Эмаль зуба - самый твердый материал человеческого организма. Тем не менее зубная эмаль, как и любой материал, подвержена абразивному и эрозионному поражению. Под абразивным поражением понимают истирание зубной эмали под действием механических факторов (пережевывание твердой пищи, чистка зубов жесткими щетками), а при эрозионном поражении происходит растравливание эмали под воздействием пищевых органических кислот. Указанные механизмы считаются одними из возможных причин образования клиновидных дефектов зубов [1, 2]. Клиновидный дефект - некариозное поражение зубной эмали, которое проявляется в виде V-образного или иначе, клиновидного, истончения эмали зуба в области шейки, обычно с наружной стороны зуба.

В качестве основной причины появления этого дефекта многие стоматологи называют именно механическое воздействие, в частности, вследствие неправильного применения зубных щеток и зубных паст. Действительно, в пользу этого свидетельствует тот факт, что у большинства пациентов клиновидные дефекты проявляются преимущественно с левой стороны челюстей, поскольку большинство людей являются правшами, и потому усилие, прикладываемое к зубной щетке, в этом случае больше. У левшей, напротив, клиновидные дефекты проявляются с правой стороны. Употребление кислых продуктов (газированные напитки, большое количество цитрусовых, продукты, богатые уксусом) также способствует разрушению эмали, причем, поскольку зубы хуже очищаются в прикорневой области, процесс растворения эмали при этом происходит более интенсивно.

С другой стороны, многие стоматологи полагают, что указанные процессы могут ускорять процесс образования клиновидных дефектов, но, вероятно, не являются их первопричиной [3]. Действительно, клиновидные дефекты обнаруживаются и у многих животных. Однако животные не пользуются зубными щетками, не едят цитрусовые и не пьют газированные напитки.

Любая регулярная механическая нагрузка приводит к постепенному истиранию любого прочного материала, в том числе и зубной эмали. Однако помимо непосредственно истирания эта нагрузка способна приводить и к разрушению эмали в пришеечной части зуба. В действительности зуб не является абсолютно жестким образованием. Довольно высокая осевая нагрузка на зуб (до 1000 Н) гасится за счет микроизгиба относительно вертикальной оси. При этом, согласно данным компьютерного моделирования, наибольшие напряжения возникают в пришеечной части зуба. В этой области возникает растяжение, тогда как остальная часть зуба в основном испытывает сжатие.

В пришеечной области толщина зубной эмали меньше, чем в области коронки. Кроме того, прочность эмали на растяжение примерно в 40 раз меньше прочности на сжатие. Это может приводить к растрескиванию эмали и, как следствие, к ее ускоренному растравливанию. С другой стороны, не у всех людей проявляются клиновидные дефекты зубов, хотя в старшей возрастной группе они встречаются значительно чаще, чем в молодом возрасте. В качестве одной из возможных причин образования клиновидных дефектов может быть нарушение окклюзии зубов, т.е. неправильный прикус, в результате которого зубы подвергаются неравномерной нагрузке при пережевывании пищи [4].

В работе проведено исследование состояния зубной эмали здоровых зубов и зубов с клиновидными дефектами методом ИК-спектроскопии и растровой электронной микроскопии для определения различия в ее химическом составе и строении. Анализ характеристик зубной эмали в области клиновидных дефектов имеет важное практическое значение, поскольку эти дефекты во многом определяют здоровье полости рта и состояние системы пищеварения человека.

Экспериментальная часть

Основная сложность в изучении твердых тканей зуба состоит в том, что зуб является многокомпонентной системой, которая меняется в течение всей жизни организма. По своему химическому составу зуб представляет собой совокупность органических и неорганических веществ. Так, эмаль на 95% состоит из гидроксиапатита. Она также включает около 3% воды и 2% органического вещества. Дентин также состоит из зерен гидроксиапатита, которые скреплены между собой матрицей из коллагеновых волокон. Содержание органической фазы в дентине гораздо выше, чем в эмали, и составляет до 50%. Внутри зуба расположена пульповая камера, в которой располагаются кровеносные капилляры и нервные отростки (рис. 1).

Следовательно, зуб представляет собой достаточно сложный объект для исследования. Кроме того, приготовить отдельные срезы зубной ткани, пригодные для анализа, также достаточно сложно, поскольку твердые ткани зуба обладают повышенной прочностью в сочетании с хрупкостью. Изготовление порошковых проб приводит к разрушениям структуры зуба и к возможному перемешиванию его отдельных частей.

