Dose (µg/ml)

0 1000 2000 3000 4000 5000

% In

hibi

tion

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Figure 1B.

Dose (µg/ml)

0 1000 2000 3000 4000 5000

% In

hibi

tion

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Figure 2A.

Dose (µg/ml)

0 1000 2000 3000 4000 5000

% In

hibi

tion

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Figure 2B.

Dose (µg/ml)

0 1000 2000 3000 4000 5000

% In

hibi

tion

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

ANNEX 8

REMINERALIZATION POTENCIAL OF A NEW TOOTHPASTE

BASED ON AN ION-EXCHANGE RESINS MIXTURE

RELEASING CALCIUM, FLUORIDE AND PHOSPHATE IONS:

AN IN VITRO STUDY

A.Torrado 2, M. Valiente2, W. Zhang1, Y. Li1 and C.A. Muñoz1

1School of Dentistry, Loma Linda University, Loma Linda, CA 92350, USA

2Quimica Analitica, Universitat Autonoma de Barcelona, Bellaterra, E-08193, Spain

Remineralization Potential of a new Toothpaste based on Ion-

Exchange Resins

Corresponding author: Carlos A. Muñoz, DDS, MSD

School of Dentistry

Loma Linda University

11092 Anderson St.

Loma Linda, CA 92350

Phone: 909-558-0656

Fax: 909-558-0270

E-mail address: [email protected]

Key words

Remineralization, toothpaste, ion-exchange, fluoride

Abstract

The aim of the present study was to determine the ability of a dentifrice containing a

mixture of ion-exchange resins (named NMTD), which supplies calcium, fluoride,

phosphate and zinc ions, to promote remineralization and/or inhibit demineralization

of dental human enamel in a pH cycling model in vitro. A fluoride toothpaste was

used as the control. The enamel specimens were tested for microhardness before and

after 10 days and 16 days of the demineralizing and remineralizing treatments. The

results of this study showed that both dentifrices were effective in limiting in vitro

enamel demineralization although the effects were not significantly different from

each other. Inclusion of calcium and phosphate ion-exchange resins in the dentifrice

containing a fluoride ion-exchange resin maintained a similar net outcome of the

conventional dentifrice in demineralization-remineralization process under the

experimental conditions employed.

Introduction

Despite the fact that caries affects a large percentage of the population, its rates have

declined substantially due to fluoride use. The protective role of fluoride against

dental caries was not recognized until the mid-1930s, when epidemiologic studies1

demonstrated that children drinking naturally fluoridated water had fewer caries than

those in populations with water supplies low in fluoride concentration.

The presence of fluoride in saliva has been correlated with increased rates of

remineralization and decreased caries incidence. Even trace concentrations of fluoride

ions are effective in promoting calcium hydroxyapatite formation from supersaturated

solutions of calcium and phosphate. For this reason fluoride is added to toothpastes,

mouthrinses2 and drinking water as an anticaries agent. The use of fluoride-containing

toothpastes has proven to reduce the incidence of caries in numerous clinical studies.

Most toothpastes available in the United States contain about 1100 ppm fluoride.

However, fluoride’s ability to promote remineralization in the oral environment is

limited by the presence of calcium in saliva. Demineralization and remineralization

can be considered a dynamic process, characterized by the flow of calcium and

phosphate out of and back into tooth enamel, that should be balanced in order to

prevent the progression of caries. This means that the formation of a cavity will be

prevented if the average amount of demineralization that occurs is equal to or

exceeded by the average amount of remineralization. The pH at which

demineralization and remineralization occurs depends on the concentration of calcium

and phosphate in saliva and plaque fluid.

The new mineral, that is formed if fluoride, calcium and phosphate are present in

adequate proportions, contains hydroxyapatite and fluoroapatite (Ca5(PO4)3F), both of

which are less soluble than the original carbonated calcium hydroxyapatite. 3

The relevant chemical reactions are schematized in Figure 1.

Probably the most effective caries-preventive treatment available today is fluoridation

of municipal water supplies (optimal concentration of fluoride in water ranges from

0.7-1.0 ppm) and the use of fluoride-containing toothpastes. However with the

introduction of fluoridated water in some countries and in addition dental products

containing fluoride in most countries, there has been an increase in exposure to

fluoride in children and also increased risk of toxicity and dental fluorosis.4 In this

sense, the current fluoridated toothpastes have an important shortcoming that is

identified by a high concentration of fluoride released into biological fluids. For this

reason, rational precautions when using fluoride in children less than 6 years old will

reduce any risk considerably.

Future perspectives of fluoride utilization could be found in optimizing the control

and/or slow release of fluoride in the oral environment. Furthermore, the essence of

the remineralizing concept might be achieved by simultaneously supplying calcium,

phosphate and fluoride ions to the teeth, in order to induce the formation of calcium

fluoroapatite which remineralizes and strengthens the tooth. In this sense, a toothpaste

with a controlled release of mineral ions based on an ion-exchange system instead of

the dispensing system that keeps the calcium source separate from phosphate and

fluoride salts,5 is proposed. This new product allows mixing all the ions together and

preventing them from entering in contact and precipitating before the application. Ion-

exchange resins are insoluble high molecular weight compounds carrying ionic

functional groups that can react with ions in solution through the ion-exchange

mechanism.6 The majority of these resins are not toxic and some of them are used in

the food industry,7 pharmaceutical industry and in medical applications.8 The

application of ion-exchange materials has advantages in comparison with the

conventional chemical reagents. These materials do not introduce undesirable ions

into the solution, ions release is carried out only by the ion-exchange mechanism, they

are characterized by practically neutral pH values and they can also adsorb bacteria on

the surface. On the other hand, it provides a controlled release system for the anti-

carious treatment of dental tissues. Although it is a long time since fluoride ion-

exchange resins started to be used in the dental field,9-11 no data about simultaneous

release of calcium, phosphate and fluoride by ion-exchange resins mixture in tooth

paste has been found in the literature.

