Full Text

Кариес зубов - сложный патологический процесс, вызванный воздействием кислот (преимущественно молочной), возникающих в полости рта как побочных продуктов метаболизма бактерий зубного налета (в первую очередь групп Streptococcus mutans и Lactobacillus) [24; 25]. Кислоты снижают уровень pH локально в окрестности зубного налета и проникают внутрь эмали зуба, растворяя основные её структурные компоненты - кристаллы гидроксиапатита [12]. Этот процесс называется деминерализацией. Деминерализация может начаться двумя путями: либо растворяются центры кристаллов, либо участки на их периферии [29] (показано [6], что данный процесс сопровождается изменением формы микропор в эмали), что впоследствии при недостаточной реминерализации - восстановлении и появлении новых кристаллов [26] - может привести к разрушению тканей зуба. Стратегия лечения пациента стоматологом строится исходя из ряда факторов, таких как размер области кариеса, её локализация, наличие / отсутствие кавитации, а также степень активности. При ранних проявлениях кариеса лечение может ограничиться неинвазивными подходами: остановкой процесса деминерализации (в том числе при антибактериальной терапии [3; 15]), восстановлением оптимального минерального состава патологических тканей путем применения реминерализирующих препаратов [4; 5], а также методами малоинвазивного лечения без применения анестезии и удаления тканей [9; 17]. Однако часто врачи сталкиваются с необходимостью лечения более поздних стадий кариеса, когда подобных методов недостаточно. Возникает необходимость применения фотополимерных стоматологических пломбировочных (реставрационных) материалов. Лечение кариеса при этом сопряжено с вероятностью потери адгезии между эмалью и пломбой, связанных с последствиями постполимеризационных напряжений, микроподтеканием материала, значительной разницей механических свойств пломбы и эмали [14; 18]. Кроме того, ряд материалов обладает невысокими прочностными характеристиками [1]. В связи с этим особую важность приобретает близость пломб по своим физико-механическим свойствам к свойствам естественной здоровой эмали. В настоящей работе с использованием рентгеновской компьютерной микротомографии (микро-КТ) проведено ex vivo неразрушающее исследование плотности пломб из стеклоиономерного цемента и композитного материала на зубах человека. После подготовки продольных шлифов образцов зубов проведено исследование микрогеометрических характеристик пломб с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ). Материалы и методы Два зуба человека (моляра) были удалены у пациентов по ортодонтическим показаниям в стоматологическом отделении клиники Ростовского государственного медицинского университета (РостГМУ), г. Ростов-на-Дону, Россия. Локальный независимый этический комитет РостГМУ одобрил исследование (выписка 14/21 от 23.09.2021), пациенты предоставили информированное согласие. Области кариеса (очаги в стадии белого пятна, СБП) на каждом из образцов были обнаружены стоматологами в соответствии с критериями Всемирной стоматологической федерации [11]. После извлечения каждый из образцов выдерживался в 1% растворе NaClO (по массе) в течение 10 мин. Затем образцы были помещены в стерильные контейнеры с сбалансированным солевым раствором Хэнкса при 4 ºC с гранулами тимола («Унифарм», г. Славянск-на-Кубани, Россия), добавленными для предотвращения роста грибков и дезинфекции. Отношение тимола к раствору Хэнкса составило 1:1000. В качестве стеклоиономерного цемента использован Vitremer (3M ESPE, Сент-Пол, США) на образце согласно протоколу, рекомендуемому производителем: чистка зуба, препарирование, травление ортофосфорной кислотой (30 с), нанесение адгезивной системы, пломбирование, полировка бором и диском-энхенс, применение полировочной пасты «Полирен 1». В качестве композитного материала использован рентгенконтрастный препарат Estelite (Tokuyama dental, Токио, Япония) согласно протоколу, рекомендуемому производителем: чистка зуба, препарирование, селективное травление эмали (30 с), нанесение адгезивной системы, пломбирование, полировка бором и диском-энхенс, применение полировочной пасты «Полирен 1». Для обоих образцов выполнено микротомографирование до и после