Mikrohårdhed og kemisk sammensætning af mennesketand
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
Hårdhed af mennesketand, både i emalje og dentin, er blevet målt forskellige steder ved hjælp af en Vicker-diamant. I dette arbejde viser vi, at disse værdier er næsten konstante langs hele emalje- og dentintykkelsen. Indtryk blev foretaget fra den ydre emaljeoverflade til det indre dentinlag, idet man gik gennem emalje-dentin-overgangen, både i tværgående og langsgående prøver. Geometrisk velformet indtryks ensartethed blev kontrolleret både med lys- og røntgenelektronmikroskop, og tandens kemiske sammensætning blev analyseret med karakteristisk røntgenspektroskopi med energidispersiv spektroskopi. Hårdhedsmålinger lå i intervallet 270-360 VHN for emalje og 50-60 VHN for dentin. Den cervikale zone i længdesnit viste den laveste værdi, mens den i tværsnit viste den højeste værdi. Alle hårdhedsværdierne var statisk signifikante. Tour-resultaterne viser, at forskellen mellem emalje- og dentinhårdhed ikke har noget at gøre med indholdet af Na, Cl og Mg, men med procentdelen af organiske og uorganiske materialer i emalje og dentin.
Nøgleord: mikrohårdhed, kemisk sammensætning, mennesketand, emalje, dentin
1. Indledning
Tandemaljen er det mest mineraliserede væv i det menneskelige legeme. Dens sammensætning er 96 vægt% uorganisk materiale og 4 vægt% organisk materiale og vand. I dentin udgør det uorganiske materiale 70 vægtprocent. Dette uorganiske materiale består hovedsagelig af calciumphosphat, der er beslægtet med den hexagonale hydroxyapatit, hvis kemiske formel er Ca10(PO4)6-2(OH) 1. Røntgenspektroskopi (EDS) af emalje og dentin viste også tilstedeværelsen af små mængder af andre grundstoffer såsom Na, Cl og Mg 2.
Menneskelige tænder udsættes for et forskelligt punkt-til-punkt-tryk under mastikken. Derfor er undersøgelsen og analysen af deres hårdhed meget vigtig for at forstå, hvordan mastikatoriske belastninger fordeles i hele tanden, og for at forudsige, hvordan belastninger og belastninger ændres af tandrestaureringsprocedurer, alder og sygdom. Desuden kan hårdhedsværdierne relateres til andre mekaniske egenskaber som f.eks. Young-modul og flydespænding3,4. Måling af hårdhed i tænder er imidlertid ikke let. På grund af de strukturer, som emaljen2 og dentinen har, nemlig prismer, der går fra emalje-dentin-knudepunktet (EDJ) til overfladen i emaljen og et heterogent kompositmateriale i dentinen5-7 , er det let at forestille sig, at deres hårdhedsværdier er forskellige, selv fra det ene sted til det andet i selve emaljen og dentinen, og at de er kemisk afhængige.
Hårdhedsprøvning har sammen med intraorale modeller stor betydning i de- og remineraliseringsforsøg8. Hårdheden af mennesketand er blevet bestemt ved en række forskellige metoder, herunder abrasion9, ridse-10 og indtryksmetoder3,4,11-14. Da der er rapporteret om betydelige lokale variationer i emalje og dentin, har man foretrukket metoder, der anvender en mikroskradsning eller mikroindentering, og Knoop-diamantindenteren er almindeligt anvendt4,8,13,14. For nylig blev der rapporteret om nano-indentering ved hjælp af atomkraftmikroskopi i forbindelse med hårdhedsmålinger af dentin3.
