CC BY
16
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 616.314 - 74 + 543.42 + 543.51
МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ СТОМАТОЛОГИЯ КАК МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ОБЛАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ: АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ И ПОДХОДЫ, РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ*
С. Л. Вотяков1, Д. В. Киселева1, Ю. В. Мандра2
1ФГБУН Институт геологии и геохимии УрО РАН, г. Екатеринбург
2ФГБОУ ВО «Уральский государственный медицинский университет», г. Екатеринбург
Аннотация
На стыке фундаментальной стоматологии и биоминералогии сформировалось новое междисциплинарное научное направление — минералогическая стоматология. В центре ее внимания стоят исследования твердых тканей зуба человека, реставрационных материалов, конструкций, зон гибридизации с использованием приемов и подходов, наработанных в биоминералогии и основанных на применении современных аналитических методик. Сформулированы цели и задачи минералогической стоматологии, намечены перспективы ее развития, в частности, в области анализа карт распределения на поверхности или в объеме (микро)объекта химических элементов, молекулярных группировок, а также разнообразных структурных нарушений и дефектов регулярной структуры кристаллического материала. Ключевые слова:
минералогическая стоматология, биоминералогия, зубная ткань.
MINERALOGICAL STOMATOLOGY AS AN INTERDISCIPLINARY RESEARCH AREA: ANALYTICAL METHODS AND APPROACHES, RECENT RESULTS AND DEVELOPMENT PROSPECTS
1 12 Sergei L. Votyakov , Daria V. Kiseleva , Yulia V. Mandra
institute of Geology and Geochemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg 2Ural State Medical University of the Ministry of Health of Russia, Yekaterinburg
Abstract
New interdisciplinary scientific field of mineralogical stomatology has been developed at the interface of dental medicine and biomineralogy. This discipline is focused on studies of human hard dental tissues, restoration materials, dental prosthetics and zones of interaction (hybridization) using techniques and approaches developed in biomineralogy and based on the application of modern analytical techniques. The results of systematic physical and chemical studies of tooth tissues (intact and with various pathologies) have been considered, including studies carried out by the Ural School in the material science field of dental attrition (phase and chemical composition, structure, mechanical properties, etc.), disease development mechanisms, practical application of results during dental restoration, etc. The publications of the international authors have been reviewed, especially those concerned with: the application of local methods of investigation of dental tissues and mapping of their properties; the peculiarities of lattice parameter spatial distribution of enamel hydroxyapatite; research on the distribution of essential and toxic trace elements, carbonate-ions, degree of crystallinity and collagen content through various structural zones of dental tissues.
Keywords:
medical stomatology, biomineralogy, dental tissues.
*Работа выполнена в рамках научной школы НШ-9723.2016.5 «Биоминеральные образования: развитие методов материаловедческих исследований, приложения в фундаментальной медицине и науках о Земле» в ЦКП УрО РАН «Геоаналитик».
В последнее время на стыке материаловедения биоминерального вещества и стоматологии формируется новое междисциплинарное научное
направление
минералогическая
стоматология [1], в рамках которого проводятся исследования твердых тканей зуба человека, реставрационных
материалов, конструкций, зон взаимодействия (гибридизации) с использованием современных аналитических методик, приемов и подходов, наработанных в смежных естественно-научных дисциплинах — биоминералогии и биогеохимии, в том числе изотопной.
Материал и методики исследования
Отличительной чертой твердых тканей зуба человека является гетерогенность и иерархичность строения как результат физиогенного биоминералообразования в его организме. Вследствие этого для прогнозирования и профилактики патологических процессов в ткани, восстановления ее структуры и свойств необходима информация о ее гетерогенном строении — пространственном распределении структурно образующих элементов и микропримесей, типе и дефектности минеральных и органических составляющих зубной ткани, об их взаимодействии с реставрационными и конструкционными стоматологическими материалами.