The aim of the present study was to determine the ability of a dentifrice containing a

mixture of ion-exchange resins (named NMTD)12 which supplies calcium, fluoride,

phosphate and zinc ions, to promote remineralization and/or inhibit demineralization

of dental human enamel in a pH cycling model in vitro.

Materials and methods

Preparation of carious lesions

Enamel samples from third molar human teeth were sectioned in four parts by using a

diamond disc. Each part was mounted in 0.6 cm diameter plastic rods with a dental

adhesive (Optibond Solo Plus, Kerr, USA) and in order to prevent adhesive from

hydrolyzing the interface enamel-plastic rod, it was covered with a second dental

adhesive (Optibond FL, Kerr, USA). All specimens were ground and polished and

twenty specimens presenting a perfectly flat and intact surface were selected and

divided in two groups. Acid resistant nail varnish was used to cover all sides of the

specimen except the surface.

Carious lesions representing the preliminary stage of subsurface enamel

demineralization were produced by suspending each rod, containing each enamel

specimen, into 13 ml of 0.1 M lactic acid / 0.2 % polyacrylic acid (Carbopol C907) /

50 % saturated hydroxyapatite solution at pH 5.0 for 72 hours.13 After creating the

lesion an average surface hardness of 107 ± 21 Knoop hardness number (KHN) was

obtained (sound enamel: 310≤ KHN ≤ 350).14

Test Dentifrices

Two test dentifrices were compared in this study: a sodium fluoride toothpaste

containing 0.16 % (w/v) fluoride ion (Crest Extra-whitening toothpaste,

Procter&Gamble, OH, USA) and an experimental toothpaste based on a mixture of

ion-exchange resins, named NMTD, which releases calcium, fluoride, phosphate and

zinc ions. Free ionic fluoride was evaluated from the supernatant of a centrifuged

0.4 % (w/w) dentifrice:miliQ water suspension whereas total fluoride was evaluated

directly from the suspension without centrifuging. Fluoride available in both

toothpastes and a placebo, containing neither fluoride ion nor any ion-exchange resin,

were evaluated following a modification of the hexamethyldisiloxane (HMDS)

microdiffusion method developed by Taves.15 In a polystyrene Petri dish, 1 ml of

toothpaste suspension and 2 ml of miliQ water were placed. The trapping solution,

100 µl NaOH 0.075 N, was placed in droplet form on the lid which was next sealed

with Vaseline. One ml of HMDS-saturated 3 N H2SO4 solution was introduced into

the dish through a 1-mm hole in the lid and the hole was quickly covered with

Vaseline. All samples were gently hand agitated and left overnight. After this time,

the trapping solution was neutralized with 50 µl HClO4 0.15 N, and analyzed in

TISAB background with a fluoride ion-selective electrode (Orion, USA).

pH-cycling experiments

Specimens were randomized in groups of five specimens each. The pH cycling

treatment regimen was a variation of the method originally developed by Ten Cate

and Duijsters.16 It consisted of one-minute soaking of each group in 10 ml of 33 %

(w/w) dentifrice/natural human saliva slurry, four times per day (at 8:30 a.m., 9:30

a.m., 2:30 p.m. and 3:30 p.m.) to simulate tooth brushing exposure. Between

treatments with dentifrice, the treatment groups were immersed in 15 ml 350 rpm

agitated natural human saliva (pH= 7.8 ± 0.5) at 37 ºC for 1 hour periods, to effect

remineralization through an acquired pellicle (saliva was collected by wax stimulation

each day). In order to simulate the daily acid challenges from plaque bacteria,

specimens were immersed daily at 10:30 a.m. during three hours in synthetic acid

demineralization solution (same composition as lesion preparative solution). The

continuous demineralization-remineralization cycles were carried out for 16 days.

Over the weekend, specimens were refrigerated in a 100 % humidity atmosphere.

Surface Microhardness analysis

Three indenter penetration measurements were made initially, after demineralization

and after 10 and 16 days of treatment, using a Leco M-400-H1 hardness testing

machine with a 200 g load. The rods containing the enamel specimens were held

perpendicular to the indenter path by using an specially designed specimen holder.

Knoop harndess measurements were determined from the extent of the indenter

lengths.

Data Analysis

Results obtained on microhardness determination were analyzed by a one-way

ANOVA test. The differences among mean values were compared by Student-

Newman-Keuls multiple comparison test (P<0.05).

Results

Fluoride availability

Fluoride availability results are shown in Table 1. We can see that the placebo has no

fluoride in its formulation whereas the new toothpaste has a considerable higher

content of total fluoride than the commercial one. Because it is known that the

absence of fluoride content does not promote remineralization, the placebo

formulation was not tested for the pH-cycling experiments and only the positive

control was used as reference for the comparison of results. However, it can be seen

that both toothpastes have a comparable level of free ionic fluoride. That is because

the particles of fluoride ion-exchange resin constituting the active principle of the new

toothpaste are surrounded by a layer of soluble NaF, which was used for the fluoride

ion-exchange preparation. So, when the new toothpaste enters in contact with the

natural human saliva, fluoride appearance into the environment will take place

through two mechanisms: first, by direct solubilization of fluoride from the NaF salt

and second, through an anion-exchange process between fluoride immobilized in the

organic matrix and anions present in the natural human saliva, i.e. chloride.

The results shown in Figure 2, concerning the kinetics of total fluoride available,

indicate an increasing difference between the concentrations of fluoride from NMTD

paste and NaF paste present in solution. This behavior corresponds to the ion-

exchange mechanism present in the novel toothpaste. At the beginning of both

experiments the fluoride release is practically the same due to the same source of

fluoride, as indicated before, NaF was also present in the NMTD toothpaste. In the

case of NMTD paste, the ion-exchange resin is encapsulated in the toothpaste base

matrix, so the exchanging solution must first diffuse through the toothpaste base and

then through the particles of the resin. Furthermore, is very well known that ion-

exchange resins need a previous period of swelling in order to help ions diffuse

through the inner paths of the ion-exchange resins,6 apart from the time of the ion-

exchange reaction itself. So, it must be noted that the mechanism that involves the

fluoride releasing from the new toothpaste is complex and long-lasting.