В связи с этим исследования особенностей строения и химического состава зубной эмали как здоровых зубов, так и зубов с клиновидными дефектами были проведены нами методом ИК-микроспектроскопии на синхротроне SRC Aladdin Университета Мэдисон, штат Висконсин, США. Измерения проводили на канале Infrared Spectromicroscopy, который обеспечивает работу в диапазоне от 720 до 4000 см^-1, с использованием Фурье спектрометра Thermo Fisher Scientific, совмещенного с ИК-микроскопом. Разрешение при получении спектров составляло 2 см^-1. Площадь анализируемой поверхности образца при получении ИК-спектров с использованием микроскопа составляла 20×20 мкм. Поскольку толщина подготовленных срезов зубной эмали составляла 2-4 мм, то все исследования проводили в режиме измерения коэффициента отражения ИК-излучения от поверхности зубной эмали.

Образцы зубов для исследований были подготовлены следующим образом. Вначале зубы, удаленные по медицинским показаниям, были разделены на две группы: 1-ю группу составили интактные (здоровые) зубы, удаленные по ортодонтическим показаниям; 2-ю группу - зубы с клиновидными дефектами, удаленные у пациентов с хроническими заболеваниями пародонта. Удаленные зубы промывали в проточной воде, очищали от зубного налета, поверхность высушивали фильтровальной бумагой. Далее зубы распиливали на специализированной установке алмазным диском с водяным охлаждением. Приготовленные фрагменты зубов подвергали раскалыванию на отдельные части как можно более мелкого размера. Затем с помощью оптического микроскопа изучали зоны предполагаемого исследования при 5-30-кратном увеличении. Таким образом, производили локализацию исследуемого участка.

До проведения исследований подготовленные образцы помещали в физиологический раствор с целью консервации.

Результаты и обсуждение

На рис. 2

представлены ИК-спектры отражения, полученные от участков зубной эмали с использованием синхротронной ИК-микроспектроскопии на отражение. Для удобства рассмотрения и анализа спектры приведены на одном графике в относительных величинах, однако необходимо заметить, что спектр зубной эмали с клиновидным дефектом имеет меньшую интенсивность отражения. Частоты активных колебательных мод в ИК-спектрах отражения от здоровой и пораженной клиновидным дефектом зубной эмали приведены в таблице.

На рис. 2 представлен ИК-спектр отражения здоровой эмали. Этот спектр характеризуется наличием двух четко выраженных полос с максимумами, расположенными при 1098 и 1049 см^-1, которые соответствуют колебаниям ν3 анионной группы РО^3-4. Кроме того, в спектре наблюдается слабая полоса при 955 см^-1, которая отвечает колебаниям ν1 анионной группы РО^3-4. Правая полоса в спектрах с пиком при 1049 смсм^-1 характеризуется наличием слабовыраженной тонкой структуры.

Следует отметить, что в большинстве работ, посвященных анализу ИК-спектров эмали, приводятся ИК-спектры поглощения [5-7]. Это обусловлено тем фактом, что поверхность эмали анализируемого зуба преимущественно неровная, а высокая твердость зубной эмали не позволяет получить качественные спектры методом пропускания или нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО - ATR). Однако использование ИК-микроскопов, работающих в режиме на отражение, а также высокая интенсивность синхротронного излучения как ИК-источника позволяют довольно успешно проводить анализ состояния зубной ткани, получая информацию с малого участка поверхности [8].

Известно, что глубина проникновения ИК-излучения в анализируемый образец составляет около половины длины волны излучения (λ/2). Грубая оценка дает значение примерно 4-5 мкм. Это означает, что при съемке в режиме отражения часть излучения от источника при определенных условиях не отражается в приповерхностном слое, а может проходить вглубь образца. После чего рассеянное в анализируемом слое объекта излучение отражается от более глубоких слоев и, выходя из него обратно, - попадает в детектор [9]. Таким образом, представленные на рис. 2 спектры включают не только компоненту, связанную с отраженным излучением, но и в определенной степени компоненту, связанную с поглощением излучения в приповерхностной области [10].

Сопоставление спектра эмали, полученного методом ИК-поглощения, со спектром, полученным методом отражения синхротронного излучения ИК-диапазона для здоровой зубной эмали, приведено на рис. 3. Частоты активных колебательных мод для проанализированных таким образом образцов приведены в таблице.

Как следует из рис. 3,

хотя в целом основные полосы в обоих спектрах проявляются достаточно четко, особенно в отношении минеральной составляющей зубной эмали (в диапазоне 800-1200 см^-1), наблюдаются и различия. Так, основная полоса колебаний ν3 смещена в спектре отражения относительно спектра поглощения на 16 см^-1 (1049 и 1033 см^-1 соответственно). Остальные спектральные особенности смещены в меньшей степени. Данное сопоставление приведено для лучшего понимания различий и для интерпретации особенностей спектров отражения от эмали здоровых зубов и зубов с клиновидными дефектами. Кроме того, рис. 3 может служить подтверждением вклада поглощения в полученные экспериментально спектры.