Современные стоматологические материалы (композиты и композитные цементы, керамика, стеклоиономерные цементы и др.) также имеют сложный химический состав и отдаленное биомиметическое соответствие естественным тканям зуба. Для описания (контроля) свойств материалов с развитой композитной, иерархической структурой, сложным фазовым и химическим составом необходимо применение комплексного аналитического подхода, дающего информацию во всем диапазоне масштабов — от атомного до макроскопического — и включающего:
• качественный (в последнее время и полуколичественный) анализ изображения (imaging) объекта (микрообъекта), полученного с использованием различных видов микроскопии;
• количественный анализ химического (фазового) состава объекта, полученный с использованием традиционных «объемных» методик исследования, в которых результат анализа является средним по объему пробы (масс-спектрометрический анализ микропримесей с растворением пробы, рентгеновская дифракция и др.);
• количественный анализ карт распределения (mapping = картирование = биовизуализация) на поверхности объекта (микрообъекта) содержания элементов, молекулярных группировок, в том числе при их низких (и сверхнизких) концентрациях, а также разнообразных структурных нарушений и дефектов регулярной структуры кристаллического материала. Картирование основано на цифровых данных локальных методов анализа, в том числе сканирующей (просвечивающей) электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом, микрозондового анализа, масс-спектрометрии с лазерной абляцией, рамановской и ИК-спектроскопии, лазеро-, катодолюминесценции, микродифракции отраженных электронов и др.
В связи со значительным повышением чувствительности и локальности анализа, использованием неразрушающих методов, позволяющих выполнять анализ распределения компонентов на поверхности образца и его послойный анализ с разрешением до 1 мкм,
изменилась сама парадигма аналитических работ. Основной тренд развития аналитических исследований — от imaging к mapping: переход от классических работ по анализу изображения объекта, его химического (фазового) «объемного» состава к работам по анализу карт распределения свойств объекта (твердых тканей зуба, реставрационных материалов и др.). При решении стоматологической проблематики представляет интерес анализ: карт распределения в зубной ткани (реставрационных материалах) концентрации различных по своему биологическому значению химических элементов и их изотопов (структурно образующих Ca, F, P, С и ОН-групп, а также микропримесей эссенциальных Zn, Ag, Cr и токсичных элементов Sr, Cd, Cu, Hg и др.); карт распределения концентрации и свойств органических молекул и молекулярных группировок (Н2О, ОН, СО3-групп и др.); карт распределения фазового состава и ориентировки решетки минеральных составляющих, степени их отклонения от стехиометрии; карт степени полимеризации реставрационных материалов и др.
Цели и задачи минералогической стоматологии
1. Развитие, совершенствование и апробирование методик анализа макро- и микроэлементного состава, в том числе содержания индикаторных элементов Cu, Zn, Sr, Ca, Mg и др., редких и рассеянных элементов, изотопных отношений Sr, Pb, Cu, Zn, а также молекулярных группировок и структурного состояния материала; понижение пределов обнаружения при высоком пространственном разрешении; усовершенствование и апробирование методик элементного и спектроскопического картирования фрагментов малой массы, сопоставление данных локальных и объемных исследований, оценка воспроизводимости результатов в зависимости от массы образцов, режима проведения анализа, выбор и обоснование стандартных образцов.
2. Комплексные экспериментальные исследования состава и свойств твердых тканей зуба с учетом возрастных особенностей, различных патологических изменений, а также современных конструкционных и пломбировочных материалов.
3. Медико-биологическая интерпретация и расшифровка экспериментальных данных; мониторинг и анализ влияния геоэкологических условий, питания, антропогенного воздействия, климата и др. на состав, структуру и свойства твердых тканей зуба; анализ изменений структуры и свойств твердых тканей зуба при патологических процессах; патогенетическое обоснование при кариозных и некариозных поражениях, после депульпирования, при радиационном повреждении и др.; обоснованный выбор пломбировочных и конструкционных материалов в восстановительной стоматологии на основе детального исследования структуры и свойств биоматериала, анализа данных их микрокартирования.
