Сравнительная оценка адгезионной связи с керамическими конструкциями адгезивных систем четвертого поколения с помощью метода сканирующей электронной микроскопии

В условиях сокращения импортных поставок стоматологических материалов в последние годы отмечается тенденция к увеличению интереса к продукции отечественного производства. В рамках обеспечения технологического суверенитета в среднесрочной и долгосрочной перспективах необходимо формирование развитой отечественной системы медицинского оборудования и материалов, способной удовлетворить потребности широкого круга пользователей, включая медицинские учреждения, пациентов и врачебное сообщество [1]. В ответ на вызовы, представленные зарубежными коллегами, отечественные производители создали адгезивные системы, способствующие снижению зависимости от импортных материалов, повышению доступности и экономической эффективности стоматологического лечения. Но их эффективность требует объективной оценки в сравнении с зарубежными аналогами.

На протяжении последних 15 лет наблюдается значительный рост интереса к керамическим материалам, что обусловлено их активным применением как в промышленной сфере, так и в стоматологической практике. Это привело к появлению широкого разнообразия доступных цельнокерамических систем [2]. Цельнокерамические реставрации привлекательны своей долговечной эстетикой и способностью противостоять условиям полости рта. Однако в течение последних нескольких десятилетий соединение с керамикой бросало вызов стоматологическому сообществу. Клинический успех керамической реставрации во многом зависит от качества и долговечности связи между адгезивом и реставрацией [3].

Единой гипотезы, объясняющей адгезию, не существует, однако ее обычно классифицируют как механическую или химическую, а чаще как комбинацию всех этих факторов [4, 5]. Эти механизмы адгезии играют ключевую роль в стоматологии, особенно при создании прочного соединения между реставрационными материалами и тканями зуба. Адгезивные системы значительно улучшают долговечность непрямых реставраций благодаря их дополнительным преимуществам в виде химической и микромеханической связи [6], и создают прочное и стабильное соединение керамики с тканью зуба. Это достигается благодаря уникальному механизму обеспечения микромеханической связи, которая осуществляется за счет создания шероховатой поверхности на эмали и дентине, что позволяет адгезивным системам проникать в микропоры и микрорельеф зубных тканей. В результате создается микрозамковая система, в которой адгезивный материал, проникая в микропоры и неровности зубной поверхности, образует физическое сцепление. Кроме того, образуется химическая связь за счет взаимодействия функциональных групп адгезивного материала со структурными компонентами зуба — гидроксиапатитами в эмали и коллагеновыми волокнами в дентине между поверхностью зуба.

Системы с тотальным протравливанием тканей зуба относятся к четвертому поколению адгезивных систем и считаются «золотым стандартом» адгезивной стоматологии, благодаря надежности и универсальности [7, 8]. Преобладающая доля этих материалов на стоматологическом рынке имеет иностранное происхождение: All-Bond 2 (Bisco), OptiBond FL (Kerr), ScotchBond Multipurpose Plus (3M), Defi nite Multibond (Dentsply Maillefer) и др. Кроме того, зарубежные адгезивы проверены временем и демонстрируют высокую надежность как механической, так и химической связи, но их высокая стоимость и зависимость от импорта могут ограничивать применение в клинической практике. С момента разработки новой адгезивной системы и до начала ее использования в клинической практике проходит длительный период, в течение которого всесторонне изучают физические, химические, биологические свойства нового материала на соответствие принятым стандартам [9]. Новые отечественные разработки предлагают более доступные решения, но требуют тщательной научной проверки их микроструктурных и химических характеристик при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и анализа элементного состава. СЭМ позволяет одновременно исследовать размеры и форму зерен, распределение зерен и фаз по размерам, определить состав фазы и распределение химических элементов по ее площади и по площади исследуемого образца, химическую неоднородность по площади шлифа, а также получить изображение объекта в широком диапазоне увеличений во вторичных и отраженных электронах [10].

