Microdureza y composición química del diente humano
María del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
La dureza del diente humano, tanto en esmalte como en dentina, se ha medido en diferentes sitios utilizando un diamante de Vicker. En este trabajo mostramos que estos valores son casi constantes a lo largo de los espesores de esmalte y dentina. Las indentaciones se realizaron desde la superficie externa del esmalte hasta la capa interna de la dentina, pasando por la unión esmalte-dentina, tanto en muestras transversales como longitudinales. La uniformidad geométrica de la indentación se comprobó tanto con luz como con microscopios electrónicos de barrido, y la composición química del diente se analizó con espectroscopia de dispersión de energía de rayos X característica. Las mediciones de dureza estaban en el rango de 270 a 360 VHN para el esmalte y de 50 a 60 VHN para la dentina. La zona cervical en la sección longitudinal mostró el valor más bajo mientras que en las secciones transversales el más alto. Todos los valores de dureza fueron estadísticamente significativos. Los resultados de la gira indican que la diferencia entre la dureza del esmalte y la dentina no tiene nada que ver con el contenido de Na, Cl y Mg, sino con el porcentaje de materiales orgánicos e inorgánicos en el esmalte y la dentina.
Palabras clave: microdureza, composición química, diente humano, esmalte, dentina
1. Introducción
El esmalte dental es el tejido más mineralizado del cuerpo humano. Su composición es de 96 % de material inorgánico y 4 % de material orgánico y agua. En la dentina, el material inorgánico representa el 70 % en peso. Este material inorgánico está compuesto principalmente por un fosfato de calcio relacionado con la hidroxiapatita hexagonal, cuya fórmula química es Ca10(PO4)6-2(OH) 1. El análisis por espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS) del esmalte y la dentina también indicó la presencia en pequeñas cantidades de otros elementos como Na, Cl y Mg 2.
Los dientes humanos están expuestos a una presión puntual diferente durante la masticación. Por lo tanto, el estudio y análisis de su dureza es muy importante para comprender cómo se distribuyen las tensiones masticatorias en el diente, y para predecir cómo se alteran las tensiones y los esfuerzos por los procedimientos de restauración dental, la edad y las enfermedades. Además, los valores de dureza pueden relacionarse con otras propiedades mecánicas, como el módulo de Young y el límite elástico3,4. Sin embargo, la medición de la dureza en el diente no es fácil. Debido a las estructuras que presentan el esmalte2 y la dentina, prismas que van desde la unión esmalte-dentina (EDJ) hasta la superficie en el caso del esmalte y un material compuesto heterogéneo en el caso de la dentina5-7, es fácil imaginar que sus valores de dureza son diferentes, incluso de un sitio a otro dentro del propio esmalte y dentina; y que serían químicamente dependientes.
La prueba de dureza, junto con los modelos intraorales, tiene gran importancia en los experimentos de desmineralización y remineralización8. La dureza del diente humano se ha determinado por una variedad de métodos, incluyendo la abrasión9, el rayado10 y las técnicas de indentación3,4,11-14. Dado que se han notificado considerables variaciones locales en el esmalte y la dentina, se han preferido los métodos que utilizan un micro-rascado o una micro-indentación, y el indentador de diamante Knoop se utiliza habitualmente4,8,13,14. Recientemente, se informó de la nanoindentación mediante microscopía de fuerza atómica en las mediciones de dureza de la dentina3.
Las durezas Knoop (KHN) y Vicker (VHN) han reportado aproximadamente el mismo valor15. El valor medio de la dureza del esmalte y de la dentina está en el rango de 270 a 350 KHN (o de 250 a 360 VHN) y de 50 a 70 KHN respectivamente4. Sin embargo, las desviaciones estándar (SD) de estos valores muestran variaciones amplias y significativas, aunque en la dentina estas variaciones son menos pronunciadas. Así, por ejemplo, Craig y Peyton13 comunicaron para el esmalte una dureza en el rango de 344 ± 49 a 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 de 369 ± 25 a 431 ± 35; Wilson y Love16 de 263 ± 26 a 327 ± 40. La microdureza del esmalte oclusal varió de 359 a 424 VHN, y la del esmalte cervical de 227 a 342 VHN14. Estas variaciones pueden ser producidas por factores como las características histológicas, la composición química, la preparación de la muestra y la carga y el error de lectura en la longitud de indentación (IL).
