CC BY
33
органоминераяьное вз биомиметических материал! с твердыми тканями зуба
DOI: 10.17691/stm2020.12.1.05 УДК 616.314-073.584:57.08:535.37 Поступила 25.06.2019 г.
П.В. Середин, д.ф.-м.н., старший научный сотрудник кафедры физики твердого тела О.А. Успенская, д.м.н., доцент, зав. кафедрой терапевтической стоматологии2; Д.Л. Голощапов, к.ф.-м.н., ведущий инженер кафедры физики твердого тела и нанострукт И.Ю. Ипполитов, к.м.н., ассистент кафедры детской стоматологии с ортодонтией3; Jitraporn (Pimm) Vongsvivut, Beamline Scientist, IR Microspectroscopy4; Ю.А. Ипполитов, д.м.н., профессор, зав. кафедрой детской стоматологии с ортодонтией3
1Воронежский государственный университет, Университетская площадь, 1, Воронеж, 394018; 2Приволжский исследовательский медицинский университет, пл. Минина и Пожарского, 10/1, Н. Новгород, 603005;
3Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко, ул. Студенческая, 10, Воронеж, 394036;
"Australian Synchrotron (Synchrotron Light Source Australia Pty LTD), 800 Blackburn Rd Clayton, Melburn, VIC 3168, Australia
Цель исследования — оценить интеграцию с нативными твердыми тканями зуба человека нового поколения биомиметических материалов, воспроизводящих минералорганический комплекс эмали и дентина, с использованием для многомерной визуализации и анализа ИК-микроспектроскопии.
Материалы и методы. Определение условий возникновения устойчивой интеграции на границе биомиметический материал-естественная твердая ткань производилось с применением биокомпозиционной буферной системы, включающей нанокристал-лический карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция, соответствующий по совокупному ряду характеристик апатиту эмали и дентина человека, и ряд аминокислот, присутствующих в составе органического матрикса эмали и дентина: L-гистидин, L-лизина гидрохлорид, L-аргинина гидрохлорид и гиалуроновую кислоту. Готовые образцы были изучены методом ИК-микроспектроскопии с привлечением оборудования канала ИК-микроспектроскопии (IRM) (Австралийский синхротрон, Мельбурн, Австралия).
Результаты. На основе ИК-картирования интенсивности конкретной функциональной молекулярной группы с использованием синхротронного излучения выявлены и визуализированы характеристические особенности биомиметического переходного слоя в межфазной области эмаль-стоматологический материал и определено расположение функциональных групп, отвечающих процессам интеграции биомиметического композита.
Ключевые слова: биомиметические материалы; нативная твердая ткань зуба человека; ИК-микроспектроскопия; синхротрон-ное излучение.
Как цитировать: Seredin P.V., Uspenskaya O.A., Goloshchapov D.L., Ippolitov I.Yu., Jitraporn (Pimm) Vongsvivut, Ippolitov Yu.A. Organic-mineral interaction between biomimetic materials and hard dental tissues. Sovremennye tehnologii v medicine 2020; 12(1): 43-51, https://doi.org/10.17691/stm2020.12.1.05
English
Organic-Mineral Interaction between Biomimetic Materials and Hard Dental Tissues
P.V. Seredin, DSc, Senior Researcher, Department of Solid State Physics and Nanostructures1;
0.A. Uspenskaya, MD, DSc, Associate Professor, Head of the Department of Therapeutic Dentistry2; D.L. Goloshchapov, PhD, Leading Engineer, Department of Solid State Physics and Nanostructures1;
1.Yu. Ippolitov, MD, PhD, Tutor, Department of Pediatric Dentistry and Orthodontics3;
Для контактов: Ипполитов Юрий Алексеевич, e-mail: dsvgma@mail.ru
Jitraporn (Pimm) Vongsvivut, Beamline Scientist, IR Microspectroscopy4;
Yu.A. Ippolitov, MD, DSc, Professor, Head of the Department of Pediatric Dentistry and Orthodontics3
1Voronezh State University, 1 University Square, Voronezh, 394018, Russia;
2Privolzhsky Research Medical University, 10/1 Minin and Pozharsky Square, Nizhny Novgorod, 603005, Russia;
3Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko, 10 Studencheskaya St., Voronezh, 394036, Russia;
4The Australian Synchrotron (Synchrotron Light Source Australia Pty LTD), 800 Blackburn Rd., Clayton VIC 3168, Melbourne, Australia
The aim of the investigation was to study the integration between native human dental tissue and new-generation biomimetic materials replicating the mineral-organic complex of dentin and enamel using IR microspectroscopy for multidimensional visualization and analysis.
Materials and Methods. The conditions for stable integration at the interface between biomimetic material and natural hard tissue were identified using a biocomposite buffer system of nanocrystalline carbonate-substituted calcium hydroxyapatite corresponding in its total characteristics to human dentin-enamel apatite and a number of amino acids present in the organic matrix of dentin and enamel: L-histidine, L-lysine hydrochloride, L-arginine hydrochloride, and hyaluronic acid. The finished samples were studied using IR microspectroscopy on IRM channel equipment (The Australian Synchrotron, Melbourne, Australia).