Отсутствие достаточных данных о взаимодействии адгезивов с керамикой на уровне микроструктуры и химии создает риск недостаточной долговечности реставраций. В свете приведенных данных актуально исследование, направленное на устранение этого пробела путем детального сравнения отечественной и зарубежной адгезивных систем с использованием современных методов анализа.

Цель исследования: сравнительная оценка адгезионной связи с керамическими конструкциями адгезивных систем четвертого поколения с помощью метода сканирующей электронной микроскопии.

Исследование проведено на 30 удаленных третьих молярах верхней и нижней челюстей, без кариозных дефектов, трещин, реставраций, и структурных деформаций. Зубы были удалены по ортодонтическим показаниям.

Критерии включения образцов удаленных зубов в исследование:

— третьи моляры верхней и нижней челюсти, удаленные по ортодонтическим показаниям;

— зубы структурно целые, без трещин, сколов или других повреждений коронки и корня;

— минимальное отклонение в пространственных размерах и анатомической форме для обеспечения сопоставимых результатов;

— отсутствие пломб, коронок или иных реставраций, которые могут повлиять на исследуемые свойства.

Критерии исключения зубов из научного исследования:

— не третьи моляры верхней или нижней челюсти;

— трещины, сколы, фрагментация коронки или корня;

— признаки кариеса;

— видимые механические повреждения, возникшие во время удаления;

— предварительное вмешательство, такое как эндодонтическое лечение;

— наличие деминерализованных участков эмали или дентина;

— воздействие химических веществ или обработки, влияющей на их микроструктуру;

— хранение после удаления в неудовлетворительных условиях (высушенные или поврежденные во время хранения).

Методом случайной выборки зубы были разделены на 2 группы по 15 зубов в каждой:

Группа 1: керамические образцы из материала E-max («Ivoclar Vivadent», Лихтенштейн) с фиксацией к образцу удаленного зуба верхней или нижней челюсти при помощи импортной двухкомпонентной адгезивной системы четвертого поколения и наногибридного композитного материала светового отверждения.

Группа 2: керамические образцы из материала E-max («Ivoclar Vivadent», Лихтенштейн) с фиксацией к образцу удаленного зуба верхней или нижней челюсти при помощи отечественной двухкомпонентной адгезивной системы четвертого поколения и наногибридного композитного материала светового отверждения.

После экстракции образцы зубов были подвергнуты тщательной очистке и промыванию дистиллированной водой для удаления остатков органических тканей и загрязнений и помещались в антисептический раствор (2% хлоргексидин). Срок хранения не превышал 3 нед, при этом раствор заменялся каждые 10—14 дней для предотвращения возможной контаминации.

Далее для обеспечения устойчивости, защиты зуба во время обработки и обеспечения точности среза образец фиксировался в блоке из акриловой смолы таким образом, чтобы поверхность среза оставалась доступной для обработки. После фиксации была проведена сепарация окллюзионной поверхности зубов на срезы толщиной 2 мм для получения гладких и полированных поверхностей, пригодных для микроскопии — с помощью триммера (с диском с карборундовым покрытием) с водяным охлаждением (для предотвращения возникновения трещин и деформаций). После разрезания поверхности срезы подвергалась шлифованию дисками различной зернистости (от 320 до 1200 грит) и полировке пастой с оксидом алюминия для создания гладкости поверхности, необходимой для высококачественного микроскопического исследования. Далее поверхность среза проверяли под стоматологическим микроскопом на отсутствие царапин, дефектов и достаточной гладкости (рис. 1).

Рис. 1. Сепарированная окклюзионная поверхность образца зуба.

После полировки срезы промывали в ультразвуковой ванночке с дистиллированной водой для удаления остатков шлифовальных материалов и высушивали помощью сжатого воздуха. Перед дальнейшим исследованием срезы хранили в сухом и защищенном от света месте для предотвращения изменения цвета или структуры материалов перед микроскопическим исследованием.