Knoop (KHN) og Vicker (VHN) hårdheder har rapporteret omtrent den samme værdi15. Den gennemsnitlige hårdhedsværdi for emalje og dentin ligger i intervallet fra 270 til 350 KHN (eller fra 250 til 360 VHN) og fra henholdsvis 50 til 70 KHN4. Standardafvigelserne (SD) for disse værdier viser imidlertid store og betydelige variationer, selv om disse variationer er mindre udtalte for dentin. Craig og Peyton13 rapporterede f.eks. for emalje en hårdhed i intervallet 344 ± 49 til 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 fra 369 ± 25 til 431 ± 35; Wilson og Love16 fra 263 ± 26 til 327 ± 40. Mikrohårdheden af den okklusale emalje varierede fra 359 til 424 VHN, og den cervikale emalje fra 227 til 342 VHN14. Disse variationer kan skyldes faktorer som f.eks. histologiske egenskaber, kemisk sammensætning, prøvepræparering og belastning og aflæsningsfejl i indtrykslængden (IL).
I sund menneskelig emalje blev det rapporteret, at hårdhedsværdierne, mineralindholdet og tætheden gradvist falder fra den ydre overflade til EDJ18-22. Mere specifikt fandt Kodaka et al.19 en moderat korrelation mellem Vicker-hårdheden og P-koncentrationen i emalje, men en lav korrelation med Ca. De angav, at VHN-værdierne, Ca- og P-procenten faldt signifikant i de ydre, midterste og indre emaljeområder. Andre undersøgelser11,19 rapporterede, at den ydre emaljeoverflade er hårdere end den indre overflade, og at hårdheden falder kontinuerligt fra den ydre kant til EDJ. Gustafson og Kling21 foreslog, at hårdhedsforskellene i emaljen kan skyldes variationer i indtryksretningen i et enkelt tandsnit. Nogle andre undersøgelser13 har imidlertid fundet nogen forskel overhovedet, kun små indikationer på, at emaljen er hårdere i cusp og den ydre overflade end i den cervikale kant eller EDJ, men forskellen var mindre end den SD, der er rapporteret, og der kan derfor ikke fremsættes nogen endelig udtalelse.
Hårdhedstal rapporteret for dentin varierer også. På grund af indtrykkets større størrelse i forhold til dentinmikrostrukturen kan denne variation skyldes forskellene i tætheden af dentintubuli på de forskellige steder. Kenney et al.3 , der anvendte et modificeret atomkraftmikroskop til at måle dentinens hårdhed, viste, at hydreret peritubulært dentin har en hårdhed inden for intervallet fra 2,2 til 2,5 GPa uafhængigt af placering, mens denne hårdhed i intertubulært dentin afhang af placeringen, og den var betydeligt større nær EDJ (værdier fra 0,49 til 0,52 GPa) end nær pulp (fra 0,12 til 0,18 GPa).
En anden parameter, der skal tages hensyn til i er tid. Det blev rapporteret, at i menneskets tand blev hårdhedsindtrykkene genoprettet efter tid13,22. Generelt ved man dog kun lidt om, hvordan størrelsen af disse indtryk ændrer sig med tiden. Da emalje er et ret sprødt materiale, synes tidsafhængigheden af en indrykning at være meget lille eller ubetydelig. Men i dentin fandt Herkstroter et al.22 , at indtryk slappes af (bliver mindre) i løbet af en periode på et døgn; herefter ændrer indtrykkene sig statistisk set ikke længere. En forklaring på indtryksafslapningen kan være forskelle i indholdet af organisk matrix og/eller i bindingen mellem mineralsk og organisk matrix.
Som det fremgår, er der for mange parametre involveret i analysen af menneskets tandhårdhed; derfor opnår vi i dette arbejde nøjagtige Vickers-hårdhedsværdier (med mindste SD) for emalje og dentin i sunde tænder. Vi tog os af prøveforberedelsesmetoden, den kemiske sammensætning langs hele tanden og indtrækkets relative orientering i forhold til emaljeprismerne og dentintubuli for at identificere og kontrollere de parametre, der statistisk set påvirker hårdhedsmålingerne. Vickers-hårdhedsindtryk blev målt og analyseret med lysmikroskopi (LM) og scanningelektronmikroskopi (SEM).