Results. The characteristic features of the biomimetic buffer layer at the interface between the enamel and dental material were revealed and visualized based on IR mapping of absorption intensity for particular functional molecular groups with the use of synchrotron radiation, location of the functional groups involved in the processes of biomimetic composite integration was identified.
Key words: biomimetic materials; native human hard dental tissue; IR microspectroscopy; synchrotron radiation.
Введение
На современном этапе развития стоматологического материаловедения восстановление анатомической основы зуба человека или его части осуществляется с использованием цементов и пломбировочных материалов, которые имеют низкое сродство с эмалью и дентином зуба [1, 2]. Следствием данного факта является неудовлетворительная адгезия и возникновение вторичного кариеса на границе пломба-эмаль зубов [2], поэтому улучшение интеграции применяемого или разрабатываемого материала с зубным матриксом — актуальная задача стоматологии [1, 3].
Одновременно с этим активно изучается взаимодействие синтетического материала с тканями зуба, а также формирование биомиметического переходного слоя на межфазной границе между естественной твердой тканью зуба и стоматологическим композитом [2-5], который должен выступать связующим звеном между двумя гетерогенными материалами.
Учитывая, что дентин и эмаль являются биологическими структурно-организованными нанокристалли-ческими композитами с мезо- и нанопористой структурой, обладающими анизотропией механических, оптических и трофических свойств [6], создание стоматологического синтетического материала схожей конфигурации — неординарная и чрезвычайно сложная проблема [7]. Поэтому в настоящее время с целью минимизации сколов, истирания, эрозии и развития кариеса на границе биокомпозит-ткани зуба активно развивается биомиметический подход к реставрации и регенерации утраченных твердых тканей зубов [8-10]. В рамках данного подхода для процессов восстанов-
ления и воссоздания твердой зубной ткани предполагается использование материалов, которые по своему молекулярному составу, химическим и морфологическим характеристикам имеют максимальное родство с естественным апатитом эмали и дентина, а также с их аминокислотным матриксом [8, 10-12]. Современные материалы для стоматологии, учитывающие состав нативных тканей зубов человека, обязательно включают в себя нанокристаллический гидроксиапатит кальция с различной дефектной структурой в нем [7, 13, 14]. Кроме того, обязательным условием при создании такого рода материалов является включение в их состав различного типа органической составляющей для улучшения механических, адгезивных и прочностных характеристик [15-17].
Следует отметить наличие многократных попыток использования принципа биомиметики для воспроизведения органоминерального комплекса зубов и достижения эмале- и дентиноподобной структуры у композитов [10, 18-21]. В самых последних из известных работ биокомпозиты были созданы путем синтеза гидроксиапатита кальция в присутствии различных полимеров и аминокислотных составляющих, а также поверхностно-активных веществ и высокомолекулярных соединений [15, 22-24]. Эта идея основана на фундаментальных принципах взаимодействия материалов и используется для достижения морфологической однородности и гомогенного распределения нанокристаллов гидроксиапатита на поверхности полимерной и органической матрицы. Однако проблема синтеза родственных эмали/дентину биомиметических материалов включает не только фундаментальные вопросы технологии получения биокомпозитов [12,
//////////////////////^^^^
44 СТМ | 2020 | том 12 j №1 П.В. Середин, О.А. Успенская, Д.Л. Голощапов, ..., Ю.А. Ипполитов
25, 26], но и задачи установления органоминерально-го взаимодействия между естественной тканью и созданным по ее подобию биоматериалом [12, 27, 28]. Поэтому необходимы и востребованы тщательные исследования как биогенных образцов эмали и дентина, так и процессов, происходящих в синтетических аналогах нативных материалов, а также изучение взаимодействия на межфазных границах стоматологический материал-биомиметический композит-твердая ткань зуба человека.
Одним из методов, зарекомендовавших себя при исследованиях биологических объектов, является инфракрасная (ИК) Фурье-микроспектроскопия [29-32]. Преимущество данного метода заключается в высокой избирательности и чувствительности: он позволяет получить обширные и разнообразные сведения о молекулярном составе различных тканей зубов человека [30, 33]; исследовать механизмы молекулярных превращений, происходящих в биомиметических материалах; регистрировать новообразованные минеральные фазы [34, 35]. К достоинствам ИК-микроспектроскопии также можно отнести возможность использования ее при анализе многокомпонентных стоматологических материалов [30]. В отличие от ряда других методов при использовании ИК-микроспектроскопии изучаемая система подвергается слабым внешним воздействиям, поэтому полученная информация не претерпевает изменений в результате этих взаимодействий [31]. Включение в измерительную схему микроскопа, а также использование источника син-хротронного излучения при исследованиях биологических объектов позволяет собрать большие массивы спектров с микрообласти образца за короткое время. Это дает возможность сформировать ИК-микроспектроскопическое мозаичное изображение образца, одновременно богатое различной информацией о молекулярной химии, составе и структуре исследованных гетерогенных образцов.
