Microdurezza e composizione chimica del dente umano
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
La durezza del dente umano, sia nello smalto che nella dentina, è stata misurata in diversi punti utilizzando un diamante di Vicker. In questo lavoro dimostriamo che questi valori sono quasi costanti lungo tutto lo spessore dello smalto e della dentina. Le impronte sono state fatte dalla superficie esterna dello smalto allo strato interno della dentina, passando attraverso la giunzione smalto-dentina, sia in campioni trasversali che longitudinali. L’uniformità geometrica delle impronte è stata controllata sia con la luce che con il microscopio elettronico a scansione, e la composizione chimica del dente è stata analizzata con la spettroscopia a dispersione di energia a raggi X. Le misurazioni della durezza erano nell’intervallo da 270 a 360 VHN per lo smalto e da 50 a 60 VHN per la dentina. La zona cervicale in sezione longitudinale ha mostrato il valore più basso mentre nelle sezioni trasversali il più alto. Tutti i valori di durezza erano staticamente significativi. I risultati del tour indicano che la differenza tra la durezza dello smalto e della dentina non ha nulla a che fare con il contenuto di Na, Cl e Mg, ma la percentuale di materiali organici e inorganici nello smalto e nella dentina.
Parole chiave: microdurezza, composizione chimica, dente umano, smalto, dentina
1. Introduzione
Lo smalto dei denti è il tessuto più mineralizzato del corpo umano. La sua composizione è 96% in peso di materiale inorganico e 4% in peso di materiale organico e acqua. Nella dentina, il materiale inorganico rappresenta il 70 % in peso. Questo materiale inorganico è composto principalmente da un fosfato di calcio legato all’idrossiapatite esagonale, la cui formula chimica è Ca10(PO4)6-2(OH) 1. L’analisi della spettroscopia a dispersione di energia a raggi X (EDS) dello smalto e della dentina ha indicato anche la presenza in piccole quantità di altri elementi come Na, Cl e Mg 2.
I denti umani sono esposti a una diversa pressione punto a punto durante la masticazione. Pertanto, lo studio e l’analisi della loro durezza è molto importante per capire come gli sforzi masticatori sono distribuiti in tutto il dente, e per prevedere come le sollecitazioni e gli sforzi sono alterati dalle procedure di restauro dentale, dall’età e dalla malattia. Inoltre, i valori di durezza possono essere correlati ad altre proprietà meccaniche, come il modulo di Young e il carico di snervamento3,4. Tuttavia, la misurazione della durezza nel dente non è facile. Poiché le strutture che lo smalto2 e la dentina presentano, prismi che vanno dalla giunzione smalto-dentina (EDJ) alla superficie nel caso dello smalto e un materiale composito eterogeneo nel caso della dentina5-7, è facile immaginare che i loro valori di durezza siano diversi, anche da un sito all’altro all’interno dello smalto e della dentina stessi; e che sarebbero chimicamente dipendenti.
Il test di durezza, insieme ai modelli intraorali, ha grande importanza negli esperimenti di de- e rimineralizzazione8. La durezza del dente umano è stata determinata con una varietà di metodi, comprese le tecniche di abrasione9, graffio10 e indentazione3,4,11-14. Poiché sono state riportate notevoli variazioni locali nello smalto e nella dentina, sono stati preferiti i metodi che utilizzano un micro-graffio o una micro-indentazione, e il penetratore di diamante Knoop è comunemente usato4,8,13,14. Recentemente, la nano-indentazione utilizzando la microscopia a forza atomica è stata riportata nelle misure di durezza della dentina3.
Le durezze Knoop (KHN) e Vicker (VHN) hanno riportato circa lo stesso valore15. Il valore medio di durezza per lo smalto e la dentina è nell’intervallo da 270 a 350 KHN (o da 250 a 360 VHN) e da 50 a 70 KHN rispettivamente4. Tuttavia, le deviazioni standard (SD) per questi valori mostrano ampie e significative variazioni, anche se nella dentina queste variazioni sono meno pronunciate. Così, per esempio, Craig e Peyton13 hanno riportato per lo smalto una durezza nell’intervallo da 344 ± 49 a 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 da 369 ± 25 a 431 ± 35; Wilson e Love16 da 263 ± 26 a 327 ± 40. La microdurezza dello smalto occlusale variava da 359 a 424 VHN, e quella dello smalto cervicale da 227 a 342 VHN14. Queste variazioni possono essere prodotte da fattori come le caratteristiche istologiche, la composizione chimica, la preparazione del campione e l’errore di carico e di lettura della lunghezza di indentazione (IL).
