CC BY
100
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ ТВЕРДЫХ ТКАНЕЙ ЗУБА ЧЕЛОВЕКА
В.Н. Грисимов, В.М. Золотарев, В.А. Тарлыков
В современной стоматологии достаточно распространено применение оптических неразрушающих методов диагностики и лечения поражений зубов. В связи с этим не ослабевает интерес к изучению оптических характеристик твердых тканей зуба. Исследование оптических эффектов в эмали, дентине и зубе в целом позволяет теоретически обосновать выбор методики реставрации зуба светоотверждаемыми материалами (разновидность материала, направление пучка полимеризующего излучения), а также уточнить морфологические особенности твердых тканей зуба.
Цель нашей работы - показать связь между морфологическими особенностями и анизотропными свойствами твердых тканей зуба.
Структура эмали и дентина
Эмаль - самая твердая и устойчивая к механическим нагрузкам ткань организма, покрывающая анатомическую коронку зуба. Около 95% массы (90% объема) здоровой эмали составляют минеральные вещества, около 4% - свободная вода и около 1% - органические вещества, которые образуют органическую матрицу эмали. Минеральные вещества представлены гидроксиапатитами (HAP) (более 75% массы), а также карбонат-, хлор- и фторапатитами и аморфным фосфатом кальция. Кристаллы апатитов эмали похожи на уплощенные палочки, имеющие в поперечном сечении гексагональную форму. Длина кристаллов приблизительно составляет от 500 до 1000 нм, а средняя ширина (поперек с-оси) - 50-100 нм. Расстояние между кристаллами зрелой здоровой эмали составляет от 1-2 до 5 нм [1].
Кристаллы формируют более крупные образования - эмалевые призмы. Термин «эмалевая призма» не имеет ничего общего с геометрическим понятием «призма». Эмалевая призма похожа на изгибающийся стержень, идущий через всю толщу эмали от дентиноэмалевого соединения (ДЭС) до поверхности эмали. Длина призм превышает толщину эмали, так как призмы имеют синусоидальные изгибы, вследствие чего направление одной и той же призмы может несколько раз меняться. Углы отклонения изгибов призмы от ее общего направления около 20° [2]. Призмы сгруппированы в пучки, диаметр которых образует от 10 до 12 призм. Поперечный размер призм увеличивается по мере удаления от ДЭС к поверхности эмали и составляет в среднем 5-7 мкм. На поперечных разрезах призм виден гексагональный порядок их расположения относительно друг друга. Расположение осей основной массы кристаллов совпадает с продольной осью призмы. По мере удаления к периферии призмы оси кристаллов постепенно отклоняются от ее оси, и это отклонение достигает 60°. В зонах контакта соседних призм (межпризменное вещество) уровень минерализации ниже, чем внутри призмы. В связи с этим показатель преломления у призм (np ~ 1,62) больше, чем у межпризменного вещества (nip ~ 1,57) [3].
Дентин представляет собой минерализованную ткань, у которой процентное распределение минеральных веществ, органических веществ и воды по массе приблизительно составляет 70, 20, 10%, а по объему - соответственно 50, 25, 25% [4]. Особенностью дентина является наличие дентинных трубочек. Трубочки пронизывают всю толщу дентина и содержат цитоплазматические отростки одонтобластов - клеток пульпы, выстилающих стенки полости зуба. Количество и диаметр просвета дентинных трубочек различаются в зависимости от топографии. В прилежащем к пульпе коронко-вом дентине количество трубочек составляет от 4,5*104 до 6,5*104 мм-2, их диаметр здесь 2-3 мкм, расстояние между ними около 6 мкм. В области ДЭС количество трубо-
чек - около 1,5*104-2*104 мм-2, диаметр их равен 0,7-1 мкм, а расстояние между соседними трубочками составляет около 15 мкм. В средней трети (между пульпой и ДЭС) их количество около 2,9*10 -3,5*10 мм- , диаметр 1-2 мкм [5]. В области ДЭС и средней трети дентинные трубочки контактируют между собой за счет тонких боковых ответвлений. Диаметр этих ответвлений около 180 нм, а расстояние между ними порядка 2 мкм [6]. Кристаллы апатитов дентина гораздо меньше кристаллов апатитов эмали. Вблизи просвета трубочек их средние размеры 36*26*10 нм, между трубочками -70*36*10 нм. Пространственно кристаллы дентина организованы в глобулы, где их оси расположены концентрически. В границах одной глобулы может находиться несколько десятков трубочек. Следует отметить, что в дентине кристаллы плотно связаны с белковыми волокнами за счет образования электростатических связей [4]. Показатель преломления содержимого дентинных трубочек близок к показателю преломления воды (п > 1,33). Показатель преломления основного вещества дентина (пространства между трубочками) по различным данным составляет от 1,52 [7] до 1,55 [8].
