Experimental analysis of crack resistance indicators of demineralized tooth enamel after combined infiltration treatment

Full Text

Введение

Кариес зубов сохраняет свою актуальность как важнейшая медико-социальная проблема человечества, ключом к решению которой остается своевременная диагностика, эффективное не- или минимально инвазивное лечение на ранних стадиях, патогенетическая профилактика, предполагающая поддержание высокого уровня гигиены полости рта за счет рациональных индивидуальных и профессиональных решений [1, 2].

Поиск, научное обоснование, разработка новых материалов и технологий неоперативного лечения кариеса эмали (очаговой деминерализации эмали, ОДЭ; код К02.0 по МКБ-10 и код 1, 2 по ICDAS) – ранней стадии кариеса зубов составляют одно из трендовых направлений современной консервативно-профилактической стоматологии и стоматологического материаловедения, соответствующих глобальным целям ВОЗ по сохранению стоматологического здоровья населения (Global Goals for Oral Health – 2020; WHO) [3–6]. Внутри этого направления выделяются следующие субтренды: разработка и оптимизация микроинвазивных методов лечения ОДЭ; создание «умных» инфильтрационных, реставрационных, лайнерных и иных стоматологических материалов, имитирующих физико-механические свойства твердых тканей зуба (эмаль, дентин) или максимально приближенных к ним; повышение антимикробных и пленкоингибирующих свойств стоматологических материалов с сохранением их стабильности в отдаленные сроки «эксплуатации» в полости рта (эксплуатационной живучести); использование технологий искусственного интеллекта для построения эффективных стратегий контроля микробных биопленок на естественных (ткани зуба, десны, слизистой оболочки рта) или искусственных (пломбы, вкладки, имплантаты, коронки и др.) средах полости рта (электрические щетки с интерактивным приложением, App-технологии и др.) [3, 7].

Фундаментальная стоматология изучает строение эмали в норме, при кариесе и некариозных поражениях зубов, при лечении с использованием новых тканеэквивалентных материалов, в процессе проведения эстетико-гигиенических процедур (например при отбеливании зубов) на междисциплинарной основе, с использованием принципов физического (стоматологического) материаловедения, с помощью многоуровневого (на макро-, мезо-, микроуровнях) анализа, методами математического моделирования [8–16].

Инновационные наукоемкие разработки фундаментальной кариесологии базируются на применении универсальных или специализированных экспериментальных (in vitro) моделях искусственного кариеса эмали (ИКЭ), валидность и полнота соответствия кариесу эмали in vivo которых подтверждаются комплексом самых современных высокоточных физико-механических и химических методов исследования (сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии – СЭМ, АСМ; ЗD-микрокомпьютерной томографии, интерференциальной профилометрии, микроиндентирования, в том числе с модулем скретч-тестирования и др.) [17–21].

Разработанные нами экспериментальные модели искусственного кариеса эмали и пост-ортодонтической деминерализации эмали (ПОДЭ) полностью соответствуют необходимым требованиям, составляют необходимую платформу для экспериментального моделирования различных методик лечения ОДЭ, оценки их эффективности и безопасности в ближайшие и отдаленные сроки лечения, в условиях, максимально приближенных к физиологическим условиям полости рта [22–26]. Современная клиническая кариесология фокусируется на совершенствовании минимально инвазивных методов лечения ОДЭ и ПОДЭ, позволяющих максимально сохранить структуру и физико-механические свойства твердых тканей зуба (ТТЗ), исключить или существенно отсрочить оперативно-восстановительное лечение [27, 28].

К минимально инвазивным технологиям лечения ОДЭ/ПОДЭ справедливо относят классическую кариес-инфильтрацию, основанную на пропитывании с последующим отверждением в микропорозной системе деминерализованной эмали жидкотекучего композита Icon (DMG, Германия) и варианты ее модификации, улучшающие эксплуатационные характеристики проинфильтрированной эмали в отдаленные сроки после проведенного лечения [29–33]. К числу последних относится разработанный и обоснованный нами в серии экспериментальных исследований комбинированный метод лечения зубов с ОДЭ, включающий этап инфильтрации с увеличенным до 4-минутным временем кондиционирования эмали и заключительный этап защитного ламинирования перифокальной эмали слоем гибридного стеклоиономера пролонгированного многофункционального (реминерализирующего, гипосенситивного и др.) действия [34, 35].