стоматологического вмешательства с последующим сопоставлением трехмерных карт плотности образцов по областям, представляющим собой пары «пломба - здоровая эмаль». Для обоих образцов применялись одинаковые параметры микро-КТ сканирования на установке Xradia Versa 520 (Carl Zeiss Microscopy, Плезантон, США): напряжение рентгеновской трубки 110 кВ, мощность 9,5 В, размер пикселя 14,7 мкм, вращение образца на 360°, время экспозиции 1 с, фильтр на рентгеновской трубке HE6. В процессе сканирования получена 1601 проекция образца. Реконструкция набора проекций в набор виртуальных сечений проведена в программном обеспечении XRMReconstructor 12.0.8086.19558 со значениями смещения центра, определёнными в автоматическом режиме, использован фильтр размытия Гаусса (0,5) и сдвиг спектра пучка в более жёсткую (высокоэнергетическую) область. Для коррекции дрейфа образца в процессе сканирования использовалась опция дополнительных компенсирующих перемещений. Для количественного определения плотности была проведена калибровка зависимости значения серого от плотности изучаемого образца для конкретных условий проведения томографии [7] (эффективность данного подхода была ранее продемонстрирована для исследования искусственной деминерализации тканей зуба [16]). С этой целью непосредственно над эмалью исследуемых образцов был помещён калибровочный фантом, который представляет собой эталон с известными значениями плотности его составляющих: полиэтилентерефталат (1,35 г/см3), сплав на основе магния Ma2-1M (1,78 г/см3), сплав на основе алюминия САС1-400 (2,69 г/см3), минерал флюорит (3,09 г/см3). Обработка результатов микро-КТ проведена с использованием программного обеспечения VGSTUDIO Max 3.5 (Volume Graphics Gmbh, Хайдельберг, Германия). Сегментирование областей интереса (кариес эмали в СБП, здоровая эмаль, пломба) выполнялось при помощи инструмента Region growing. После микро-КТ-исследования выполнялся продольный разрез областей, содержащих пломбы с помощью прецизионной пилы Isomet 4000 (Buehler, Лэйк Блафф, США). Поверхность разреза была тщательно отшлифована с использованием абразивной бумаги на основе SiC. После была проведена полировка поверхности суспензиями с абразивными частицами от 6 до 0,05 мкм. После каждого шага шлифовки и полировки образец очищался в ультразвуковой ванне. Для исследования микрогеометрических характеристик поверхности пар «пломба - здоровая эмаль» использовался АСМ Nanoeducator (NT-MDT, г. Зеленоград, Россия), оснащенный вольфрамовым зондом. Сканирование проводилось в полуконтактном режиме со скоростью 10,05 мкм/с, разрешение составило 256×256 точек. Результаты и обсуждение Экспериментальные измерения плотности минерализации здоровой эмали и эмали в СБП для обоих образцов хорошо соотносятся с имеющимися в литературе результатами [8; 15; 19-23]. На рис. 1 представлен виртуальный срез образца, проходящий через пломбу из стеклоиономерного цемента. Результаты измерений плотности для данного образца представлены в табл. 1. В ходе исследования были обнаружены две области кариеса в СБП, соединенные слабо деминерализованной эмалью (одна ближе к медиальной поверхности жевательного бугорка, другая примерно по центру эмали, также на медиальной стороне зуба). Благодаря сегментированию эмали с использованием программных средств удалось выделить патологическую эмаль сразу в двух областях инструментом Region Growing. Значение плотности минерализации патологической эмали оказалось на 11,63 % ниже, чем у здоровой эмали, а объёмная плотность стеклоиономерного цемента на 16,3 % ниже, чем у здоровой эмали, и на 5,6 % ниже плотности минерализации кариозной эмали. С позиции микроструктуры стоматологической пломбы было обнаружено большое число включений низкой и высокой плотности (более ста, часть из них показана на рис. 2, в-д, диаметры наиболее крупных измерены с использованием инструмента «Distance») с некоторой периодичностью по всей её глубине. Диаметр самого большого включения составил 0,39 мм (рис. 2, д), при этом значение плотности данного включения составило 1,35 ± 0,13 г/см3, что соответствует спаду на 46,4 % по сравнению с плотностью тела пломбы. Включения повышенной плотности часто имеют форму эллипсоида. Диаметры самого большого такого