Материал и методика исследования
Материалом исследования являлись третьи моляры верхней и нижней челюсти, удаленные у пациентов 30 лет по ортодонтическим показаниям. Зубы не имели кариозных и некариозных поражений. После удаления и фиксации в 40%-ном формалине из зубов готовили шлифы в виде плоскопараллельных пластин толщиной 300 и 1000 мкм (диагональное сечение вдоль оси зуба). При таком сечении можно считать, что дентин-ные трубочки и эмалевые призмы расположены в плоскости шлифа (рис. 1).
Рис. 1. Схема коронки моляра. Диагональное сечение вдоль оси зуба. Штриховкой показана ориентация эмалевых призм и дентинных трубочек. Прямоугольником обозначен фрагмент шлифа, сфотографированный в проходящем поляризованном и отраженном свете. Стрелками (1, 2) показаны проекции пучков света от осветителя на плоскость шлифа. Полосы Гунтера-Шрегера косо пересекают направление эмалевых
призм (слева)
Проводилось два вида исследований. При первом исследовании фотографировали участок шлифа (область внешнего ската бугра коронки) с помощью видеокамеры, сопряженной с компьютером. При этом шлиф находился в кювете с водой, которая устанавливалась между двумя поляризаторами. После фотографирования в проходящем свете при скрещенных и нескрещенных поляризаторах проводилось фотографирование того же участка в том же масштабе в отраженном неполяризованном свете при двух различных положениях осветителя (лампа накаливания с конденсором). В первом случае свет падал под углом 70° со стороны поверхности эмали внешнего ската бугра. Во втором случае свет падал под тем же углом с противоположной стороны (от шейки зуба у противоположного бугра). При таких направлениях света (рис. 1) световые пучки (1,
2) и эмалевые призмы внешнего ската бугра коронки находились приблизительно в одной плоскости.
При втором исследовании кювета со шлифом помещалась между видеокамерой и источником света (Не-Ые-лазер). Диаметр лазерного коллимированного пучка на входе в образец составлял приблизительно 400 нм. При падении лазерного пучка на образец его направляли на эмаль внешнего ската бугра, а также на дентин между внешним и внутренним скатами бугра. Фотографирование проводили при падении на эмаль по нормали к поверхности шлифа и при падении на дентин по нормали и при наклоне шлифа до образования угла приблизительно 45° между лазерным пучком и направлением дентинных трубочек.
Результаты исследования и их обсуждение Эмаль
Фрагмент шлифа толщиной 300 мкм, сфотографированный в проходящем поляризованном свете при нескрещенных поляризаторах и в отраженном свете при падении света со стороны поверхности эмали внешнего ската бугра, представлен на рис. 2. На рис. 3 представлены аналогичные фотографии фрагмента шлифа толщиной 1000 мкм.
■
Рис. 2. Фрагмент шлифа толщиной 300 мкм в отраженном свете при его падении со стороны поверхности эмали внешнего ската бугра (слева) и в проходящем поляризованном свете при не скрещенных поляризаторах (справа).
Рис. 3. Фрагмент шлифа толщиной 1000 мкм в отраженном свете при его падении со стороны поверхности эмали внешнего ската бугра (слева) и в проходящем поляризованном свете при не скрещенных поляризаторах (справа).
На фотографиях шлифа толщиной 300 мкм виден рисунок полос Гунте-ра-Шрегера (темные и светлые изогнутые полосы, идущие в эмали от ДЭС в направлении ее поверхности). На шлифе толщиной 1000 мкм полосы Гунтера-Шрегера (ГШ)
выявляются только в отраженном свете, а в проходящем поляризованном свете полосы ГШ не выявляются. В скрещенных поляризаторах у шлифа толщиной 300 мкм наблюдалось изменение цветовой гаммы полос ГШ. В отраженном свете при падении светового потока от шейки зуба со стороны противоположного бугра можно было наблюдать инверсию рисунка полос ГШ: темные полосы становились светлыми, а светлые - темными. Данные изменения отчетливо выявлялись при сравнении изображений по точкам, имеющим одни и те же координаты. Аналогичную инверсию полос в отраженном свете можно было наблюдать у шлифа толщиной 1000 мкм.
