CC BY
118
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЭМАЛИ НА ЭТАПАХ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОТБЕЛИВАНИЯ ЗУБОВ
Введение
Зубочелюстная система человека является важной составляющей создания зрительно воспринимаемых образов-сигналов, отражающих эмоции человека, выполняя «информационно-эстетическую функцию» [5]. Нарушения естественного цвета зубов - дисколориты, сопровождаются структурнофункциональными и эстетическими нарушениями, снижают качество жизни пациента, обусловленного стоматологическим здоровьем [1, 2]. Современный пациент, обладая неплохой «стоматологической грамотностью», проявляет повышенный интерес к возможностям эстетической стоматологии: консервативным (отбеливание зубов) или оперативно-восстановительным технологиям эстетического лечения (реставрация, виниры, коронки и т.д.) [6]. По мнению специалистов [7], население планеты стареет, поэтому становится всё более важным сохранение и без того ограниченного биомеханического потенциала реставрированных зубов с помощью минимально инвазивных технологий. Не случаен возрастающий профессиональный интерес к эстетическому лечению дисколоритных зубов с помощью различных методик отбеливания. Однако, по мнению специалистов, профессиональное отбеливание может негативно воздействовать на структуру твердых тканей зубов. В связи с этим очевидна необходимость детального количественного анализа особенностей микроструктуры эмали дисколоритных зубов и ее изменений под действием профессионального отбеливания.
Цель работы
В условиях эксперимента исследовать микроструктуру поверхности эмали зубов на этапах профессионального отбеливания.
Ерофеева Е.С.
к.м.н., асс и стент кафедры пропедевтики и ф и з и отерап и и стом. заболевай ий ГОУ ВПО ПГМА и м. ак. Е.А. Вагнера, г. Пермь, sunlen@mail.ru
Гилева О.С. д.м.н., профессор, зав. кафедрой пропедевтики и фи з и отерап и и стом. заболевай и й ГОУ ВПО ПГМА им. ак. Е.А. Вагнера, г. Пермь, ogileva@rambler.ru
Морозов И.А. к.ф-м.н., лаборатор ия м икромехан и ки структурнонеоднородных сред Института механ ики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь,
ilya.morozov@gmail.com
Пленкина Ю.А. асп., асп и рант кафедры пропедевтики и фи з и отерап и и стом. заболевай и й ГОУ ВПО ПГМА им. ак. Е.А. Вагнера, г. Пермь, plenkinayulia@yandex.ru
Свистков А.Л. д.ф-м.н., зав. лаборатор и ей м икромехан и ки структурнонеоднородных сред Института механ ики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь, svistkov@icmm.ru
Резюме
Работа посвящена кол и чественному анал и зу м и крорельефа эмали зуба и вли ян и я отбел и ван и я на ее структуру. Исследован и я проводили сь на областях размером 15x15 мкм, полученных пр и помощи атомно-с илового м и кроскопа с неотбеленного, отбеленного од и н, а затем еще два раза зуба. Для оп и сан и я общего в и да м и крорельефа предложен картограф и ческий метод - на эмал и выделял и сь «равн и нные» участки, а также н и зменност и и возвышенности .
<т
Разработана методика структурного анализа этих составляющих: компактность, размер, периметр, площадь, объем, фрактальные размерности. Установлено, что структуры на поверхности эмали связаны фрактальными зависимостями, это говорит об их самоподобии на всем масштабе наблюдаемых размеров. Результаты показали, что первое отбеливание снимает пелликулу (пленка адсорбированных из слюны протеинов) с поверхности эмали.
Дальнейшие отбеливания приводят к стиранию эмали, особенно в области низменностей рельефа; форма возвышенностей и впадин становится более округлой. Установленное уменьшение фрактальной размерности возвышенностей говорит об уменьшении прочности данных участков рельефа.
Ключевые слова: микроструктура, атомно-силовая микроскопия, эмаль зуба, профессиональное отбеливание, картографирование.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE ENAMEL MICROSTRUCTURE ON STAGES OF PROFESSIONAL BLEACHING
Erofeeva E.S., Gileva O.S., Plenkina U.A., Morozov I.A., Svistkov A.L.