Nello smalto umano sano, è stato riportato che i valori di durezza, il contenuto minerale e la densità diminuiscono gradualmente dalla superficie esterna all’EDJ18-22. Più specificamente, Kodaka et al.19 hanno trovato una moderata correlazione tra la durezza Vicker e la concentrazione di P nello smalto, ma una bassa correlazione con il Ca. Hanno indicato che i valori VHN, il Ca e la percentuale di P diminuivano significativamente nei siti esterni, centrali e interni dello smalto. Altri studi11,19 hanno riportato che la superficie esterna dello smalto è più dura di quella interna, e che la durezza diminuisce continuamente dal bordo esterno all’EDJ. Gustafson e Kling21 hanno proposto che le differenze di durezza nello smalto possono essere prodotte da variazioni nella direzione delle dentellature in una singola sezione del dente. Tuttavia, alcuni altri studi13 hanno trovato alcuna differenza, solo lievi indicazioni che lo smalto è più duro nella cuspide e nella superficie esterna che nel margine cervicale o nell’EDJ, ma la differenza era inferiore alla SD riportata, e quindi non si può fare alcuna dichiarazione definitiva.
Anche i numeri di durezza riportati per la dentina variano. A causa delle maggiori dimensioni della dentellatura in relazione alla microstruttura della dentina, questa variazione può essere dovuta alle differenze nella densità dei tubuli dentinali in punti diversi. Kenney et al.3, usando un microscopio a forza atomica modificato per misurare la durezza della dentina, hanno indicato che la dentina peritubulare idratata ha una durezza nell’intervallo da 2,2 a 2,5 GPa indipendente dalla posizione, mentre nella dentina intertubulare questa durezza dipende dalla posizione, ed è significativamente maggiore vicino all’EDJ (valori da 0,49 a 0,52 GPa) che vicino alla polpa (da 0,12 a 0,18 GPa).
Un altro parametro che deve essere preso in considerazione è il tempo. È stato riportato che nel dente umano le rientranze di durezza ripristinate dopo il tempo13,22. Tuttavia, in generale, si sa poco sul modo in cui la dimensione di queste rientranze cambia con il tempo. Poiché lo smalto è un materiale piuttosto fragile, la dipendenza dal tempo di una dentellatura sembra essere molto piccola o trascurabile. Ma, nella dentina, Herkstroter et al.22 hanno trovato che le rientranze si rilassano (diventano più piccole) in un periodo di un giorno; dopo di che le rientranze non cambiano più statisticamente. Alcune spiegazioni per il rilassamento delle dentellature potrebbero essere le differenze nel contenuto della matrice organica e/o nel legame tra la matrice minerale e quella organica.
Come si può vedere, troppi parametri sono coinvolti nell’analisi della durezza dei denti umani; quindi, in questo lavoro otteniamo valori accurati di durezza Vickers (con SD minima) per lo smalto e la dentina in denti sani. Abbiamo curato il metodo di preparazione del campione, la composizione chimica lungo tutto il dente, e l’orientamento relativo del penetratore con i prismi dello smalto e i tubuli della dentina per identificare e controllare i parametri che statisticamente influenzano la misurazione della durezza. Le impronte di durezza Vickers sono state misurate e analizzate con la microscopia ottica (LM) e la microscopia elettronica a scansione (SEM).
2. Procedura sperimentale
Sette premolari maturi e sani appena estratti per motivi ortodontici sono stati inseriti in resina autopolimerizzante (Fig. 1). I denti incassati sono stati sezionati trasversalmente o longitudinalmente (Fig. 1: a, A2) utilizzando la fresa a disco diamantato Whiler Mod. Cutto-1. Tre denti sono stati sezionati parallelamente alla superficie occlusale, facendo tagli vicini a 0,5 mm dalla cuspide, 1,5 mm nella cuspide, nel terzo medio e nel terzo cervicale (Fig 1: c, d, e). Gli altri sono stati sezionati bucolingualmente perpendicolarmente all’asse mesiodistale del dente (Fig. 1: A1).