Перед нанесением адгезивных систем была проведена процедура фиксации образцов зубов для последующего микроскопического исследования гибридного слоя. Она позволила сохранить структуру тканей зубов, предотвратив деформацию и разрушение во время подготовки и анализа, сохранить морфологическую структуру зубных тканей и будущего гибридного слоя, а также предотвратить аутолиз. Подготовленные образцы зубов поместили в фиксирующий раствор 2—3% глютаральдегида на 24 ч при температуре 4 °C. После фиксации образцы были промыты в фосфатном буфере для удаления излишков фиксатора.

В рамках настоящего исследования использовали образцы, изготовленные из материала E-max, с размерами основания 1×1 мм (рис. 2). Для изготовления исследуемых образцов были выбраны блоки из дисиликата лития E-max («Ivoclar Vivadent», Лихтенштейн) цвет A2, размер 20×14×18 мм. E-max изготовлена из дисиликата лития. Дисиликат лития обладает исключительной эстетикой, полупрозрачностью, высокой прочностью, химической стойкостью, износостойкостью, биосовместимостью, низкой теплопроводностью и твердостью, аналогичной твердости естественных зубов [11]. Некоторые источники утверждают, что керамика на основе силиката лития (например, IPS e.max CAD от Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein, VITA Suprinity PC от VITA Zahnfabrik и Celtra Duo от Dentsply Sirona) является самой прочной из всех доступных силикатных керамик с прочностью на изгиб около 407 МПа [12]. Блоки E-max имеют однородную микроструктуру с равномерно распределенными кристаллами дисиликата лития, что обеспечивает их устойчивость к механическим нагрузкам и отличные оптические характеристики. Химический состав блока E-max из дисиликата лития: SiO₂ 57—80%, Li₂O 10—13%, K₂O: 3—5%, P₂O₅ 0—11%, Al₂O₃ <1%, ZrO₂ <1%, MgO <1%, Пигмент <1%.

Рис. 2. Керамические образцы из материала E-max с основанием 1×1 мм.

В лабораторных условиях с использованием специализированного программного обеспечения Exocad выполнено цифровое моделирование керамических образцов с основанием 1×1 мм. Процесс фрезерования осуществлялся на высокоточном фрезерном станке CEREC MC XL («Dentsply Sirona», Германия; рис. 3). После завершения фрезерования образцы подвергали механической обработке, включающей срезание моделей, удаление хвостовиков и финишную обработку краев. Для этого применяли повышающий наконечник и мелкозернистые боры категории «fine» с использованием водяного и воздушного охлаждения. После фрезерования образцы не подвергали дополнительным этапам обработки, таким как окрашивание, глазурование, обжиг в керамической печи или полировка.

Рис. 3. Фрезерный станок CEREC MC XL («Dentsply Sirona», Германия)

Все образцы удаленных зубов были случайным образом распределены на 2 группы. К дентину каждого зуба из обеих групп адгезивно фиксировали керамический фрагмент E-max (рис. 4). Фиксацию осуществляли с использованием стандартного светополимеризационного устройства. В 1-й группе использовалась импортная двухкомпонентная адгезивная система четвертого поколения, во 2-й группе — отечественная двухкомпонентная адгезивная система четвертого поколения. Были последовательно выполнены 3 шага: нанесение протравливающего агента FineEtch-37%, затем праймера и адгезивной смолы [13—15]. Между керамической поверхностью и адгезивным слоем наносили наногибридный композитный материал светового отверждения, что обеспечило фиксацию керамического фрагмента и улучшило механическую стабильность и равномерность соединения.

Рис. 4. Керамический фрагмент E-max, зафиксированный к образцу зуба.

После фиксации керамических образцов с использованием адгезивных систем осуществляли сепарацию дистальной или медиальной поверхности зуба с прикрепленным керамическим блоком. Для этого образец фиксировали в блоке из акриловой смолы таким образом, чтобы поверхность среза оставалась доступной для обработки. В целях сепарации использовали зуботехнический триммер для получения ровного среза для визуализации зоны адгезивного соединения.