2. Eksperimentel fremgangsmåde
Syv modne, sunde præmolarer, der var frisk ekstraheret af ortodontiske årsager, blev indlejret i selvhærdende harpiks (fig. 1). De indlejrede tænder blev skåret enten på tværs eller i længderetningen (fig. 1: a, A2) ved hjælp af diamantskivefræser Whiler Mod. Cutto-1. Tre tænder blev skåret parallelt med den okklusale overflade, idet der blev foretaget snit tæt på 0,5 mm fra cuspiden, 1,5 mm i cuspiden, i den mellemste tredjedel og i den cervikale tredjedel (fig. 1: c, d, e). De øvrige blev skåret bucolingualt vinkelret på tandens mesiodistale akse (fig. 1: A1).
En af de faktorer, der påvirker hårdhedsmålingerne, er præparationen af prøven, fordi enhver hældning eller ikke plan overflade ville give en for stor IL og dermed en mindre VHN-værdi. Derfor er det afgørende i denne analyse at fremstille en plan overflade i prøveemnerne. Med dette for øje blev prøveemnerne poleret med siliciumcarbidpapir fra nr. 1200 til 4000 gradvist med vand. Den endelige polering blev udført med 0,05 poleringsaluminiumoxid i en lavhastighedsmetallurgisk polermaskine Buehler, mod. Minimet, med let belastning af prøven. Derefter blev prøverne renset i tre perioder på hver 5 minutter med destilleret vand i en ultralydsrenser Bransonic mod. 52.
Vicker-hårdhedsmålinger blev foretaget med en mikrohårdhedsprøver Matsuzawa mod. MHT2 med et kvadratbaseret diamantindtræk med en vinkel på 136°. Denne tester har et lysmikroskop med høj opløsning og kontrast med en forstørrelse på 400 ×. Indrykningerne blev foretaget med en hastighed på 20 s nedadgående og belastninger på 10 g, 25 g og 50 g; de blev aldrig foretaget tæt på nogen kant af prøven eller en anden indrykning. Den mindste afstand mellem to på hinanden følgende indtryk var større end 40 mm. Antallet af indtryk på et bestemt sted i tanden var afhængig af emalje- og dentintykkelsen på dette niveau. Derfor var dette antal større i cusp-zonen end i den cervikale zone (fig. 2). Kriterierne for godkendelse af en indrykning var skarpe diagonale kanter, ensartet diagonalform (geometri) og fri for uregelmæssigheder i testområdet. I de langsgående prøver blev indtrykkene foretaget fra emaljens ydre overflade til dentinens indre overflade, idet de gik gennem EDJ i fem zoner: cervikal, midterste tredjedel, cusp, grove og parallelt med okklusal (fig. 2). I tværgående prøver blev de foretaget i bucolingual til mesiodistal retning (fig. 1: A2).
Længden af akserne på den firkantede indrykning (IL) blev aflæst enten med mikrometerskalaen monteret på øjet på hårdhedsprøveren, med et andet lysmikroskop (LM) og med SEM. VHN-værdien blev beregnet ud fra tabellerne. Middelværdien og SD blev beregnet for både IL og VHN. Kappa-statistik blev anvendt til at vurdere pålideligheden af observatørens fejl ved aflæsning af IL. Der blev opnået en Kappa-værdi på 0,90. For at reducere fejlene var det den samme observatør, der foretog aflæsningen. Zeiss Axiotech LM- og Jeol 5200 SEM-mikroskopet blev anvendt til disse observationer. Resultaterne blev analyseret ved at sammenligne de diagonale indtrykslængdeværdier ved hjælp af variansanalysen ANOVA. Til den kemiske EDS-analyse blev der anvendt et Philips XL30 SEM med en NORAN-EDS-detektor.
3. Resultater
Figur 3 viser nogle af de vigtigste indtryksuregelmæssigheder, der produceres i menneskets tænder, når nogle eksperimentelle parametre ikke er hensigtsmæssige; de er en indikation af, at prøveforberedelsesmetoden eller belastningen og/eller indtrykkets placering ikke er de korrekte. Enhver af disse uregelmæssigheder gør det muligt at foretage en korrekt måling af IL, og derfor blev prøven ikke anvendt til hårdhedsmåling i dette arbejde, når en af disse uregelmæssigheder blev observeret. Faktisk var det tilstrækkeligt at observere en af disse uregelmæssigheder for at genkontrollere forberedelsen og de eksperimentelle procedurer for den undersøgte prøve.
