Microduritatea și compoziția chimică a dintelui uman
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
Duritatea dintelui uman, atât a smalțului, cât și a dentinei, a fost măsurată în diferite locuri cu ajutorul unui diamant Vicker. În această lucrare arătăm că aceste valori sunt aproape constante de-a lungul grosimii smalțului și dentinei. Indentațiile au fost efectuate de la suprafața exterioară a smalțului până la stratul interior al dentinei, trecând prin joncțiunea smalț-dentină, atât în probe transversale, cât și longitudinale. Uniformitatea indentațiilor geometrice bine conturate a fost verificată atât cu microscopul luminos, cât și cu microscopul electronic de scanare, iar compoziția chimică a dintelui a fost analizată prin spectroscopie dispersivă de energie cu raze X caracteristică. Măsurătorile de duritate au fost cuprinse între 270 și 360 VHN pentru smalț și între 50 și 60 VHN pentru dentină. Zona cervicală în secțiune longitudinală a prezentat cea mai mică valoare, în timp ce în secțiunile transversale cea mai mare. Toate valorile durității au fost semnificative din punct de vedere statistic. Rezultatele din tur indică faptul că diferența dintre duritatea smalțului și a dentinei nu are nimic de-a face cu conținutul de Na, Cl și Mg, ci cu procentul de materiale organice și anorganice din smalț și dentină.
Cuvinte cheie: microdurețe, compoziție chimică, dinte uman, smalț, dentină
1. Introducere
Emailul dentar este cel mai mineralizat țesut al corpului uman. Compoziția sa este de 96 % în greutate material anorganic și 4 % în greutate material organic și apă. În dentină, materialul anorganic reprezintă 70 % în greutate. Acest material anorganic este compus în principal dintr-un fosfat de calciu înrudit cu hidroxiapatita hexagonală, a cărui formulă chimică este Ca10(PO4)6-2(OH) 1. Analiza prin spectroscopie cu dispersie de energie cu raze X (EDS) a smalțului și a dentinei a indicat, de asemenea, prezența în cantități mici a altor elemente, cum ar fi Na, Cl și Mg 2.
Dinții umani sunt expuși la o presiune diferită de la un punct la altul în timpul masticației. Prin urmare, studiul și analiza durității lor este foarte importantă pentru înțelegerea modului în care sunt distribuite tensiunile masticatorii pe tot dintele și pentru a prezice modul în care tensiunile și tensiunile sunt modificate de procedurile de restaurare dentară, de vârstă și de boală. În plus, valorile durității pot fi corelate cu alte proprietăți mecanice, cum ar fi modulul Young și tensiunea de curgere3,4. Cu toate acestea, măsurarea durității în dinte nu este ușoară. Din cauza structurilor pe care le prezintă smalțul2 și dentina, prisme care se întind de la joncțiunea smalț-dentină (EDJ) până la suprafață în cazul smalțului și un material compozit eterogen în cazul dentinei5-7, este ușor de imaginat că valorile durității lor sunt diferite, chiar și de la un loc la altul în interiorul smalțului și dentinei înseși; și că acestea ar fi dependente din punct de vedere chimic.
Testarea durității, împreună cu modelele intraorale, are o mare importanță în experimentele de de- și remineralizare8. Duritatea dintelui uman a fost determinată printr-o varietate de metode, inclusiv prin tehnici de abraziune9, zgâriere10 și indentare3,4,11-14. Deoarece au fost raportate variații locale considerabile în smalț și dentină, au fost preferate metodele care utilizează o micro zgârietură sau o microindentare, iar indentatorul cu diamant Knoop este utilizat în mod obișnuit4,8,13,14. Recent, nanoindentarea cu ajutorul microscopiei de forță atomică a fost raportată în măsurătorile de duritate a dentinei3.