Физико-механические и трибологические свойства особого биоматериала – проинфильтрированная светокомпозитом деминерализованная эмаль, покрытая слоем гибридного стеклоиономера вплоть до перифокальных зон, – изучены методом кинетического микроиндентирования в немногочисленных работах, преимущественно на основе расчета традиционных упруго-прочностных показателей [17, 36]. Полученные результаты во многом позволяют прогнозировать эксплуатационную живучесть, износостойкость и усталостную долговечность леченной эмали зуба. С учетом различных нагрузок на зуб в процессе функционирования зубочелюстной системы in vivo, представляет теоретический интерес и практическую значимость изучение in vitro основных показателей трещиностойкости проинфильтрированной композитом и заламинированной гибридным стеклоиономером эмали, что и cоставило цель работы.

Цель исследования – методом скретч-тести­рования изучить показатели трещиностойкости деминерализованной эмали, пролеченной с помощью комбинированного инфильтационного метода.

Материалы и методы исследования

Материалом для исследования упруго-прочностных свойств эмали in vitro послужили 24 интактных первых и вторых премоляров верхней и нижней челюстей, с сохраненной коронкой и отсутствием видимых дефектов, удаленных по ортодонтическим показаниям с соблюдением необходимых требований. Биоматериал (образцы зубов) проходил атравматичную механо-химическую обработку (Гилева О.С. и соавт., 2001). ИКЭ моделировали in vitro на вестибулярной поверхности коронки согласно разработанной нами технологии, включающей: «Устройство для моделирования экспериментального кариеса в стадии пятна методом эмалевого окна» (патент на полезную модель № 172561 от 17.07.2017 г.), «Сепаратор для хранения биопрепаратов зубов с целью моделирования искусственного кариеса» (патент на полезную модель № 171409 от 30.05.2017 г.), деминерализирующий гель (рацпредложение № 2757 от 17.05.2018 г.) (рис. 1).

 

Рис. 1. Образцы зубов с «эмалевым окном»: после погружения в растопленный воск установлены в сепаратор для последующего погружения в деминерализирующий гель

 

Формирование in vitro на вестибулярной поверхности коронки зубов типичного кариеса эмали было подтверждено в серии многоуровневых исследований, по результатам стереомикроскопии, компьютерной томографии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Методом экспертного анализа высококвалифицированными клиницистами установлено соответствие очагов ИКЭ характеристикам кариеса эмали in vivo (МКБ-10 и ICDAS).

Физико-механические показатели трещиностойкости изучались в сравнительном аспекте на серии шлифов: интактной эмали; деминерализованной эмали (зона ИКЭ); эмали, проинфильтрированной композитом по модифицированной методике с 4-минут­ным режимом кондиционирования; эмали, заламинированной биоактивным гибридным стеклоиономером.

Скретч-тестирование проводили на авиационном предприятии АО «ОДК-СТАР» с помощью высокоточного прибора Micro-combi tester (МСТ, CSM Instruments SA, Швейцария) на 24 образцах. Контролируемое царапание проводили алмазным индентором Rockwell I-165 (R = 0,02 мм) для изучения свойств адгезии, хрупкости, деформации, отслаивания, микроразрушения и скалывания. Скорость перемещения индентора составляла 4 мм/мин с возрастающей от 0 до 10 Н и от 0 до 30 Н нагрузкой. Перед испытанием все биопрепараты были залиты в специальные эпоксидные держатели для зажима в столике прибора MCT. Проведено 144 скретч-теста, на каждый получен панорамный снимок царапины, совмещенный с графиком кинетических кривых. На основе анализа панорамного снимка и кинетических кривых были определены критические нагрузки образования начальных микротрещин (Lc1), шевронных трещин (Lc2), скалывания (Lc3), а также глубина проникновения индентора при прогрессивной нагрузке и глубина постсканирования при снятии нагрузки, что позволило определить соотношение упругих и пластических деформаций в процентах при определенных критических нагрузках, рассчитываемых по формулам:

 $\frac{Rd}{Pd}\times 100$ – пластическая деформация (%);

 $100-\left(\frac{Rd}{Pd}\times 100\right)$ – упругая деформация (%),

где Rd – глубина проникновения индентора после постсканирования (µm); Pd – глубина проникновения индентора (µm).