The summary
This paper focuses on the quantitative analysis of the enamel surface microrelief obtained by atomic force microscopy and the effect of bleaching on the microstructure of enamel surface. The 15x15 pm images obtained by atomic force microscope that exhibited the enamel surface of the unbleached tooth, the tooth bleached once and the tooth bleached thrice were examined. To clarify the general pattern of the enamel microrelief alteration, we applied the cartographic method showing flat areas, depressions, elevations on the surface of a tooth. We present a method for structural analysis of such parameters as compactness, size, perimeter, area, volume, fractal dimensions. The obtained results show that the first bleaching removes pellicles (adsorbed salivary protein film) from the surface of teeth enamel, and further bleaching causes enamel wear, especially in the lowland areas of the relief; elevations and depressions become more round in shape. The structures observed on enamel surface are found to be related by fractal relationships, which is indicative of their self-similarity over the entire range of sizes observed in this study. Assigned decrease of the fractal dimension of elevations is said to reduce the toughness of these areas of relief.
Keywords: microstructure, atomic force microscopy, tooth enamel, bleaching, toughness, cartographic method.
Материалы и методы исследования
Материалом для проведения экспериментальных исследований служили биопрепараты интактных зубов человека, удаленных по орто-донтическим показаниям на хирургическом стоматологическом приеме в строгом соответствии с требованиями санэпидрежима (рацпредложение №2165 от 23.01.2005) и этическими нормами. Для проведения экспериментального исследования биопрепараты удаленных зубов готовили согласно разработанной нами методике (рацпредложение №2488 от 30.11.2009). Первоначально исследованию подвергалась поверхность эмали неотбеленного биопрепарата зуба, после чего проводили двукратное нанесение отбеливающего препарата «Opalescence Xtra Boost» на поверхность исследуемого зуба, клиническая эффективность которого подтверждена в ранних исследованиях [4].
Структурный анализ рельефа (микроструктуры) эмали зуба в процессе отбеливания проводили на атомно-силовом микроскопе (АСМ) «Nano-DST», США, работа которого основана на регистрации взаимодействия сенсора (кантилевер + зонд) с поверхностью исследуемого биологического образца в полуконтактном режиме работы прибора. Номинальный радиус кончика зонда составляет менее 10 нм. Все полученные результаты явились итогом осреднения данных, снятых с различных участков исследуемых зубов. Размер изображения - 15x15 мкм при разрешении в плоскости ху 1024x1024 точки. Обработка результатов производилась при помощи алгоритмов (И.А.Морозов и соавт, 2010), созданных на MatLab.
Проведенные ранее исследования показали, что микроструктура эмали представляет собой сложный рельеф и обладает неоднородной микроструктурой. Для количественного анализа общего вида микрорельефа эмали зуба и единой симплифици-рованной классификации полученных результатов нами разработана оригинальная методика картографирования поверхности зуба (рацпредложение №2504 от 23.03.2010).
В картографической методике анализа микроархитектоники поверхности зуба реализована известная идея географических карт, в которой, по аналогии и в соответствии с полученными на АСМ «Nano-DST» и инденторной установке «NanoTest-600» результатами, на поверхности эмали были выделены равнинные участки, области низменностей (глубиной более 25 нм) и возвышенностей (высотой более 25 нм). При этом за нулевой уровень (уровень мирового океана) выбиралась та часть рельефа поверхности зуба, интегральная часть которой вносила максималь-
ный вклад в общую площадь снятого изображения. Таким образом, вся неровная поверхность исследуемого участка эмали разбивалась на ограниченную совокупность отдельных объектов (равнин, возвышенностей, впадин), геометрические характеристики которых подвергались структурному количественному анализу с расчетом размера, периметра, компактности профиля, площади и объема всех составляющих рельефа, а также локальной шероховатости (среднее квадратичное отклонение высоты) и фрактальных характеристик.
Для воспроизведения методики картографирования твердых тканей зуба и получения максимально точных ее результатов, предполагающих многократное исследование одного и того же участка эмали при повторных нанесениях отбеливающего состава, нами были использованы технологические возможности экспериментальной инденторной установки «NanoTest-600», с помощью которой на исходно исследуемую поверхность зуба наносили особые метки в виде решетки процарапанных линий, координатную сетку, в строгой привязке к которой проводили все последующие этапы исследования (рис. 1).
Структура поверхности, получаемая при помощи АСМ, представляет собой сложный трехмерный рельеф. Для его детального структурного анализа применяли следующую процедуру: при увеличении высоты к над нулевым уровнем рельеф распадается на отдельные «островки». Отдельно была рассмотрена структура возвышенностей (к>0) и впадин (к<0). В последнем случае рельеф с отрицательной высотой инвертировался и далее рассматривался как возвышенности.
В зависимости от к были построены следующие зависимости:
1. Число участков Щ(к), на которые распадается структура поверхности.
