Опыт исследования твердых тканей зуба с помощью атомно-силовой микроскопии

Авторы:

Антонова И.Н.,

Гончаров В.Д.,

Кипчук А.В.,

Боброва Е.А.

Журнал: Стоматология. 2014;93(4):11-14.

DOI:

Прочитано: 2299 раз

Скачать PDF

Резюме

Предложена модифицированная методика подготовки шлифов зуба для изучения морфологического строения эмали и дентина методом атомно-силовой микроскопии, позволяющая непосредственно измерять и описывать неорганические частицы кристаллов гидроксиапатита на наноуровне. Установлены структурные особенности твердых тканей зуба, проведена сравнительная характеристика формы и плотности частиц эмалевых призм с аналогичными морфологическими неорганическими элементами дентина.

Ключевые слова

эмаль
дентин
атомно-силовая микроскопия
морфологические особенности
шлифы зуба

Дата публикации: 04.05.2020

Изучению структуры твердых тканей зуба посвящены многочисленные исследования. Особенности строения эмали и дентина в значительной степени зависят от их физико-химических и физиологических свойств - прочности, проницаемости, деминерализации и реминерализации. Микроповреждения эмали характеризуются изменением состава, формы, размеров и взаимной ориентации кристаллов апатитов [1]. Трудности исследования тканей зуба определяются целым рядом причин и прежде всего - необходимостью специальной подготовки ткани для морфологического исследования (фиксация, дегидратация, декальцинация и окраска для оптической микроскопии, фиксация, контрастирование, напыление, изготовление реплик - для электронной микроскопии). При этом структура тканей искажается, а физико-механические свойства тканей претерпевают значительные изменения. С этой точки зрения возможности атомно-силовой микроскопии (АСМ) при исследовании твердых тканей зуба (эмали и дентина) имеют очевидные преимущества.

Материал и методы

Материалом исследования явились продольные и поперечные шлифы интактных постоянных зубов, удаленных по ортодонтическим показаниям у пациентов в возрасте от 17 до 30 лет. Образцы зубов хранили в 0,9% растворе хлорида натрия. Толщина шлифов, полученных путем распила алмазным инструментом с водяным охлаждением, - 2 мм. Окончательную обработку поверхности производили терапевтическими полировочными дисками убывающей абразивности, окончательную полировку - ручным способом.

Структуру тканей зуба исследовали с помощью сканирующих зондовых микроскопов Ntegra Prima и Certus Light в лаборатории СПбГЭТУ. В исследовании использовались в полуконтактном режиме стандартные зонды с радиусом закругления кончика 10 нм.

Результаты и обсуждение

Появление новых методов исследования, в частности АСМ, позволяет изучать морфологию твердых тканей зуба на качественно новом уровне. Реализация данной возможности требует пересмотра методов подготовки препаратов зубов. Однако многие новые методики уже на этапе подготовки образцов существенно искажают реальную картину строения зуба.

В частности, В.К. Леонтьев и Ю.П. Костиленко предлагают методики подготовки шлифов с использованием пропитывающих агентов для фиксации элементов структуры, применение полирующих порошков и паст [3].

А.С. Лосев описывает запатентованную методику подготовки препаратов зубов для морфологических и морфометрических исследований микро- и ультраструктуры эмали с помощью АСМ. Методика предусматривает травление поверхности шлифа в течение 2 с. Однако сами авторы подчеркивают, что при данном способе протравливание приводит к поверхностной деминерализации эмалевых призм, и измерять их можно только по высоте и форме органической составляющей природного вещества (заполнению межпризменного пространства). Фактически такая подготовка препаратов предполагает косвенное, а не визуальное изучение неорганической структуры.

В ходе разработки новой методики подготовки препаратов нами было проанализировано влияние способов подготовки поверхности на морфологию полученных образцов. На рис. 1, а

Рисунок 1. Рис. 1а. АСМ-изображение участка дентина на продольном шлифе зуба. Необработанная поверхность; размер 10×10 мкм.

показана необработанная поверхность шлифа, на рис. 1, б

Рисунок 1. Рис. 1б. АСМ-изображение участка дентина на продольном шлифе зуба. Отполированная и протравленная в течение 2 с поверхность; размер 10×10 мкм.

- обработанная (полировка и травление в течение 2 с).

Необработанная поверхность - относительно гладкая с небольшим перепадом высот. В результате обработки на ней появляются отчетливо выраженные углубления, размер которых при большем времени травления (10 с) увеличивается, при относительно низком разрешении (30 на 30 мкм) они приобретают округлую форму. Исследуемая поверхность (рис. 2)

Рис. 2. АСМ-изображение участка дентина на продольном шлифе зуба. Обработанная поверхность, время травления поверхности 30 с; размер 30×30 мкм.

