Microdureza e composição química do dente humano
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
Dureza do dente humano, tanto em esmalte como em dentina, foi medida em diferentes locais usando um diamante Vicker. Neste trabalho mostramos que estes valores são quase constantes ao longo de toda a espessura do esmalte e da dentina. Indentações foram feitas desde a superfície externa do esmalte até a camada interna da dentina, passando pela junção esmalte-dentina, tanto em amostras transversais como longitudinais. A uniformidade da indentação geométrica de boa forma foi verificada tanto com luz quanto com microscópios eletrônicos de varredura, e a composição química do dente foi analisada com espectroscopia dispersiva de energia de raios X característica. As medidas de dureza variaram de 270 a 360 VHN para esmalte e 50 a 60 VHN para dentina. A zona cervical no corte longitudinal apresentou o menor valor, enquanto nos cortes transversais, o maior. Todos os valores de dureza foram estaticamente significantes. Os resultados do tour indicam que a diferença entre a dureza do esmalte e da dentina nada tem a ver com o conteúdo de Na, Cl e Mg, mas sim com a percentagem de materiais orgânicos e inorgânicos no esmalte e na dentina.
Palavras-chave: microdureza, composição química, dente humano, esmalte, dentina
1. Introdução
O esmalte dentário é o tecido mais mineralizado do corpo humano. A sua composição é 96 wt.% material inorgânico e 4 wt.% material orgânico e água. Na dentina, o material inorgânico representa 70 wt.%. Este material inorgânico é composto principalmente por um fosfato de cálcio relacionado com a hidroxiapatita hexagonal, cuja fórmula química é Ca10(PO4)6-2(OH) 1. A análise por espectroscopia dispersiva de energia de raios X (EDS) de esmalte e dentina também indicou a presença em pequenas quantidades de outros elementos, como Na, Cl e Mg 2.
Dentes humanos são expostos a uma pressão ponto a ponto diferente durante a mastigação. Portanto, o estudo e análise de sua dureza é muito importante para entender como as tensões e tensões mastigatórias são distribuídas pelo dente, e para prever como as tensões e tensões são alteradas pelos procedimentos restauradores dentários, idade e doença. Além disso, os valores de dureza podem estar relacionados a outras propriedades mecânicas, como o módulo de Young e a tensão de cedência3,4. A medida da dureza do dente, entretanto, não é fácil. Como as estruturas que o esmalte2 e a dentina apresentam, prismas que vão desde a junção esmalte-dentina (EDJ) até a superfície, no caso do esmalte, e um material composto heterogêneo, no caso da dentina5-7, é fácil imaginar que seus valores de dureza sejam diferentes, mesmo de um local para outro dentro do esmalte e da própria dentina; e que seriam quimicamente dependentes.
Testes de dureza, juntamente com modelos intra-orais, tem grande importância em experimentos de desmineralização e re-mineralização8. A dureza dos dentes humanos tem sido determinada por uma variedade de métodos, incluindo abrasão9, arranhão10 e técnicas de indentação3,4,11-14. Como variações locais consideráveis têm sido relatadas no esmalte e na dentina, os métodos que usam microcristagem ou microindentação têm sido preferidos, e o indentor de diamante Knoop é comumente usado4,8,13,14. Recentemente, a nano-indentação usando microscopia de força atômica foi relatada nas medidas de dureza da dentina3.
Knoop (KHN) e Vicker (VHN) dureza têm reportado aproximadamente o mesmo valor15. O valor médio de dureza para esmalte e dentina está na faixa de 270 a 350 KHN (ou de 250 a 360 VHN) e de 50 a 70 KHN, respectivamente4. Entretanto, os desvios padrão (DP) para estes valores mostram variações amplas e significativas, embora na dentina estas variações sejam menos pronunciadas. Assim, por exemplo, Craig e Peyton13 relataram para o esmalte uma dureza na faixa de 344 ± 49 a 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 de 369 ± 25 a 431 ± 35; Wilson e Love16 de 263 ± 26 a 327 ± 40. A microdureza do esmalte oclusal variou de 359 a 424 VHN, e a do esmalte cervical de 227 a 342 VHN14. Estas variações podem ser produzidas por fatores como características histológicas, composição química, preparação da amostra e erro de carga e de leitura em comprimento de recuo (IL).
