Применение метода инструментального индентирования in vitro для определения основных физико-механических показателей твердых тканей натуральных зубов

С начала XXI в. можно отметить повышение интереса к биомимикрии или биомиметике, т.е. к искусственному воспроизведению естественных процессов, происходящих в живых организмах (или подражании им). Новый подход в стоматологическом материаловедении привел к углубленным исследованиям физических свойств и структуры тканей натуральных зубов человека и животных. Заметное число публикаций по этой тематике связано с ростом числа исследований, на основании которых в перспективе могут быть созданы стоматологические материалы нового поколения, учитывающие особенности структурных составляющих натуральных тканей зубов [1—6].

Развитие методов исследования сделало возможным получение и анализ экспериментальных результатов при изучении особенностей структуры и свойств эмали и дентина на наноуровне. Наноиндентирование — лидер такого рода исследований и локальных испытаний механических свойств тканей зуба [1, 2, 4—7].

Цель исследования: уточнение и расширение возможностей для определения физико-механических свойств твердых тканей зубов человека, эмали и дентина, с применением метода наноиндентирования.

Для испытаний были использованы премоляры, удаленные по медицинским показаниям. Было изготовлено два образца А и Б (зубы разных пациентов). Удаленные зубы были выдержаны в дистиллированной воде в холодильнике. Для изготовления образцов зубы распиливали алмазной пилой под постоянным водяным охлаждением с низкой скоростью вращения инструмента (150 об/мин) на две половины в сагиттальном (продольном) направлении для получения срезов, содержащих эмаль, дентин и область дентиноэмалевой границы (ДЭГ). Каждую половину зуба фиксировали в блоке из пластмассы холодного отверждения, соблюдая горизонтальность поверхности среза зуба. Затем поверхность среза зубов шлифовали последовательно абразивной бумагой разной степени зернистости с последующим полированием пастой и полировочными дисками до получения зеркального блеска (рис. 1).

Рис. 1.Вид подготовленных образцов (А, Б) из удаленных зубов (а, б).

Наноиндентирование для определения физико-механических характеристик твердых тканей зубов проводили в лаборатории НИТУ МИСИС на нанотвердомере NaNo Hardness Tester («CSM Instruments SA», Швейцария) с трехгранным пирамидальным индентором Берковича. Он позволяет избежать проблемы сведения четырех граней в одну точку, свойственной инденторам Виккерса, и получить радиус закругления вершины менее 100 нм.

Предварительные испытания с нагрузкой на индентор 50 мН и расстоянием между центрами отпечатков 15 мкм показали, что отпечатки на дентине расположены слишком близко, что может привести к некорректным результатам. В дальнейшем нагрузка на индентор была снижена до 20 мН, при этом расстояние между точками индентирования можно было сократить до 12 мкм. Измерения проводили по линии, проходящей через дентин и эмаль под углом около 90° к границе раздела этих тканей ДЭГ (рис. 2).

Рис. 2.Расположение линии индентирования на поверхности среза образца зуба А (а; по стрелке); б — отпечатки трехгранного пирамидального индентора на поверхности дентина и эмали образца зуба.

Определение коэффициента упругости твердых тканей зуба проводили по формуле:

,

где h_max — деформация при нагружении индентора, нм; h_p — деформация после разгружения индентора, нм.

Получены серии кривых индентирования в координатах приложенной нагрузки (F_n) и глубины вдавливания (P_d) для образцов зубов А и Б (рис. 3).

Рис. 3.Серии кривых индентирования для образцов зубов А (красный) и Б (зеленый) при нагрузке на индентор 20 мН (на кривой индентирования образца А стрелками показаны положения показателей h_max и h_p).

Результаты определения физико-механических показателей дентина и эмали образцов зубов А и Б методом наноиндентирования (шаг 12 мкм, нагрузка 20 мН) представлены в табл. 1, 2, а также на рис. 4, 5.

Таблица 1.Показатели свойств дентина и эмали образца зуба А по линии индентирования

Таблица 2.Показатели механических свойств дентина и эмали образца зуба Б по линии индентирования

Рис. 4.Результаты определения механических свойств образца А вдоль линии наноиндентирования.