Durerile Knoop (KHN) și Vicker (VHN) au raportat aproximativ aceeași valoare15. Valoarea medie a durității pentru smalț și dentină este cuprinsă între 270 și 350 KHN (sau între 250 și 360 VHN) și, respectiv, între 50 și 70 KHN4. Cu toate acestea, deviațiile standard (SD) pentru aceste valori prezintă variații largi și semnificative, deși în cazul dentinei aceste variații sunt mai puțin pronunțate. Astfel, de exemplu, Craig și Peyton13 au raportat pentru smalț o duritate în intervalul de la 344 ± 49 la 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 de la 369 ± 25 la 431 ± 35; Wilson și Love16 de la 263 ± 26 la 327 ± 40. Microduritatea smalțului ocluzal a variat de la 359 la 424 VHN, iar cea a smalțului cervical de la 227 la 342 VHN14. Aceste variații pot fi produse de factori precum caracteristicile histologice, compoziția chimică, pregătirea specimenului și sarcina și eroarea de citire a lungimii de indentare (IL).
În smalțul uman sănătos, s-a raportat că valorile durității, conținutul mineral și densitatea scad treptat de la suprafața exterioară spre EDJ18-22. Mai precis, Kodaka et al.19 au constatat o corelație moderată între duritatea Vicker și concentrația de P în smalț, dar o corelație scăzută cu Ca. Aceștia au indicat că valorile VHN, Ca și procentul de P au scăzut semnificativ în zonele exterioare, medii și interioare ale smalțului. Alte studii11,19 au raportat că suprafața exterioară a smalțului este mai dură decât suprafața interioară și că duritatea scade continuu de la marginea exterioară spre EDJ. Gustafson și Kling21 au propus că diferențele de duritate în smalț pot fi produse de variațiile în direcția indentărilor într-o singură secțiune de dinte. Cu toate acestea, alte câteva studii13 au găsit vreo diferență, doar ușoare indicii că smalțul este mai dur în cuspidă și pe suprafața exterioară decât în marginea cervicală sau EDJ, dar diferența a fost mai mică decât SD-ul raportat și, prin urmare, nu se poate face o afirmație definitivă.
Numerele de duritate raportate pentru dentină variază de asemenea. Din cauza dimensiunii mai mari a crestăturii în raport cu microstructura dentinei, această variație se poate datora diferențelor în densitatea tubulilor dentinari în diferite locații. Kenney et al.3, folosind un microscop de forță atomică modificat pentru a măsura duritatea dentinei, au indicat că dentina peritubulară hidratată are o duritate în intervalul de la 2,2 la 2,5 GPa independent de locație, în timp ce în dentina intertubulară această duritate a depins de locație și a fost semnificativ mai mare în apropierea EDJ (valori de la 0,49 la 0,52 GPa) decât în apropierea pulpei (de la 0,12 la 0,18 GPa).
Un alt parametru de care trebuie să se țină cont în este timpul. S-a raportat că la dintele uman indentațiile de duritate se restabilesc după timp13,22. Cu toate acestea, în general, se cunosc puține lucruri despre modul în care mărimea acestor adâncituri se modifică în timp. Deoarece smalțul este un material destul de fragil, dependența în timp a unei adâncituri pare să fie foarte mică sau neglijabilă. Dar, în cazul dentinei, Herkstroter et al.22 au constatat că adânciturile se relaxează (devin mai mici) pe o perioadă de o zi; după aceea, adânciturile nu se mai modifică din punct de vedere statistic. Unele explicații pentru relaxarea indentărilor ar putea fi diferențele în conținutul de matrice organică și/sau în legătura dintre matricea minerală și cea organică.
După cum se poate observa, prea mulți parametri sunt implicați în analiza durității dintelui uman; de aceea, în această lucrare obținem valori exacte ale durității Vickers (cu SD minim) pentru smalț și dentină în dinții sănătoși. Am avut grijă de metoda de pregătire a probei, de compoziția chimică de-a lungul întregului dinte și de orientarea relativă a indentatorului cu prismele smalțului și tubulii dentinei pentru a identifica și controla parametrii care afectează statistic măsurarea durității. Indentațiile de duritate Vickers au fost măsurate și analizate cu ajutorul microscopiei optice (LM) și a microscopiei electronice de scanare (SEM).