2. Компактность сечения объекта с1(к). Для оценки компактности фигуры существует ряд критериев, один из которых имеет ВИД 2у[лЛ / Р (А, Р - площадь и периметр фигуры). Это выражение показывает, насколько фигура отличается от круга. Применительно к анализируемому участку, компактность можно записать:
С ( ) N (и) Н Р (и) ,
где Ак, Рк - площадь и периметр сечения к-го объекта. Чем меньше с, тем менее компактен профиль сечения.
3. Суммарная площадь сечения объектов А.
При вычислении Щ(к), с(к) и А(к) использовали только те объекты, которые не пересекают границу изображения и чья площадь сечения Ак >0,05 мкм2. На следующем этапе проводили фрактальный анализ структуры поверхности эмали. Связь между площадью сечения объектов и периметром имеет вид: Рк = цхАк°Р 2, где Рк, Ак - периметр и площадь сечения к-го объекта; ц- константа; Ор - фрактальная размерность периметра.
Существует подобная зависимость, связывающая размер йк и объем Ук объектов: Ук = ц2, где ц - константа; Бу - фрактальная размерность объема (массы). В двойных логарифмических координатах выражения можно аппроксимировать прямым методом наименьших квадратов.
Для описания степени шероховатости поверхности использовали показатель Херста Н: Н=2 СОр. Критическая энергия разрушения (прочность) поверхности любых, включая ткани зуба, материалов связана с фрактальной размерностью и имеет следующий вид:
Ус = У о +
а0х Е *D
Рис. 1. Микрофотография поверхности зуба с нанесенной координатной сеткой
где з0 - энергия разрушения гладкой поверхности; а0 - структурная константа материала;
Е - модуль Юнга;
Б* - дробная часть фрактальной размерности.
Уменьшение фрактальной размерности свидетельствовало об уменьшении прочности исследуемых участков рельефа и наоборот.
Результаты и их обсуждение
На основе предложенной методики «картографирования» проведен структурный анализ низменностей и возвышенностей рельефа эмали с использованием атомно-силового микроскопа «Nano-DST»,
были исследованы следующие характеристики: компактность, размер, периметр, площадь, объем, фрактальные размерности. Поверхность эмали до процедуры отбеливания и после первого и третьего нанесений высококонцентрированного отбеливающего препарата представлена на рис. 2.
Качественная характеристика рельефа неотбеленного зуба (рис. 2) указывала на то, что по сравнению с отбеленным последний был более неоднороден, его впадины и возвышенности занимали значительную площадь изображения.
В табл. 1 представлены значения общей шероховатости Rrms (среднее квадратичное отклонение высоты, нм); процентные вклады равнинных участков, низменностей и возвышенностей в общую картину рельефа, а также их локальные шероховатости rrms.
Количественный анализ показателей (табл. 1) свидетельствует о том, что наиболее неровной
является поверхность эмали однократно отбеленного зуба. Можно предположить, что в результате первого отбеливания были удалены фрагменты пелликулы зуба и обнажен поверхностный слой эмали. Дальнейшее двукратное отбеливание привело к очаговой деминерализации (порозности) поверхностного слоя эмали, при этом процентное соотношение как возвышенностей, так и низменностей упало примерно в 1,5-2 раза.
Анализ геометрии возвышенностей показал, что первое отбеливание сопровождается исчезновением органических оболочек эмали, формированием неоднородного слоя эмали с обнажением эмалевых призм, имеющих неровную поверхность, при этом размер, площадь и объем возвышенных участков возрастают. Повторные (3-я) процедуры отбеливания приводят к разрушению поверхностного минерализованного слоя эмали и последующему выравниванию вновь образованного рельефа
Таблица 1
Эмаль Шероховатость Rms, нм Плоскости Низменности Возвышенности
% rms, нм % rms, нм % rrms, нм
Неотбеленная 29 67 14 19 19 14 18
Отбеленная 1 раз 34 59 14 29 29 12 22
Отбеленная 3 раза 22 80 12 12 12 8 15
Таблица 2
Средние значения площадей сечения и размеров структур эмали
Эмаль Возвышенности Низменности
<d>, мкм <A>, мкм2 <V>, мкм3 <d>, мкм <A>, мкм2 <V>, мкм3
Неотбеленная 0,38 0,24 0,003 0,43 0,40 0,006
Отбеленная 1 раз 0,47 0,39 0,006 0,59 0,47 0,005
Отбеленная 3 раза 0,44 0,27 0,004 0,45 0,32 0,005
100 НМ
а б в
Рис. 2. Поверхность эмали неотбеленного (а), отбеленного 1 (б) и 3 (в) раза зуба
WWW.DENTAL-PRESS.COM
истонченной деминерализованной эмали (снижение средних характеристик возвышенностей).