Использование синхротронной ИК-микроспектро-скопии уже позволило нам достигнуть необходимого спектрального разрешения и достоверно определить изменения, происходящие в молекулярном составе образцов в случае кариеса [32, 36].
Целью данной работы стало исследование мо-лекулярно-химических особенностей формирования интерфейса стоматологический материал-биомиметический композит-твердая ткань зуба с использованием многомерной визуализации данных синхротрон-ной ИК-микроспектроскопии.
Материалы и методы
Изучение буферных слоев биокомпозиционных материалов и определение условий возникновения устойчивых функциональных связей на границе биомиметический материал-естественная твердая ткань производилось на образцах зубов, удаленных у па-
циентов в возрасте 18-45 лет по ортодонтическим показаниям. Образцы зубов с начальным фиссурным кариесом во избежание протекания долговременных процессов обызвествления и кальцификации немедленно препарировались с использованием утвержденных стандартов и в соответствии с диагностированной патологией.
Во всех образцах формирование полости в эмали производили до дентина с использованием водяного охлаждения для исключения перегрева зубного мат-рикса. На поверхность полученной полости наносили биокомпозиционную буферную систему, включающую разработанный авторами нанокристаллический кар-бонат-замещенный гидроксиапатит кальция (КГАП), соответствующий по совокупному ряду характеристик апатиту эмали и дентина человека [37, 38], и ряд аминокислот, присутствующих в составе органического матрикса эмали и дентина: L-гистидин, L-лизина гидрохлорид, L-аргинина гидрохлорид и гиалуроновую кислоту. Соотношение составляющих было выбрано аналогично их содержанию в составе эмалевого матрикса [39]. При фиксации полученной буферной системы использовали универсальный светоотвер-ждаемый адгезив для биоактивной бондинговой системы, показавший эффективное связывание с разработанными коммерческими материалами [40]. Для заполнения дефектов и улучшения связывания с твердыми тканями зуба в адгезив был внесен КГАП. Адгезив, содержащий КГАП, наносили на поверхность буферного слоя и подвергали предварительной фотополимеризации в течение 20 с. По истечении 1 мин на сформированный биокомпозиционный связующий слой наносили коммерческий компомерный реставрационный материал Dyract XP (Dentspey Sirona, США), содержащий компоненты адгезива. После этого подготавливали плоскопараллельные сегменты образцов отреставрированных зубов по методике, описанной в работах [41, 42].
Полученные шлифы были изучены методом ИК-микроспектроскопии с привлечением оборудования оптического канала ИК-микроспектроскопии (Австралийский синхротрон, ASP, Мельбурн, Австралия), имеющего в своем составе ИК-спектрометр Vertex 80v, сопряженный с ИК-микроскопом Hyperion 3000 с детектором, охлаждаемым жидким азотом (Bruker Optik, Германия) [31]. Картирование выделенной области исследуемых биологических объектов на ИК-микроскопе Hyperion 3000 (рис. 1, а) осуществляли с использованием призмы и приставки нарушенного полного внутреннего отражения Hybrid macro ATR-FTIR (рис. 1, б). Размер исследуемой области ограничивался размером призмы и составлял ~250 мкм. Полученные ИК-спектры поглощения были зарегистрированы в области от 3800-700 см-1 при спектральном разрешении 4 см-1.
С использованием приставки macro ATR-FTIR на Австралийском источнике синхротронного излучения были исследованы участки межфазной границы
Рис. 1. ИК-микроскоп Hyperion 3000 (а) и призма нарушенного полного внутреннего отражения для макроисследований (Hybrid macro ATR-FTIR) (б)
Рис. 2. Изображение образца зуба человека, *5 (а) на участке межфазной границы стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль (б); в — типичный ИК-спектр поглощения из области межфазной границы; д — ИК-карта общего поглощения
стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль и составлены ИК-карты интенсивности свечения конкретной функциональной молекулярной группы для участка интеграции стоматологического материала и эмали зубов по алгоритмам, представленным в работе [31].
На рис. 2 приведено оптическое изображение плоскопараллельного сегмента исследуемого образца, участок эмали которого был восстановлен с использованием биомиметического композита. Прямоугольной областью обозначена зона межфазной границы стоматологический материал-биомиметический компо-
/////////////////^^^^
46 СТМ J 2020 J том 12 J №1 П.В. Середин, О.А. Успенская, Д.Л. Голощапов, ..., Ю.А. Ипполитов
зит-эмаль. Видимая часть рассматриваемого участка границы определялась размером окна призмы Hybrid macro ATR-FTIR и составляла 250 мкм, при этом размер анализированной области был 100x100 мкм (рис. 2, б).