Uno dei fattori che influenzano la misurazione della durezza è la preparazione del provino, perché qualsiasi inclinazione o superficie non piatta darebbe un IL troppo grande e quindi un valore VHN più piccolo. Pertanto, produrre una superficie piatta nei campioni è cruciale in questa analisi. Con questo in mente, i campioni sono stati lucidati con carte di carburo di silicio da 1200 a 4000, in modo progressivo, con acqua. La lucidatura finale è stata fatta con allumina di lucidatura 0,05 in una lucidatrice metallurgica a bassa velocità Buehler, mod. Minimet, con un carico leggero sul campione. In seguito, i campioni sono stati puliti per tre periodi di 5 minuti ciascuno con acqua distillata all’interno di un pulitore a ultrasuoni Bransonic mod. 52.
Le misure di durezza Vicker sono state effettuate con un microdurometro Matsuzawa mod. MHT2 con un penetratore di diamante a base quadrata con angolo di 136°. Questo tester ha un microscopio ottico di alta risoluzione e contrasto con ingrandimento di 400 ×. Le impronte sono state fatte con una velocità di 20 s in discesa e carichi di 10 g, 25 g e 50 g; e mai vicino a qualsiasi bordo del campione o a un’altra impronta. La distanza minima tra due dentellature consecutive era maggiore di 40 mm. Il numero di impronte fatte in un punto del dente dipendeva dallo spessore dello smalto e della dentina a tale livello. Pertanto, questo numero era più grande nella zona delle cuspidi che nella zona cervicale (Fig. 2). I criteri per accettare un’impronta erano la nitidezza dei bordi diagonali, l’uniformità della forma diagonale (geometria) e l’assenza di irregolarità nella zona di prova. Nei campioni longitudinali, le impronte sono state fatte dalla superficie esterna dello smalto alla superficie interna della dentina, passando attraverso l’EDJ in cinque zone: cervicale, terzo medio, cuspide, solco e parallelo all’occlusione (Fig. 2). Nei campioni trasversali, sono stati fatti in direzione bucolinguale a mesiodistale (Fig. 1: A2).
La lunghezza degli assi dell’impronta quadrata (IL) è stata letta sia con la scala micrometrica montata sull’oculare del durometro, con un altro microscopio ottico (LM), e con il SEM. Il valore VHN è stato ottenuto da tabelle. Il valore medio e la DS sono stati calcolati sia per IL che per VHN. La statistica Kappa è stata utilizzata per valutare l’affidabilità dell’errore dell’osservatore nella lettura dell’IL. È stato raggiunto un valore Kappa di 0,90. Per ridurre gli errori, lo stesso osservatore ha effettuato la lettura. I microscopi Zeiss Axiotech LM e Jeol 5200 SEM sono stati utilizzati per queste osservazioni. I risultati sono stati analizzati confrontando i valori della lunghezza di indentazione diagonale utilizzando l’analisi della varianza ANOVA. Per l’analisi chimica EDS, è stato utilizzato un SEM Philips XL30 con un rilevatore NORAN-EDS.
3. Risultati
La figura 3 mostra alcune delle principali irregolarità di indentazione prodotte nei denti umani quando alcuni parametri sperimentali non sono adeguati; sono un’indicazione che il metodo di preparazione del campione, o il carico, e/o la posizione dell’indentazione non sono quelli corretti. Ognuna di queste irregolarità permette la misurazione corretta dell’IL, e, quindi, in questo lavoro, quando una di esse è stata osservata, il campione non è stato utilizzato per la misurazione della durezza. Infatti, l’osservazione di una qualsiasi di queste irregolarità era sufficiente per ricontrollare la preparazione e le procedure sperimentali del campione in analisi.
La figura 4 mostra la forma delle tacche VHN che coprono tutti i requisiti per le misure di durezza. La figura 4a mostra un esempio di rientranze prodotte attraverso tutto lo spessore del dente in un campione longitudinale a cuspide. La figura 4b mostra alcune rientranze prodotte nello smalto, mentre la figura 4c ne mostra una nella dentina. L’ingrandimento nelle figure 4b e 4c è lo stesso, quindi la differenza di durezza nello smalto e nella dentina è evidente. La figura 4 permette anche il confronto tra la dimensione della dentellatura e la dimensione dei prismi dello smalto: questo indica un’area di dentellatura di 25 mm2.