Surface Microhardness results

The surface microhardness evaluations of the lesions are shown in Table 2, in which

the hardness numbers are indicated for initial lesions and post pH-cycling lesions. The

same data is presented in Figures 3 and 4, in terms of Knoop hardness number or

percentage of remineralization versus time, respectively. Each point on each line

represents the mean of the treatment of ten specimens per group. In general, fluoride

dentifrices effect significant increases in surface hardness of the specimens during pH

cycling remineralization conditions, what can be verified in Figures 3 and 4.

Both fluoride-based toothpastes limited very effectively lesion progression. Both

types of dentifrices were not statistically different from each other (p>0.05) and in

each case there were no significant differences after 10 and 16 days of treatment

(p>0.05).

Discussion

The in vitro model reported here provides a test to measure the inhibition of

demineralization and the enhancement of remineralization. It reveals whether the

overall caries progression can be remarkably inhibited in a cycling

demineralization/remineralization situation. The results of this study indicate that the

new toothpaste based on NMTD, having a smaller release of fluoride into saliva,

achieves similar results to the commercial control NaF toothpaste. In this sense, both

toothpastes inhibit demineralization and enhance remineralization as in 16 days a 50%

increase in enamel hardness is achieved. These results confirm the hypotheses

originated by Koulourides and coworkers surrounding the importance of fluoride-

enhanced early lesions remineralization towards conferring acid resistance to

enamel.17-19 Free ionic fluoride supplied by the dentifrices and the fluoride’s ability to

incorporate into the mineral part affected by the carious lesion are mainly responsible

for the remineralization potential of both toothpastes. Note that the new toothpaste

also supplies calcium, zinc and phosphate ions. The role of zinc ion is anti-

bacteriological, that is, prevention from the formation of plaque acid. On the other

hand, treatment of enamel with calcium and phosphate has been shown to promote

fluoride uptake by enamel.20-21 A higher fluoride content will reduce enamel

solubility due to hydroxyapatite transformation to fluoroapatite by OH-/F- substitution

and, the dissolution of calcium hydroxyapatite in an acidic media is a reversible

reaction, the direction of which is dependent on the pH of the solution and the

concentrations of calcium and phosphate ions present. This way, during

remineralization the inclusion of higher concentrations of ionic calcium and

phosphate in the media will result in an increase in the degree of supersaturation, and

thereby an increase in the rate of deposition of mineral into the enamel.

The novelty of the product assayed then, is that is capable of supplying calcium,

phosphate and fluoride ions through a controlled release mechanism depending on the

tooth demand. In this sense, if a tooth has a mineral defect due to an acidic attack,

undergoing a carious lesion, the product is able to regenerate the natural composition

of the tooth as well as to regulate the pH conditions in order to prevent calcium

hydroxyapatite dissolution.

Concerning the content of calcium and phosphate ions in the new toothpaste, it is

lower than the ones present in the experimental toothpaste assayed by Schemehorn et

al., which concluded that supplementation of salivary calcium and phosphate

concentrations with a fluoride-containing dentifrice promotes the remineralization of

enamel.2 It must also be considered that the in vitro cyclic regimen of treatment may

underestimate the protective effects of the toothpaste because the enamel specimens

are thoroughly rinsed after each treatment, and any residual toothpaste is washed

away. Under these conditions the concentration of fluoride, calcium and phosphate

ions in the media will not be optimized. In addition, clinically, any tooth brushing will

not last more than one minute, which was the time used for the present study. The

presence of NaF in the corresponding resins mixture of NMTD conditions to some

extent, the results obtained. A future work with absence of NaF in the resin, will

contribute to clarify the mechanism of fluoride release in such complex systems.

Taking into account these considerations and the parameters influencing the ions

release from a resin (i.e. strong/weak character, particle size, available surface, etc.),

further studies should be carried out to complete a methodical knowledge of this

system. At this point, we suggest a revision of calcium and phosphate ions content in

the dentifrice and further demineralization-remineralization in vitro and in vivo

studies.

Conclusions

The new toothpaste containing NMTD which supplies calcium, fluoride, phosphate

and zinc ions was effective in limiting in vitro enamel demineralization. Inclusion of

calcium and phosphate ion-exchange resins in the dentifrice containing also a fluoride

ion-exchange resin, did not affect the net outcome of the demineralization-

remineralization process under the experimental conditions employed.

Acknowledgements

This work was supported by a FI Research Grant from the Autonomous University of

Barcelona. The authors wish to thank Neil Jessop (University of Loma Linda) for his

technical assistance and Professor Josep Mª Suñé from the Industrial Pharmaceutical

Technology Department of the University of Barcelona for his collaboration in the

new experimental toothpaste development.

References 1.- Dean HT, Arnold FA Jr, Elvove E: Additional studies of the relation of

fluoride domestic waters to dental caries experience in 4425 white children aged 12 to 14 years of 13 cities in 4 states. Public Health Rep 1942;65:1403-1408.

2.- Schemehorn BR, Orban JC, Wood GD, Fischer GM: Remineralization by

fluoride enhanced with calcium and phosphate ingredients. J Clin Dent 1999;10(1):13-16.

3.- Aoba T: The effect of fluoride on appatite structure and growth. Crit Rev Oral

Biol Med 1997;8(2):136-153. 4.- Pendrys D: Risk of fluorosis in a fluoridated population. Implications for the

dentist and hygienist. JADA 1995;126:1617-1624. 5.- Winston AE: The origins of Enamelon remineralizing fluoride toothpaste. J

Clin Dent 1999;10(1):7-8. 6.- Dorfner K: Introduction to ion exchange and ion exchangers; in Dorfner K.