Обращали на себя внимание максимальные величины d, А, V (табл. 2), указывающие на то, что на поверхности интактной неотбеленной эмали содержится значительное количество небольших недифференцированных образований: бугорков, выпуклых участков, «наростов» и т.д., которые удаляются при первом отбеливании. В отличие от возвышенностей, структура низменностей на поверхности эмали, их площадь и объем не уменьшаются после первого отбеливания. Средний размер увеличивается - структуры становятся более вытянутыми относительно горизонтали, а неумень-шающийся объем вместе со снижением доли возвышенностей и низменностей говорит о том, что происходит углубление отрицательных частей рельефа. Уменьшение объема возвышенностей и постоянство (или рост) объема низменностей указывает на то, что процесс истирания (деструкции) эмали вглубь идет быстрее, чем выравнивание ее поверхности.
В табл. 3 представлены полученные значения фрактальных размерностей поверхности эмали, а также критерий достоверности аппроксимации R-квaдpaт (чем он ближе к единице, тем выше точность приближения).
Наименьшую точность приближения имеют значения DV для неотбеленной эмали. Скорее всего, это связано с тем, что на поверхности неотбеленного зуба имеется большое количество естественных изменений рельефа, связанных с наличием перикиматий, микроорганизмов, выступанием вершин эмалевых призм и т.д. Очевидно, что можно с большей уверенностью определить фракталь-ность структур в случае отбеленной эмали. Наличие фрактальных связей между геометрическими характеристиками объектов говорит об их самоподобии на всем масштабе наблюдаемых размеров, то есть малые неровности - дефекты поверхности эмали - подобны большим.
Значения показателя Херста для вершин на исследуемой поверхности составили 0,54±0,02; для впадин - 0,59±0,03. Все значения Н>0,5 возра-
стают при переходе от неотбеленной к отбеленной эмали. Это говорит о том, что при многократном (критическом) отбеливании шероховатость поверхности уменьшается на рассмотренном масштабе. Форма впадин и возвышенностей становится более округлой - фрактальная размерность объема DV возрастает (для шара DV=3). С уменьшением фрактальной размерности критическая энергия разрушения падает. Применительно к отбеливанию зубов это означает, что возвышенности становятся менее прочными.
Вывод
Предложенный оригинальный картографический метод описания микроструктуры поверхности эмали позволил на наноуровне, количественно и многократно анализировать параметры идентичных участков ее микрорельефа с помощью особой координатной сетки.
В ходе экспериментального исследования установлено, что одно-двукратное воздействие отбеливающего геля «Opalescence Xtra Boost» не оказывает прямого повреждающего действия на структуру эмали, тогда как трехкратное отбеливание этой системой приводит к растворению поверхностного, хорошо минерализованного слоя эмали и выравниванию рельефа истонченной отбеленной поверхностной структуры за счет снижения процентного соотношения «возвышенностей» и «низменностей». Полученные в эксперименте данные были учтены в практической работе врача-стоматолога. Так, с их учетом нами была разработана и успешно используется для профессионального отбеливания зубов модифицированная методика эстетического отбеливания (рацпредложение № 2512 от 30.08.2010), предполагающая сокращение числа и продолжительности аппликаций высококонцентрированного перекисного геля (1-2 аппликации по 8-10 минут - в зависимости от степени дисколорита), упорядоченности показаний к проведению отбеливания в части доклинической диагностики визуально неопределяемых дефектов эмали с помощью современных методик компьютерной стоматоскопии, использование осо-
Таблица 3
Значения фрактальных размерностей
Эмаль Вершины Впадины
Ор - R2 Dv- R2 Dp - R2 Dv- R2
Неотбеленная 1,48 - 0,91 2,37 - 0,72 1,47 - 0,95 2,09 - 0,78
Отбеленная 1 раз 1,46 - 0,94 2,31 - 0,87 1,41 - 0,94 2,39 - 0,90
Отбеленная 3 раза 1,39 - 0,92 2,32 - 0,83 1,35 - 0,93 2,47 - 0,90
Проблемы стомлтологнн / Алии молблк of тишо«
2011. № Е
бых лечебно-гигиенических протоколов, рекомендуемых до и после отбеливания зубов, а также постпроцедурной реабилитации пациентов [3].