En el esmalte humano sano, se informó de que los valores de dureza, el contenido mineral y la densidad disminuyen gradualmente desde la superficie exterior hasta la EDJ18-22. Más específicamente, Kodaka et al.19 encontraron una correlación moderada entre la dureza Vicker y la concentración de P en el esmalte, pero una baja correlación con el Ca. Indicaron que los valores de VHN, el Ca y el porcentaje de P disminuían significativamente en las zonas externas, medias e internas del esmalte. Otros estudios11,19 informaron de que la superficie exterior del esmalte es más dura que la interior, y que la dureza disminuye continuamente desde el borde exterior hasta la EDJ. Gustafson y Kling21 propusieron que las diferencias de dureza en el esmalte pueden producirse por variaciones en la dirección de las hendiduras en una misma sección dental. Sin embargo, algunos otros estudios13 han encontrado alguna diferencia, sólo ligeros indicios de que el esmalte es más duro en la cúspide y en la superficie exterior que en el margen cervical o en la EDJ, pero la diferencia era menor que la DS comunicada, por lo que no se puede hacer ninguna afirmación definitiva.
Las cifras de dureza reportadas para la dentina también varían. Debido al mayor tamaño de la indentación en relación con la microestructura de la dentina, esta variación puede deberse a las diferencias en la densidad de los túbulos dentinarios en diferentes lugares. Kenney et al.3, utilizando un microscopio de fuerza atómica modificado para medir la dureza de la dentina, indicaron que la dentina peritubular hidratada tiene una dureza dentro del rango de 2,2 a 2,5 GPa independiente de la localización, mientras que en la dentina intertubular esta dureza sí dependía de la localización, y era significativamente mayor cerca de la EDJ (valores de 0,49 a 0,52 GPa) que cerca de la pulpa (de 0,12 a 0,18 GPa).
Otro parámetro que debe tenerse en cuenta en es el tiempo. Se informó que en el diente humano las hendiduras de dureza se restauran después del tiempo13,22. Sin embargo, en general, se sabe poco sobre la forma en que el tamaño de estas hendiduras cambia con el tiempo. Dado que el esmalte es un material bastante frágil, la dependencia del tiempo de una hendidura parece ser muy pequeña o insignificante. Sin embargo, en la dentina, Herkstroter et al.22 descubrieron que las muescas se relajaban (se hacían más pequeñas) durante un período de un día; después, las muescas ya no cambian estadísticamente. Alguna explicación para la relajación de la indentación podría ser las diferencias en el contenido de la matriz orgánica y/o en la unión entre la matriz mineral y la orgánica.
Como se puede ver, demasiados parámetros están involucrados en el análisis de la dureza de los dientes humanos; por lo tanto, en este trabajo obtenemos valores precisos de dureza Vickers (con SD mínima) para el esmalte y la dentina en dientes sanos. Hemos tenido en cuenta el método de preparación de la muestra, la composición química a lo largo del diente y la orientación relativa del indentador con los prismas del esmalte y los túbulos de la dentina para identificar y controlar los parámetros que afectan estadísticamente a la medición de la dureza. Las indentaciones de dureza Vickers se midieron y analizaron con microscopía de luz (LM) y microscopía electrónica de barrido (SEM).
2. Procedimiento experimental
Siete premolares maduros y sanos, recién extraídos por razones ortodónticas, se incrustaron en resina autopolimerizable (Fig. 1). Los dientes incrustados fueron seccionados transversal o longitudinalmente (Fig. 1: a, A2) utilizando una fresa de diamante Whiler Mod. Cutto-1. Tres dientes fueron seccionados paralelamente a la superficie oclusal, realizando cortes cercanos a 0,5 mm de la cúspide, 1,5 mm en la cúspide, en el tercio medio y en el tercio cervical (Fig 1: c, d, e). Los demás fueron seccionados bucolingualmente perpendicularmente al eje mesiodistal del diente (Fig. 1: A1).