В ходе исследования участка межфазной границы светоотверждаемый стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль был определен набор основных колебательных мод в ИК-спектре, которые могут выступать в роли спектроскопических сигнатур молекулярных групп, отвечающих материалам, присутствующим в области интеграции. Характеристический ИК-спектр поглощения, полученный из обозначенной области на поверхности образца, приведен на рис. 2, е. Основные полосы, наблюдаемые в спектре, относятся к группе эфира (-COOCH3), присутствующего в составе стоматологического материала на основе Бис-ГМА (1725 см-1) [30], молекулярным группам CH2-CH3 (1457 см-1) и амидным полосам — 1650 см-1 (Amid I), 1550 см-1 (Amid II) и 1240 см-1 (Amid III), входящим в состав как биомиметического композита, так и нативной ткани, а также к неорганической составляющей апатита эмали и биокомпозита (группа PO4 в области 1100-900 см-1).
На представленной ИК-карте полного поглощения образца в области интерфейса стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль нет морфологической/молекулярной информации. Данная ИК-карта отображает лишь цветовое кодирование ин-тенсивностей основных полос в спектрах поглощения из различных точек поверхности образца, где присутствуют те или иные химические компоненты.
Результаты и обсуждение
Полученные с использованием синхротронной ИК-микроспектроскопии характерные ИК-спектры от каждой из исследуемых зон в области границы стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль (рис. 3-5) содержат спектроскопические сигнатуры молекулярных групп материалов, присутствующих в области интеграции.
Приведенные одномерные изображения (ИК-карты), составленные на основе цветового кодирования интенсивностей трех основных спектральных полос (1725, 1650-1240 и 1100-900 см-1), несут информацию о пространственном распределении стоматологического материала, органической и минеральной (апатит) составляющих на исследованном участке образца в области границы трех сред. Синим цветом закодирована самая низкая интенсивность поглощения конкретной молекулярной группы, в то время как красным показана самая высокая.
На рис. 3, а представлен ИК-спектр, полученный из области эмали образца (нижняя правая часть участка интеграции биомиметического композита с эмалью зубов на рис. 2, б). Выделенный в спектре диапазон частот 1104-988 см-1 относится к группе колебаний
РО4, присутствующей в составе апатита эмали зубов [30, 35, 36]. Полученное одномерное ИК-изображение (распределение группы РО4 на участке образца) позволило визуально обнаружить межфазную границу между эмалью и стоматологическим материалом. Анализ информации показывает, что в области стоматологического материала не содержится фосфатных групп. Вся граничащая с эмалью область, где наблюдается ненулевая интенсивность активных колебаний спектра в диапазоне 1104-988 см-1, имеет размеры ~14 мкм и показана на рис. 3, б пунктирной линией.
Весьма интересным на ИК-изображении распределения фосфатной группы (см. рис 3, б) представляется участок, имеющий интенсивность поглощения группы колебаний РО4 от 1,5 до 6,5 отн. ед. Эта зона представляет собой биомиметический переходный слой, в состав которого был включен синтезированный по разработанной нами методике КГАП. ИК-спектры этого материала изучались в работе [43]. Благодаря включению КГАП в биомиметический переходный слой на ИК-карте хорошо заметна межфазная граница стоматологический материал-эмаль, где резкая градация по цвету определяется интенсивностью моды колебаний группы РО4 гидроксиапатита.
Рис. 3. ИК-спектр поглощения из области эмали образца, содержащего характерную фосфатную моду в области 1104-988 см-1, относимую к апатиту эмали (а); характерное ИК-изображение, полученное на основе цветового кодирования интенсивности полосы данного спектра (б)
Необходимо отметить, что анализ ИК-изображения, отображающего распределение только фосфатной составляющей (см. рис. 3, б), не является достаточным для исследования процессов интеграции стоматологического материала с эмалью зуба при использовании биомиметического буферного слоя. Во-первых, потому, что на этапе подготовки образцов выполнялась как механическая, так и химическая подготовка зубной ткани для закрепления буферного слоя и материала (см. «Материалы и методы»). Кроме того, в области 1100-900 см-1 может происходить перекрытие ИК-полос поглощения фосфатных групп неосновными колебаниями от стоматологического материала, что делает анализ межфазной границы неоднозначным. Поэтому для получения дополнительной информации об участке, содержащем межфазную границу, построено ИК-изображение, представленное на рис. 4, б. Эта ИК-карта показывает распределение интенсивности полос поглощения (группы СН2-СН3 и амидного компонента), соотносимых с молекулярными группами, характерными для органической составляющей эмали и входящими в состав биомиметического буферного слоя (рис. 4, а).