(ed.): Ion Exchangers. Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, pp 55-126. 7.- Kunin R: An overview of industrial applications; in Dorfner K. (ed.): Ion

Exchangers. Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, pp 677-684. 8.- Pirotta M: Ion exchangers in pharmacy, medicine and biochemistry; in Dorfner

K. (ed.): Ion Exchangers. Walter der Gruyter Publisher: Berlín, 1991, pp 1073-1096.

9.- Turpin-mair JS, Rawls HR, Christensen LV: An in vitro study of caries

prevention, cavity adaptation, homogeneity and microleakage of a new fluoride-releasing resin. J Oral Rehab 1982;9:523-530.

10.- Cook PA, Youngson CC: A fluoride-containing composite resin-an in vitro

study of a new material for orthodontic bonding. Br J Orth 1989;16:207-212. 11.- Rawls HR: Preventive dental materials: sustained delivery of fluoride and

other therapeutic agents. Adv Dent Res 1991;5:50-55. 12.- Desarrollo Científico Aplicado S.L. (DCA): Material remineralizante de

tejidos organominerales. Spanish Patent 9700016. 1997, Barcelona, Spain (rights owner).

13.- White DJ: Use of synthetic polymer gels for artificial carious lesion

preparation. Caries Res 1987;21:228-242. 14.- Arends J, Schuthof J, Jongebloed WG: Microhardness indentations on

artificial white spot lesions. Caries Res 1979;13:290-297.

15.- Taves DR: Separation of fluoride by rapid difusión using hexamethyldisiloxane. Talanta 1968;15:969-974.

16.- Ten Cate JM, Duijsters PPE: Alternating demineralization and

remineralization of artificial enamel lesions. Caries Res 1982;16:201-210. 17.- Koulourides T, Phantumvanit P, Munsgaard EC, Housch T: An intraoral

model used for studies of fluoride incorporation in enamel. J Oral Pathol. 1974;3:185-196.

18.- Koulourides T, Cameron B: Enamel remineralization as a factor in the

pathogenesis of dental caries. J Oral Pathol 1980;9:255-269. 19.- Koulourides T: Increasing tooth resistance to caries through remineralization.

Food Nutr Dent Health 1982;2:193-207. 20.- Takagi S, Chow LC, Yamada EM: Enhanced enamel uptake by monocalcium

phosphate monohydrate gels. J Dent Res 1987;66:1523-1526. 21.- Koo RH, Cury JA: Soluble calcium/SMFP dentifrice: Effect on enamel

fluoride uptake and remineralization. Am J Dent 1998;11(4):173-176.

Legends Table 1. Fluoride availability Table 2. Enamel surface microhardness measurements Figure 1. Some chemical reactions relevant to the caries process involving

fluoride Figure 2. Kinetics of total fluoride availability Figure 3. Enamel surface hardness evolution during the demineralization and

remineralization process. Each line joins mean data points for each test group

Figure 4. Remineralization percentage exerted by toothpastes tested

Figure 1

Saliva – Plaque fluid

Ca 2+ Phosphate

+ low fluoride

+ high fluoride

Fluoride dissolution back into the oral fluids

Calcium fluoride

Hydroxyapatite fluor(hydroxy)apatite

Time (min)

0 2 4 6 8 1010 1020 1030

mg

F- / K

g pa

sta

rele

ased

0

400

800

1200

1600

NMTD toothpasteNaF toothpaste

Figure 2

Time (Days)

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

KH

N

50

100

150

200

250

300

350


Demineralization process

Figure 3

Time (days)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

% R

emin

eral

izat

ion

80

100

120

140

160

180


Figure 4

Table 1

Treatment group Total fluoride (ppm) Free ionic fluoride (ppm)

Placebo 5 ± 2 3 ± 1

NMTD toothpaste 1456 ± 126 965 ± 85

NaF toothpaste 999 ± 92 1032 ± 92

Table 2

Treatment group KHN Initial KHN After 10 days KHN After 16 days

NMTD toothpaste 104 ± 9 (a) 135 ± 21 (c) 150 ± 19 (b) (c)

NaF toothpaste 110 ± 10 (a) 144 ± 19 (b) (c) 159 ± 13 (b)

(a), (b), (c) test groups not significantly different at p< 0.05 level

ANNEX 9

In Vitro Study on Cleaning Power and Abrasivity of a new

Toothpaste based on Ion-Exchange Resins

Anna Torrado, PhD Graduate Student, Quimica Analitica, Universitat Autonoma de Barcelona, Bellaterra, Spain.

Manuel Valiente, Professor, Quimica Analitica, Universitat Autonoma de Barcelona, Bellaterra, Spain.

Carlos A. Muñoz, DDS, MSD, Professor and Director, Center for Dental Research, Loma Linda University School of Dentistry, Loma Linda, CA.

Corresponding author: Carlos A. Muñoz, DDS, MSD School of Dentistry Loma Linda University 11092 Anderson St. Loma Linda, CA 92350 Phone: 909-558-0656 Fax: 909-558-0270

In Vitro Study on Cleaning Power and Abrasivity of a new

Toothpaste based on Ion-Exchange Resins

Abstract

Purpose: This laboratory study compared the stain removal efficacy and enamel

abrasivity of a new experimental dentifrice based on an ion-exchange resins mixture

that releases calcium, fluoride, phosphate and zinc ions (named NMTD1), to five

commercially available dentifrices: Crest Extra-whitening toothpaste, Crest Tartar

Protection toothpaste, Crest Cavity Protection toothpaste and Colgate Fluoride

Cavity Protection toothpaste. Calcium pyrophosphate was used as a control for the

efficacy of the staining removal experiment. Materials and Methods: Cleaning

power evaluation was made following the method developed by Stookey et al. at

Indiana University Oral Research Institute. The abrasion of the toothpastes was

determined by means of a brushing machine, using 2000, 4000 and 8000 strokes and a

250g toothbrush load. Bovine specimens were prepared and abrasion was measured

by a surface profilometer system. Results showed that the new experimental

dentifrice does not remove stains whereas Crest Extra-whitening and Crest Cavity

Protection dentifrices produce statistically significantly improved stains removal

when compared with calcium pyrophosphate control. Abrasion studies demonstrated

that abrasion was linearly correlated to the number of strokes and the abrasion rates

proved to be non significant for Colgate and the new experimental dentifrices, but

being significant for Crest Extra-whitening, Crest Tartar Protection and Crest

Cavity Protection.

