Mikrohårdhet och kemisk sammansättning hos människotänder
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
Hårdheten hos människotänder, både i emalj och dentin, har mätts på olika ställen med hjälp av en Vickers diamant. I detta arbete visar vi att dessa värden är nästan konstanta längs hela emalj- och dentintjockleken. Intryckningar gjordes från den yttre emaljytan till det inre dentinskiktet, genom emalj-dentin-övergången, både i tvärgående och längsgående prover. Den geometriska välformade indentationsjämlikheten kontrollerades både med ljus- och med svepelektronmikroskop, och tandens kemiska sammansättning analyserades med karakteristisk röntgendispersiv energispektroskopi. Hårdhetsmätningarna låg i intervallet 270-360 VHN för emalj och 50-60 VHN för dentin. Den cervikala zonen i längdsnittet uppvisade det lägsta värdet medan den i tvärsnittet uppvisade det högsta värdet. Alla hårdhetsvärden var statistiskt signifikanta. Tour resultat visar att skillnaden mellan emalj- och dentinhårdhet inte har något att göra med innehållet av Na, Cl och Mg, utan med procentandelen organiska och oorganiska material i emalj och dentin.
Nyckelord: mikrohårdhet, kemisk sammansättning, människotand, emalj, dentin
1. Introduktion
Tandemaljen är den mest mineraliserade vävnaden i människokroppen. Dess sammansättning består av 96 viktprocent oorganiskt material och 4 viktprocent organiskt material och vatten. I dentin utgör det oorganiska materialet 70 viktprocent. Detta oorganiska material består huvudsakligen av ett kalciumfosfat som är besläktat med den hexagonala hydroxyapatiten, vars kemiska formel är Ca10(PO4)6-2(OH) 1. Analyser av emalj och dentin med hjälp av röntgendispenserande energispektroskopi (EDS) visade också på förekomsten av små mängder av andra grundämnen, t.ex. Na, Cl och Mg 2.
Människans tänder utsätts för ett olika tryck från punkt till punkt under masticering. Därför är studien och analysen av deras hårdhet mycket viktig för att förstå hur mastikatoriska påfrestningar fördelas i hela tanden och för att förutsäga hur påfrestningar och påfrestningar förändras av tandreglerande åtgärder, ålder och sjukdom. Dessutom kan hårdhetsvärdena relateras till andra mekaniska egenskaper, t.ex. Young-modul och sträckspänning3,4. Det är dock inte lätt att mäta hårdheten i tänder. På grund av de strukturer som emalj2 och dentin uppvisar, prismor som löper från emalj-dentin-övergången (EDJ) till ytan när det gäller emalj och ett heterogent kompositmaterial när det gäller dentin5-7 , är det lätt att föreställa sig att deras hårdhetsvärden skiljer sig åt, till och med från en plats till en annan inom själva emaljen och dentinet, och att de skulle vara kemiskt beroende av varandra.
Hårdhetsprovning har tillsammans med intraorala modeller stor betydelse vid de- och återmineraliseringsexperiment8. Hårdheten hos människotänder har bestämts med en rad olika metoder, bland annat slipning9, skrapning10 och indentationsmetoder3,4,11-14. Eftersom betydande lokala variationer har rapporterats i emalj och dentin har metoderna med mikroskrapning eller mikroindentering föredragits, och Knoop-diamantindentatorn används vanligen4,8,13,14. Nyligen rapporterades nanointrängning med hjälp av atomkraftmikroskopi vid hårdhetsmätningar av dentin3.
Knoop (KHN) och Vicker (VHN) hårdheter har rapporterat ungefär samma värde15. Det genomsnittliga hårdhetsvärdet för emalj och dentin ligger i intervallet 270-350 KHN (eller 250-360 VHN) respektive 50-70 KHN4. Standardavvikelserna (SD) för dessa värden visar dock breda och betydande variationer, även om dessa variationer är mindre uttalade för dentin. Craig och Peyton13 rapporterade till exempel för emalj en hårdhet i intervallet 344 ± 49 till 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 från 369 ± 25 till 431 ± 35; Wilson och Love16 från 263 ± 26 till 327 ± 40. Mikrohårdheten hos den ocklusala emaljen varierade från 359 till 424 VHN och hos den cervikala emaljen från 227 till 342 VHN14. Dessa variationer kan orsakas av faktorer som histologiska egenskaper, kemisk sammansättning, provberedning samt belastning och avläsningsfel i indentationslängden (IL).