Важно подчеркнуть, что полосу поглощения в области от 1524-1365 см-1 можно было бы отнести к
Рис. 4. ИК-спектр поглощения образца с колебательными модами органической составляющей в области 1524-1365 см-1 (а); характерное ИК-изображение, полученное на основе цветового кодирования интенсивности полосы данного спектра (б)
характеристическим колебаниям от КГАП В-типа [38]. Однако, как показали результаты нашей работы [43], колебательные моды органической составляющей эмалевого матрикса имеют иной характеристический профиль и существенно большую интенсивность. Кроме того, полученный ИК-спектр эмали зубов в работе [43] полностью совпадает с экспериментальным ИК-спектром эмали в данной работе. Это однозначно характеризует органическую составляющую эмали в ИК-спектре. Следует отметить, что построенное ИК-изображение по группе полос 1524-1365 см-1 (см. рис. 4, б) позволяет совместно с оптическим изображением анализируемого участка образца (см. рис. 2, а) выделить область нативной эмали зуба.
При анализе ИК-изображения на рис. 4, б в приграничной области стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль зуба хорошо видно, что существующая градация цветового кодирования интенсивности колебательных полос, относимых к органическому матриксу, аналогична той, которую можно наблюдать на ИК-карте распределения фосфатной составляющей (см. рис. 3, б). Однако следует отметить более гомогенное распределение органической составляющей в буферном слое (см. рис. 4, б) по сравнению с распределением фосфатных групп. Это подтверждает тот факт, что в составе созданного нами на этапе пробоподготовки биомиметического переходного слоя доля гидроксиапатита меньше, чем доля органического компонента.
К сожалению, выбранная нами для создания ИК-изображения область колебаний 1524-1365 см-1 (см. рис. 4, б) в ИК-спектре содержит целый ряд перекрывающихся полос, что, как и в случае ИК-карты распределения неорганического компонента, не позволяет однозначно делать выводы о формировании границы интеграции между эмалью и стоматологическим светоотверждаемым цементом.
Для более полной оценки межфазной границы было проведено исследование ИК-спектров коммерческого компомерного реставрационного материала Dyract ХР. При анализе спектра, приведенного на рис. 5, а, обращает на себя внимание тот факт, что он содержит широкую и высокоинтенсивную моду колебаний в области 1100-1000 см-1. Эта колебательная полоса может принадлежать молекулярной группе силикатов алюминия или оксида кремния, используемых в качестве наполнителей светоотверждаемых цементов, и не связана с фосфатными компонентами биомиметического материала. В то же время группа колебаний в области 1600-1200 см-1 присутствует в спектре, полученном из области стоматологического материала, ввиду наличия в его составе синтетических добавок, используемых для фотополимеризации и связывания стоматологических цементов типа Бис-ГМА.
Однако в ИК-спектре из области стоматологического материала можно заметить еще одну полосу поглощения, расположенную в области 1725 см-1
//////////////////////^^^^^
48 СТМ f 2020 f том 12 f №1 П.В. Середин, О.А. Успенская, Д.Л. Голощапов, ..., Ю.А. Ипполитов
л ро4
1200 1000 Волновые числа, см-
1 б р
В Ш :
х, мкм.
^ИПбП)?1690.99 о. '
Рис. 5. ИК-спектр поглощения с особенностью в области 1761-1690 см-1, относимой к молекулярной группе эфира (-СООСН3) стоматологического материала (а); характерное ИК-изображение, полученное на основе цветового кодирования интенсивности полосы данного спектра (б)
(см. рис. 5, а). В работе [30] было показано, что эта полоса является характерной особенностью ИК-спектров стоматологических цементов на основе Бис-ГМА и полиметилметакрилата и принадлежит молекулярной группе эфира (-СООСН3). Важно подчеркнуть, что это колебание не перекрывается другими полосами, а следовательно, делает одномерный анализ ИК-поглощения на основе этого параметра более достоверным, дающим информацию о пространственном распределении стоматологического материала в анализируемой области.
На рис. 5, б видно, что максимальное распределение интенсивности колебательной моды группы эфира (-СООСН3) совпадает с наблюдаемым на оптическом снимке расположением материала (см. рис. 2, б). Особенное внимание привлекает область интеграции стоматологического материала с эмалью, где перепад интенсивности данной колебательной моды — от максимального до минимального — наблюдается в пространственном интервале ~14 мкм и накладывается на зону, в которой в большей степени преобладает органическая составляющая эмали (см. рис. 4, б).
Необходимо подчеркнуть, что одновременный анализ нескольких ИК-карт, построенных на основе анализа выделенных, в том числе единичных, полос не всегда позволяет визуализировать изменения в гетерофазной границе между близкими по структуре материалами. Это связано с ограничениями одномерного подхода к выявлению спектральных изменений. Перечисленные проблемы могут быть решены с использованием многомерных методов кластеризации, позволяющих эффективно классифицировать большое количество компонентных спектров. Используя этот подход, нам удалось проанализировать особенности сложного интерфейса стоматологический материал-биомиметический композит-эмаль зуба. Одновременный анализ, выполненный с учетом всех особенностей спектральных областей 1760-1690 и 1520-1360 см-1, обнаруживал, что взаимодействие между стоматологическим материалом и эмалью происходит посредством буферного слоя. Схематично на рис. 6 показаны результаты кластеризации с выделением области биомиметического композита.