2. Procedura experimentală
Șapte premolari maturi, sănătoși, proaspăt extrași din motive ortodontice au fost încorporați în rășină autopolimerizabilă (Fig. 1). Dinții încorporați au fost secționați fie transversal, fie longitudinal (Fig. 1: a, A2) cu ajutorul frezei cu disc diamantat Whiler Mod. Cutto-1. Trei dinți au fost secționați paralel cu suprafața ocluzală, efectuând tăieturi aproape de 0,5 mm de la cuspidă, la 1,5 mm în cuspidă, în treimea medie și în treimea cervicală (Fig. 1: c, d, e). Celelalte au fost secționate bucolingual perpendicular pe axa meziodistală a dintelui (Fig. 1: A1).
Unul dintre factorii care influențează măsurarea durității este pregătirea epruvetei, deoarece orice înclinare sau suprafață neplană ar da o IL prea mare și astfel o valoare VHN mai mică. Prin urmare, producerea unei suprafețe plane în epruvete este crucială în această analiză. Având în vedere acest lucru, epruvetele au fost lustruite cu hârtii de carbură de siliciu de la nr. 1200 la 4000, în mod progresiv, cu apă. Lustruirea finală s-a făcut cu alumină de lustruire 0,05 într-un polizor metalurgic cu viteză redusă Buehler, mod. Minimet, cu încărcare ușoară a epruvetei. Ulterior, probele au fost curățate prin trei perioade de 5 minute fiecare cu apă distilată în interiorul unui aparat de curățare cu ultrasunete Bransonic, mod. 52.
Măsurătorile de duritate Vicker au fost efectuate cu un microdurimetru Matsuzawa mod. MHT2 cu un penetrator diamantat pe bază de pătrat cu un unghi de 136°. Acest tester dispune de un microscop optic de înaltă rezoluție și contrast cu mărire de 400 ×. Amprentele au fost efectuate cu o viteză de 20 s în sensul descrescător și cu sarcini de 10 g, 25 g și 50 g; și niciodată aproape de vreo margine a epruvetei sau de o altă adâncitură. Distanța minimă dintre două adâncituri consecutive a fost mai mare de 40 mm. Numărul de crestături efectuate într-o locație a dintelui a depins de grosimea smalțului și a dentinei la acest nivel. Prin urmare, acest număr a fost mai mare în zona cuspidelor decât în zona cervicală (Fig. 2). Criteriile de acceptare a unei crestături au fost ascuțimea marginilor diagonale, uniformitatea formei diagonale (geometrie) și lipsa de neregularități în zona de testare. În probele longitudinale, indentările au fost realizate de la suprafața exterioară a smalțului la suprafața interioară a dentinei, trecând prin EDJ în cinci zone: cervicală, treimea mijlocie, cuspidă, canelura și paralelă cu ocluzala (Fig. 2). În probele transversale, acestea au fost realizate în direcția bucolinguală spre meziodistal (Fig. 1: A2).
Lungimea axelor indentației de formă pătrată (IL) a fost citită fie cu scara micrometrică montată pe ocularul testerului de duritate, fie cu un alt microscop optic (LM), fie cu SEM. Valoarea VHN a fost obținută din tabele. Valoarea medie și SD au fost calculate atât pentru IL, cât și pentru VHN. Statistica Kappa a fost utilizată pentru a evalua fiabilitatea erorii observatorului în citirea IL. S-a obținut o valoare Kappa de 0,90. Pentru a reduce erorile, același observator a efectuat citirea. Pentru aceste observații au fost utilizate microscoapele Zeiss Axiotech LM și Jeol 5200 SEM. Rezultatele au fost analizate comparând valorile lungimii de indentare diagonală cu ajutorul analizei de varianță ANOVA. Pentru analiza chimică EDS, s-a utilizat un SEM Philips XL30 cu un detector NORAN-EDS.