Результаты и их обсуждение

Микро-, мезо-, макроанализ микроструктуры и топологии поверхности эмали в очаге ИКЭ, созданного in vitro по запатентованной технологии, устанавливал её соответствие характеристикам ОДЭ in vivo по данным клинической картины, стереомикроскопии, компьютерной томографии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии: код К02.0 по МКБ-10; код 2 по ICDAS; образование на поверхности эмали зоны деструкции с неоднородным, сильно шероховатым рельефом, типичной треугольной формы на шлифах, с толщиной поверхностного слоя 43,1 ± 31,2 мкм и глубиной 423,8 ± 107,4 мкм; наличие рентгенопрозрачных темных участков с неравномерной оптической плотностью и зональным снижением минеральной плотности от 1,47 ± 0,17 – в темной, до 2,03 ± 015 г/см³ – в прозрачной зоне (на 53,1 и 73,4 % от плотности интактной эмали) (рис. 2). Разработанная нами модель экспериментального кариеса соответствовала кариесу эмали in vivo, что предопределяло показания к проведению in vitro инфильтрационного лечения и его модификаций.

 

Рис. 2. Аксиальный 2D-срез коронки 3.4 зуба, проходящий через зону искусственно созданного кариеса эмали по её максимальной глубине: а – дентин; б – интактная эмаль; в – эмалево-дентинное соединение; г – кариес эмали in vitro с точкой максимальной глубины (д)

 

Получены и проанализированы новые, не представленные в доступной нам литературе физико-механические свойства (критические нагрузки начала образования микротрещин (Lc1), шевронных трещин (Lc2), сколов (Lc3)) эмали (интактной, деминерализованной, проинфильтрированной светокомпозитом, заламинированной биоактивным гибридным стеклоиономером).

На примере образца 4.5 зуба, проинфильтрированного по модифицированной методике, представлен график, на котором сечения на поле кинетических кривых сопоставлены стрелками с участками царапины, вырезанными из панорамных снимков, соответствующие критическим нагрузкам Lc1, Lс2, Lс3; по кинетическим кривым этих нагрузок в автоматическом режиме установки МСТ определены физико-механические свойства исследуемых участков эмали (рис. 3).

 

Рис. 3. Скретч-тестирование образца 1.1d, проинфильтрированного светокомпозитом

 

При критической нагрузке Lc1 = 8,74 N, Pd = 9,93 µm, Rd = 2,26 µm, пластическая деформация = 22,8 %, упругая деформация = = 77,2 %.

При критической нагрузке Lc2 = 10,21 N, Pd = 11,98 µm, Rd = 3,19 µm, пластическая деформация = 26,6 %, упругая деформация = = 73,4 %.

При критической нагрузке Lc3 = 22,66 N, Pd = 57,15 µm, Rd = 29,11 µm, пластическая деформация = 50,9 %, упругая деформация = = 49,1 %.

Критическая нагрузка начала образования микротрещин (Lc1) интактной эмали (36 скретч-тестов) – 9,82 ± 0,81 N, достоверно (p ˂ 0,05) в 1,5 раза выше, чем у деминерализованной эмали (6,34 ± 0,92 N) и достоверно (p ˃ 0,05) не отличалась от показателя (8,23 ± 0,61 N) проинфильтрированной по модифицированной методике, достоверно (p ˂ 0,05) в 12 раз выше, чем у биоактивного стеклоиономера (0,82 ± 0,17 N). При нагрузке Lc1 упругие и пластические свойства интактной эмали – 81,4 ± 0,9 и 18,6 ± 0,9 %, соответственно – достоверно не отличались от таковых у проинфильтрированной эмали, (78,0 ± 0,3 и 22,0 ± 0,3 %), в то время как показатели деминерализованной эмали были противоположны и достоверно (p ˂ 0,05) отличались (15,7 ± 5,9 и 84,3 ± 5,9 %). Биоактивный стеклоиономер показал высокие упругие (97,5 ± 0,6 %) и низкие пластические (2,5 ± 0,6 %) свойства.

