CC BY
325
УДК 539.3
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА дентина и эмали
© Д.В. Зайцев1*, Е.В. Бузова2*, П.Е. Панфилов1*
Уральский государственный университет, г. Екатеринбург, Россия,
2) Уральская государственная медицинская академия, г. Екатеринбург, Россия,
e-mail: Dmitry.Zaitsev@usu.ru
Ключевые слова: дентин; эмаль; деформация; разрушение, микроструктура.
Рассмотрено механическое поведение дентина, эмали и дентиноэмалевого соединения. Испытания на сжатие показали, что дентин и эмаль являются упругими (23 и 5 % соответственно) и прочными (538 МПа и 253 МПа) твердыми тканями.
ВВЕДЕНИЕ
Зуб - это сложная биомеханическая система, состоящая из неорганических и органических веществ, основной функцией которой является измельчение пищи в процессе пережевывания. Костную основу зуба составляет дентин, назначение которого - поддерживать эмаль, самую твердую ткань организма. Эмаль покрывает зуб в коронковой части, которая возвышается над десной; она работает на истирание и предохраняет зуб от воздействия среды полости рта. В корневой части зуб покрыт цементом, который обеспечивает связку зуба с десной. В центре зуба располагается пульповая камера, где находятся мягкие ткани (кровеносные сосуды и нервы), которые выходят через вершину из зуба, связывая его с организмом.
Информация о прочностных свойствах дентина и эмали оказывается полезной для стоматологии. Прочность твердых тканей зубов является предметом исследований начиная с 1985 г. [1], однако до сегодняшнего дня нет общепринятого критерия, по которому можно было бы определить, является ли твердая ткань здоровой, причем с увеличением количества применяемых методов неопределенность возрастает [2].
Целью настоящей работы является изучение прочностных свойств дентина, эмали и их соединения, методом одноосного сжатия. Поскольку механические свойства твердых тканей зубов зависят от микроструктуры [2], в работе также описывается микроструктура дентина и эмали. Оптическая металлография (просвет) является наиболее подходящей техникой для слабоконтрастных объектов, таких как биологические материалы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы для исследований вырезали с помощью алмазной пилы из здоровых премоляров, удаленных по медицинским показаниям. Известно, что микроструктура твердых тканей зависит от места положения в зубе [3], и поэтому для изучения микроструктуры образцы толщиной ~1 мм вырезали из коронковой части, параллельно и перпендикулярно главной оси зуба (рис. 1). В этом случае структурные элементы тканей будут иметь
преимущественно простейшие ориентировки относительно рабочей поверхности образца (перпендикулярно и параллельно), что упрощает анализ свойств дентина и эмали [4]. Исследование в проходящем свете требует тонких образцов, поэтому образцы тканей утоняли на абразивной бумагах и пастах до толщины 0,1 мм. Далее их выдерживали в ортофосфорной кислоте в течение 5 мин., а затем в течение 10 мин. промывали в проточной воде. Исследование микроструктуры проводили на микроскопе МБИ-6.
Испытания на одноосное сжатие при комнатной температуре проводили на разрывной машине 8МтаіІ7и А0-50Ш-ХБ (скорость перемещения траверсы 0,1 мм/мин.). Образцы для испытаний вырезали по схеме, приведенной на рис. 2. Они обладали формой параллелепипеда с размерами приблизительно 2х2х0,7 мм3. Линейные размеры образцов до и после испытания измеряли с помощью инструментального
| Главная ось зуба
5 mm
Рис. 1. Сечение человеческого зуба (премоляр)
Рис. 2. Схема распиловки зуба для приготовления из него образцов на сжатие
Рис. 3. Микроструктура дентина: а и б - микрофотографии, полученные на оптическом микроскопе в режиме на просвет, каналы ориентированы перпендикулярно и параллельно рабочей поверхности образца соответственно; в - схематическое изображение микроструктуры дентина
Рис. 4. Микроструктура эмали: а - эмалевые стержни ориентированы параллельно рабочей поверхности образца; б - схема строения эмали
микрометра. Микроструктуру рабочих поверхностей образцов аттестовывали, на металлографическом микроскопе МИМ-8М.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 3а, б приведены микрофотографии дентина, на которых и дентинные каналы лежат перпендикулярно поверхности снимка (выглядят как черные точки на светлом фоне) и параллельно ей (выглядят как темные параллельные линии). Диаметр дентинных каналов составляет 3-5 мкм, а расстояние между соседними 8-10 мкм. Схема дентинной матрицы приведена на рис. 3в. Каналы пронизывают дентинную матрицу от пульпы до дентиноэмалевого соединения (ДЭС), по ходу немного уменьшаясь в диаметре. Они всегда ориентированы перпендикулярно поверхности пульповой камеры и ДЭС. Полученные результаты согласуются с литературными данными [5, 6].