3. Rezultate
Figura 3 prezintă unele dintre principalele neregularități de indentare produse în dinții umani atunci când unii parametri experimentali nu sunt adecvați; acestea sunt un indiciu că metoda de pregătire a probei, sau sarcina, și/sau poziția indentării nu sunt cele corecte. Oricare dintre aceste neregularități permite măsurarea corectă a IL și, prin urmare, în această lucrare, atunci când a fost observată una dintre ele, proba nu a fost utilizată pentru măsurarea durității. De fapt, observarea oricăreia dintre aceste nereguli a fost suficientă pentru reverificarea procedurilor de pregătire și experimentale ale probei analizate.
Figura 4 prezintă forma adânciturilor VHN care acoperă toate cerințele pentru măsurătorile de duritate. Figura 4a prezintă un exemplu de adâncituri produse pe toată grosimea dintelui într-o probă longitudinală cu cuspidă. Figura 4b arată o parte din adânciturile produse în smalț, în timp ce figura 4c arată una în dentină. Mărirea din figurile 4b și 4c este aceeași, astfel încât diferența de duritate în smalț și dentină este simplă. Figura 4 permite, de asemenea, comparația între dimensiunea indentației și dimensiunea prismelor din smalț: aceasta indică o suprafață de indentare de 25 mm2.
Pentru a evita indentările precum cele prezentate în figura 3, s-a perfecționat metoda de pregătire a probei și s-a efectuat analiza cu sarcini de 10 , 25 și 50 g. Valorile medii pentru IL produse cu aceste sarcini în aceeași zonă și valorile VHN corespunzătoare acestora sunt prezentate în tabelul 1. Ținând cont de SD în fiecare caz, similitudinea valorilor VHN în zona analizată este evidentă. Cu toate acestea SD pentru sarcini de 10 și 50 g sunt mai mari decât cea pentru 25 g.
Collys et al.14 au sugerat o sarcină de 50 g pentru studiile de duritate în dinte deoarece au spus că sarcinile mai mici influențează dimensiunea indentației. Ei au indicat două aspecte pentru această influență a sarcinii: 1) suprafața probei este alterată în timpul procesului de lustruire, producând un strat mai mare decât cea mai mare adâncime atinsă pentru indentator; și 2) cu sarcini mai mici, dificultatea de a citi semnele de indentare crește. Cu toate acestea, în această lucrare nu am observat, după metoda de pregătire a probei urmată, niciun strat de acoperire; deși, structura smalțului și a dentinei este întotdeauna observată (Fig. 4). Adâncimea atinsă cu indentatorul diamantat cu bază pătrată utilizat a fost de aproximativ 2 mm. Mai mult decât atât, cu o sarcină de 50 g, aproape toate indentările au prezentat fracturi și acumulări de material, cum ar fi cele prezentate în Fig. 3. Cu o sarcină de 10 g, adânciturile au fost foarte greu de citit.
Valorile de duritate obținute atât cu 25 cât și cu 50 g au fost similare din punct de vedere statistic, dar sarcina de 25 g a produs mai puține indicații de fractură și forme mai bune ale adânciturilor. Prin urmare, după analiza tabelului 1 și ținând cont de toate cele spuse mai sus, s-a ales sarcina de 25 g pentru măsurătorile de duritate. Ocazional, au fost observate câteva fracturi ușoare în marginea exterioară a zonei de canelură (zona 4) și în treimea mijlocie (zona 2), aproape de suprafața vestibulară, dar nu și în celelalte zone. Timpul de aplicare a încărcăturii este un alt parametru pe care l-am studiat. McColm23 a indicat că 15 până la 30 s sunt destul de recomandate pentru materialele ceramice. Prin urmare, am aplicat sarcina de 25 g pe parcursul a 20 s pentru acest studiu.