В ограниченной пунктиром области на рис. 6 схематично показано, что буферный переходный слой между эмалью и материалом Dyract ХР образуется за счет связывания эмали с частично деминерализованным эмалевым матриксом, что может указывать на возникновение органоминерального взаимодействия в анализируемой области. Исходя из имеющихся данных можно предположить, что реальный размер буферного (интегрирующего) слоя составляет от 3 до 4 мкм. Таким образом, полученные на основе анализа всех ИК-изображений данные (см. рис. 3-6) доподлинно свидетельствуют о химической дифференциации функциональных групп всех материалов в области границы биомиметическая система-естественная твердая ткань зуба и подтверждают эффективность выбранного подхода для анализа
Рис. 6. ИК-изображение, полученное с использованием метода кластеризации с учетом особенностей ИК-спектров в областях 1760-1690 и 1520-1360 см-1
а
тшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшш^^^
Органоминеральное взаимодействие биомиметических материалов с твердыми тканями зуба СТМ I 2020 I том 12 I №1 49
интеграции стоматологических цементов и биомиметических композитов нового поколения.
Заключение
Продемонстрирована возможность применения молекулярной многомерной ИК-визуализации для анализа интеграции нового поколения биомиметических материалов, воспроизводящих минералорганический комплекс эмали, с нативными твердыми тканями зуба человека.
С помощью ИК-картирования интенсивности конкретной функциональной молекулярной группы с использованием синхротронного излучения были найдены и визуализированы различия между здоровой тканью, стоматологическим материалом и биомиметическим переходным слоем в межфазных областях, а также определены расположение и концентрация функциональных групп, отвечающих процессам интеграции биомиметического композита и нативной твердой ткани зуба человека.
Полученные микроспектроскопические данные достоверно подтверждают химическую дифференциацию материалов и наличие органоминерального взаимодействия на границе биомиметическая система-естественная твердая ткань зуба человека.
Финансирование исследования. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №18-29-11008 мк).
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Литература/References
1. Rohr N., Fischer J. Tooth surface treatment strategies for adhesive cementation. J Adv Prosthodont 2017; 9(2): 8592, https://doi.org/10.4047/jap.2017.9.2.85.
2. Pereira C.N de B., Daleprane B., Miranda G.L.P. de, Magalhaes C.S. de, Moreira A.N. Ultramorphology of pre-treated adhesive interfaces between self-adhesive resin cement and tooth structures. Revista de Odontología da UNESP 2017; 46(5): 249-254, https://doi.org/10.1590/1807-2577.04917.
3. Temel U.B., Van Ende A., Van Meerbeek B., Ermis R.B. Bond strength and cement-tooth interfacial characterization of self-adhesive composite cements. Am J Dent 2017; 30(4): 205-211.
4. Watson T.F., Atmeh A.R., Sajini S., Cook R.J., Festy F. Present and future of glass-ionomers and calcium-silicate cements as bioactive materials in dentistry: biophotonics-based interfacial analyses in health and disease. Dent Mater 2014; 30(1): 50-61, https://doi.org/10.1016/j.dental.2013.08.202.
5. Pontes D.G., Araujo C.T., Prieto L.T., de Oliveira D.C., Coppini E.K., Dias C.T., Paulillo L.A. Nanoleakage of fiber posts luted with different adhesive strategies and the effect of chlorhexidine on the interface of dentin and self-adhesive cements. Gen Dent 2015; 63(3): 31-37.
6. Development, function and evolution of teeth.
Edited by Teaford M.F., Smith M.M., Ferguson M.W.J. Cambridge University Press; 2000, https://doi.org/10.1017/ cbo9780511542626.
7. Dorozhkin S. Hydroxyapatite and other calcium orthophosphates: bioceramics, coatings and dental applications. Nova Science Publishers, Inc New York; 2017; 462 p.
8. Uskokovic V. Biomineralization and biomimicry of tooth enamel. In: Non-metallic biomaterials for tooth repair and replacement. Elsevier; 2013; p. 20-44, https://doi. org/10.1533/9780857096432.1.20.
9. Niu L., Zhang W., Pashley D.H., Breschi L., Mao J., Chen J., Tay F.R. Biomimetic remineralization of dentin. Dent Mater 2014; 30(1): 77-96, https://doi.org/10.1016/j. dental.2013.07.013.
10. Cao C., Mei M., Li Q., Lo E., Chu C. Methods for biomimetic mineralisation of human enamel: a systematic review. Materials 2015; 8(6): 2873-2886, https://doi. org/10.3390/ma8062873.
11. Chen L., Yuan H., Tang B., Liang K., Li J. Biomimetic remineralization of human enamel in the presence of polyamidoamine dendrimers in vitro. Caries Res 2015; 49(3): 282-290, https://doi.org/10.1159/000375376.