Per evitare indentazioni come quelle mostrate in Fig. 3, il metodo di preparazione del campione è stato perfezionato ed è stata effettuata l’analisi con carichi di 10 , 25 , e 50 g. I valori medi di IL prodotti con questi carichi nella stessa zona e i loro corrispondenti valori di VHN sono riportati nella tabella 1. Tenendo conto della SD in ogni caso, la somiglianza dei valori VHN nella zona analizzata è evidente. Tuttavia le SD per carichi di 10 e 50 g sono più grandi di quelle per 25 g.
Collys et al.14 hanno suggerito un carico di 50 g per gli studi di durezza nel dente perché hanno detto che carichi più bassi influenzano la dimensione dell’impronta. Hanno indicato due aspetti per questa influenza del carico: 1) la superficie del campione viene alterata durante il processo di lucidatura producendo un rivestimento più grande della profondità maggiore raggiunta dal penetratore; e 2) con carichi più bassi, la difficoltà di leggere i segni di indentazione aumenta. Tuttavia, in questo lavoro non abbiamo osservato, dopo il metodo di preparazione del campione seguito, nessuno strato di rivestimento; anche se, la struttura dello smalto e della dentina è sempre osservata (Fig. 4). La profondità raggiunta con il penetratore diamantato a base quadrata utilizzato era di circa 2 mm. Inoltre, con il carico di 50 g quasi tutte le impronte hanno mostrato fratture e accumulo di materiale, come quelle mostrate in Fig. 3. Con un carico di 10 g le dentellature erano molto difficili da leggere.
I valori di durezza ottenuti sia con 25 che con 50 g erano statisticamente simili, ma il carico di 25 g produceva meno indicazioni di fratture e forme di rientranze migliori. Pertanto, dopo l’analisi della tabella 1, e tenendo conto di tutto quanto detto sopra, il carico di 25 g è stato scelto per le misure di durezza. Occasionalmente sono state osservate alcune leggere fratture nel bordo esterno della zona del solco (zona 4) e nel terzo centrale (zona 2), vicino alla superficie vestibolare, ma non in nessuna delle altre. Il tempo di applicazione del carico è un altro parametro che abbiamo studiato. McColm23 ha indicato che da 15 a 30 s sono abbastanza raccomandati per i materiali ceramici. Pertanto abbiamo applicato il carico di 25 g durante 20 s per questo studio.
La figura 2 mostra i diversi livelli del dente umano dove sono state eseguite le tacche di durezza Vicker. La tabella 2 mostra i principali valori di VHN ottenuti con un carico di 25 g nelle diverse zone del dente valutate. Questa tabella indica che la zona corrispondente alla sezione trasversale parallela all’occlusione (zona 5) ha mostrato i maggiori valori di durezza, mentre la zona 1 (cervicale) ha mostrato i più bassi. Si noti che, tuttavia, tenendo conto dei valori SD, la differenza di durezza tra la zona 1 e la zona 5 è minima. La tabella 3 mostra i principali valori di VHN ottenuti dalle diverse zone valutate. Qui osserviamo che la durezza nello smalto è più alta che nella dentina, come previsto, ma rimane quasi costante in tutti gli spessori di smalto e dentina rispettivamente. Solo vicino all’EDJ c’è un divario dove diminuisce dal valore dello smalto a quello della dentina.
Dai dati ottenuti, la zona con il valore minimo di VHN era la zona 2 (il terzo medio) mentre la più grande era la zona 5 (parallela all’occlusale). In generale, le dentellature nei campioni in sezione trasversale erano più facilmente leggibili, con una forma molto buona e con un minimo segno di frattura. D’altra parte, in sezione longitudinale le dentellature mostravano qualche indicazione di frattura, specialmente quelle della zona 2. Statisticamente parlando, i risultati ottenuti da ANOVA hanno mostrato differenze significative (p > 0.05) tra la zona 5 e le altre. Da questo, si conclude che la zona 5 ha mostrato il valore di durezza significativamente più grande, mentre la zona 1 ha mostrato il più basso.