Figura 2 prezintă diferitele niveluri ale dintelui uman unde au fost efectuate crestăturile de duritate Vicker. Tabelul 2 prezintă principalele valori VHN obținute cu sarcina de 25 g în diferitele zone ale dintelui evaluate. Acest tabel indică faptul că zona corespunzătoare secțiunii transversale paralele cu cea ocluzală (zona 5) a prezentat cele mai mari valori ale durității, în timp ce zona 1 (cervicală) a prezentat cele mai mici valori. De remarcat că, totuși, luând în considerare valorile SD, diferența de duritate dintre zona 1 și zona 5 este minimă. Tabelul 3 prezintă principalele valori VHN obținute din diferitele zone evaluate. Aici observăm că duritatea în smalț este mai mare decât în dentină, așa cum era de așteptat, dar rămâne aproape constantă în toate grosimile de smalț și, respectiv, de dentină. Doar în apropierea EDJ există un decalaj în care aceasta scade de la valoarea smalțului la cea a dentinei.
Din datele obținute, zona cu cea mai mică valoare VHN a fost zona 2 (treimea mijlocie), în timp ce cea mai mare a fost zona 5 (paralelă cu ocluzala). În general, adânciturile din probele cu secțiune transversală au fost mai ușor de citit, cu o formă foarte bună și cu o marcă de fractură minimă. Pe de altă parte, în secțiunea longitudinală, adânciturile au prezentat unele indicii de fractură, în special cele din zona 2. Din punct de vedere statistic, rezultatele obținute prin ANOVA au arătat diferențe semnificative (p > 0,05) între zona 5 și celelalte. De aici, se concluzionează că zona 5 a prezentat valoarea semnificativ mai mare a durității, în timp ce zona 1 a prezentat cea mai mică.
Analiza chimică prin EDS a indicat că relația Ca/P a fost mai mare în smalț decât în dentină. În smalț a fost în jur de 1,63, comparativ cu 1,67 în hidroxiapatita pură; adică mai mult Ca decât P (tabelul 4). Au fost detectate, de asemenea, Na, Cl și Mg24 (Fig. 5). În general, în smalț, Na și Mg au prezentat un minim în suprafața exterioară a smalțului, dar au crescut continuu până la atingerea EDJ. Ca și P au rămas aproape constante pe toată grosimea smalțului. Cl a fost detectat mai mult în suprafața exterioară a smalțului decât în EDJ. În dentină, raportul Ca/P a fost găsit în jurul valorii de 1,5 (Tabelul 4); adică, mai mult P în smalț decât în dentină; Cl nu a fost prezentat, Mg a crescut de la EDJ la suprafața internă, iar Na a scăzut în aceste locuri (Fig. 5). De asemenea, este demn de remarcat comportamentul lui C și O: în dentină procentul de C și O este mai mare decât în smalț. Aceasta este o indicație a unui procent mai mare de material organic în greutate în dentină decât în smalț, așa cum este bine cunoscut.
4. Discuții
Conform rezultatelor noastre, în studiile de duritate dentară, indentatorul Vicker este mai util decât cel al lui Knoop, deoarece trebuie păstrată întotdeauna o formă pătrată; iar în apropierea suprafeței exterioare și a EDJ este ușor de detectat o mică alungire a diagonalelor indentațiilor, care produce erori în măsurătorile de duritate. Prin urmare, propunem ca indentatorul Vicker să fie utilizat întotdeauna în studiile de duritate a dinților.
Am constatat statistic orice diferență semnificativă de duritate în aceeași zonă a probelor de dinți sănătoși analizate, dar numai între diferitele zone ale aceluiași dinte însuși, conform tabelelor 2 și 3. Am găsit valori ale durității cuprinse între 270 și 360 VHN pentru smalț și între 50 și 60 VHN pentru dentină; diferențele depind de zona evaluată. Aceste rezultate sunt similare cu cele raportate de Craig și Peyton13, dar în cazul nostru aceste valori VHN sunt constante de-a lungul grosimii smalțului și dentinei pentru fiecare zonă de evaluare. În concluzie, s-a observat o ușoară creștere a durității de la zona 1 la zona 5; adică de la zona cervicală în secțiune longitudinală la secțiunea transversală, paralelă cu cea ocluzală.
