Исследование микроархитектоники эмали на этапах профессионального отбеливания с использованием атомно-силовой микроскопии

Медицина/ Клиническая медицина

К.м.н. Ерофеева Е.С., д.м.н. Гилева О.С., д.ф.-м.н. Свистков А.Л., к.ф-м.н. Морозов И.А.

ГОУ ВПО Пермская государственная медицинская академия им.ак. Е.А.Вагнера Росздрава, Россия

Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Россия

Исследование микроархитектоники эмали на этапах профессионального отбеливания с использованием атомно-силовой микроскопии

Эстетическая стоматология является наиболее популярной и быстроразвивающейся отраслью медицины. Исследования отечественных стоматологов зафиксировали высокую, до 82%, частоту случаев эстетических нарушений зубов, что объективизировало востребованность в консервативных и малоинвазивных методах эстетической коррекции зубов. В связи с этим широкое распространение получила методика профессионального отбеливания зубов. Однако высокие эстетические результаты высококонцентрированного перекисного отбеливания часто сочетаются с эффектами повреждающего действия на твердые ткани зуба.

Цель работы – исследовать изменения микроархитектоники эмали зуба на этапах профессионального отбеливания.

Материалы и методы исследования.

Экспериментальное исследование проведено на биопрепаратах интактных фронтальных зубов человека, удаленных по ортодонтическим показаниям. Забор биоматериала удаленных зубов проводили на хирургическом стоматологическом приеме в строгом соответствии с требованиями санэпидрежима (рацпредложение № 2165 от 23.01.2005 г.) и этическими нормами. В качестве отбеливающего геля использовали «Opalescenсе Xtra Boost» (Ultradent) на основе 38% перекиси водорода. В соответствии с поставленной целью, отбеливание зубов проводили по традиционной методике, которая заключается в трёхкратном нанесении отбеливающего препарата на вестибулярную поверхность коронки зуба.

Структурный анализ микроархитектоники эмали зубов проведён на атомно-силовом микроскопе «Nano-DST» в лаборатории микромеханики структурно-неоднородных сред ИМСС УрО РАН. В процессе исследования использована оригинальная методика картографирования микроструктуры поверхности зуба (рацпредложение № 2504 от 23.03.2010), в которой реализована идея географических карт [1]. Для воспроизведения методики картографирования твёрдых тканей зуба и для получения максимально точных её результатов, предполагающих многократное исследование одного и того же участка эмали при повторных нанесениях отбеливающего состава, с помощью инденторной установки «NanoTest-600» на исходно исследуемую поверхность зуба наносили особые метки в виде решётки процарапанных линий – координатную сетку, в строгой привязке к которой проводили все последующие этапы исследования. Для количественной интерпретации данных была создана программа получения плотности распределения поверхности зуба, заключенной между двумя горизонтальными плоскостями в зависимости от расстояния между этими плоскостями и значения среднего арифметического координат z этих плоскостей. Все полученные результаты явились итогом осреднения данных, снятых с различных участков исследуемых зубов. Размер изображения – 15х15 мкм при разрешении в плоскости ху 1024х1024 точки. Обработка результатов производилась при помощи алгоритмов (И.А. Морозов и соавт., 2010), созданных на MatLab.

Для анализа рельефа на поверхности эмали были выделены равнинные участки, области низменностей (глубиной более 25 нм) и возвышенностей (высотой более 25 нм). При этом за нулевой уровень (уровень мирового океана) выбиралась та часть рельефа поверхности зуба, интегральная часть которой вносила максимальный вклад в общую площадь снятого изображения. Таким образом, вся неровная поверхность исследуемого участка эмали разбивалась на ограниченную совокупность отдельных объектов (равнин, возвышенностей, низменностей), геометрические характеристики которых подвергались структурному количественному анализу с расчётом размера, периметра, компактности профиля, площади и объёма всех составляющих рельефа, а также локальных шероховатости (среднее квадратичное отклонение высоты) и фрактальных характеристик [2].

Результаты и их обсуждение.

На основе предложенной методики «картографирования» проведен структурный анализ низменностей и возвышенностей рельефа эмали с использованием атомно-силового микроскопа «Nano-DST», были исследованы следующие характеристики: компактность, размер, периметр, площадь, объем, фрактальные размерности. Поверхность эмали до процедуры отбеливания и после первого и третьего нанесений высококонцентрированного отбеливающего препарата представлена на рис. 1.