Uno de los factores que afectan a la medición de la dureza es la preparación de la muestra, ya que cualquier inclinación o superficie no plana arrojaría un IL demasiado grande y, por tanto, un valor VHN menor. Por lo tanto, producir una superficie plana en las probetas es crucial en este análisis. Con esto en mente, los especímenes fueron pulidos con papeles de carburo de silicio de no 1200 a 4000, de manera progresiva, con agua. El pulido final se realizó con alúmina de pulido 0,05 en una pulidora metalúrgica de baja velocidad Buehler, mod. Minimet, con una carga ligera sobre la muestra. Después, las muestras fueron limpiadas por tres periodos de 5 minutos cada uno con agua destilada dentro de un limpiador ultrasónico Bransonic mod. 52.
Las mediciones de dureza Vicker se realizaron con un microdurómetro Matsuzawa mod. MHT2 con un indentador de diamante de base cuadrada con ángulo de 136°. Este probador tiene un microscopio de luz de alta resolución y contraste con un aumento de 400 ×. Las indentaciones se realizaron con una velocidad de 20 s en descenso y con cargas de 10 g, 25 g y 50 g; y nunca cerca de ningún borde de la muestra o de otra indentación. La distancia mínima entre dos indentaciones consecutivas fue superior a 40 mm. El número de indentaciones realizadas en un lugar del diente dependía del grosor del esmalte y de la dentina a ese nivel. Por lo tanto, este número era mayor en la zona de la cúspide que en la zona cervical (Fig. 2). Los criterios para aceptar una indentación fueron la nitidez de los bordes diagonales, la uniformidad de la forma diagonal (geometría) y la ausencia de irregularidades en la zona de prueba. En las muestras longitudinales, las indentaciones se realizaron desde la superficie exterior del esmalte hasta la superficie interior de la dentina, pasando por la EDJ en cinco zonas: cervical, tercio medio, cúspide, surco y paralela a la oclusal (Fig. 2). En las muestras transversales, se realizaron en dirección bucolingual a mesiodistal (Fig. 1: A2).
La longitud de los ejes de la indentación de forma cuadrada (IL) se leyó con la escala micrométrica instalada en el ocular del durómetro, con otro microscopio de luz (LM) y con el SEM. El valor del VHN se obtuvo a partir de tablas. Se calculó el valor medio y la DE para el IL y el VHN. Se utilizó la estadística Kappa para evaluar la fiabilidad del error del observador en la lectura del IL. Se obtuvo un valor Kappa de 0,90. Para reducir los errores, el mismo observador realizó la lectura. Para estas observaciones se utilizaron los microscopios Zeiss Axiotech LM y Jeol 5200 SEM. Los resultados se analizaron comparando los valores de longitud de indentación diagonal mediante el análisis de varianza ANOVA. Para el análisis químico EDS, se utilizó un SEM Philips XL30 con un detector NORAN-EDS.
3. Resultados
La figura 3 muestra algunas de las principales irregularidades de indentación producidas en dientes humanos cuando algunos parámetros experimentales no son adecuados; son una indicación de que el método de preparación de la muestra, o la carga, y/o la posición de la indentación no son los correctos. Cualquiera de estas irregularidades permite la correcta medición de la IL y, por lo tanto, en este trabajo, cuando se observó alguna de ellas, no se utilizó la muestra para la medición de la dureza. De hecho, la observación de cualquiera de estas irregularidades fue suficiente para volver a comprobar los procedimientos de preparación y experimentación de la muestra analizada.
La figura 4 muestra la forma de las indentaciones VHN que cubren todos los requisitos para las mediciones de dureza. La figura 4a muestra un ejemplo de indentaciones producidas a través de todo el espesor del diente en una muestra longitudinal de cúspide. La figura 4b muestra algunas de las indentaciones producidas en el esmalte, mientras que la figura 4c muestra una en la dentina. La ampliación en las Figs. 4b y 4c es la misma, por lo que la diferencia de dureza en el esmalte y la dentina es directa. La figura 4 también permite la comparación entre el tamaño de la indentación y el tamaño de los prismas del esmalte: esto indica un área de indentación de 25 mm2.