Результаты и их обсуждение
Представлены оригинальные результаты авторов [1-7], представителей уральской школы, в области материаловедения зубной ткани (витальной и при различных патологиях, в том числе с повышенной стираемостью): особенностей ее фазового и химического состава, структуры, механических свойств и др., механизма развития повышенной стираемости и прикладных вопросов использования результатов в стоматологической практике (рис. 1-5).
Рис. 1. СЭМ-изображения лазерного профилирования интактного зуба (а) и зуба с проявлениями стираемости второй степени (б) и распределения ряда микроэлементов по эмали и дентину интактного зуба (в)
и зуба с проявлениями стираемости второй степени (г) [1]
Рис. 2. Рамановские спектры в области 1580-1660 см1 (а) и зависимость степени конверсии метакрилатной матрицы композита Filtek Ultimate от температуры полимеризации (б), оцененная по данным рамановской спектроскопии [1]
б
Рис. 3. Изображения фрагментов композитного материала, полимеризованного при температуре:
24 °С (а), 45 °С (б) и 70 °С (в) [2]
в
а
1 23 456 7 8 9 9
20кУ Х27 500рт 12 56 ВЕС
Рис. 4. Типичные деформационные кривые нанокомпозита на изгиб при полимеризации при температуре: 24 °С (1), 45 °С (2) и 70 °С (3) [7]
Рис. 5. СЭМ-изображение дентина с точками, в которых проводилась лазерная абляция (а), содержание Ag в дентине после обработки стоматологическим протравочным гелем Etchmaster Ag™ (б) [1]
Проанализированы экспериментальные данные зарубежных авторов [8-11], в том числе использующих локальные методы исследования зубной ткани и картирования ее свойств, посвященные анализу особенностей пространственного распределения значений параметров решетки гидроксиапатита эмали, миграции элементов из амальгамы в дентин и пульпарную камеру, распределения эссенциальных и токсичных микроэлементов, карбонат-ионов, степени кристалличности, содержания коллагена по различным структурным зонам зуба (рис. 6-9), анализу особенностей флуоресценции зубной ткани и пломбировочных материалов.
КЛ
Рис. 6. Карты пространственного распределения параметра кристаллической решетки a (А) гидроксиапатита эмали зуба трех различных стадий зрелости: а — ранней (1,5 года); б — средней (2,5 года); с — полной (10 лет) [11]
Рис. 7. Микрофотография зуба с ртутной амальгамой и распределение в нем содержания Си, Ag, Sn, 2п по данным рентгеновской флуоресцентной спектроскопии. Шкала нормирована к максимуму и минимуму
количества импульсов элемента [8]
Рис. 8. Карты распределения в зубной ткани содержания 88^г, ^п (мкг/г), 111Cd и Pb (нг/г): эмаль (Е), пренатальный дентин (Pd), постнатальный дентин (Ро) и вторичный дентин (Sd) [9]
Рис. 9. Рамановское картирование композитного материала, содержащего гидроксиапатитовый филлер, по отношению интегральных интенсивностей полос группировки ВО3_ (961 см1) и карбонильной группировки С = О (1716 см1) [10]
Выводы
Развитие аналитической техники, повышение локальности и чувствительности анализа с формированием тренда imaging ^ mapping открывает новые возможности в изучении локальных особенностей структуры и состава зубных тканей, в поиске «маркеров» («биочипов») стоматологических заболеваний, в разработке методов их обнаружения и количественного определения на молекулярном (атомном) уровне. Сочетание высокотехнологичных клинических исследований in vivo, современных материаловедческих исследований in vitro, технологий обработки цифровых данных Big Data и моделирования in silico создает предпосылки для дальнейшего развития междисциплинарного научного направления — минералогической стоматологии, успешного перехода к персонализации в практической стоматологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Минералогическая стоматология как междисциплинарная область исследований: некоторые итоги и перспективы развития / С. Л. Вотяков [и др.] // Проблемы стоматологии. 2017. № 1 (12). С. 3-16. 2. Ивашов А. С. Влияние температуры полимеризации на прочностные свойства современных композиционных материалов при сжатии / А. С. Ивашов, Ю. В. Мандра // Проблемы стоматологии. 2013. № 5. С. 2-17. 3. Пат. 2360638 Российская