I sund mänsklig emalj rapporterades att hårdhetsvärdena, mineralinnehållet och densiteten gradvis minskar från den yttre ytan till EDJ18-22. Mer specifikt fann Kodaka et al.19 en måttlig korrelation mellan Vickers hårdhet och P-koncentrationen i emalj, men en låg korrelation med Ca. De angav att VHN-värdena, Ca- och P-procenten minskade signifikant på de yttre, mellersta och inre emaljplatserna. Andra studier11,19 rapporterade att den yttre emaljytan är hårdare än den inre ytan och att hårdheten minskar kontinuerligt från ytterkanten till EDJ. Gustafson och Kling21 föreslog att skillnaderna i hårdhet i emaljen kan orsakas av variationer i intrycksriktningen i ett enskilt tandsnitt. Några andra studier13 har dock funnit någon skillnad alls, endast små indikationer på att emaljen är hårdare i cusp och ytterytan än i cervikalkanten eller EDJ, men skillnaden var mindre än den SD som rapporterats, och därför kan inget definitivt uttalande göras.
Hårdhetstal som rapporterats för dentin varierar också. På grund av den större storleken på intrycket i förhållande till dentinmikrostrukturen kan denna variation bero på skillnader i dentintubulärtätheten på olika ställen. Kenney et al.3, som använde ett modifierat atomkraftmikroskop för att mäta hårdheten hos dentin, angav att hydraterat peritubulärt dentin har en hårdhet inom intervallet 2,2-2,5 GPa oberoende av plats, medan denna hårdhet i intertubulärt dentin berodde på platsen, och den var signifikant större nära EDJ (värden från 0,49-0,52 GPa) än nära pulpan (från 0,12-0,18 GPa).
En annan parameter som måste beaktas i är tiden. Det har rapporterats att i människotänder återställs hårdhetsindringarna efter tid13,22. I allmänhet vet man dock lite om hur storleken på dessa intryck förändras med tiden. Eftersom emaljen är ett ganska skört material verkar tidsberoendet av ett intryck vara mycket litet eller försumbart. Men i dentin fann Herkstroter et al.22 att intrycken slappnar av (blir mindre) under en period av ett dygn, varefter intrycken inte längre förändras statistiskt sett. En förklaring till att intrycken slappnar av kan vara skillnader i innehållet i den organiska matrisen och/eller i bindningen mellan mineral och organisk matris.
Som det framgår är alltför många parametrar inblandade i analysen av hårdheten hos mänskliga tänder; därför erhåller vi i detta arbete exakta Vickershårdhetsvärden (med minsta SD) för emalj och dentin i friska tänder. Vi tog hand om provberedningsmetoden, den kemiska sammansättningen längs hela tanden och indenterns relativa orientering i förhållande till emaljprismorna och dentintubulerna för att identifiera och kontrollera de parametrar som statistiskt sett påverkar hårdhetsmätningen. Vickershårdhetsindragningar mättes och analyserades med ljusmikroskopi (LM) och svepelektronmikroskopi (SEM).
2. Försöksprocedur
Sju mogna, sunda premolarer som nyligen extraherats av ortodontiska skäl bäddades in i självhärdande harts (fig. 1). De inbäddade tänderna sektionerades antingen i tvär- eller längsled (fig. 1: a, A2) med hjälp av en diamantskiva Whiler Mod. Cutto-1. Tre tänder sektionerades parallellt med den ocklusala ytan, med snitt nära 0,5 mm från cuspiden, 1,5 mm i cuspiden, i den mellersta tredjedelen och i den cervikala tredjedelen (fig. 1: c, d, e). De övriga delarna snittades bucolingualt vinkelrätt mot tandens mesiodistala axel (fig. 1: A1).