12. Seredin P.V., Goloshchapov D.L., Gushchin M.S., Ippolitov Y.A., Prutskij T. The importance of the biomimetic composites components for recreating the optical properties and molecular composition of intact dental tissues. Journal of Physics: Conference Series 2017; 917(4): 042019, https://doi. org/10.1088/1742-6596/917/4/042019.
13. Xia Z. Biomimetic principles and design of advanced engineering materials. John Wiley & Sons; 2016; 321 p., https://doi.org/10.1002/9781118926253.
14. Dorozhkin S. Self-setting calcium orthophosphate formulations: cements, concretes, pastes and putties. International Journal of Materials and Chemistry 2012; 1(1): 1-48, https://doi.org/10.5923/j.ijmc.20110101.01.
15. Li H., Gong M., Yang A., Ma J., Li X., Yan Y. Degradable biocomposite of nano calcium-deficient hydroxyapatite-multi(amino acid) copolymer. Int J Nanomedicine 2012; 7: 1287-1295, https://doi.org/10.2147/ijn.s28978.
16. Ruan Q., Zhang Y., Yang X., Nutt S., Moradian-Oldak J. An amelogenin-chitosan matrix promotes assembly of an enamel-like layer with a dense interface. Acta Biomaterialia 2013; 9(7): 7289-7297, https://doi.org/10.1016/j. actbio.2013.04.004.
17. Yao Y., Shao H., Zhang Q. Development and characterization of a novel amorphous calcium phosphate/multi (amino acid) copolymer composite for bone repair. J Biomater Tissue Eng 2015; 5(5): 387-390, https://doi.org/10.1166/ jbt.2015.1321.
18. Melo M.A., Weir M.D., Rodrigues L.K., Xu H.H. Novel calcium phosphate nanocomposite with caries-inhibition in a human in situ model. Dental Materials 2013; 29(2): 231-240, https://doi.org/10.1016/j.dental.2012.10.010.
19. Wu X.T., Mei M.L., Li Q.L., Cao C.Y., Chen J.L., Xia R., Zhang Z.H., Chu C.H. A direct electric field-aided biomimetic mineralization system for inducing the remineralization of dentin collagen matrix. Materials 2015; 8(11): 7889-7899, https://doi.org/10.3390/ma8115433.
20. Barghamadi H., Atai M., Imani M., Esfandeh M. Effects of nanoparticle size and content on mechanical properties of dental nanocomposites: experimental versus modeling. Iranian Polymer Journal 2015; 24(10): 837-848, https://doi. org/10.1007/s13726-015-0369-5.
//////////////////////^^^^
50 СТМ I 2020 I том 12 j №1 П.В. Середин, О.А. Успенская, Д.Л. Голощапов, ..., Ю.А. Ипполитов
21. Wang H., Xiao Z., Yang J., Lu D., Kishen A., Li Y., Chen Z., Que K., Zhang Q., Deng X., Yang X., Cai Q., Chen N., Cong C., Guan B., Li T., Zhang X. Oriented and ordered biomimetic remineralization of the surface of demineralized dental enamel using HAP@ACP nanoparticles guided by glycine. Sci Rep 2017; 7(1): 40701, https://doi.org/10.1038/ srep40701.
22. Wu X., Zhao X., Li Y., Yang T., Yan X., Wang K. In situ synthesis carbonated hydroxyapatite layers on enamel slices with acidic amino acids by a novel two-step method. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2015; 54: 150-157, https://doi. org/10.1016/j.msec.2015.05.006.
23. Aljabo A., Abou Neel E.A., Knowles J.C., Young A.M. Development of dental composites with reactive fillers that promote precipitation of antibacterial-hydroxyapatite layers. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2016; 60: 285-292, https:// doi.org/10.1016/j.msec.2015.11.047.
24. Wang P., Liu P., Peng H., Luo X., Yuan H., Zhang J., Yan Y. Biocompatibility evaluation of dicalcium phosphate/ calcium sulfate/poly (amino acid) composite for orthopedic tissue engineering in vitro and in vivo. J Biomater Sci Polym Ed 2016; 27(11): 1170-1186, https://doi.org/10.1080/09205063.20 16.1184123.
25. Lubke A., Enax J., Wey K., Fabritius H.-O., Raabe D., Epple M. Composites of fluoroapatite and methylmethacrylate-based polymers (PMMA) for biomimetic tooth replacement. Bioinspir Biomim 2016; 11(3): 035001, https://doi. org/10.1088/1748-3190/11/3/035001.
26. Sa Y., Gao Y., Wang M., Wang T., Feng X., Wang Z., Wang Y., Jiang T. Bioactive calcium phosphate cement with excellent injectability, mineralization capacity and drug-delivery properties for dental biomimetic reconstruction and minimum intervention therapy. RSC Advances 2016, 6(33): 2734927359, https://doi.org/10.1039/c6ra02488b.