Федерация. Способ реставрации зубов при патологической стираемости / Ю. В. Мандра, Г. И. Ронь. 2009. Бюл. № 19. 4. Современные представления о механизме развития ранней стадии повышенной стираемости зубов / Ю. В. Мандра [и др.] // Проблемы стоматологии. 2011. № 2. С. 11-15. 5. Морфологические структуры твердых тканей зубов человека / Г. И. Ронь [и др.]. Екатеринбург: УГМА, 2012. 148 с. 6. Материаловедение зубной ткани как основа для выбора пломбировочных композитов в лечении кариеса и его осложнений / Г. И. Ронь [и др.]. Екатеринбург: Изд-во УГМА, 2014. 150 с. 7. Zaytsev D., Panfilov P. Deformation behavior of human enamel and dentin-enamel junction under compression // Materials Science and Engineering C. 2014. Vol. 34. P. 15-21. 8. Distribution of toxic elements in teeth treated with amalgam using p-energy dispersive X-ray fluorescence / M. Guerra [et al.] // Spectrochimica Acta. Part B. 2016. Vol. 122. P. 114-117. 9. Hare D, Austin C., Doble P., Arora M. Elemental bio-imaging of trace elements in teeth using laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry // J. Dentistry. 2011. Vol. 39. P. 397-403. 10. Study of a new resin-based composites containing hydroxyapatite filler using Raman and infrared spectroscopy / Z. Okulus [et al.] // Materials Chemistry and Physics. 2014. Vol. 145. P. 304-312. 11. Mapping the spatial and temporal progression of human dental enamel biomineralization using synchrotron X-ray diffraction / L. M. Simmons [et al.]// Archives of oral biology. 2013. Vol. 58. P. 1726-1734.
Сведения об авторах
Вотяков Сергей Леонидович — академик РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН E-mail: [email protected]
Киселева Дарья Владимировна — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН E-mail: [email protected]
Мандра Юлия Владимировна — доктор медицинских наук, профессор, проректор по научной работе и инновациям, заведующий кафедрой пропедевтики и физиотерапии стоматологических заболеваний Уральского государственного медицинского университета E-mail: [email protected]
Author Affiliation
Sergei L. Votyakov — Academician of the RAS, Doctor of Sciences (Geol. & Mineral.), Professor, Principal Researcher of the Institute of Geology and Geochemistry of the Ural Branch of the RAS E-mail: [email protected]
Daria V. Kiseleva — PhD (Geol. & Mineral.), Senior Researcher of the Institute of Geology and Geochemistry of the Ural Branch of the RAS E-mail: [email protected]
Yulia V. Mandra — Doctor of Sciences (Medical), Professor, Vice-Principal of Science and Innovations, Head of Propedeutics and Physiotherapy Department of Ural State Medical University E-mail: [email protected]
Библиографическое описание статьи
Вотяков, С. Л. Минералогическая стоматология как междисциплинарная область исследований: аналитические методики и подходы, результаты и перспективы развития / С. Л. Вотяков, Д. В. Киселева, Ю. В. Мандра // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 30-36.
Reference
Votyakov Sergei L., Kiseleva Daria V., Mandra Yulia V. Mineralogical Stomatology as an Interdisciplinary Research Area: Analytical Methods and Approaches, Recent Results and Development Prospects. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 30-36. (In Russ.).