Figur 4 viser formen af VHN-indrykningerne, der dækker alle kravene til hårdhedsmålinger. Figur 4a viser et eksempel på indrykninger, der er fremstillet gennem hele tandtykkelsen i en prøve med en cusp langsgående tand. Figur 4b viser nogle af de indtryk, der er produceret i emalje, mens figur 4c viser et indtryk i dentin. Forstørrelsen i fig. 4b og 4c er den samme, så hårdhedsforskellen i emalje og dentin er ligetil. Figur 4 gør det også muligt at sammenligne indtryksstørrelsen med emaljeprismernes størrelse: dette viser et indtryksområde på 25 mm2.
For at undgå indtryk som dem, der er vist i fig. 3, blev prøveforberedelsesmetoden perfektioneret, og analysen med belastninger på 10 , 25 og 50 g blev udført. Middelværdierne for IL produceret med disse belastninger i samme zone og deres tilsvarende VHN-værdier er vist i tabel 1. Når der tages hensyn til SD i hvert enkelt tilfælde, er ligheden mellem VHN-værdierne i den analyserede zone ligetil. SD for belastninger på 10 og 50 g er dog større end for 25 g.
Collys et al.14 foreslog en belastning på 50 g til undersøgelser af hårdhed i tand, fordi de sagde, at lavere belastninger påvirker indtryksstørrelsen. De angav to aspekter for denne belastningspåvirkning: 1) Prøveoverfladen ændres under poleringsprocessen, hvorved der dannes en belægning, der er større end den største dybde, som indtrækket opnår, og 2) med lavere belastninger øges vanskelighederne ved at aflæse indtryksmærkerne. I dette arbejde har vi imidlertid ikke observeret noget belægningslag efter den anvendte prøveforberedelsesmetode, selv om emalje- og dentinstrukturen altid er observeret (fig. 4). Den dybde, der blev opnået med det anvendte kvadratbaserede diamantindtryk, var på ca. 2 mm. Desuden viste næsten alle indtryk ved en belastning på 50 g brud og materialeophobning, som f.eks. vist i fig. 3. Ved en belastning på 10 g var indtrykkene meget vanskelige at aflæse.
De hårdhedsværdier, der blev opnået med både 25 og 50 g, var statistisk set ens, men en belastning på 25 g gav færre brudindikationer og bedre indtryksformer. Derfor blev der efter analysen i tabel 1 og under hensyntagen til ovenstående valgt en belastning på 25 g til hårdhedsmålingerne. Der blev lejlighedsvis observeret nogle små brud i den yderste kant af lundzonen (zone 4) og i den midterste tredjedel (zone 2), tæt på den vestibulære overflade, men ikke i nogen af de andre. Tidspunktet for påføring af belastningen er en anden parameter, som vi undersøgte. McColm23 angav, at 15 til 30 s er helt anbefalet for keramiske materialer. Derfor anvendte vi en belastning på 25 g i 20 s i denne undersøgelse.
Figur 2 viser de forskellige niveauer af den menneskelige tand, hvor Vicker-hårdhedsindrykningerne blev udført. Tabel 2 viser de vigtigste VHN-værdier, der er opnået med en belastning på 25 g på de forskellige evaluerede tandzoner. Tabellen viser, at den zone, der svarer til det tværsnit, der er parallelt med den okklusale del (zone 5), viste de største hårdhedsværdier, mens zone 1 (cervikal) viste de laveste. Det skal dog bemærkes, at hvis man tager SD-værdierne i betragtning, er forskellen i hårdhed mellem zone 1 og zone 5 minimal. Tabel 3 viser de vigtigste VHN-værdier, der er opnået for de forskellige evaluerede zoner. Her kan vi konstatere, at hårdheden i emaljen som forventet er højere end i dentinen, men den forbliver næsten konstant i alle tykkelser af henholdsvis emaljen og dentinen. Kun tæt på EDJ er der et hul, hvor den falder fra emaljeværdien til dentinværdien.