L’analisi chimica tramite EDS ha indicato che il rapporto Ca/P era maggiore nello smalto che nella dentina. Nello smalto era circa 1,63, rispetto a 1,67 nell’idrossiapatite pura, cioè più Ca che P (tabella 4). Sono stati rilevati anche Na, Cl e Mg24 (Fig. 5). In generale, nello smalto Na e Mg hanno mostrato un minimo nella superficie esterna dello smalto, ma sono aumentati continuamente fino a raggiungere l’EDJ. Ca e P sono rimasti quasi costanti per tutto lo spessore dello smalto. Cl è stato rilevato più in alto nella superficie esterna dello smalto che nell’EDJ. Nella dentina, il rapporto Ca/P è stato trovato intorno a 1,5 (Tabella 4); cioè, più P nello smalto che nella dentina; Cl non è stato presentato, Mg è aumentato da EDJ alla superficie interna, e Na è diminuito in questi siti (Fig. 5). Vale anche la pena notare il comportamento di C e O: nella dentina la percentuale di C e O è più alta che nello smalto. Questo è un’indicazione di una maggiore percentuale in peso di materiale organico nella dentina che nello smalto, come è noto.
4. Discussione
Secondo i nostri risultati, negli studi di durezza del dente il penetratore Vicker è più utile di quello di Knoop perché deve essere sempre conservata una forma quadrata; e vicino alla superficie esterna e all’EDJ si rileva facilmente un piccolo allungamento delle diagonali delle tacche, che produce errori nelle misure di durezza. Pertanto, proponiamo che il penetratore Vicker sia sempre utilizzato negli studi di durezza dei denti.
Abbiamo trovato statisticamente delle differenze significative di durezza nella stessa zona dei campioni di dente sano analizzati ma solo tra le diverse zone dello stesso dente, secondo le tabelle 2 e 3. Abbiamo trovato valori di durezza nell’intervallo da 270 a 360 VHN per lo smalto e da 50 a 60 VHN per la dentina; le differenze dipendono dalla zona valutata. Questi risultati sono simili a quelli riportati da Craig e Peyton13, ma nel nostro caso questi valori VHN sono costanti lungo tutto lo spessore dello smalto e della dentina per ogni zona di valutazione. In conclusione, è stato osservato un leggero aumento della durezza dalla zona 1 alla zona 5; cioè, dalla zona cervicale in sezione longitudinale alla sezione trasversale, parallelamente all’occlusione.
Alcuni autori21 hanno indicato alcune variazioni di durezza dalla superficie esterna del dente rispetto ai siti vicini all’EDJ, simili a quelle riportate nella tabella 2, ma hanno anche ottenuto incrementi significativi nei valori SD. Tuttavia, hanno riportato valori VHN più grandi per la superficie esterna che per l’EDJ, indicando, come Gustafson e Kling21, che queste differenze di durezza sono prodotte dalla struttura rugosa che i prismi presentano nella superficie esterna. In questo lavoro, statisticamente parlando i valori di durezza sono rimasti costanti lungo gli spessori dello smalto e della dentina rispettivamente, e sono cambiati solo vicino all’EDJ per motivi naturali: c’è uno spazio di circa 20 mm prima e dopo l’EDJ dove la forma dell’impronta mostra alcune delle irregolarità indicate in Fig. 3. Questo dà luogo a valori di durezza più bassi come quelli che hanno riportato. Abbiamo deciso di non includere questi valori nelle nostre misurazioni perché non soddisfano tutti i requisiti per essere accettati per un’analisi di durezza Vicker.
È chiaro che la differenza di VHN tra smalto e dentina è il risultato della differenza nel contenuto di materiali organici e inorganici, come è noto. Tuttavia, secondo i nostri risultati, la VHN trovata nello smalto e nella dentina non è influenzata dalla presenza degli elementi minori Na, Cl e Mg, come alcuni autori hanno indicato18-22, ma solo per la percentuale di mineralizzazione in questi tessuti.
5. Conclusioni
I valori di durezza Vicker del dente non mostrano statisticamente alcun cambiamento dalla superficie esterna dello smalto all’EDJ, e dall’EDJ alla superficie interna della dentina; essi rimangono costanti lungo tutto lo spessore dello smalto e della dentina nella zona in analisi. La durezza è solo più grande lungo la sezione trasversale che lungo la sezione longitudinale, e leggermente più grande dalla zona 1 alla zona 5. La differenza di VHN tra smalto e dentina è il risultato della percentuale di mineralizzazione che presentano.
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