Para evitar indentaciones como las mostradas en la Fig. 3, se perfeccionó el método de preparación de la muestra y se realizó el análisis con cargas de 10 , 25 y 50 g. Los valores medios de IL producidos con estas cargas en la misma zona y sus correspondientes valores de VHN se muestran en la Tabla 1. Teniendo en cuenta la SD en cada caso, la similitud de los valores de VHN en la zona analizada es evidente. Sin embargo, la DE para las cargas de 10 y 50 g es mayor que la de 25 g.
Collys et al.14 sugirieron una carga de 50 g para los estudios de dureza en el diente porque dijeron que las cargas más bajas influyen en el tamaño de la indentación. Indicaron dos aspectos para esta influencia de la carga: 1) la superficie de la muestra se altera durante el proceso de pulido produciendo un recubrimiento mayor que la mayor profundidad alcanzada por el indentador; y 2) con cargas menores, aumenta la dificultad para leer las marcas de indentación. Sin embargo, en este trabajo no hemos observado, tras el método de preparación de la muestra seguido, ninguna capa de recubrimiento; aunque siempre se observa la estructura del esmalte y la dentina (Fig. 4). La profundidad alcanzada con el indentador de diamante de base cuadrada utilizado fue de 2 mm aproximadamente. Además, con la carga de 50 g casi todas las indentaciones mostraron fracturas y acumulación de material, como las que se muestran en la Fig. 3. Con la carga de 10 g las indentaciones eran muy difíciles de leer.
Los valores de dureza obtenidos con 25 y 50 g fueron estadísticamente similares, pero la carga de 25 g produjo menos indicaciones de fractura y mejores formas de indentación. Por lo tanto, tras el análisis de la Tabla 1, y teniendo en cuenta todo lo anterior, se eligió la carga de 25 g para las mediciones de dureza. Ocasionalmente se observaron algunas fracturas leves en el borde exterior de la zona de la ranura (zona 4) y en el tercio medio (zona 2), cerca de la superficie vestibular, pero no en ninguna de las demás. El tiempo de aplicación de la carga es otro parámetro que estudiamos. McColm23 indicó que entre 15 y 30 s son bastante recomendables para los materiales cerámicos. Por lo tanto, aplicamos la carga de 25 g durante 20 s para este estudio.
La figura 2 muestra los diferentes niveles del diente humano donde se realizaron las indentaciones de dureza Vicker. La tabla 2 muestra los principales valores de VHN obtenidos con la carga de 25 g en las diferentes zonas del diente evaluadas. Esta tabla indica que la zona correspondiente a la sección transversal paralela a la oclusal (zona 5) mostró los mayores valores de dureza, mientras que la zona 1 (cervical) mostró los más bajos. Sin embargo, teniendo en cuenta los valores SD, la diferencia de dureza entre la zona 1 y la zona 5 es mínima. La tabla 3 muestra los principales valores de VHN obtenidos en las diferentes zonas evaluadas. Aquí observamos que la dureza en el esmalte es mayor que en la dentina, como se esperaba, pero se mantiene casi constante en todos los espesores de esmalte y dentina respectivamente. Sólo cerca de la EDJ hay una brecha en la que disminuye del valor del esmalte al de la dentina.
De los datos obtenidos, la zona con el mínimo valor de VHN fue la zona 2 (el tercio medio) mientras que la mayor fue la zona 5 (paralela a la oclusal). En general, las hendiduras en las muestras de sección transversal fueron más fáciles de leer, con muy buena forma y con mínima marca de fractura. En cambio, en la sección longitudinal las indentaciones mostraban algún indicio de fractura, especialmente las de la zona 2. Estadísticamente, los resultados obtenidos por ANOVA mostraron diferencias significativas (p > 0,05) entre la zona 5 y las demás. De esto se concluye que la zona 5 mostró el valor de dureza significativamente mayor, mientras que la zona 1 mostró el más bajo.