Det fremgår af de opnåede data, at den zone med den mindste VHN-værdi var zone 2 (den midterste tredjedel), mens den største var zone 5 (parallelt med den okklusale del). Generelt var indrykningerne i prøverne i tværsnit lettere at aflæse, med meget god form og med minimale brudspor. På den anden side viste indrykningerne i længdesnit nogle tegn på brud, især i zone 2. Statistisk set viste de resultater, der blev opnået ved ANOVA, signifikante forskelle (p > 0,05) mellem zone 5 og de andre. Heraf kan det konkluderes, at zone 5 viste den signifikant største hårdhedsværdi, mens zone 1 viste den laveste.
Den kemiske analyse ved hjælp af EDS viste, at Ca/P-forholdet var større i emalje end i dentin. I emalje var den omkring 1,63 sammenlignet med 1,67 i ren hydroxyapatit; det vil sige mere Ca end P (tabel 4). Na, Cl og Mg blev også påvist24 (fig. 5). Generelt viste Na og Mg i emaljen et minimum i emaljens ydre overflade, men steg kontinuerligt, indtil de nåede EDJ. Ca og P forblev næsten konstante i hele emaljens tykkelse. Cl blev i højere grad påvist i emaljens ydre overflade end i EDJ. I dentin blev forholdet Ca/P fundet omkring 1,5 (tabel 4), dvs. der var mere P i emaljen end i dentin; Cl blev ikke fundet, Mg steg fra EDJ til den indre overflade, og Na faldt på disse steder (fig. 5). Det er også værd at bemærke opførslen af C og O: i dentin er procentdelen af C og O højere end i emalje. Dette er et tegn på, at der som bekendt er en større vægtprocent af organisk materiale i dentin end i emalje.
4. Diskussion
I henhold til vores resultater er Vicker-indtrækkeren mere nyttig i undersøgelser af tandhårdhed end Knoop-indtrækkeren, fordi en kvadratisk form altid skal bevares, og fordi der tæt på den ydre overflade og EDJ let kan påvises en lille forlængelse af indtrykkernes diagonaler, som giver fejl i hårdhedsmålinger. Vi foreslår derfor, at Vicker-indtrækket altid skal anvendes ved undersøgelser af tandhårdhed.
Vi har statistisk set fundet nogen signifikant hårdhedsforskel i den samme zone af de analyserede lydtandprøver, men kun mellem de forskellige zoner af den samme tand selv, jf. tabel 2 og 3. Vi fandt hårdhedsværdier i intervallet fra 270 til 360 VHN for emalje og fra 50 til 60 VHN for dentin; forskellene afhænger af den evaluerede zone. Disse resultater svarer til dem, der er rapporteret af Craig og Peyton13 , men i vores tilfælde er disse VHN-værdier konstante langs hele emalje- og dentintykkelsen for hver evalueringszone. Det kan konkluderes, at der blev observeret en lille stigning i hårdheden fra zone 1 til zone 5; dvs. fra den cervikale zone i længdesnit til tværsnittet, parallelt med okklusal.
Nogle forfattere21 har angivet nogle variationer i hårdhed fra tandens ydre overflade sammenlignet med de steder, der ligger tæt på EDJ, svarende til dem, der er rapporteret i tabel 2, men de har også opnået signifikante stigninger i SD-værdierne. Selv om de har rapporteret større VHN-værdier for den ydre overflade end for EDJ, hvilket ligesom Gustafson og Kling21 tyder på, at disse forskelle i hårdhed skyldes den rynkede struktur, som prismerne i den ydre overflade har. I dette arbejde forblev hårdhedsværdierne statistisk set konstante langs henholdsvis emalje- og dentintykkelserne, og de ændrede sig kun tæt på EDJ af naturlige årsager: der er et hul på ca. 20 mm før og efter EDJ, hvor indtryksformen viser nogle af de uregelmæssigheder, der er angivet i fig. 3. Dette giver anledning til lavere hårdhedsværdier som dem, de rapporterede. Vi besluttede ikke at medtage disse værdier i vores målinger, fordi de ikke opfyldte alle de krav, der kræves for at blive godkendt til en Vicker-hårdhedsanalyse.