27. Adachi T., Pezzotti G., Yamamoto T., Ichioka H., Boffelli M., Zhu W., Kanamura N. Vibrational algorithms for quantitative crystallographic analyses of hydroxyapatite-based biomaterials: II, application to decayed human teeth. Anal Bioanal Chem 2015; 407(12): 3343-3356, https://doi. org/10.1007/s00216-015-8539-z.
28. Mitic Z., Stolic A., Stojanovic S., Najman S., Ignjatovic N., Nikolic G., Trajanovic M. Instrumental methods and techniques for structural and physicochemical characterization of biomaterials and bone tissue: a review. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2017; 79: 930-949, https:// doi.org/10.1016/j.msec.2017.05.127.
29. Optical spectroscopy and computational methods in biology and medicine. Edited by Baranska M. Springer, Dordrecht; 2014; 540 p., https://doi.org/10.1007/978-94-007-7832-0.
30. H^dzelek W., Marcinkowska A., Domka L., Wachowiak R. Infrared spectroscopic identification of chosen dental materials and natural teeth. Acta Phys Pol A 2008; 114(2): 471-484, https://doi.org/10.12693/aphyspola.114.471.
31. Vongsvivut J., Perez-Guaita D., Wood B.R., Heraud P., Khambatta K., Hartnell D., Hackett M.J., Tobin M.J. Synchrotron macro ATR-FTIR microspectroscopy for highresolution chemical mapping of single cells. Analyst 2019; 144(10): 3226-3238, https://doi.org/10.1039/c8an01543k.
32. Seredin P., Goloshchapov D., Ippolitov Y., Vongsviv Pathology-specific molecular profiles of saliva in
multiple dental caries — potential application for predictive, preventive and personalised medical services. EPMA Journal 2018; 9(2): 195-203, https://doi.org/10.1007/s13167-018-0135-9.
33. Dusevich V., Xu C., Wang Y., Walker M.P., Gorski J.P. Identification of a protein-containing enamel matrix layer which bridges with the dentine-enamel junction of adult human teeth. Arch Oral Biol 2012; 57(12): 1585-1594, https://doi. org/10.1016/j.archoralbio.2012.04.014.
34. Seredin P.V., Kashkarov V.M., Lukin A.N., Goloshchapov D.L., Al-Zubaidi Asaad Abdulhussein, Ippolitov Y.A., Julian R., Doyle S. Research hydroxyapatite crystals and organic components of hard tooth tissues affected by dental caries using FTIR-microspectroscopy and XRD-microdiffraction. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy 2013; 15(3): 224-231.
35. Fattibene P., Carosi A., Coste V.D., Sacchetti A., Nucara A., Postorino P., Dore P. A comparative EPR, infrared and Raman study of natural and deproteinated tooth enamel and dentin. Phys Med Biol 2005; 50(6): 1095, https://doi. org/10.1088/0031-9155/50/6/004.
36. Seredin P., Goloshchapov D., Kashkarov V., Ippolitov Y., Bambery K. The investigations of changes in mineral-organic and carbon-phosphate ratios in the mixed saliva by synchrotron infrared spectroscopy. Results in Physics 2016; 6: 315-321, https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.06.005.
37. Goloshchapov D.L., Kashkarov V.M., Rumyantseva N.A., Seredin P.V., Lenshin A.S., Agapov B.L., Domashevskaya E.P. Synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite by precipitation using hen's eggshell. Ceramics International 2013; 39(4): 45394549, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.11.050.
38. Goloshchapov D.L., Lenshin A.S., Savchenko D.V., Seredin P. Importance of defect nanocrystalline calcium hydroxyapatite characteristics for developing the dental biomimetic composites. Results in Physics 2019; 13: 102158, https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102158.
39. Nanci A. Ten cate's oral histology: development, structure, and function. Elsevier Health Sciences; 2013; 400 p.
40. Ипполитов Ю.А. Возможность повышения биологической тропности светоотверждаемой бондинговой системы для адгезии твердых тканей зуба к пломбировочному материалу. Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН 2010; 4(28): 31-34.
Ippolitov Yu.A. The possibility of bond system biologi compatibility improvement for adhesion of hard dental tissu to filling material. Byulleten' Volgograds. tsentra RAMN 2010; 4(28): 31-34.
41. Seredin P., Goloshchapov D Phase transformations in a hum stage of caries. PLoS One 201 org/10.1371/journal.pone.01
42. Seredin P.V.
Ippolitov Yu.A. A si_______________
carious dentin by the methods of laser-i and Raman spectromicroscopy. Opt Spectrosc 2018; 125 https://doi.org/10.1134/S0t
i.
T., of scence 803,
ons
43.
Ipp
uA<Fabricatii
similar opti
ysics 20
¿ft Prutskij T., sation of composites osition to native dental l: 1086-1094, https://doi.