Clinical Significance: This study demonstrated that the use of a dentifrice based on

an ion-exchange mixture was not effective at removing stains when compared to other

commercially available toothpastes.

Key words: stain removal, abrasion, toothpaste, ion-exchange

Introduction

Cleaning of the tooth surfaces is one of the most important functions of dentifrices.

Human teeth have a natural color that is determined by the dentine and modified by

the thickness and translucency of enamel. Discoloration of teeth can be classified in

terms of intrinsic or extrinsic staining. Intrinsic stains are the result of the presence of

chromogens within the enamel and dentin whereas extrinsic ones are those found on

the surface of the teeth deposited on or in the acquired pellicle, which is a

structureless glycoprotein film. Some substances like tea, coffee, tobacco and certain

drugs may accelerate stain accumulation. The ideal cleaning system must show the

capability of removal of unwanted deposits with minimal reactivity on enamel and

dentin surfaces. The best oral hygiene practice to remove plaque and extrinsic stains is

toothbrushing with the use of a toothpaste. One would tend to think that toothbrushing

action is responsible for the damage that may be caused to the oral tissues. However,

hard tissue abrasion is a function of the toothpaste since the toothbrush only

contributes in the sense of transporting the toothpaste over the surface.2,3 So, dental

abrasives play an important role in the cleaning power of a dentifrice. The degree of

abrasion shown by an agent is directly influenced by its own properties such as

chemical composition, crystal structure, cleavage, friability, hardness, particle shape,

surface features and particle size distribution, solubility, concentration and

compatibility with other ingredients of the toothpaste. Nowadays the development of

better cleaning formulations has been further complicated by the tendency towards the

use of ingredients such as fluoride, antimicrobials, desensitizing agents and tartar

control chelants. It was a long time ago since the protective role of fluoride against

dental caries was recognized.4 Probably the most effective caries preventive treatment

available today is fluoridation of municipal water supplies and the use of fluoride-

containing toothpastes. However, this dental products supply a high concentration of

ionic fluoride directly to the biological fluids increasing the risk of toxicity and dental

fluorosis.5 In this sense future perspectives of fluoride utilization are found in

optimizing the control and/or slow release of fluoride in the oral environment. For this

reason, a toothpaste with a controlled release of mineral ions based on an ion-

exchange system, specifically an ion-exchange resins mixture that releases calcium,

fluoride, phosphate and zinc ions (named NMTD), was developed. The application of

ion-exchange materials has advantages in comparison with the conventional chemical

reagents. These materials do not introduce undesirable ions into the solution, ion

release is carried out only by the ion-exchange mechanism, they are characterized by

practically neutral pH values and they can absorb bacteria on the surface. Once again,

it is essential to formulate an adequate toothpaste matrix compatible with the function

of anticarious treatment of dental tissues of the ion-exchange resins mixture, which is

going to be encapsulated.

Substances of many kinds, either natural or synthetic, are being used as abrasive

agents in dentifrices. The most common abrasive used in toothpastes today is

silica.6,7,8 The interest in silicas derives from different advantages, including:

compatibility with other toothpaste ingredients, controlled chemical purity and

particle size and the possibility to vary its concentration in order to achieve the

desired degree of cleaning.

The methodologies most widely used in the evaluation of the changes in tooth color

are spectrophotometry, based on the color space L*a*b* coordinates (established by

the Commission Internationale de L’Eclaraige (CIE)9) or scanning electron

microscopy.10,11 Likewise, several methods have been described to estimate dental

abrasion: measuring weight changes of the test object,12 surface profile

measurements,3 and radioactivity measurements.13 This paper reports the effect of

stain removal efficacy and enamel abrasivity of a new experimental dentifrice based

on an ion-exchange resins mixture that releases calcium, fluoride, phosphate and zinc

ions (named NMTD), compared with five commercially available dentifrices.

Materials and methods

Test dentifrices

Four commercial dentifrices and a new toothpaste based on a mixture of ion-exchange

resins called NMTD which releases calcium, fluoride, phosphate and zinc ions

(NMTD toothpaste) were evaluated. The dentifrices were evaluated for effectiveness

of stain removal and abrasivity.

- The dentifrices evaluated for efficacy of stain removal were: Crest Extra-

whitening toothpaste and Crest Cavity Protection toothpaste.a

- The dentifrices evaluated for abrasivity effect on enamel were: Crest Extra-

whitening toothpaste, Crest Cavity Protection toothpaste, Crest Tartar

Protection toothpaste a and Colgate Fluoride Cavity Protection toothpaste. b

Calcium pyrophosphate, the ADA reference material, was used as a tooth surface

cleaning reference in the staining removal experiment. Abrasive composition within

these toothpastes was obtained directly from the package labeling. Each dentifrice

was tested on 8 tooth specimens.

Specimen preparation

Bovine central incisors were grinded in order to obtain specimens to fit a 12x17 mm

mold. This size was required to position the specimens in the specimen holder of a V8

cross-brushing machine. The enamel specimens were then embedded in an

autopolymerizing poly-(methacrylate) resin, in such a way that only the enamel

surface were exposed. The enamel was then smoothed and polished on wet 320 grit

silicon carbide sand paper followed by a 600 grit, under a constant flow of water.

Final polishing was carried out on a polishing wheel with 1.0 µm aluminum oxide

until the surface was devoid of surfaces scratches. Care was taken not to expose the

dentin surface.

Cleaning power evaluation

Cleaning power evaluation was made following the method developed at Indiana

University Oral Research Institute by Stookey et al.14 Bovine enamel specimens were

lightly etched to facilitate stain accumulation and adherence. This etching procedure

consisted of a sequential immersion in three different solutions: 60 seconds in 0.12 N

HClc solution, 30 seconds in a super-saturated Na2CO3 c solution and finally 60

seconds in 1 % phytic acid c solution.