Используемый в работе методологический подход картографирования поверхности зуба может быть применен в качестве объективного критерия выявления наличия и степени повреждающего или лечебно-профилактического действия различных экспериментально моделируемых стоматологических процедур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Атрушкевич В.Г. Вл и ян и е отбел и вающего геля, содержащего перекись карбам ида, на ультраструктуру эмал и и дентина / В.Г. Атрушкев и ч, О.М. Васюкова // Стоматология. - 1996. -Т. 85. - №6. - С. 15-18.
2. Горюнова М.В. Клинико-лабораторное обоснован и е и споль-зован и я мало и нваз и вных технологий в коррекц и и стойких
д и сколор итов зубов: автореф. ди с. ... канд. мед. наук. - Ека-тер инбург, 2007. - 26 с.
3. Ерофеева Е.С. Повышен и е качества лечен и я пац и ентов с д и сколор итам и фронтальных зубов (экспер и ментально-кл и ни ческое и сследован и е): автореф. д и с. ... канд. мед. наук. - Пермь, 2010. - 23 с.
4. Ерофеева Е.С., Гилева О.С. Вл и яни е процедуры отбел и -вания зубов на возникновени е гиперчувствительности зубов // Матер и алы Всеросс и йской научно-практ и ческой конференции «Актуальные вопросы стоматологии ». -Уфа. - 2009. - С. 83-84.
5. Окушко В.Р. Основы ф и з и ологи и зуба / В.Р. Окушко. - М.: Newdent, 2008. - 238 с.
6. Янушевич О.О. Коррекц и я цвета зубов пр и д и сколор итах / О.О. Янушев и ч, Н.И. Кр и хел и // Росс и йская стоматология. -2009. - №2. - С. 12-18.
7. Weigel D. Эстети ческая концепция отбел иван ия зубов «inoffice» / D.WeigeL // Dental Market. - 2008. - №5. - С. 71-75.
СПЕЦИАЛЬНАЯ И ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ВСЕХ РАБОТАЮЩИХ В ОБЛАСТИ СТОМАТОЛОГИИ
ИНФОРМАЦИЯ
ДЛЯ ШИРОКОГО КРУГА
ЧИТАТЕЛЕЙ,
СВЯЗАННАЯ СО СТОМАТОЛОГИЕЙ
.ЇЇМ0МІІ
ACTUAL PROBLEMS OF STOMATOLOGY
щЯНЯІПщіиІН
Подписку на журнал через редакцию можно сделать, нач и ная с любого номера.
Для оформления подписки через редакцию необходимо перечисл ить деньги за подп и ску на расчетный счет редакци и , сделать почтовый перевод ил и заплатить нал и чными деньгам и соответствующую сумму.
Вы будете получать журнал, начиная с очередного номера, выходящего после даты подп иски.
Внимание! Переч и сляя деньг и за подп и ску на расчетный счетредакц и и ил и делая почтовый перевод, обязательно укажите в платежном поручен и и в графе «Назначен и е платежа» ил и на бланке почтового перевода адрес, по которомудолжен бытьдоставлен журнал. На бланке почтового перевода в графе «Кому» нужно указать следующее:
ИП Тарасова Любовь Владимировна
ИНН 665 801 819 677
Уральский банк Сбербанка Росс и и г. Екатер и нбурга р./с. 408 028 105 160 000 438 98 к./с. 301 018 105 0000 0000 674 БИК 046577674 Подп и сной индекс в каталоге «Почта Росс и и » - 53804.
Сто и мость подп и ски 2000 р. (Пер и оди чность- 5 номеров в год).
Ти раж 3000 экз.
Главный редактор: ЖОЛУДЕВ Сергей Егорович
Адрес редакции: 620034, Екатеринбург, ул. Толедова, 43а, оф. 22
Рекламно-издательский отдел: тел.: (343) 253-58-02, +7 (908)920- 84- 78, +7 (961) 764-10-30 E-mail: ps-press@mail.ru WWW.DENTAL-PRESS.COM
Журнал распространяется по комплексной системе, в которую входят:
♦ целевая рассылка
♦ прямая подп и ска
♦ и продажа через редакцию
распространение:
♦ на выставках
по стоматологической и медицинской тематике
♦ в кл и н и ках и учрежден иях здравоохранен ия
♦ орган и зациях, реал и зующи х стоматологические товары
и предоставляют, и х стоматологические услуги
WWW.DENTAL-PRESS.COM