El análisis químico por EDS indicó que la relación Ca/P era mayor en el esmalte que en la dentina. En el esmalte era de alrededor de 1,63, comparado con 1,67 en la hidroxiapatita pura; es decir, más Ca que P (Tabla 4). También se detectaron Na, Cl y Mg24 (Fig. 5). En general, en el esmalte el Na y el Mg mostraron un mínimo en la superficie externa del esmalte, pero aumentaron continuamente hasta llegar a la EDJ. El Ca y el P permanecieron casi constantes en todo el espesor del esmalte. El Cl se detectó en mayor medida en la superficie externa del esmalte que en la EDJ. En la dentina, la relación Ca/P se encontró alrededor de 1,5 (Tabla 4); es decir, más P en el esmalte que en la dentina; el Cl no se presentó, el Mg aumentó desde la EDJ hasta la superficie interna, y el Na disminuyó en estos sitios (Fig. 5). También cabe destacar el comportamiento del C y O: en la dentina el porcentaje de C y O es mayor que en el esmalte. Esto es una indicación de un mayor porcentaje en peso de materia orgánica en la dentina que en el esmalte, como es bien sabido.
4. Discusión
De acuerdo con nuestros resultados, en los estudios de dureza del diente el indentador Vicker es más útil que el de Knoop porque siempre hay que conservar una forma cuadrada; y cerca de la superficie exterior y de la EDJ se detecta fácilmente una pequeña elongación de las diagonales de las indentaciones, que producen errores en las mediciones de dureza. Por lo tanto, proponemos que el indentador Vicker tiene que ser utilizado siempre en los estudios de dureza de los dientes.
Encontramos estadísticamente alguna diferencia de dureza significativa en la misma zona de las muestras de dientes sanos analizadas, pero sólo entre las diferentes zonas del mismo diente, según las Tablas 2 y 3. Encontramos valores de dureza en el rango de 270 a 360 VHN para el esmalte y de 50 a 60 VHN para la dentina; las diferencias dependen de la zona evaluada. Estos resultados son similares a los reportados por Craig y Peyton13, pero en nuestro caso estos valores de VHN son constantes a lo largo de los espesores de esmalte y dentina para cada zona de evaluación. En conclusión, se observó un ligero incremento de la dureza desde la zona 1 hasta la zona 5; es decir, desde la zona cervical en sección longitudinal hasta la sección transversal, paralela a la oclusal.
Algunos autores21 han indicado algunas variaciones en la dureza desde la superficie externa del diente en comparación con los sitios cercanos a la EDJ, similares a los reportados en la Tabla 2, pero también han obtenido, incrementos significativos en los valores de SD. Sin embargo, han reportado mayores valores de VHN para la superficie externa que para la EDJ, indicando, al igual que Gustafson y Kling21, que estas diferencias de dureza son producidas por la estructura arrugada que presentan los prismas en la superficie externa. En este trabajo, estadísticamente hablando, los valores de dureza se mantuvieron constantes a lo largo de los espesores del esmalte y de la dentina respectivamente, y sólo cambiaron cerca de la EDJ por razones naturales: hay una brecha de unos 20 mm antes y después de la EDJ donde la forma de la indentación muestra algunas de las irregularidades indicadas en la Fig. 3. Esto da lugar a valores de dureza más bajos, como los que ellos han comunicado. Decidimos no incluir estos valores en nuestras mediciones porque no cumplían todos los requisitos para ser aceptados en un análisis de dureza Vicker.
Es evidente que la diferencia de VHN entre el esmalte y la dentina es resultado de la diferencia en el contenido de materiales orgánicos e inorgánicos, como es bien sabido. Sin embargo, de acuerdo con nuestros resultados, el VHN encontrado en el esmalte y la dentina mismos no están influenciados por la presencia de los elementos menores Na, Cl y Mg, como algunos autores han indicado18-22, sino sólo por el porcentaje de mineralización en estos tejidos.
5. Conclusiones
Los valores de dureza Vicker del diente no muestran estadísticamente ningún cambio desde la superficie externa del esmalte hasta la EDJ, y desde la EDJ hasta la superficie interna de la dentina; permanecen constantes a lo largo del espesor del esmalte y de la dentina en la zona analizada. La dureza sólo es mayor a lo largo de la sección transversal que a lo largo de la sección longitudinal, y ligeramente mayor de la zona 1 a la zona 5. La diferencia de VHN entre el esmalte y la dentina es el resultado del porcentaje de mineralización que presentan.
Agradecimientos
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