The specimens were then rinsed with deionized water for one minute and attached to

the staining apparatus shown in Figure 1. The apparatus consisted of a continuously

rotating wheel at 2 r.p.m. For each rotation the specimens were exposed to 30

seconds of air followed by 30 seconds in the solution. The specimens were exposed

to a pellicle forming solution for 96 hours, composed of 2.7 g of instant coffee, 2.7 g

of instant tea, 2.0 g of gastric mucin c and 26 ml of 24 h Sarcina lutea turtox culture c

in 800 ml of sterilized trypticase soy broth. c The staining solution was kept at 37 ºC

and was changed every 12 hours. With each change the specimens were rinsed with

deionized water to remove any debris. After the four days period the specimens were

removed from the apparatus, rinsed well and stored in the refrigerator at 100 %

humidity.

Each specimen was placed on the V8 mechanical cross-brushing machine, d equipped

with soft, nylon-bristle toothbrushes e The bristle pressure was calibrated to 150

grams f by a weight sensor as shown in Figure 2. The sensor was placed at the bottom

of the trough of the V8 mechanical cross-brushing machine, and by the toothbrush

resting on it, the toothbrush pressure was adjusted to the desired load by tightening

and untightening the holding screw. The dentifrices were tested as a slurry consisting

of 25 g of dentifrice mixed with 40ml of deionized water, mixed thoroughly and the

specimens brushed for 800 forward and backward strokes. The positive control group,

calcium pyrophosphate slurry, with an arbitrary cleaning value of 100, was prepared

by adding 10 g in 50 ml of a 0.5 % carboxymethyl cellulose c solution. All the slurries

were mixed very vigorously before placing them on the V8 mechanical cross-brushing

machine. Eight specimens were brushed at a time.

Stained specimens were evaluated, before and after brushing treatment, for tooth color

using a Chromameter. g The intrinsic color of the teeth was recorded in triplicate using

the tristimulus L*a*b* color space. The individual L*a*b* color factors represent the

value (lightness or darkness) and the chromaticity, red-green, yellow-blue parameters

of human color perception. A change in color was evaluated by the following

expression:

(i)

Results of the equation indicate the color difference from baseline to test treatment. In

dentistry a ∆E* change greater than three is considered as perceptible to the human

eye. As this study attempted to indicate the change in value, the a* and b*

coordinates were not evaluated. Thus, only the L* component was used to balance the

specimens before the test and after.

222 *)(*)(*)(* baLE ∆+∆+∆=∆

Abrasion Evaluations

After polishing, the specimens were directly placed on the V8 mechanical cross-

brushing machine equipped with the toothbrushes described in the previous section.

The bristle pressure was, in this case was calibrated to 250 g and held constant on the

tooth surface. The dentifrices were tested as a slurry prepared identically as explained

in the previous cleaning power evaluation. The specimens were brushed for 2000,

4000 and 8000 forward and backward strokes, respectively. All the slurries were

mixed very vigorously each time before placing them on the V8 mechanical cross-

brushing machine. The specimens were rinsed with deionized water and ultrasonically

cleaned between treatments and dried with an absorbent tissue before carrying out the

abrasion measurements.

Abraded specimens were evaluated, before and after the brushing treatment, for tooth

surface roughness using a profilometerh equipped with a diamond stylus with a tip

radius of 10 µm. The stylus of the profilometer was moved across the abraded tooth

enamel surface perpendicular on the brushing action direction. The applied tracing

speed was 6 mm/s and the transverse range was set to 10 mm.

To assess the surface roughness, the Surftest III is designed to assess and indicate the

center line average Ra of a roughness curve. In Figure 3, if the total area below and

above the center line is M, the Ra is given as:

lMRa = (ii)

where l is the length along the center line.

The surface roughness was measured in three different areas and the average value

was calculated.

Data analysis

A one-way analysis of variance (ANOVA) was used to evaluate the differences

among test groups. If differences were found, a Student-Newman-Keuls test (P<0.05)

to identify the specific differences.

For the cleaning power evaluation, the treatment effects were assessed according to

relative efficacy, as compared against the reference calcium pyrophosphate abrasive

as follows:

100xLLLL)RatioCleaningPellicle(PCR

CiCf

TiTf

−−

=⋅⋅ (iii)

where LTi and LTf are L* chromameter values for test dentifrice treated specimens

initially and post brushing, and LCi and LCf were the values for the calcium

pyrophosphate abrasive control.

Results

Stain Removal Ability

An in-vitro test procedure was used to evaluate the cleaning potential of a new

experimental NMTD toothpaste and the results obtained were compared with two

commercially available toothpastes that are commercially available. Changes in

lightness values (L*) of bovine enamel specimens after brushing with the three

dentifrices can be observed in Table 1 and figure 4. Statistical tests demonstrated that

there were significant differences among the cleaning power of the tested dentifrices.

Compared to the baseline scores, the experimental dentifrice had no significant effect

on the extrinsic stains. Table 2 presents the intergroup comparisons of the ∆L*

extrinsic stain scores. The Crest silica-based dentifrices tested in this study showed

significantly better results in reducing the brownish pellicle than the experimental

toothpaste. The inclusion of a pyrophosphate salt in the formulation resulted in a

better degree of cleaning power. Thus Crest whitening toothpaste has a cleaning

power comparable, or even greater, to that of the positive control. Another way to

view the same results is shown in Figure 5, where the cleaning power ability is

expressed in terms of the Pellicle Cleaning Ratio (PCR), that is the percentage of stain

removed with each toothpaste. Essentially the commercial toothpastes were more

effective than the experimental one.