$J:\!Articles\2009\NPSS-2009\prese\pic2.tif$

a б в

Рис.1. Поверхность эмали зуба неотбеленного (а), отбеленного 1 (б) и 3 (в) раза зуба.

При визуальной оценке изображений видно, что рельеф неотбеленного зуба, по сравнению с отбеленным, более неоднороден, впадины и возвышенности занимают значительную площадь изображения. После 3-х кратного отбеливания происходит кардинальное (критическое) изменение поверхности зуба. Границы структур становятся более извилистыми, происходит исчезновение «возвышенностей» с одновременным расширением и углублением низменностей приблизительно на 90 нм, что говорит о разрушении поверхностного слоя эмали и глубине её деминерализации.

В таблице 1 представлены значения общей шероховатости R_rms (среднее квадратичное отклонение высоты, нм); процентные вклады равнинных участков, низменностей и возвышенностей в общую картину рельефа, а также их локальные шероховатости r_rms.

Таблица 1

Характеристики рельефа поверхности зуба

Эмаль	Шероховатость R_rms, нм	Плоскости		Низменности		Возвышенности
Эмаль	Шероховатость R_rms, нм	%	r_rms, нм	%	r_rms, нм	%	r_rms, нм
Неотбеленная	29	67	14	19	19	14	18
Отбеленная 1 раз Отбеленная 3 раза	34 22	59 80	14 12	29 12	29 12	12 8	22 15

Данные, представленные в таб. 1, говорят о том, что наиболее неровной является эмаль однократно отбеленного зуба, что соответствует полному удалению органической пелликулы зуба, обнажению эмалевых призм с формированием неровной поверхности. После 3-его нанесения отбеливающего препарата происходит убыль и растворение поверхностного, хорошо минерализованного слоя эмали, при этом процентное соотношение как возвышенностей, так и низменностей на поверхности эмали упало примерно в 1,5-2 раза.

Анализ геометрии возвышенностей показал, что первое отбеливание сопровождается исчезновением органических оболочек эмали, формированием неоднородного слоя эмали с обнажением эмалевых призм, имеющих неровную поверхность, – размер, площадь и объем возвышенных участков возрастают. Повторные процедуры отбеливания приводят к разрушению поверхностного минерализованного слоя эмали и последующему выравниванию вновь образованного рельефа истончённой деминерализованной эмали (снижение средних характеристик возвышенностей). Таким образом, на поверхности интактной неотбеленной эмали содержится значительное количество небольших недифференцированных образований: бугорков, выпуклых участков, «наростов» и т.д., которые удаляются при первом отбеливании. В отличие от возвышенностей структура низменностей на поверхности эмали, их площадь и объем не уменьшаются после первого отбеливания. Установлено, что процесс деструкции эмали вглубь идёт быстрее, чем выравнивание её поверхности.

Таким образом, по данным атомно-силовой микроскопии, на основе картографического подхода выявлено, что одно-двукратное воздействие отбеливающего геля не оказывает прямого повреждающего действия на структуру эмали, сопровождается полным удалением органической пелликулы, обнажением эмалевых призм, что усиливает шероховатость её поверхности за счёт увеличения «возвышенностей», тогда как трёхкратное отбеливание приводит к растворению поверхностного, хорошо минерализованного слоя эмали и выравниванию рельефа истончённой отбеленной поверхностной структуры за счёт снижения процентного соотношения «возвышенностей» и «низменностей».

В связи с этим была обоснована целесообразность модификации стандартной 3-х этапной методики профессионального отбеливания за счёт минимизации количества процедур (до 1-2), их продолжительности (до 8-10 минут), которая позволяла бы в клинических условиях проводить реально контролируемое отбеливание зубов, повысить качество лечения дисколоритов за счет обеспечения его безопасности и достижения высоких клинико-эстетических результатов.

Литература:

1. Ерофеева Е.С. Повышение качества лечения пациентов с дисколоритами фронтальной группы зубов (экспериментально-клиническое исследовании): автореф. дис.…канд. мед. наук. – Пермь, 2011. – 24 с.

2. Морозов, И.А. Экспериментальное исследование влияния клинического отбеливания на микроструктуру поверхности эмали зубов / И.А.Морозов, А.Л.Свистков, О.С.Гилёва, Е.С.Ерофеева // Российский журнал биомеханики. – 2010. – Т.14. - №1. – С.56-64.