Анализ спектра зубной эмали с клиновидным дефектом (см. рис. 2) показывает, что в пораженных зубах происходит заметное изменение в спектрах в области минеральной составляющей эмали. Наиболее существенно уменьшение интенсивности полосы при 1099 см^-1, вплоть до исчезновения пика при данной частоте колебаний, который проявляется только в виде наплыва. Также следует отметить, что наиболее заметно указанный эффект проявляется для образцов среза эмали, взятых на некоторой глубине, а не с поверхности образца. Относительная интенсивность полосы уменьшается с ростом глубины среза эмали.

Следует отметить, что помимо минеральной компоненты в ИК-спектрах отражения от зубной эмали с клиновидным дефектом появляются особенности, связанные с присутствием в них органической составляющей. Для более детального анализа колебательных мод органики на рис. 4

приведен ИК-спектр отражения от эмали с клиновидным дефектом в области 1700-1200 см^-1. Как видно из полученных экспериментальных данных, наиболее вероятно присутствие в образце с дефектом компонентов Амида I и Амида III [11], составляющих коллагеновую матрицу - основу зубной эмали, в которой находятся кристаллы гидроксиапатита (см. рис. 4, таблицу). В то же время обнаруживается замещение карбонат-ионом CO₃^2- в узлах решетки гидроксиапатита, занятых ОН– и РО₄^3- ионами, что в свою очередь может свидетельствовать о вымывании минеральной составляющей из верхних слоев здоровой эмали.

Микроскопия

Как известно, ИК-спектроскопия является одним из наиболее чувствительных методов к изменению химического и фазового состава материала, а также к появлению внутренних напряжений. Поэтому появление особенностей в ИК-спектрах отражения образцов с клиновидными дефектами должно найти свое отражение и в модификации поверхности исследуемых образцов.

Изучение морфологии здоровой зубной эмали и эмали, пораженной клиновидным дефектом, было проведено нами с использованием растровой электронной микроскопии на микроскопе JEOL (Япония), 6380 LV. Размер области, которая анализируется в микроскопе, составляет 10×13 мкм, увеличение составляет 100 000. Во избежание зарядки образца в процессе съемки на поверхность обоих образцов наносилась тонкая пленка золота толщиной около 5 нм.

На рис. 5

приведены участки поверхностей исследованных образцов с увеличением 20 000 и 100 000. Как видно, поверхность образца здоровой эмали (см. рис. 5, a, в) представляет собой плотно упакованные кристаллы гидроксиапатита неправильной формы, средний размер которых при визуальной оценке составляет около 80 нм. Блоки достаточно плотно прилегают друг к другу, хотя между ними наблюдаются достаточно протяженные узкие межпризменные области. Средняя ширина пространства между блоками составляет 10-20 нм.

В то же время на поверхности образца с клиновидным дефектом верхний плотно упакованный слой гидроксипатита практически отсутствует (см. рис. 5, б), а сама пораженная зубная эмаль изобилует трещинами и изломами (см. рис. 5, г), что согласуется с результатами работы [12]. Средний размер блоков гидроксиапатита меньше, чем в случае здоровой эмали, и составляет около 50 нм. Сами блоки приобретают удлиненную форму, границы между ними становятся более выраженными, а ширина области между блоками гидроксиапатита на отдельных участках изображения достигает 40 нм. Границы блоков имеют более скругленную форму, чем в случае эмали здорового зуба, и гораздо более четко выражены, что свидетельствует о неплотном заполнении пространства вблизи поверхности зуба блоками гидроксиапатита.

Обсуждение результатов

Таким образом, анализ результатов исследования позволяет говорить о непосредственной корреляции экспериментальных данных, полученных методами ИК-микроспектроскопии и электронной микроскопии. Удаление верхнего наиболее плотного и устойчивого слоя зубной эмали ведет к «обнажению» коллагеновой матрицы и, как следствие, растрескиванию нижних слоев, проникновению органики внутрь зуба. Это проявляется в ИК-спектрах образцов с клиновидными дефектами, во-первых, в виде изменения формы PO₄ колебания, соотносимого с минеральной составляющей эмали, во-вторых, за счет действия механизма отражения-поглощения при более глубоком проникновении ИК-излучения в образец, а также появления колебательных полос органических составляющих зубной эмали - коллагеновой матрицы.