Abrasion

Table 3 shows the results of the surface roughness measurements for the toothpastes

assayed. In this case, together with the commercial toothpastes assayed in the

previous staining study, two toothpastes of known low and high abrasivity (Colgate

Fluoride Cavity Protection and Crest Tartar Protection toothpastes) were compared

to the experimental toothpaste as a negative and positive control respectively. Table 4

lists the abrasivity of the commercial dentifrices7 used in the present study. Note that

the dentifrice abrasivity toward enamel is measured by REA (radioactive enamel

abrasion) technique, method based on the enamel specimens neutron bombardment

resulting in the controlled formation of radioactive phosphorous 32P within the

specimens. During brushing, particles are abraded from the specimen producing

radioactive 32P source in the brushing slurry. The radioactivity is determined in a

scintillation counter. Although the assessment of dentifrices abrasion is different,

results obtained in the present study are similar to other already reported studies, as

the dentifrice abrasivity sequence obtained in both cases was the following: Crest

Tartar Protection > Crest Extra-whitening > Crest Cavity Protection > Colgate ≡

Experimental. In Figure 6, surface roughness dependence along with the number of

strokes is represented. Notice that, a first approximation to linearity can be

appreciated between both parameters15 except for the new experimental toothpaste

and the Colgate one. Statistical analysis showed that there were significant differences

among tested groups. In Table 5, further evaluation proved that the abrasion rates

were non significant for Colgate and the NMTD experimental dentifrices, but

appreciable for Crest Extra-whitening, Crest Tartar Protection and Crest Cavity

Protection.

Discussion

The ability of a dentifrice to remove extrinsic stain from the tooth surface has been

considered to be related to its abrasivity. In fact in this sense the results obtained from

both studies correlate well within each other, as the experimental toothpaste which is

of low abrasivity hardly removes any stain pellicle whereas Crest Extra-whitening

and Crest Cavity Protection provide a higher abrasion rate and accordingly remove a

higher percentage of extrinsic stains. So mechanical brushing with the new

experimental dentifrice based on a silica abrasive cleaning system does not afford the

expected results if compared with the conventional silica abrasive agent contained in

Crest formulations, that has a considerable effect.

Dentifrice abrasivity depends on the particle size and shape, hardness of the abrasive,

pH and others factors unrelated to the dentifrice, such as frequency of brushing and

hardness of the toothbrush bristles. Due to that fact that the latter factors remained

constant among all dentifrices tested in each study, only the physical properties of the

silica employed in each formulation would explain the disparity of the results

obtained. Indeed, the average particle diameter of the abrasive determines the abrasion

rate.3 On the other hand, chemically identical abrasives can also have different

cleaning/abrasion rates depending on the total dentifrice composition.16 This fact may

explain why dentifrices using the same type of abrasive differ in accordance with their

cleaning power potential. The abrasivity of a toothpaste must be determined on the

basis of its complete composition and not only limited to its abrasive agent.

It should be noted that the formulation of the toothpaste matrix compatible with the

ion-exchange resins mixture which is encapsulated in this new experimental

toothpaste was not evident. Despite the low abrasivity of some toothpastes and judged

to be not adequate to remove extrinsic stains, it has recently been reported that when

using these toothpastes, stained pellicle can be controlled by increased brushing

time.17,18 On the contrary Lamb et al.19 concluded that stained pellicle tends to

accumulate on the teeth when using this kind of toothpastes and the quality of oral

hygiene does not affect the degree of staining. Another consideration is that, dentin is

more vulnerable towards abrasivity due to its lower hardness, that’s why changes in

enamel abrasivity are not the primary concern when conducting tooth abrasion tests.

So globally, further studies on this new experimental toothpaste are recommended,

such as dentin abrasivity tests in order to decide whether a formulation revision is

necessary or not. The development of better cleaning dentifrices requires

consideration of formulation compatibility, cleaning power and hard tissue safety.

The results of this laboratory study demonstrated that toothbrushing with a new

experimental dentifrice based on an ion-exchange resins mixture that releases

calcium, fluoride, phosphate and zinc ions (named NMTD), didn’t reduce

significantly extrinsic stains from bovine enamel teeth, while the commercially

available dentifrices tested had significant effect on the stain. For the surface

roughness tests, the results obtained were similar to the ones from the low abrasive

Colgate toothpaste.

Acknowledgements

This work was supported by a FI Research Grant from the Autonomous University of

Barcelona. The authors would like to thank Neil Jessop from Loma Linda University

for his help and technical assistance and Professor Josep Mª Suñé from the Industrial

Pharmaceutical Technology Department of the University of Barcelona for his

collaboration in the new experimental toothpaste development.

a. Procter&Gamble, OH, USA. b. Colgate-Palmorive, NY, USA. c. ICN Biomedicals Inc., OH, USA. d. Sabri, Enterprises, Downers Grove, IL, USA. e. Oral-B Soft 40, Oral-B Laboratories, Belmont, CA, USA. f. Copper Instruments & Systems, model DFI Infinity, Warenton, VA, USA. g. Minolta CR221 Chromameter, Minolta Corp., Tokyo, Japan. h. Mitutoyo, Surftest III, Tokyo, Japan.

References: 1. Desarrollo Científico Aplicado S.L. Material remineralizante de tejidos

organominerales. Spanish Patent 9700016. 1997, Barcelona, Spain (rights owner).

2. Dyer D. et al. Abrasion and stain removal by different manual toothbrushes and brush actions: studies in vivo. J. Clin. Periodontol. 2001, 28(2): 121.

3. De Boer P, Duinkerke ASH, Arends J. Influence of tooth paste particle size and tooth brush stiffness on dentine abrasion in vitro. Caries Res. 1985, 19: 232.

4. Dean HT, Arnold FA Jr, Elvove E. Additional studies of the relation of fluoride

domestic waters to dental caries experience in 4425 white children aged 12 to 14 years of 13 cities in 4 states. Public Health Rep. 1942;65:1403.

5. Pendrys D. Risk of fluorosis in a fluoridated population. Implications for the

dentist and hygienist. JADA. 1995;126:1617. 6. Redmalm G. Dentifrice abrasivity. Swed Dent J. 1986, 10: 243. 7. Rice DE, Dhabhar DJ, White DJ. Laboratory stain removal and abrasion

characteristics of a dentifrice based upon a novel silica technology. J. Clin. Dent. 2001, 12(2): 34.