Матрица эмали состоит из плотно упакованных эмалевых стержней, на микрофотографии они выглядят как светлые полосы на темном фоне (рис. 4а). По ходу своего роста от ДЭС до внешней границы зуба они изгибаются, но всегда остаются параллельными друг другу (рис. 4б). При этом диаметр стержней практически не изменяется и составляет 8 мкм [7].
Деформационные кривые, полученные при механических испытаниях на одноосное сжатие дентина, эма-
ли и ДЭС, приведены на рис. 5. На начальном этапе нагружения (до напряжений порядка 30 МПа) кривые ведут себя нелинейно. Затем на них наблюдается линейный участок. Протяженность линейного участка (относительно всей деформационной кривой) максимальна у эмали и минимальная у дентина (табл. 1). Измерение линейных размеров образцов дентина до и после сжатия показало, что величина остаточной деформации совпадает с величиной деформации на графике после предела пропорциональности. Испытания на долговременную прочность в течение 5 ч. эмали и дентина, при постоянном напряжении соответствующих их пределу пропорциональности, показало, что на линейном участке они способны продолжительное время выдерживать нагрузку в режиме упругости (рис. 6). По наклону линейных участков управляющей программой Тгаре7шш-Х были определены модули Юнга испытанных образцов. Испытания прекращали, когда на кривых возникали изломы, что соответствовало появлению в образцах трещин.
Максимальное напряжение во время испытания определяли как предел прочности. Дентин оказался более прочным и деформируемым материалом по сравнению с эмалью и ДЭС. Предел прочности и величина полной деформации эмали и ДЭС практически одинаковы, тогда как предел пропорциональности ДЭС меньше практически на 40 %, чем у эмали: 240 и 151 МПа соответственно.
/ \у--
/ /
/ /
/
/ /
3, 2 / /
/ / і / /
! / / / /
/ / /
і
5паіги:%)
Рис. 5. Деформационные кривые при сжатии: 1 - образцы вырезаны из коронкового дентина, 2 - образцы, вырезанные из эмали; 3 - образцы, вырезанные на границе дентина и эмали
Таблица 1
Механические характеристики твердых тканей зубов
Ткань Е, ГПа а„, МПа атах, МПа ЕШЬ % Е1, % Е2, %
Дентин 3,67±0,38 348±16 538±19 22,6±1,2 9,0±1,4 8,1±1,7
Эмаль 5,49 240 253 5,0 1,5 0,4
ДЭС 8,43 151 251 3,7 2 0
Примечание. е1 - величина деформации после предела пропорциональности; е2 - величина остаточной деформации, определенной при помощи микрометра.
20 18 -1614-
¿12 -с ст;
й 10 -<и
28
(Л
6
4
2
0
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
"Пте(Ьг)
а
55 5
о
£4
V)
3
2
1
О
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3.2 3.6 4 4,4 5
■Пте(Ьг)
б
Рис. 6. Деформационные кривые при испытании на долговременную прочность (5 ч.): а - дентин 350 МПа; б - эмаль 200 МПа
а б в г
Рис. 7. Определение угла наклона между осью сжатия и направлением дентинных каналов: а - образец для сжатия, вырезанный из коронкового дентина; б - микроструктура плоскости сжатия образца; в - микроструктура боковой поверхности образца; г - схематическое изображение определения угла наклона оси сжатия относительно оси каналов
Образцы дентина были приготовлены так, что ориентировка дентинных каналов во всех образцах была разной. С боковой поверхности и плоскости сжатия образцов дентина (рис. 7а) были получены микрофотографии (рис. 7б, в), по которым были определены углы наклона дентинных каналов относительно оси сжатия (рис. 7г). Сравнение полученных параметров от угла наклона не выявило какой либо зависимости.
Была исследована зависимость модуля Юнга от скорости деформации (рис. 8). Видно, что модуль Юнга увеличивается практически в два раза при увеличении скорости деформации от 0,1 до 1 мм/мин.