Критическая нагрузка образования шевронных трещин (Lc2) интактной эмали (18,21 ± 0,68 N) достоверно (p ˂ 0,05) в 1,3 раза выше, чем у деминерализованной (14,21 ± 1,35 N), и достоверно (p ˂ 0,05) в 1,8 раза выше, чем после инфильтрирации (10,1 ± 0,30 N); у биоактивного стеклоиономера показатели отсутствовали на всех тестируемых образцах. При нагрузке Lc2 упругие и пластические свойства интактной эмали (79,7 ± 2,7 и 20,3 ± 2,7 % соответственно) достоверно не отличались от таковых после инфильтрации (74,1 ± 0,8 и 25,9 ± 0,8 %), в то время как показатели деминерализованной эмали были противоположны и достоверно (p ˂ 0,05) отличались (29,1 ± 2,2 и 70,9 ± 2,2 %).

Критическая нагрузка образования сколов (Lc3) интактной эмали (15,73 ± 0,73 N) была достоверно (p ˂ 0,05) в 3,1 раза выше, чем у деминерализованной эмали (5,02 ± 0,64 N), достоверно (p ˂ 0,05) в 1,4 раза ниже, чем после инфильтрации (22,43 ± 0,44 N), достоверно (p ˂ 0,05) в 7 раз выше, чем у биоактивного покрытия (2,21 ± 0,12 N). При нагрузке Lc3 упругие и пластические свойства интактной эмали (80,3 ± 1,6 и 19,7 ± 1,6 %), достоверно (p ˂ 0,05) отличались от показателей проинфильтрированной эмали (49,7 ± 0,7 и 50,3 ± ± 0,7 %), достоверно (p ˂ 0,05) отличались от таковых у деминерализованной эмали (31,3 ± 3,8; 68,7 ± 3,8 %) и биоактивного стеклоиономера (66,5 ± 1,7; 33,5 ± 1,7 %).

Выводы

Критическая нагрузка образования микротрещин в пораженной эмали, проинфильтрированной с 4-минутной экспозицией кондиционирования (моделирование первого этапа комбинированного лечения) достоверно не отличалась от таковой у интактной эмали (8,23 ± 0,61 N против 9,82 ± 0,81 N); при нагрузке Lc1 упругие и пластические свойства проинфильтрированной эмали также достоверно не отличались от таковых у интактной.

Критическая нагрузка образования шевронных трещин в деминерализованной эмали после инфильтрации с 4-минутным кондиционированием ниже, чем у интактной эмали; при нагрузке Lc2 её упругие и пластические свойства достоверно не отличаются от значений интактной эмали.

Критическая нагрузка образования сколов проинфильтрированной эмали (1-й этап комбинированного лечения) снижена в сравнении с показателями интактной (22,43 ± 0,44 N против 15,73 ± 0,73 N); при нагрузке Lc3 её упругопластические свойства значительно снижены в сравнении с интактной эмалью (49,7 ± 0,7 и 50,3 ± 0,7 % против 80,3 ± 1,6 и 19,7 ± 1,6 %).

У биоактивного стеклоиономера высокие упругие (97,5 ± 0,6 %) и низкие пластические (2,5 ± 0,6 %) свойства; критическая нагрузка начала образования микротрещин значительно ниже соответствующих показателей интактной эмали, показатели критической нагрузки образования шевронных трещин отсутствовали, а критические нагрузки образования сколов были минимальными (2,21 ± 0,12 N), упругие и прочностные свойства при нагрузке Lc3 ниже, чем у интактной эмали.

В комплексе с результатами других физико-механических испытаний результаты in vitro оценки трещиностойкости деминерализованной эмали после лечения модифицированным методом (1-й этап комбинированного лечения) в большей части свидетельствуют об упрочении участка деминерализации после соответствующего комбинированного инфильтрационного лечения, но при условии щадящей индивидуальной и профессиональной гигиены зубов с леченным кариесом эмали и строгой регламентации сроков повторного нанесения защитного покрытия на проинфильтрированную эмаль.

 

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

O. S. Gileva

E.A. Vagner Perm State Medical University

Author for correspondence.
Email: o.s.gileva@yandex.ru

MD, PhD, Professor, Head of Department of Therapeutic Dentistry and Propaedeutics of Dental Diseases

Russian Federation, Perm

A. D. Levitskaya

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: o.s.gileva@yandex.ru

Candidate of Medical Sciences, Assistant, Department of Therapeutic Dentistry and Propaedeutics of Dental Diseases

Russian Federation, Perm

References

Supplementary files