включения составили 149 и 93 мкм (рис. 2, е, отмечено сиреневой стрелкой), при этом значение плотности данного включения составило 3,28 ± 0,18 г/см3, что в 1,3 раза выше значения плотности тела пломбы. Tian и соавт. [27] ранее экспериментально продемонстрировали, что такие артефакты часто являются причиной образования трещин в стеклоиономерных пломбах. По поверхности пломбы обнаружено несколько регионов нарушения целостности в виде крупных каверн глубиной до 110 мкм (что на несколько порядков выше самых больших микронеровностей, образованных в ходе многократных процедур отбеливания [2]), которые в последствие могут выступить в виде искуственных концентраторов напряжений с последующим разрушением материала [28]. Типичная каверна отмечена оранжевой стрелкой на рис. 2, г. На рис. 3 представлен виртуальный срез образца, проходящий через пломбу из композитного материала. Результаты измерений плотности для данного образца представлены в табл. 2. Рис. 1. Виртуальный срез на трехмерной карте плотности образца после применения стеклоиономерного цемента. На врезке справа - эмаль до применения стоматологического препарата на той же области Таблица 1 Значения плотности до и после применения стеклоиономерного цемента на участке кариеса в СБП Исследуемая область Плотность, г/см3 Стандартное отклонение, г/см3 Кариес в СБП 2,66 0,09 Здоровая эмаль 3,01 0,14 Стеклоиономерный цемент 2,52 0,13 Таблица 2 Значения плотности до и после применения композитного материала на участке кариеса в СБП Исследуемая область Плотность, г/см3 Стандартное отклонение, г/см3 Кариес в СБП 2,59 0,12 Здоровая эмаль 2,89 0,10 Композитный материал (эффективные свойства) 2,80 0,10 Композитный материал (внешний слой) 2,86 0,06 Композитный материал (внутренний слой) 2,68 0,07 Отметим тот факт, что композитная пломба в ходе стоматологического вмешательства «распалась» на внутренний и внешний слои (рис. 3). В связи с этим было решено оценивать как его плотность в целом, получив эффективное значение, так и получить отдельные значения для каждого слоя. Внутренний слой предположительно представляет собой сплошную среду, образовавшуюся из-за кислотной деминерализации (во время избирательного травления в ходе медицинского вмешательства) и нанесения праймера перед нанесением композита. Значение плотности минерализации патологической эмали для данного образца оказалось на 10,4 % ниже, чем у здоровой эмали, а объёмная плотность композитной пломбы (эффективное значение) на 3,11 % ниже, чем у здоровой эмали, и на 7,5 % выше плотности минерализации кариозной эмали. При этом плотность внешнего слоя практически соответствует таковой для здоровой эмали, значение плотность внутреннего слоя на 7,3 % ниже, чем у здоровой эмали. В объеме композитной пломбы обнаружено менее 25 сферических включения пониженной плотности, часть из них показана на рис. 2, а - в. Диаметр самого большого из них составил 84 мкм, при этом значение плотности данного включения составило 1,54 ± 0,16 г/см3, что соответствует спаду на 45 % по сравнению с эффективной плотностью тела пломбы. В целом метод сегментирования областей интереса показал высокую эффективность. Единственная сложность возникла с сегментированием области пломбы из композитного материала ввиду близости значений плотности её внешнего слоя и эмали зуба в её окрестности. При этом, в отличие от измерения плотности по специфическим объемам на трехмерной карте плотности (например, по эллиптическим цилиндрам [22]), в исследуемый сегмент попадает минимум «паразитных» вокселей, что снижает погрешность измерений. На рис. 4 представлены снимки топографии поверхности шлифов для пар «пломба - здоровая эмаль» для каждого из образцов. Средняя шероховатость поверхности Ra для каждого из изображений была измерена с помощью программного обеспечения Gwyddion 2.52 (Чешский метрологический институт, Брно, Чешская Республика). Из-за большого числа нерегулярных неровностей на поверхности образца измерение шероховатости по одному направлению представляется недостаточно репрезентативным. Таким образом, средняя шероховатость Ra измерялась по трём направлениям: горизонтальном, вертикальном и диагональном. По каждому из направлений было построено по пять профилей. После этого было