После сепарации образцы промывали в ультразвуковой ванночке с дистиллированной водой для удаления остатков шлифовальных материалов, высушивали помощью сжатого воздуха и выдерживали в дистиллированной воде на протяжении 24 ч перед проведением микроскопического анализа.

Анализ морфологии и элементного состава образцов осуществляли на сканирующем электронном микроскопе JSM-IT300LV (JEOL), обеспечивающем высокую точность визуализации в условиях высокого и низкого вакуума. Режим высокого вакуума обеспечивает разрешение до 3 нм при ускоряющем напряжении 0,5—30 кВ. В этом режиме электронный пучок взаимодействует с образцом в условиях глубокого вакуума, что минимизирует рассеивание электронов и позволяет получать детализированные изображения микроструктур с минимальными искажениями. Режим низкого вакуума в JSM-IT300LV (JEOL) обеспечивает разрешение 4 нм при сохранении ускоряющего напряжения 0,5—30 кВ, что позволяет анализировать непроводящие и чувствительные образцы биологических материалов без дополнительного покрытия и риска повреждения. Микроскоп оснащен электронным пучком диаметром 5 нм и током зонда ниже 0,5 нА, что обеспечивает чувствительный анализ как проводящих, так и непроводящих материалов.

В рамках научного исследования съемку образцов в микроскопе JSM-IT300LV (JEOL) проводили в режиме низкого вакуума (рис. 5). Это позволило минимизировать воздействие на биологические ткани, избежать их деформации или повреждения, а также предотвратить накопление заряда на поверхности образцов. Такой режим исключил необходимость нанесения проводящего покрытия, что помогло сохранить естественную структуру тканей и значительно улучшить качество изображения. Исследование топографии поверхности образцов проводили с использованием низкоэнергетичных вторичных электронов и отраженных электронов в низком вакууме.

Рис. 5. Сканирующий электронный микроскоп JSM-IT300LV (JEOL).

В результате исследования получены изображения высокого разрешения, позволяющие оценить микроморфологию гибридного слоя, включая инфильтрацию адгезива в дентинную матрицу и взаимодействие с коллагеновыми волокнами, а также провести измерение и оценку характеристик гибридного слоя, таких как толщина, однородность, наличие пор и трещин (рис. 6).

Рис. 6. Снимок гибридного слоя импортной адгезивной системы четвертого поколения.

Для анализа полученных данных применяли методы вариационной статистики, включая расчет среднеарифметических значений, стандартного отклонения и коэффициента вариации. Степень достоверности различий между средними значениями определяли с использованием критерия t Стьюдента. Обработку результатов, а также визуализацию данных осуществляли с помощью программы «МойОфис Таблица».

Благодаря применению сканирующей электронной микроскопии были зафиксированы серии электронных фотографий образцов в каждой из исследуемых групп при следующих увеличениях: 150, 300, 1000, 2000,3000 и 10 000 (рис. 7).

Рис. 7. Результаты исследования поверхности образцов адгезивных систем.

а, в, д, ж — образец №1; б, г, е, з — образец №2; а, б — ув. 150; в, г — ув. 300; д, е — ув. 1000; ж, з — ув. 3000.

В 1-й группе на изображениях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, представлена микроструктура импортной двухкомпонентной адгезивной системы четвертого поколения, нанесенной на композитный материал и керамическую поверхность. Визуальный анализ изменений структуры и химических взаимодействий позволил выделить несколько ключевых аспектов, которые помогут оценить поведение системы в процессе адгезии:

1) морфология поверхности и глубина инфильтрации — выраженная микроретенция за счет инфильтрации адгезива в дентинные канальцы, что усиливает механическое сцепление. Визуализируются зоны проникновения полимерной матрицы в микропоры дентина, что образует гибридный слой. При увеличениях 150 и 300 четко видна граница между адгезивным слоем, композитным материалом и керамическим субстратом, тогда как при увеличении 3000 можно наблюдать тонкую интердиффузионную зону, обеспечивающую химическую адгезию. Оптимальная глубина инфильтрации импортного адгезива варьирует от 27 мкм (при масштабе увеличения 150) до 1,5 мкм (при масштабе увеличения 3000) и находится в оптимальном диапазоне (5—50 мкм), обеспечивающем надежное механическое сцепление. Минимальный порог (5 мкм) гарантирует базовую ретенцию, оптимальный диапазон (10—30 мкм) способствует прочному соединению без риска разрушения структуры, а значения выше 50 мкм могут привести к избыточному травлению и ослаблению поверхности. Равномерное распределение адгезива без выраженных зон сегрегации свидетельствует о стабильности системы;

2) глубина проникновения адгезива и однородность покрытия — при увеличениях 1000 и 3000 зафиксировано проникновение адгезива в дентинные канальцы и микропоры протравленной поверхности зуба, что способствует улучшенной микромеханической ретенции. На границе адгезива и дентина покрытие характеризуется высокой степенью инфильтрации, но выявлены зоны с варьирующей плотностью распределения полимерной матрицы. В некоторых областях наблюдаются неравномерные переходные зоны, где адгезивная система формирует неоднородный градиент проникновения, что может влиять на механическую прочность соединения. Кроме того, зафиксированы локальные участки с высокой концентрацией остаточной влаги, что потенциально ослабляет сцепление на молекулярном уровне. На границе адгезива и композита наблюдается глубокая инфильтрация адгезива в структуру композитного материала, обеспечивая прочное сцепление. В ряде участков выявлены микропузырьки, которые потенциально могут стать зонами напряжения и снизить долговечность соединения.

3) текстура поверхности и пористость — поверхность адгезивного слоя характеризуется умеренной шероховатостью с локальными микропорами, распределение которых варьируется в зависимости от толщины покрытия. В зонах с высокой концентрацией адгезива наблюдается плотная структура с минимальной пористостью, что способствует равномерному сцеплению. Однако на участках с тонким слоем выявлено большее количество дефектов, включая зоны с недостаточным смачиванием и микроразрывами полимерной матрицы. Композитный материал формирует плотный контакт с адгезивом, однако в некоторых областях наблюдаются микродефекты, связанные с возможными процессами полимеризации.

4) микротрещины и целостность структуры — при максимальных увеличениях (3000) зафиксированы незначительные микротрещины в адгезивном слое, преимущественно на границе с композитным материалом и в зоне контакта с дентином. Микротрещины наблюдаются на глубине около 79,6 мкм, что соответствует максимальному проникновению адгезива (примерно 80 мкм), свидетельствуя о возможном накоплении внутренних напряжений. Инфильтрация адгезива в дентинные канальцы варьирует по глубине, обеспечивая стабильное сцепление в участках с равномерным проникновением, но в зонах с недостаточным насыщением (<10 мкм) отмечены слабые межфазные связи. Вдоль границы адгезива и дентина выявлены локальные микроразрывы, потенциально обусловленные остаточными напряжениями и неравномерной полимеризацией. На границе композита и керамики сцепление равномерно.

Во 2-й группе — отечественной двухкомпонентной адгезивной системе четвертого поколения — получены следующие результаты:

1) морфология поверхности и глубина инфильтрации — выраженная зона контакта с вариабельной толщиной адгезивного слоя. При увеличениях 1000 и 3000 фиксируется инфильтрация адгезива в дентинные канальцы на глубину 20—40 мкм, что способствует качественной механической ретенции. В ряде зон отмечено равномерное заполнение дентинных канальцев, тогда как локальные области с недостаточным смачиванием могут снижать прочность соединения. Обнаружены микродефекты на границе адгезива и дентина, включая возможные пузырьки воздуха, что потенциально ведет к внутренним напряжениям и риску расслоения под нагрузкой;