Det er klart, at VHN-forskellen mellem emalje og dentin er et resultat af forskellen i indholdet af organiske og uorganiske materialer, som det er velkendt. Men i henhold til vores resultater er VHN fundet i emalje og dentin selv ikke påvirket af tilstedeværelsen af de mindre grundstoffer Na, Cl og Mg, som nogle forfattere har angivet18-22, men kun for procentdelen af mineralisering i disse væv.
5. Konklusioner
Tandens Vicker-hårdhedsværdier viser statistisk set ingen ændring fra den ydre emaljeoverflade til EDJ og fra EDJ til den indre dentinoverflade; de forbliver konstante langs hele emalje- og dentintykkelsen i den zone, der analyseres. Hårdheden er kun større langs tværsnittet end langs længdesnittet og er en smule større fra zone 1 til zone 5. De er konstante i hele tandstenstykkets længde. VHN-forskellen mellem emalje og dentin er et resultat af den procentvise mineralisering, de har.
Anerkendelser
3. Kinney, J.H.; Balooch, M.; Marshall, S.J.; Marshall. G.W.; Weihs, T.P. Archs Oral Biol., v. 41, p. 9-13, 1996.
4. Meredith, N.; Sherriff, M.; Setchell, D.J.; Swanson, S.A.V. Archs, Oral Biol. v. 41, p. 539-545, 1996.
5. Marshall, G.W. Quintessence Int. v. 24, s. 606-617, 1993.
6. Fosse, G.; Saele, P.K.; Eibe, R. Acta Odontol. Scand, v. 50, s. 201-210, 1992.
7. Garberoglio, R.; Brannstrom, M. Archs Oral Biol., v. 21, s. 355-362, 1976.
8. Stephen, N.; Wei, H.Y.; Koulourides, V. J. Dent. Res., v. 51, s. 648-651, 1972.
9. Taketa, F.; Perdue, H.S.; O’Rourke, W.F.; Sievert, H.W.; Phillips, P.H. J. Dent. Res., v. 36, s. 739-742, 1957.
10. Totah, V.P. J. Dent. Res., v. 21, s. 99-104, 1942.
11. Caldwell, R.C.; Muntz, M.L.; Gilmore, R.; Pigman, W. J. Dent. Res., v. 36, s. 732-737, 1957.
12. Sweeney, W.T. J. Dent. Res., v. 21, s. 303-310, 1942.
13. Craig, R.G.; Peyton, F.A. J. Dent. Res., v. 37, s.661-668, 1958.
14. Collys, K.; Slop, D.; Cleymaet, R.; Coomanss, D.; Michotte, Y. Dent Mater., v. 8, p. 332-335, 1992.
15. Ryge, G.; Foley, D.E.; Fairhurst, C.W. J. Dent. Res. v. 40, s. 1116-1121, 1961.
16. Wilson, T.G.; Love, B. Am. J. Orth. and Dentofacial Orthop, v. 107, s. 379-381, 1995.
17. Gaspersic, D. J. Oral Pathol. Med., v. 24, s.153-158, 1995.
18. Robinson, C.; Weatherell, J.A.; Hallsworth, A.S. Caries Res., v. 15, s. 70-77, 1981.
19. Kodaka, T.; Debari, K.; Yamada, M.; Kuroiwa, M. Caries Res., v. 26, s. 139-141, 1992.
20. Davidson, C.L.; Hoekstra, I.S.; Arends, J. Caries Res., v. 8, s. 135-144, 1974.
21. Gustafson, G.; Kling, O. Odontol. Tskr., v. 56, s. 23-30, 1948.
22. Herkströter, F.M.; Witjes, M.; Ruben, J.; Arends, J. Caries Res., v. 23, p. 342-344, 1989.
23. McColm, I.J. Introduction and overview in ceramic hardness, Plenum Press, New York, 1990.
24. Robinson, C.; Weatherell, J.A.; Hallsworth, A.S. Caries Res., v. 15, p. 70-77, 1981.