Em esmalte humano sólido, foi relatado que os valores de dureza, o conteúdo mineral e a densidade diminuem gradualmente da superfície externa para o EDJ18-22. Mais especificamente, Kodaka et al.19 encontraram uma correlação moderada entre a dureza Vicker e a concentração de P no esmalte, mas uma baixa correlação com Ca. Eles indicaram que os valores de VHN, Ca e porcentagem de P diminuíram significativamente nos locais externo, médio e interno do esmalte. Outros estudos11,19 relataram que a superfície externa do esmalte é mais dura que a superfície interna, e que a dureza diminui continuamente da borda externa para EDJ. Gustafson e Kling21 propuseram que as diferenças de dureza no esmalte podem ser produzidas por variações na direção das reentrâncias em uma única seção dentária. Entretanto, alguns outros estudos13 encontraram qualquer diferença, apenas leves indicações de que o esmalte é mais duro na cúspide e na superfície externa do que na margem cervical ou na JED, mas a diferença foi menor do que o DS relatado e, portanto, nenhuma afirmação definitiva pode ser feita.
Números de dureza relatados para a dentina também variam. Devido ao maior tamanho da indentação em relação à microestrutura da dentina, esta variação pode ser devida às diferenças na densidade dos túbulos dentinários em diferentes locais. Kenney et al.3, usando um microscópio modificado de força atômica para medir a dureza da dentina, indicaram que a dentina peritubular hidratada tem uma dureza dentro da faixa de 2,2 a 2,5 GPa independente da localização, enquanto na dentina intertubular essa dureza dependia da localização, e era significativamente maior perto da EDJ (valores de 0,49 a 0,52 GPa) do que perto da polpa (de 0,12 a 0,18 GPa).
Outro parâmetro que deve ser levado em conta é o tempo. Foi relatado que no dente humano as reentrâncias de dureza foram restauradas após o tempo13,22. No entanto, em geral, pouco se sabe sobre a forma como o tamanho desses recuos muda com o tempo. Como o esmalte é um material bastante frágil, a dependência do tempo de um indentação parece ser muito pequena ou insignificante. Mas, na dentina, Herkstroter et al.22 descobriram que os recuos relaxam (tornam-se menores) durante um período de um dia; depois disso, os recuos não mudam mais estatisticamente. Algumas explicações para o relaxamento dos indentações podem ser as diferenças no conteúdo da matriz orgânica e/ou na ligação entre matriz mineral e orgânica.
Como se pode observar, demasiados parâmetros estão envolvidos na análise da dureza dos dentes humanos; portanto, neste trabalho obtemos valores precisos de dureza Vickers (com o mínimo SD) para esmalte e dentina em dentes sadios. Cuidamos do método de preparo da amostra, da composição química ao longo de todo o dente e da orientação relativa do indentro com os prismas do esmalte e túbulos dentinários para identificar e controlar os parâmetros que afetam estatisticamente a medida da dureza. Os indentados de dureza Vickers foram medidos e analisados com microscopia óptica (LM) e microscopia eletrônica de varredura (SEM).
2. Procedimento experimental
Semelhantes pré-molares maduros e sadios, recentemente extraídos por razões ortodônticas, foram embutidos em resina autopolimerizável (Fig. 1). Os dentes foram seccionados transversalmente ou longitudinalmente (Fig. 1: a, A2), utilizando a fresa de disco diamantado Whiler Mod. Cutto-1. Três dentes foram seccionados paralelamente à superfície oclusal, fazendo cortes próximos a 0,5mm da cúspide, 1,5mm na cúspide, no terço médio, e no terço cervical (Fig. 1: c, d, e). Os demais foram seccionados perpendicularmente ao eixo mesiodistal do dente (Fig. 1: A1).
Um dos fatores que afetam a medida da dureza é o preparo da peça, pois qualquer superfície inclinada ou não plana produziria uma IL muito grande e, portanto, um valor de VHN menor. Portanto, a produção de uma superfície plana nas amostras é crucial nesta análise. Com isso em mente, os corpos de prova foram polidos com papéis de carboneto de silício de 1200 a 4000, de forma progressiva, com água. O polimento final foi feito com alumina 0,05 polida em um polidor metalúrgico de baixa velocidade Buehler, mod. Minimet, com carga leve no espécime. Posteriormente, as amostras foram limpas por três períodos de 5 minutos cada, com água destilada no seu interior, na máquina limpadora de ultra-som Bransonic mod. 52.
Medições de dureza Vicker foram feitas com um micro testador de dureza Matsuzawa mod. MHT2 com um indentro diamantado de base quadrada com ângulo de 136°. Este testador tem um microscópio leve de alta resolução e contraste com ampliação de 400 ×. As indentações foram feitas com uma taxa de 20 s descendentes e cargas de 10 g, 25 g e 50 g; e nunca perto de qualquer borda da amostra ou outro indentação. A distância mínima entre duas indentações consecutivas foi superior a 40 mm. O número de reentrâncias feitas num local do dente dependia da espessura do esmalte e da dentina a esse nível. Portanto, esse número era maior na zona da cúspide do que na zona cervical (Fig. 2). Os critérios para aceitação de indentação foram a agudeza das bordas diagonais, uniformidade da forma diagonal (geometria) e ausência de irregularidades na área de teste. Nas amostras longitudinais, os recuos foram feitos desde a superfície externa do esmalte até a superfície interna da dentina, passando pela EDJ em cinco zonas: cervical, terço médio, cúspide, grove e paralela à oclusal (Fig. 2). Em amostras transversais, foram feitas em direção bucolingual a mesiodistal (Fig. 1: A2).