ОБСУЖДЕНИЕ
Нелинейность поведения деформационных кривых до напряжения 30 МПа, скорее всего, связано с несовершенством геометрии образцов. Плоскости сжатия образцов не плоскопараллельны и поэтому на начальном этапе испытания происходит неполное касание образца и, как, следствие возникновение больших истинных напряжений по сравнению с условными напряжениями. Величины модуля Юнга оказались ниже, а пределы прочности - выше по сравнению с литературными данными [1, 8-10]. Изучение зависимости модуля Юнга от скорости деформации показало, что
модуль может изменяться от скорости деформации. Литературные данные были получены на скорости перемещения траверсы 1 мм/мин, тогда как скорость в наших испытаниях составляла 0,1 мм/мин. Измерение остаточной деформации и проведение испытаний на долговременную прочность позволяют заключить, что до величины предела пропорциональности, деформация является обратимой, а после него - нет. Высокая величина обратимой деформации связана с наличием в дентинной матрице высокоупругих коллагеновых волокон [11] и органических оболочек эмалевых стержней [12]. Характер деформационных кривых указывает, что дентин и эмаль - вязкоупругие материалы [13]. Отсутствие анизотропии механических свойств образцов связано со сложностью получения образцов с определенной ориентировкой каналов во всем образце и наличием в коронковом дентине областей с разной степенью минерализации [14].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе показано, что дентин, эмаль и их соединение являются прочными и упругими твердыми тканями зуба. Дентин - самая прочная ткань, способная выдержать наибольшую как обратимую, так и необратимую деформацию.
Модуль Юнга, ГПа
Скорость нагружения, мм/мин
Рис. 8. График зависимости модуля Юнга от скорости нагружения
ЛИТЕРАТУРА
1. Black G. V. An Investigation into the Physical Characters of the Human Teeth in Relation to their Diseases and to Practical Dental Operations // Dent Cosmos. 1895. V. 37. P. 353-421, 469-484, 553-571, 637-661, 737-757.
2. Kinney J.H., Marshall S.J., Marshall G. W. The mechanical properties of human dentin: a critical review and re-evaluation of the dental literature // Crit. Rev. Oral. Biol. Med. 2003. V. 14. № 1. Р. 13-29.
3. Elbaum R., Tal E., Perets A.I., Oron D., Ziskind D., Silberberg Y., Wagner H.D. Dentin micro-architecture using harmonic generation microscopy // Journal of dentistry. 2007. V. 35. Р. 150-155.
4. Habelitz S., Marshall S.J., Marshall G. W., Baloooch M. Mechanical properties of human dental enamel on the nanometer scale // Archives of Oral Biology. 2001. V. 46. Р. 173-183.
5. Rasmussen T.S., Patchin R.E., Scott D.B., Heuer A.H. Fracture properties of human enamel and dentin // J Dent. Res. 1976. V. 55. № 1. Р. 154-164.
6. Imbeni V., Nalla R.K., Bosi C., Kinney J.H., Ritchie R.O. In vitro fracture toughness of human dentin // JMBR. 2003. V. 66A. Р. 1-9.
7. Wang L.J., Tang R., Bonstein T., Bush P., Nancollas G.H. Enamel demineralization in primary and permanent teeth // J Dent. Res. 2006. V. 8. № 5 (4). Р. 359-363.
8. Watts D.C., El Mowafy O.M., Grant A.A. Temperature-dependence of compressive properties of human dentin // J Dent. Res. 1987. V. 66. № 1. Р. 29-32.
9. Graig R. G., Peyton F.A. Elastic and mechanical properties of human dentin // J Dent. Res. 1958. V. 37. № 4. Р. 710-718.
10. Stanford JW, Wiegel KV, Paffenbarger GC, Sweeney WT Compressive properties of hard tooth tissues and some restorative materials // J. Am Dent Assoc. 1960. V. 60. Р. 746-756.
11. BuehlerM.J. Nature designs tough collagen: Explaining the nanostructure of collagen fibrils // PNAS. 2006. V. 103. № 33. Р. 12285-290.
12. Bajaj D. and Arola D. Role prism decussation on fatigue crack growth and fracture of human enamel // Acta Biomaterials. 2009 V. 5. Р. 3045-3056.
13. DuncansonM.G.JR. andKorostoff E. Compressive viscoelastic properties of human dentin: I. Stress-relaxation behaviour // J. Dent. Res. 1975. V. 54. № 6. Р. 1207-1212.
14. Waters N.E. Some mechanical and physical properties of teeth // Symp Soc Exp Biol. 1980. V. 34. Р. 99-135.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования частично поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации (№ 2.2.2.2/5579) и АФГИР (США) (№ RUX0-005-EK-06/ BG7305 & BG9305).
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Zaitsev D.V., Buzova E.V., Panfilov P.E. Strength properties of dentin and enamel. Mechanical behaviour of dentin, enamel and dentin enamel junction is considered. The findings are shown that dentin and enamel are high elastic 23 and 5 % but strength 538 MPa and 253 MPa tooth hard tissues, respectively.
Key words: dentin; enamel; deformation; fracture; microstructure.