En av de faktorer som påverkar hårdhetsmätningen är provberedningen, eftersom varje lutning eller inte plan yta skulle ge en för stor IL och därmed ett lägre VHN-värde. Att framställa en plan yta i provkropparna är därför avgörande i denna analys. Med detta i åtanke polerades provkropparna med kiselkarbidpapper från nr 1200 till 4000, på ett progressivt sätt, med vatten. Den slutliga poleringen gjordes med 0,05 poleringsaluminiumoxid i en metallurgisk polermaskin med låg hastighet Buehler, mod. Minimet, med lätt belastning på provet. Därefter rengjordes proverna i tre perioder om 5 minuter vardera med destillerat vatten i en ultraljudsrengöringsmaskin Bransonic mod. 52.
Vickerhårdhetsmätningar gjordes med en mikrohårdhetsmätare Matsuzawa mod. MHT2 med en fyrkantig diamantindentator med 136° vinkel. Denna mätare har ett ljusmikroskop med hög upplösning och kontrast med en förstoring på 400 ×. Intrycken gjordes med en hastighet av 20 s nedåtgående och med belastningar på 10 g, 25 g och 50 g, och aldrig nära någon av provets kanter eller ett annat intryck. Det minsta avståndet mellan två på varandra följande intryckningar var större än 40 mm. Antalet intryckningar som gjordes på en viss plats i tanden berodde på emalj- och dentintjockleken på denna nivå. Därför var detta antal större i kuspzonen än i den cervikala zonen (fig. 2). Kriterierna för att godkänna en intryckning var att de diagonala kanterna var skarpa, att den diagonala formen (geometrin) var enhetlig och att det inte fanns några oegentligheter i provningsområdet. I längsgående prover gjordes intrycken från emaljens yttre yta till dentins inre yta, genom EDJ i fem zoner: cervikal, mellersta tredjedelen, cusp, grove och parallellt med occlusal (fig. 2). I tvärgående prover gjordes de i bucolingual till mesiodistal riktning (fig. 1: A2).
Längden på axlarna på det fyrkantiga intrycket (IL) avlästes antingen med mikrometerskala monterad på hårdhetsmätarens okular, med annat ljusmikroskop (LM) och med SEM. VHN-värdet erhölls från tabellerna. Medelvärdet och SD beräknades för både IL och VHN. Kappa-statistik användes för att bedöma tillförlitligheten av observatörsfelet vid avläsning av IL. Ett Kappa-värde på 0,90 uppnåddes. För att minska felen gjorde samma observatör avläsningen. Zeiss Axiotech LM och Jeol 5200 SEM-mikroskop användes för dessa observationer. Resultaten analyserades genom att jämföra de diagonala intryckslängdsvärdena med hjälp av variansanalysen ANOVA. För den kemiska EDS-analysen användes ett Philips XL30 SEM med en NORAN-EDS-detektor.
3. Resultat
Figur 3 visar några av de viktigaste intrycksojämnheterna som produceras i mänskliga tänder när vissa experimentella parametrar inte är adekvata; de är en indikation på att provberedningsmetoden, eller belastningen och/eller intryckets position inte är de rätta. Alla dessa oregelbundenheter gör att IL inte kan mätas korrekt, och därför användes inte provet för hårdhetsmätning i detta arbete när någon av dem observerades. Det räckte faktiskt att observera någon av dessa oegentligheter för att kontrollera förberedelserna och de experimentella förfarandena för det analyserade provet på nytt.
Figur 4 visar formen på VHN-intrycken som täcker alla krav för hårdhetsmätningar. Figur 4a visar ett exempel på intryckningar som produceras genom hela tandtjockleken i ett längsgående prov med en cusp. Figur 4b visar några av de indrag som producerats i emalj, medan figur 4c visar ett i dentin. Förstoringen i figurerna 4b och 4c är densamma, så hårdhetsskillnaden i emalj och dentin är okomplicerad. Figur 4 gör det också möjligt att jämföra storleken på intrycket med storleken på emaljprismorna: detta indikerar en intrycksyta på 25 mm2.