O comprimento dos eixos da reentrância em forma de quadrado (IL) foi lido ou com a escala micrométrica ajustada à ocular do testador de dureza, com outro microscópio de luz (LM), e com SEM. O valor VHN foi obtido a partir de tabelas. O valor médio e o SD foram calculados tanto para IL quanto para VHN. A estatística Kappa foi utilizada para avaliar a confiabilidade do erro do observador na leitura de IL. Foi obtido um valor Kappa de 0,90. Para reduzir os erros, o mesmo observador fez a leitura. Para essas observações foram utilizados os microscópios Zeiss Axiotech LM e Jeol 5200 SEM. Os resultados foram analisados comparando os valores do comprimento de indentação diagonal utilizando a análise de variância ANOVA. Para a análise química do SDE, foi utilizado um Philips XL30 SEM com um detector NORAN-EDS. Resultados
3. Resultados
Figure 3 mostra algumas das principais irregularidades de indentação produzidas em dentes humanos quando alguns parâmetros experimentais não são adequados; elas são uma indicação de que o método de preparo da amostra, ou a carga, e/ou a posição da indentação não são os corretos. Qualquer uma dessas irregularidades permite a medida correta da IL e, portanto, nesse trabalho, quando uma delas foi observada, a amostra não foi utilizada para a medida da dureza. Na verdade, a observação de qualquer uma dessas irregularidades foi suficiente para a verificação da preparação e procedimentos experimentais da amostra em análise.
Figure 4 mostra a forma das reentrâncias de VHN que cobrem todos os requisitos para a medição da dureza. A Figura 4a mostra um exemplo de indentações produzidas através de toda a espessura do dente em uma amostra longitudinal de cúspide. A Figura 4b mostra algumas das reentrâncias produzidas no esmalte, enquanto a Figura 4c mostra uma na dentina. A ampliação nas Figs. 4b e 4c é a mesma, portanto a diferença de dureza no esmalte e na dentina é direta. A figura 4 também permite a comparação entre o tamanho do recuo e o tamanho dos prismas do esmalte: isto indica uma área de recuo de 25 mm2.
Para evitar indentações como as mostradas na Fig. 3, o método de preparação da amostra foi aperfeiçoado e a análise com cargas de 10, 25 e 50 g foi realizada. Os valores médios para IL produzidos com essas cargas na mesma zona e seus correspondentes valores de VHN são mostrados na Tabela 1. Considerando o SD em cada caso, a similaridade dos valores de VHN na zona analisada é direta. Entretanto, DP para cargas de 10 e 50 g são maiores do que para 25 g.
Collys et al.14 sugeriram uma carga de 50 g para estudos de dureza no dente, pois disseram que cargas menores influenciam o tamanho da indentação. Eles indicaram dois aspectos para essa influência da carga: 1) a superfície da amostra é alterada durante o processo de polimento produzindo um revestimento maior que a maior profundidade alcançada para o indentro; e 2) com cargas menores, a dificuldade de leitura das marcas de indentação aumenta. No entanto, neste trabalho não observamos, após o método de preparação da amostra seguido, nenhuma camada de revestimento; mesmo assim, a estrutura de esmalte e dentina é sempre observada (Fig. 4). A profundidade alcançada com o indentro diamantado de base quadrada utilizado foi de aproximadamente 2mm. Além disso, com a carga de 50 g, quase todos os indentados mostraram fraturas e acúmulo de material, como os mostrados na Fig. 3. Com a carga de 10 g os entalhes eram muito difíceis de ler.
Os valores de dureza obtidos com 25 e 50 g foram estatisticamente semelhantes, mas a carga de 25 g produziu menos indicações de fraturas e melhores formas de indentação. Portanto, após a análise da Tabela 1, e levando em conta tudo o que foi dito acima, foi escolhida a carga de 25 g para as medidas de dureza. Ocasionalmente foram observadas algumas fraturas leves na borda externa da zona grove (zona 4) e no terço médio (zona 2), próximas à superfície vestibular, mas não em nenhuma das outras. O tempo de aplicação da carga é outro parâmetro que estudamos. McColm23 indicou que 15 a 30 s são bastante recomendados para materiais cerâmicos. Portanto, aplicamos a carga de 25 g durante 20 s para este estudo.