рассчитано среднее значение (из 15 профилей) со стандартным отклонением. Максимальная высота шероховатости обозначена как Rt. Результаты измерений представлены в табл. 3. Отметим, что для случая здоровой эмали на образце, для которого проводилось стоматологическое вмешательство с использованием композитного материала, для измерения профиля брался участок вне артефактов поверхности (агломераты кристаллов гидроксиапатита, левый нижний угол на рис. 4, б). Анализ результатов измерений микрогеометрических характеристик образца после вмешательства с использованием стеклоиономерного цемента позволяет отметить разницу почти в 2 раза для значений как средней шероховатости поверхности Ra, так и максимальной высоты Rt. При этом очевидна схожесть характера рельефа эмали и пломбы, по крайней мере для эмалевых призм в данной части зуба человека: визуализированы крупные веретенообразные образования, в случае эмали - с более резкими очертаниями (выходы эмалевых призм). Была обнаружена близость значений средней шероховатости Ra поверхности пломбы из композитного материала и естественной здоровой эмали (разница составила 7,95 %). Большая разница в значениях Rt вызвана наличием агломератов кристаллов гидроксиапатита на снимке здоровой эмали, анализ части изображения без данных артефактов поверхности позволяет получить величину Rt = 177 нм. При этом, если микрорельеф природной эмали демонстрирует слегка волнистый однородный характер, вызванный наличием тонкого смазанного слоя, образованного в ходе полировки поверхности, то в рельефе пломбы имеет место ряд пор (отмечены стрелками на рис. 4, а) диаметром 0,77 ± 0,2 мкм, что согласуется с результатами Haugen и соавт. [13], исследовавшим размеры пор различных коммерческих композитных пломбировочных материалов с использованием сканирующей электронной микроскопии и нанотомографии. Заключение В настоящей работе проведено сравнение плотности и микрогеометрических характеристик двух пломбировочных материалов, применяемых в стоматологической практике: стеклоиономерного цемента и композитного материала (между собой и по сравнению со здоровой эмалью зуба). Используя технику сегментирования регионов интереса на микротомограммах зуба до и после стоматологического вмешательства, выявлены преимущества композитного материала перед стеклоиономерным в г б а Рис. 4. Топография поверхности шлифа: а - композитной пломбы (белыми стрелками показаны поры); б - область здоровой эмали на противоположной от композитной пломбы медиальной стороне зуба; в - стеклоиономерный цемент; г - область здоровой эмали на противоположной от стеклоиономерного цемента медиальной стороне зуба Таблица 3 Микрогеометрические характеристики пар «пломба - здоровая эмаль» для образцов Вид вмешательства Область Средняя Ra по 15 профилям, нм Стандарт-ное отклонение, нм Rt, нм Стеклоионо-мерный цемент Здоровая эмаль 38,0 16,6 675 Пломба 75,6 31,3 383 Композитный материал Здоровая эмаль 13,9 5,83 617 Пломба 15,1 4,3 223 цементом: его плотность ближе к природной эмали (на 3,11 % ниже природной эмали против 16,3 % у стеклоиономерного цемента), также в нём содержится меньшее число артефактов, а сами артефакты меньше по размеру. Обнаружено разделение пломбы из композитного материала на внешний и внутренний слои в ходе стоматологического вмешательства. Анализ топографии поверхности шлифов пломбировочных материалов показал близость как значений средней шероховатости, так и максимальной высоты шероховатости для пломбы из композитного материала к таковым значениям для естественной здоровой эмали. В дальнейшем представляет интерес выявление особенностей микроструктуры каждого из изученных реставрационных материалов на меньших полях сканирования (для этого планируется прибегнуть к методологии Дрозд и соавт. [10]), в том числе для углубленного изучения структуры пор и включений и прогнозирования их влияния на механизм сопротивления нагрузкам на пломбы пациентов.

About the authors

E. V Sadyrin

Don State Technical University

D. V Yogina

Rostov State Medical University

S. S Volkov

Don State Technical University

S. M Aizikovich

Don State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 77

PDF (Russian) - 27

Refbacks

• There are currently no refbacks.