2) глубина проникновения адгезива и однородность покрытия — при увеличениях 1000 и 3000 адгезив демонстрирует равномерное распределение в дентине, инфильтрируя дентинные канальцы на глубину 20—40 мкм и диффундируя в его микропоры, что способствует прочному сцеплению. Однако в некоторых зонах наблюдаются локальные вариации плотности инфильтрации, связанные с неравномерным смачиванием поверхности. Это может приводить к образованию микроразрывов и снижению адгезионной прочности. Несмотря на это, большая часть адгезивного слоя остается однородной, обеспечивая стабильное соединение с композитом;

3) текстура поверхности и пористость — поверхность адгезивного слоя с выраженной микроструктурой и умеренной шероховатостью. Пористость варьирует: в зонах высокой концентрации адгезива формируются уплотненные структуры, тогда как на границе адгезива и дентина наблюдаются микропоры и локальные дефекты. Инфильтрация адгезива в дентинные канальцы высокая, но проникновение неравномерное, есть участки пористости, это может способствовать лучшей механической ретенции, но создавать потенциальные зоны напряжения и риска последующих микротрещин;

4) микротрещины и целостность структуры — при максимальных увеличениях (3000) выявлены микротрещины в адгезивном слое, особенно в зонах с неоднородным распределением материала. В ряде случаев зафиксированы локальные разрушения структуры, что может быть связано с внутренними напряжениями или неравномерным засвечиванием адгезива.

Полученные в результате исследования результаты позволили сделать следующие выводы:

1. Образец 2 демонстрирует более выраженную шероховатость, однако глубина инфильтрации адгезива в дентинные канальцы оптимальна и сопоставима у обоих образцов. В образце 2 наблюдаются незначительные перепады высоты между участками поверхности, но в образце 1 рельеф более равномерный.

2. Обе системы показывают сходные характеристики равномерности покрытия, чередуя участки однородного покрытия с зонами недостаточного заполнения микропор.

3. Поверхность образца 1 имеет умеренную пористость с равномерным распределением пор размером 1—5 мкм, тогда как у образца 2 пористость выше, диаметр пор варьирует от 3 до 12 мкм, что потенциально улучшает механическую фиксацию, но снижает однородность покрытия.

4. В образце 1 микротрещины локализованы в пределах адгезивного слоя, а в образце 2 они могут распространяться на глубину 5—15 мкм, что потенциально улучшает механическую фиксацию, но снижает однородность покрытия. Целостность структуры в обоих образцах остается оптимальной.

Результаты настоящего лабораторного исследования подтвердили высокую эффективность импортной двухкомпонентной адгезивной системы, которая зарекомендовала себя как «золотой стандарт» благодаря стабильному химическому составу, высокой прочности сцепления и равномерному распределению элементов. В то же время отечественная система показала сопоставимые результаты, демонстрируя надежную инфильтрацию и механическое сцепление. Незначительные структурные особенности границы адгезивного слоя указывают на возможность дальнейшей оптимизации, которая позволит отечественному адгезиву достичь уровня ведущих мировых адгезивных систем.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Демин Я.Д.

Сбор и обработка материала — Сахабутдинова Д.Р., Жданова М.Л., Гордеева А.В.

Статистическая обработка — Сахабутдинова Д.Р., Тиунова Н.В.

Написание текста — Сахабутдинова Д.Р., Демин Я.Д.

Редактирование — Сахабутдинова Д.Р., Тиунова Н.В.

Participation of the authors:

Concept and design of the study — Demin Ya.D.

Data collection and processing — Sakhabutdinova D.R., Zhdanova M.L., Gordeeva A.V.

Statistical processing of the data — Sakhabutdinova D.R., Tiunova N.V.

Text writing — Sakhabutdinova D.R., Demin Ya.D.

Editing — Sakhabutdinova D.R., Tiunova N.V.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.