Câțiva autori21 au indicat unele variații ale durității de la suprafața externă a dintelui în comparație cu acele situri apropiate de EDJ, similare cu cele raportate în tabelul 2, dar au obținut, de asemenea, creșteri semnificative ale valorilor SD. Cu toate acestea, ei au raportat valori VHN mai mari pentru suprafața exterioară decât pentru EDJ, indicând, la fel ca Gustafson și Kling21, că aceste diferențe de duritate sunt produse de structura încrețită pe care prismele o prezintă pe suprafața exterioară. În această lucrare, din punct de vedere statistic, valorile durității au rămas constante de-a lungul grosimii smalțului și, respectiv, a dentinei, și s-au modificat doar în apropierea EDJ din motive naturale: există un decalaj de aproximativ 20 mm înainte și după EDJ, unde forma indentației prezintă unele dintre neregulile indicate în Fig. 3. Acest lucru dă naștere la valori mai mici ale durității, cum ar fi cele raportate de ei. Am decis să nu includem aceste valori în măsurătorile noastre, deoarece nu îndeplineau toate cerințele pentru a fi acceptate pentru o analiză a durității Vicker.
Este clar că diferența VHN dintre smalț și dentină este rezultatul diferenței dintre conținutul de materiale organice și anorganice, așa cum este bine cunoscut. Cu toate acestea, în conformitate cu rezultatele noastre, VHN-ul constatat în smalț și dentină în sine nu este influențat de prezența elementelor minore Na, Cl și Mg, așa cum au indicat unii autori18-22, ci doar pentru procentul de mineralizare din aceste țesuturi.
5. Concluzii
Valorile durității Vicker a dintelui nu prezintă statistic nicio modificare de la suprafața exterioară a smalțului până la EDJ și de la EDJ până la suprafața interioară a dentinei; ele rămân constante pe toată grosimea smalțului și dentinei în zona analizată. Duritatea este doar mai mare de-a lungul secțiunii transversale decât de-a lungul secțiunii longitudinale și este ușor mai mare de la zona 1 la zona 5. Diferența VHN între smalț și dentină este rezultatul procentului de mineralizare pe care acestea îl prezintă.
Recunoștințe
3. Kinney, J.H.; Balooch, M.; Marshall, S.J.; 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, p. 606-617, 1993.
6. Fosse, G.; Saele, P.K.; Eibe, R. Acta Odontol. Scand, v. 50, p. 201-210, 1992.
7. Garberoglio, R.; Brannstrom, M. Archs Oral Biol., v. 21, p. 355-362, 1976.
8. Stephen, N.; Wei, H.Y.; Koulourides, V. J. Dent. Res., v. 51, p. 648-651, 1972.
9. Taketa, F.; Perdue, H.S.; Perdue, H.S.; O’Rourke, W.F.; Sievert, H.W.; Phillips, P.H. J. Dent. Res., v. 36, p. 739-742, 1957.
10. Totah, V.P. J. Dent. Res., v. 21, p. 99-104, 1942.
11. Caldwell, R.C.; Muntz, M.L.; Gilmore, R.; Pigman, W. J. Dent. Res., v. 36, p. 732-737, 1957.
12. Sweeney, W.T. J. Dent. Res., v. 21, p. 303-310, 1942.
13. Craig, R.G.; Peyton, F.A. J. Dent. Res., v. 37, p.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, p. 1116-1121, 1961.
16. Wilson, T.G.; Love, B. Am. J. Orth. and Dentofacial Orthop, v. 107, p. 379-381, 1995.
17. Gaspersic, D. J. Oral Pathol. Med., v. 24, p.153-158, 1995.
18. Robinson, C.; Weatherell, J.A.; Hallsworth, A.S. Caries Res., v. 15, p. 70-77, 1981.
19. Kodaka, T.; Debari, K.; Yamada, M.; Kuroiwa, M. Caries Res., v. 26, p. 139-141, 1992.
20. Davidson, C.L.; Hoekstra, I.S.; Arends, J. Caries Res., v. 8, p. 135-144, 1974.
21. Gustafson, G.; Kling, O. Odontol. Tskr., v. 56, p. 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.