För att undvika intryckningar som de som visas i figur 3 fulländades provberedningsmetoden och analysen med belastningar på 10 , 25 och 50 g utfördes. Medelvärdena för IL som producerats med dessa belastningar i samma zon och deras motsvarande VHN-värden visas i tabell 1. Med hänsyn till SD i varje fall är likheten mellan VHN-värdena i den analyserade zonen uppenbar. SD för belastningar på 10 och 50 g är dock större än för 25 g.
Collys et al.14 föreslog en belastning på 50 g för studier av hårdhet i tänder eftersom de menade att lägre belastningar påverkar intrycksstorleken. De angav två aspekter för denna belastningspåverkan: 1) provets yta förändras under poleringsprocessen, vilket ger en beläggning som är större än det största djup som uppnås för intryckaren, och 2) med lägre belastning ökar svårigheten att avläsa intrycksmärkena. I detta arbete har vi dock inte observerat något beläggningsskikt efter den provpreparationsmetod som följts, även om emalj- och dentinstrukturen alltid observeras (fig. 4). Det djup som uppnåddes med den fyrkantiga diamantindentator som användes var ungefär 2 mm. Med en belastning på 50 g uppvisade dessutom nästan alla indragningar frakturer och materialansamling, såsom de som visas i fig. 3. Med en belastning på 10 g var intrycken mycket svåra att läsa.
Hårdhetsvärdena som erhölls med både 25 och 50 g var statistiskt sett likartade, men belastning på 25 g gav färre indikationer på frakturer och bättre intrycksformer. Efter analysen av tabell 1 och med hänsyn till allt ovanstående valdes därför en belastning på 25 g för hårdhetsmätningarna. Ibland observerades några små frakturer i den yttre kanten av lundzonen (zon 4) och i den mellersta tredjedelen (zon 2), nära den vestibulära ytan, men inte i någon av de andra zonerna. Tidpunkten för belastningen är en annan parameter som vi studerade. McColm23 angav att 15 till 30 s är ganska rekommenderat för keramiska material. Därför tillämpade vi en belastning på 25 g under 20 s i den här studien.
Figur 2 visar de olika nivåerna på den mänskliga tanden där Vicker-hårdhetsindragningarna utfördes. Tabell 2 visar de viktigaste VHN-värdena som erhållits med belastningen på 25 g vid de olika utvärderade tandzonerna. Tabellen visar att den zon som motsvarar tvärsnittet parallellt med occlusal (zon 5) uppvisade de största hårdhetsvärdena, medan zon 1 (cervikal) uppvisade de lägsta. Observera att skillnaden i hårdhet mellan zon 1 och zon 5 är minimal om man tar hänsyn till SD-värdena. Tabell 3 visar de viktigaste VHN-värdena från de olika utvärderade zonerna. Här ser vi att hårdheten i emalj är högre än i dentin, som förväntat, men den förblir nästan konstant i alla emalj- respektive dentintjocklekar. Endast nära EDJ finns det en lucka där den minskar från emaljens värde till dentins värde.
Utifrån de erhållna uppgifterna var zon 2 (den mellersta tredjedelen) den zon som hade det lägsta VHN-värdet, medan zon 5 (parallellt med ocklusalen) var den största. Generellt sett var intrycken i proverna med tvärsnitt lättare att avläsa, med mycket god form och med minsta möjliga frakturmärke. Å andra sidan visade intrycken i längdsnittet vissa tecken på frakturer, särskilt de i zon 2. Statistiskt sett visade resultaten från ANOVA signifikanta skillnader (p > 0,05) mellan zon 5 och de andra. Av detta kan man dra slutsatsen att zon 5 uppvisade det signifikant högre hårdhetsvärdet, medan zon 1 uppvisade det lägsta.
Den kemiska analysen med EDS visade att Ca/P-förhållandet var större i emalj än i dentin. I emalj var det omkring 1,63, jämfört med 1,67 i ren hydroxyapatit; det vill säga mer Ca än P (tabell 4). Na, Cl och Mg påvisades också24 (fig. 5). Generellt sett uppvisade Na och Mg i emalj ett minimum i emaljens yttre yta, men ökade kontinuerligt tills de nådde EDJ. Ca och P förblev nästan konstanta under hela emaljens tjocklek. Cl upptäcktes i högre grad i emaljens yttre yta än i EDJ. I dentin hittades förhållandet Ca/P runt 1,5 (tabell 4), dvs. mer P i emalj än i dentin. Cl fanns inte, Mg ökade från EDJ till den inre ytan och Na minskade på dessa ställen (fig. 5). Det är också värt att notera beteendet hos C och O: i dentin är procentandelen C och O högre än i emalj. Detta är en indikation på att viktprocenten av organiskt material är högre i dentin än i emalj, vilket är välkänt.