при этом демонстрирует классическую картину ткани (практически совпадает с данными сканирующей электронной микроскопии, полученными другими исследователями).

При относительно крупном разрешении (>5 на 5 мкм) как в необработанных, так и в обработанных образцах невозможно определить отдельные структурообразующие неорганические частицы ткани. Но на обработанном образце явно видны дентинные канальцы, 3D-изображение одного из которых приведено на рис. 3.

Рис. 3. 3D-модель АСМ-изображения участка дентина на продольном шлифе зуба. Обработанная поверхность шлифа; размер 8×8 мкм.

На рис. 3 также не видно отдельных частиц, их границы смазаны. Создается впечатление, что поверхность - ровная. Особенно хорошо «смазанность» отдельных частиц, связанная с травлением и полировкой, видна при разрешении 2 на 2 мкм (рис. 4, а).

Рисунок 4. Рис. 4а. 3D-модель АСМ-изображения участка эмали на поперечном шлифе зуба. Обработанная (полировка и травление) поверхности шлифа; размер 2×2 мкм.

Для сравнения на рис. 4, б

Рисунок 4. Рис. 4б. 3D-модель АСМ-изображения участка эмали на поперечном шлифе зуба. Необработанная поверхность; размер 1×1 мкм.

приведен образец той же ткани, который не был предварительно обработан.

Предварительные исследования свидетельствуют о том, что подготовка шлифа зуба, которая обычно заключается в травлении и полировке с использованием порошков и паст, существенно искажает результаты исследований. Чтобы избежать этого, мы разработали новую методику.

Наша методика подготовки исключает применение любых средств пропитывания и полировки тканей, кроме физиологического раствора и алмазных режущих инструментов; для выравнивания поверхности предлагается использовать полировочные диски разной зернистости, ручную доработку. Полностью исключается травление твердых тканей зуба. Вместо этого используется обработка поверхности шлифа воздухом под давлением для удаления плохо связанных частиц. Такой способ обеспечивает визуализацию неорганической компоненты эмали и дентина, т.е. основного структурного компонента тканей на наноуровне.

Данные исследования свидетельствуют о том, что твердые ткани зуба на наноуровне представляют собой природный композитный материал с низким содержанием органических компонентов и высоким содержанием минеральных компонентов, представленных в основном карбонатом-гидроксиапатитом. Размеры кристаллов этого вещества - от 40 до 100 нм (рис. 5 и 6).

Рис. 5. АСМ-изображение участка бугра эмали на продольном шлифе зуба. Необработанная поверхность; размер 1×1 мкм.

Рис. 6. АСМ-изображение участка дентина на поперечном шлифе зуба. Необработанная поверхность; размер 1×1 мкм.

Сравнение результатов исследования эмали и дентина (см. рис. 5 и 6) свидетельствует о том, что обе ткани состоят из кристаллов практически одинакового размера. По направлению к эмалево-дентинной границе количество пор на единицу площади у дентина уменьшается, а плотность упаковки кристаллов увеличивается.

В участках эмали, расположенных близко к окклюзионной поверхности, кристаллы имеют плоскую форму и большую площадь соприкосновения друг с другом (более плотная упаковка). Такое строение обеспечивает большую твердость ткани, позволяет выдерживать жевательную нагрузку и обеспечивает защиту зуба от внешних повреждений. Особое внимание прочностным свойствам тканей зуба уделялось, в частности, в работе Н.К. Логиновой [5].

Результаты исследования позволяют заключить, что:

- способ изготовления шлифов зубов для АСМ без применения различных паст, порошков, других химических средств для полировки поверхности и удаления смазанного слоя позволяет получить новые, более информативные и достоверные данные о микроструктуре твердых тканей зуба;

- выявленные на наноуровне структурные особенности эмали и дентина позволяют утверждать, что эти ткани однотипны, имеют единую структуру, но разные плотность и форму частиц; строение неорганической структуры эмали и дентина позволяет предположить их единое происхождение;

- пористая структура эмали и дентина подтверждает возможность проницаемости тканей зуба на всем протяжении в 3 направлениях, если ткани не имеют повреждений;

- полученные морфометрические характеристики твердых тканей зуба и их детализация дают возможность наметить пути дальнейшего усовершенствования стоматологических материалов и эффективных средств профилактики кариеса и некариозных поражений.