Figure 2 mostra os diferentes níveis do dente humano onde foram realizadas as indentações de dureza Vicker. A tabela 2 mostra os principais valores de VHN obtidos com a carga de 25 g nas diferentes zonas dentárias avaliadas. Essa tabela indica que a zona correspondente à secção transversal paralela à oclusal (zona 5) apresentou os maiores valores de dureza, enquanto que a zona 1 (cervical) apresentou os menores. Observe que, entretanto, levando em conta os valores de DP, a diferença de dureza entre a zona 1 e a zona 5 é mínima. A Tabela 3 mostra os principais valores de VHN obtidos das diferentes zonas avaliadas. Aqui observamos que a dureza no esmalte é maior do que na dentina, como esperado, mas permanece quase constante em toda a espessura do esmalte e da dentina, respectivamente. Apenas perto da EDJ há uma lacuna onde ela diminui do valor do esmalte para o valor da dentina.
Dos dados obtidos, a zona com o valor mínimo de VHN foi a zona 2 (o terço médio) enquanto a maior foi a zona 5 (paralela à oclusal). Em geral, indentações nas amostras da secção transversal onde a leitura é mais fácil, com muito boa forma e com a marca mínima de fractura. Por outro lado, no corte longitudinal, os recuos mostraram alguma indicação de fratura, especialmente os da zona 2. Estatisticamente falando, os resultados obtidos pela ANOVA mostraram diferenças significativas (p > 0,05) entre a zona 5 e as outras. A partir disso, conclui-se que a zona 5 mostrou o valor de dureza significativamente maior, enquanto que a zona 1 mostrou o menor.
A análise química por SED indicou que a relação Ca/P era maior no esmalte do que na dentina. No esmalte foi cerca de 1,63, comparado com 1,67 na hidroxiapatita pura, ou seja, mais Ca do que P (Tabela 4). Na, Cl e Mg também foram detectados24 (Fig. 5). Em geral, no esmalte Na e Mg apresentaram um mínimo na superfície externa do esmalte, mas aumentaram continuamente até atingir a EDJ. Ca e P permaneceram quase constantes em toda a espessura do esmalte. Cl foi maior detectado na superfície externa do esmalte do que na EDJ. Na dentina, a proporção Ca/P foi encontrada em torno de 1,5 (Tabela 4), ou seja, mais P no esmalte que na dentina; Cl não foi apresentado, Mg aumentou da EDJ para a superfície interna, e Na diminuiu nesses locais (Fig. 5). Vale ressaltar também o comportamento do C e O: na dentina a porcentagem de C e O é maior do que no esmalte. Esta é uma indicação de maior percentagem de peso de material orgânico na dentina do que no esmalte, como é bem conhecido.
4. Discussão
De acordo com nossos resultados, nos estudos de dureza dentária o indentro Vicker é mais útil que o Knoop porque uma forma quadrada tem que ser sempre conservada; e perto da superfície externa e do EDJ é facilmente detectado um pequeno alongamento das diagonais dos indentos, que produzem erros nas medidas de dureza. Portanto, propomos que o indentro Vicker tenha que ser usado sempre nos estudos de dureza dos dentes.
Encontramos estatisticamente qualquer diferença significativa de dureza na mesma zona das amostras de dente sólido analisadas, mas apenas entre as diferentes zonas do próprio dente, de acordo com as Tabelas 2 e 3. Encontramos valores de dureza na faixa de 270 a 360 VHN para o esmalte e de 50 a 60 VHN para a dentina; as diferenças dependem da zona avaliada. Esses resultados são semelhantes aos relatados por Craig e Peyton13, mas no nosso caso esses valores de VHN são constantes em toda a espessura do esmalte e da dentina para cada zona de avaliação. Em conclusão, foi observado um leve incremento de dureza da zona 1 à zona 5, ou seja, da zona cervical em secção longitudinal à secção transversal, paralela à oclusal.
Está claro que a diferença VHN entre esmalte e dentina é o resultado da diferença no conteúdo de materiais orgânicos e inorgânicos, como é bem conhecido. Entretanto, de acordo com nossos resultados, as VHN encontradas no esmalte e na própria dentina não são influenciadas pela presença dos elementos menores Na, Cl e Mg, como alguns autores indicaram18-22, mas apenas pela porcentagem de mineralização nesses tecidos.
5. Conclusões
Os valores de dureza Vicker do dente não apresentam estatisticamente nenhuma alteração da superfície externa do esmalte para EDJ e da EDJ para a superfície interna da dentina; eles permanecem constantes ao longo de toda a espessura do esmalte e da dentina na zona em análise. A dureza é apenas maior ao longo da secção transversal do que ao longo da secção longitudinal, e ligeiramente maior da zona 1 à zona 5. A diferença VHN entre o esmalte e a dentina é resultado da percentagem de mineralização que eles apresentam.
AvaliaÇÕes
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