4. Diskussion
Enligt våra resultat är Vickerindentatorn mer användbar än Knoopindentatorn vid hårdhetsstudier av tänder, eftersom en kvadratisk form alltid måste bibehållas, och nära ytterytan och EDJ är det lätt att upptäcka en liten förlängning av diagonalerna i intrycken, vilket ger fel vid hårdhetsmätningar. Vi föreslår därför att Vickerindentatorn alltid skall användas vid undersökningar av tandhårdhet.
Vi fann statistiskt sett inga signifikanta hårdhetsskillnader i samma zon av de analyserade ljudtandproverna, utan endast mellan olika zoner av samma tand, enligt tabellerna 2 och 3. Vi fann hårdhetsvärden i intervallet 270-360 VHN för emalj och 50-60 VHN för dentin; skillnaderna beror på den utvärderade zonen. Dessa resultat liknar dem som rapporterats av Craig och Peyton13 , men i vårt fall är dessa VHN-värden konstanta längs emalj- och dentintjockleken för varje utvärderingszon. Sammanfattningsvis observerades en liten ökning av hårdheten från zon 1 till zon 5, det vill säga från den cervikala zonen i längdsnittet till tvärsnittet, parallellt med ocklusalen.
Vissa författare21 har visat på vissa variationer i hårdhet från tandens yttre yta jämfört med de platser som ligger nära EDJ, liknande dem som rapporteras i tabell 2, men de har också erhållit signifikanta ökningar i SD-värdena. De har dock rapporterat större VHN-värden för ytterytan än för EDJ, vilket tyder på, liksom Gustafson och Kling21 , att dessa skillnader i hårdhet orsakas av den skrynkliga struktur som prismorna har på ytterytan. I detta arbete förblev hårdhetsvärdena statistiskt sett konstanta längs emalj- respektive dentintjockleken, och de förändrades endast nära EDJ av naturliga skäl: det finns en lucka på cirka 20 mm före och efter EDJ där intrycksformen uppvisar några av de oregelbundenheter som anges i fig. 3. Detta ger upphov till lägre hårdhetsvärden som de som de rapporterade. Vi beslutade att inte ta med dessa värden i våra mätningar eftersom de inte uppfyllde alla krav för att godkännas för en Vicker-hårdhetsanalys.
Det är uppenbart att VHN-skillnaden mellan emalj och dentin är ett resultat av skillnaden i innehållet av organiska och oorganiska material, vilket är välkänt. Men enligt våra resultat påverkas VHN som finns i själva emaljen och dentinet inte av närvaron av de mindre grundämnena Na, Cl och Mg, som vissa författare har angett18-22, utan endast för mineraliseringsprocenten i dessa vävnader.
5. Slutsatser
Tandens Vicker-hårdhetsvärden uppvisar inte statistiskt sett någon förändring från den yttre emaljytan till EDJ och från EDJ till den inre dentinytan; de förblir konstanta längs hela emalj- och dentintjockleken i den analyserade zonen. Hårdheten är bara större längs den tvärgående sektionen än längs den längsgående sektionen, och något större från zon 1 till zon 5. Skillnaden i VHN mellan emalj och dentin är ett resultat av den procentuella andelen mineralisering som de uppvisar.
Acknowledgements
3. Kinney, J.H.; Balooch, M.; Marshall, S.J.; Marshall. G.W.; Weihs, T.P. Archs Oral Biol., v. 41, s. 9-13, 1996.
4. Meredith, N.; Sherriff, M.; Setchell, D.J.; Swanson, S.A.V. Archs, Oral Biol. v. 41, s. 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, s. 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, s. 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, s. 70-77, 1981.