Рис. 5.Результаты распределения механических свойств образца Б вдоль линии наноиндентирования.

Установленные при индентировании показатели смещения поверхностных слоев дентина и эмали или глубины вдавливания индентора, h_max при максимальной нагрузке и h_p после снятия нагрузки (после разгружения; рис. 6, 7) позволяют определить упругие свойства испытуемых тканей зуба по показателю коэффициента упругого восстановления (R, %).

Рис. 6.Схема процесса индентировании, характеризующая геометрию контакта индентора с поверхностью испытуемого образца.

P —сила нагружения индентора; h_max —глубина отпечатка индентора при максимальной нагрузке; h_p — глубина отпечатка индентора после снятия нагрузки (после разгружения).

Рис. 7.Зависимость глубины вдавливания индентора в поверхностный слой твердых тканей зуба при нагружении и разгружении.

Показано, что деформация во время нагрузки индентором является как упругой, так и пластической по своей природе, поскольку формируется постоянный отпечаток, коррелирующий со значением твердости. Во время разгрузки предполагается, что восстанавливаются только упругие смещения [7]. Коэффициент упругого восстановления твердых тканей зуба (R) для дентина образцов А и Б составил 27,7±1,0 и 34,0±0,9% соответственно, для эмали — 34,5±1,5 (образец А) и 32,1±4,2% (образец Б).

Известно, что механические характеристики твердых тканей зуба во многом зависят от условий измерения. По результатам большого числа исследований выявлены локальные изменения механических свойств структурных составляющих тканей зубов, связанные с изменениями химического состава и микроструктуры этих тканей [1, 2]. В настоящей работе определения показателей твердости и модуля упругости эмали и дентина на двух образцах из удаленных премоляров методом наноиндентирования проводили при соблюдении условий измерения, когда передвижение индентора осуществляли по линии, пересекающей ДЭГ под углом около 90°. При соблюдении этих условий измерения получены воспроизводимые показатели твердости и модуля упругости для двух испытанных образцов (p≤0,05).

Наноиндентирование как метод испытания механических свойств — гораздо более информативное средство испытания материалов, чем традиционные макроиспытания при одноосном растяжении/сжатии [4]. Этот метод позволяет исследовать физико-механические свойства материалов на наношкале, что особенно важно для таких сложных биологических объектов, как твердые ткани зуба. Полученные в настоящей работе результаты определения показателей модуля упругости и твердости методом наноиндентирования на приборе NaNo Hardness Tester с трехгранным пирамидальным индентором Берковича в основном согласуются с аналогичными показателями, определенными разными методами при физико-механических испытаниях твердых тканей зубов, эмали и дентина (табл. 3).

Таблица 3.Сравнительная оценка результатов определения показателей модуля упругости и твердости эмали и дентина образцов зубов

Примечание. Результаты №1—5 — данные литературы.

Большая совокупность методов наноиндентирования позволяет решать широкий круг задач стоматологического материаловедения. В частности, методы испытаний материалов на наношкале, особенно при изучении свойств натуральных тканей зуба, дают возможность осуществить следующее:

— определение механических свойств, динамики и механизмов деформации таких сложных природных тканей, как эмаль и дентин зуба;

— замену разрушающих стандартных испытаний объемных макрообразцов неразрушающим способом, что позволяет многократно производить испытания на одном и том же образце, определяя влияние различных внешних факторов, влаги, колебаний температуры, различных пищевых продуктов и т.п.

Сравнение полученных методом наноиндентированием показателей механических свойств эмали и дентина удаленных зубов в настоящей работе, твердости и модуля упругости с аналогичными показателями, полученными разными авторами, показало хорошую согласованность результатов испытаний на наношкале с результатами на макрообразцах.

Полученные результаты также хорошо согласуются с данными литературы. Кроме того, дополнительно установлена характеристика упругих свойства испытуемых тканей зуба в виде показателя коэффициента упругого восстановления.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.