8. White DJ. Development of an improved whitening dentifrice based upon ‘stain-

specific soft silica’ technology. J. Clin. Dent. 2001, 12: 25. 9. Commission Internationale de L’Eclaraige. Suppl 2 to CIE publication 15 (E-

13.1), 1971/(TC-1.3), Paris: Bureau Central de la CIE, 1978. 10. Isaacs RL. Maintenance of tooth color after prophylaxis: comparison of three

dentifrices. J Clin. Dent. 2001, 12: 51. 11. Habib CM, Kugel G, Marcus A. Preliminary report: laboratory-induced stain

removal as assessed by environmental scanning electron microscopy. J Clin. Dent. 2001, 9: 64.

12. Wictorin L. Effect of toothbrushing on acrylic resin veneering material . II.

Abrasive effect of selected dentifrices and toothbrushes. Acta Odontol. Scand. 1972, 30(3): 383.

13. Hefferren JJ. A laboratory method for assessment of dentifrice abrasivity. J Dent

Res. 1976, 55: 563. 14. Stookey GK, Burkhard TA, Schemehorn BR. In vitro removal of stain with

dentifrices. J. Dent. Res. 1982, 61(11): 1236. 15. Svinnseth PN, Gjerdet NR, Lie T. Abrasivity of toothpastes. Acta Odontol. Scand,

1987, 45(3): 195.

16. Dyer D, MacDonald E, Newcombe RG, Scratcher C, Ley F, Addy M. Abrasion

and stain removal by different manual toothbrushes and brush actions: studies in vitro. J Clin. Periodontol. 2001, 28: 121.

17. Kitchin PC, Robinson HBG. How abrasive need a dentifrice be?. J. Dent. Res.

1948, 27: 501. 18. Baxter PM, Davis WB, Jackson J. Toothpaste abrasive requirements to control

naturally stained pellicle. J. Oral Rehabil. 1981, 8: 19. 19. Lamb DJ, Howell RA, Constable G. Removal of plaque and stain from natural

teeth by a low abrasivity toothpaste. Br. Dent. J. 1984, 157: 125.

Legends:

Table 1. Change in L* value of bovine enamel specimens after in vitro toothbrushing with the dentifrices

Table 2. Statistical comparison of L* values between tested groups before and

after brushing Table 3. Surface roughness values for the dentifrices evaluated Table 4. REA for commercial dentifrices tested in the abrasion study

Table 5. Statistical comparison of Ra values between tested group before and

after brushing Figure 1. Staining apparatus Figure 2. Calibration of the bristles Figure 3. Center-line average (Ra) Figure 4. Comparison of L* values of dentifrices tested in stain removal study

before and after brushing Figure 5. Cleaning power of dentifrices tested in stain removal study Figure 6. Surface roughness dependence with the number of strokes

Table 1

Dentifrice group L*before brushing SD L* after

brushing SD

NMTD toothpaste 40.4 2.6 42.5 3.4

Crest Cavity Protection toothpaste 40.3 1.3 57.0 2.5

Crest Extra-whitening toothpaste 40.3 1.7 61.9 1.7

Calcium pyrophosphate 41 2.4 60.2 1.9

Table 2

Dentifrice group L*values SD

Crest Extra-whitening toothpaste before brushing 40.3 1.7

Crest Cavity Protection toothpaste before brushing 40.3 1.3

NMTD toothpaste before brushing 40.4 2.6

Calcium pyrophosphate before brushing 41 2.4

NMTD toothpaste after brushing 42.5 3.4

Crest Cavity Protection toothpaste after brushing 57.0 2.5

Calcium pyrophosphate after brushing 60.2 1.9

Crest Extra-whitening toothpaste after brushing 61.9 1.7

Table 3

Ra values (µm)

DENTIFRICES Initial 2000 strokes 4000 strokes 8000 strokes

NMTD toothpaste 0.50 ± 0.03 0.46 ± 0.03 0.51 ± 0.03 0.54 ± 0.07 Colgate 0.58 ± 0.04 0.58 ±0.05 0.58 ± 0.04 0.58 ± 0.06

Crest Cavity Protection 0.6 ± 0.13 0.69 ± 0.16 0.79 ± 0.12 0.84 ± 0.13 Crest Extra-whitening 0.62 ± 0.08 0.83 ± 0.11 0.95 ± 0.15 1.15 ± 0.11

Crest Tartar Protection 0.53 ± 0.04 0.87 ± 0.11 1.00 ± 0.11 1.18 ± 0.19

Table 4

Dentifrice Abrasive cleaning system REA Crest Extra-whitening Soft silica 4.1 Crest Cavity Protection Conventional Silica 2.8 Crest Tartar Protection Conventional Silica 5.7 Colgate Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) 1.4

Table 5

Dentifrice group Strokes Ra values (µm) SD

NMTD toothpaste 0 0.50 0.03

Crest Tartar Protection 0 0.53 0.04

NMTD toothpaste 8000 0.54 0.07

Colgate 0 0.58 0.04

Colgate 8000 0.58 0.06

Crest Cavity Protection 0 0.60 0.13

Crest Extra-whitening 0 0.62 0.08

Crest Cavity Protection 8000 0.84 0.13

Crest Extra-whitening 8000 1.15 0.11

Crest Tartar Protection 8000 1.18 0.19

Figure 1

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Figure 4

0

20

40

60

80

100

NMTD bef.

NMTD aft.

Crest Cavity bef.

Crest Cavity aft.

Crest Whit. b

ef

Crest Whit. a

ft.

Calc. pyrophosph. bef.

Calc. Pyrophosph. after

Toothpastes Assayed

L*

valu

es

White

Black

Figure 5

020406080

100120140160

NMTD

Crest Cavity

Crest Whitening

Toothpastes Assayed

PCR

val

ues

Figure 6

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

-500 500 1500 2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500

Strokes

Ra

valu

es

Pr15%Colgate regularCrest tartarCrest whiteningCrest NaF

estudi de processos de bescanvi iònic - uab …...annex 4 calcium and fluoride release from ion...

Documents