Картина полос Гунтера-Шрегера, наблюдаемая в проходящем поляризованном свете, обусловлена так называемой интерференцией в параллельных лучах. Линейно поляризованный свет, выйдя из поляризатора Р, после прохождения через пластинку эмали превращается в поляризованный эллиптически, а затем проходит через анализатор А, превращаясь снова в линейно поляризованный. Интенсивность проходящего света зависит от ориентации анализатора и ориентации оптических осей кристаллов НАР относительно нормали волнового фронта (рис. 4). Последнее легко подтвердить, поворачивая плоскость шлифа относительно направления проходящего света таким образом, чтобы менялся угол между направлением эмалевой призмы и световым потоком.
П о в е р х н о с т ь ш л и ф а
Рис. 4. Прохождение поляризованного света через эмаль шлифа при ориентации плоскости шлифа параллельно волновому фронту
Наблюдаемое проявление оптической анизотропии эмали в проходящем поляризованном свете обусловлено взаимодействием света с кристаллами апатитов, поскольку апатиты эмали обладают отрицательным двулучепреломлением [9]. Учитывая упорядоченное расположение кристаллов в призме, поперечные размеры призм, их количество в пучке, а также периодичность изгибов, можно сказать, что толщина шлифа порядка 200-300 мкм для регистрации полос ГШ является оптимальной. С увеличением толщины образца эмали увеличивается число кристаллов, хаотично ориентированных относительно проходящего сквозь эмаль поляризованного света, вследствие чего четкость картины уменьшается и в конечном итоге исчезает.
В то же время оптическая анизотропия в виде инверсии полос Гунтера-Шрегера в отраженном свете проявляется как на тонком, так и на толстом шлифе. Это можно объяснить проявлением волноводных свойств эмалевых призм [10]. Если считать, что плоскость шлифа пересекает изгибы пучка призм под углом 20°, то торцы пересеченных призм должны быть ориентированы к поверхности эмали под такими же углами в двух противоположных направлениях. Если свет, падающий под углом на поверхность шлифа, попадает на торец призмы, обращенный к источнику, то он входит в эмаль в пределах апертурного угла призмы и распространяется внутри нее. В таких областях поверхности эмали образуются темные полосы. Если тот же свет падает на торец приз-
мы, обращенный от источника, то он входит в призму вне апертурного угла и после преломления на поверхности шлифа попадает на ее внутреннюю поверхность под углом, меньшим предельного угла полного отражения. В данном случае свет должен выйти в соседнюю призму, что приведет к увеличению диффузно отраженного светового потока, образуемого боковыми поверхностями в пучке соседних призм и к образованию светлой полосы (рис. 5). При противоположном направлении падающего света на поверхность эмали пучки призм будут меняться ролями, «работая» точно так же. Поэтому с изменением направления светового потока источника будет происходить
Рис. 5. Происхождение полос Гунтера-Шрегера в отраженном свете. Диффузное отражение света при его падении вне апертурного угла призмы 1. Распространение света в призме 2 при его падении в границах апертурного угла
Приведенное объяснение изменения полос ГШ в отраженном свете на одном и том же участке шлифа позволяет сделать два вывода относительно особенностей архитектоники эмали: 1) изгибы призм симметрично отклоняются от плоскости меридионального сечения; 2) изгибы призм более выражены у дентиноэмалевого соединения и менее выражены у поверхности эмали. Данные выводы подтвердились при гистологическом исследовании эмали и поэтому могут представлять интерес для морфологов.
Прохождение лазерного пучка через эмаль не приводило к деформации его очертаний, поскольку они оставались в виде круга. Таким образом, результаты экспериментов с прохождением лазерного пучка показывают, что эмаль при исследуемой нами толщине ведет себя как относительно прозрачная и изотропная среда (рис. 6).
I
Рис. 6. Прохождение лазерного пучка через эмаль шлифов толщиной 300 мкм (слева) и толщиной 1000 мкм (справа) при его нормальном падении на поверхность шлифа.
Дентин
При прохождении лазерного пучка через дентин отмечается деформация его поперечных очертаний. При нормальном падении лазерного пучка на поверхность шлифа толщиной 300 мкм можно отметить незначительное увеличение размеров пучка попе-
рек направления дентинных трубочек. При падении лазерного пучка на поверхность шлифа под углом 45° к направлению дентинных трубочек очертания пучка несколько увеличиваются вдоль дентинных трубочек (рис. 7). На шлифе толщиной 1000 мкм данные эффекты выражены более отчетливо (рис. 8).
Рис. 7. Прохождение лазерного пучка через дентин шлифа толщиной 300 мкм при его нормальном падении на поверхность шлифа (слева) и при падении под углом 45° (справа). Искажение формы пучка выражено незначительно.
Рис. 8. Прохождение лазерного пучка через дентин шлифа толщиной 1000 мкм при его нормальном падении на поверхность шлифа (слева) и при падении под углом 45° (справа). Искажение формы пучка выражено отчетливо
Анализируя характер деформации лазерного пучка, прошедшего через дентин (рис. 7, 8), можно сделать вывод, что при падении света поперек направления дентин-ных трубочек наряду с рассеянием имеют место явления дифракции, а при падении под углом 45° - известное явление полного внутреннего отражения, приводящее к направленному распространению света вдоль дентинных трубочек [11,12].
Приведенные результаты проявления анизотропных свойств дентина представляют интерес для клиницистов. При реставрации зуба светоотверждаемыми материалами свет полимеризующего источника может быть направлен на материал через твердые ткани. Учитывая форму зуба, возможные варианты форм реставрируемых дефектов, а также ориентацию дентинных трубочек и преломление света на поверхности эмали, следует рекомендовать, чтобы угол между направлением светового потока источника и направлением дентинных трубочек в облучаемой области не превышал 45°. Следовательно, при попытке облучить материал через эмаль и слой дентина (1-1,5 мм и больше) из-за направленного распространения света в дентине возможен эффект перерас-
пределения энергии полимеризующего источника. При этом излучение источника будет главным образом проходить в полость зуба мимо облучаемого материла [13].
Проведенное нами исследование показывает, что для выявления анизотропных свойств твердых тканей зуба требуются совершенно определенные условия, зависящие от строения и оптических характеристик структурных элементов эмали и дентина. Степень упорядоченности структурных элементов и величина разности их показателей преломления в оптических системах кристалл апатита-эмалевая призма- межпризмен-ное вещество, дентинная трубочка-основное вещество дентина определяют характер проявления оптических эффектов в эмали и дентине.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120. Направление 1.1. УНЦ «Оптика и научное приборостроение».
Литература
1. Boyde A. Enamel // Teeth. /Ed. By Berkovitz B.K.B., Boyde A., Frank R.M. et al. Berlin: Springer-Verlag, 1989. P. 309-473.
2. Osborn J.W. Evaluation of previous assessments of prism directions in human enamel // J. Dent. Res. 1968. V. 47. № 2. P. 217-222.
3. Zijp J.R., ten Bosch J.J. Groenhuis R.A.J. He-Ne-laser light scattering by human dental enamel // J. Dent. Res. 1995. V. 74. № 12. P. 1891-1898.
4. Boonstra W. Protein-apatite interactions in dentine //Thes. Ph. D. Dissertation. Groningen: State university of Groningen, 1991.
5. Mjor I.A. Dentin and pulp // Histology of the human tooth. 1st ed. / Ed. by Mjor I.A., Feyerskov O. Copenhagen: Munksgaard, 1979. P. 43-73.
6. Thomas H.F. The extend of the odontoblast process in human dentin // J. Dent. Res. 1979. V. 58. № 1. P. 105-110.
7. Zijp J.R., ten Bosch J.J. Theoretical model for the scattering of light by dentin and comparison with measurement // Appl. Opt. 1993. V. 32. № 4. P. 411-415.
8. Grisimov V.N. Refractive index of bulk dentin // Proc. SPIE. 1994. V. 1984. Р. 2-5.
9. Carlstrom D., Glas J.-E. The birefringens of human enamel // J. Ultastruct. Res. 1963. V. 8. №1-2. P.1-11.
10. Grisimov V.N. Optical model of Hunter-Schreger bands phenomenon in human dental enamel // Proc. SPIE. 1999. V. 3564. P. 237-242.
11. Walton R.E., Outhwaite W.C., Pashley D.F. Magnification - an interesting optical property of dentin // J. Dent. Res. 1976. V. 55. № 4. P. 639-642.
12. Золотарев В.М., Грисимов В.Н.. Архитектоника и оптические свойства дентина и эмали зуба // Опт. и спектр. 2001. T. 90. №5. С.838-845.
13. Grisimov V.N. Redistribution of the halogen light source radiation by hard dental tissues // Proc. SPIE. 1997. V. 3192. Р.62-66.
