ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЭМАЛИ И ДЕНТИНА ЗУБА ЧЕЛОВЕКА НА НАНОУРОВНЕ

Полный текст

Современное представление о гистологическом строении твердых тканей зуба основано на использовании таких методов исследования, как световая и электронная микроскопия, причем материалом обычно являются продольные или поперечные шлифы удаленных по клиническим показаниям зубов. Существующие методики подготовки шлифов включают фиксацию, контрастирование, напыление, изготовление реплик [4, 8, 12], что, безусловно, искажает ультраструктурную организацию тканей. Новые методы исследования, в частности атомно-силовая микроскопия (АСМ), помогают дополнить существующие знания о строении эмали и дентина зуба на наноуровне [7, 10, 17, 18] В последнее десятилетие опубликовано много исследований твердых тканей зуба на микроструктурном уровне, в частности работ, посвященных изучению кристаллической решетки неорганической составляющей эмали и дентина. Эти работы требуют специальных знаний в области физикохимических наук, поэтому проводятся совместно со специалистами, работающими в области биотехнологий [2, 3, 9]. Цель настоящего исследования - изучить особенности строения неорганической составляющей твердых тканей зуба человека (эмали, дентина) и основные закономерности их пространственной организации на наноуровне. Материал и методы. Исследованы продольные и поперечные шлифы 10 интактных постоянных зубов, удаленных по ортодонтическим показаниям у пациентов в возрасте от 17 до 30 лет. Сбор материала осуществляли в соответствии с требованиями «Этической экспертизы биомедицинских исследований» [15]. Свежеудаленные зубы промывали в проточной воде, очищали от мягких тканей, хранили в 0,9% растворе натрия хлорида при температуре 5-7 °С. Из каждого зуба готовили 2 шлифа - продольный и поперечный (выше экватора коронки зуба). Толщина шлифов, полученных путём распила на низкоскоростной бормашине алмазным сепарационным диском с водяным охлаждением, - 2 мм. Для выравнивания поверхности использовали микромотор и полировочные диски различной зернистости (Sof-Lex, 3M ESPE, США), ручную доработку. Предварительные исследования свидетельствуют, что подготовка шлифа зуба, которая обычно заключается в травлении и полировке с использованием порошков и паст, существенно искажает результаты. Чтобы избежать этого, мы модифицировали стандартную методику [4, 7]. Наша методика подготовки шлифа для АСМ-исследований исключает применение любых средств пропитывания и полировки тканей, кислотное травление твёрдых тканей зуба. Вместо этого для удаления плохо связанных частиц используется обработка поверхности шлифа в ультразвуковой ванне собственной конструкции с последующей сушкой в течение 12 ч при температуре 25 °С в потоке воздуха. Такая обработка обеспечивает визуализацию неорганической компоненты эмали и дентина на наноуровне. Исследования структуры тканей зуба проводили с помощью сканирующих зондовых микроскопов Ntegra Prima (NT-MDT, Россия) и Certus Light (Nano Scan Technоlogy, Россия) в лаборатории Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета. Подобное оборудование позволяет на наноуровне исследовать микрорельеф поверхности и его локальные свойства. При этом, в полуконтактном режиме были использованы стандартные зонды, закрепленные на консоли с радиусом закругления кончика 10 нм. Расстояние между зондом и поверхностью шлифа составляет 0,1-10,0 нм [7, 10, 11]. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу рабочей консоли. По величине изгиба определяют и силу взаимодействия зонда с поверхностью исследуемого образца. Основные регистрируемые параметры - деформация изгиба консоли и деформация кручения консоли - определяют режимы исследования (height и mag*sin). Оптическая система преобразует полученные данные и фиксирует результат в компьютере. Результаты таких исследований наиболее наглядно выглядят в 3D-разрешении. (рис. 1, а, б). В плоском варианте при существенном различии высот в исследуемом объекте эти результаты исследования оказываются недостаточно наглядны. В этом случае, так же как при оптических методах исследования, можно сфокусировать и получить чёткое изображение только на определённом уровне. Поэтому значительная часть наших результатов представлена с помощью параметров mag*sin, значения которых в меньшей степени зависят от распределения высот. Это наглядно демонстрируют приведённые результаты сканирования в режиме height (рис. 2, а) и mag*sin (см. рис. 2, б). При исследовании по высоте участки, которые находятся на разном расстоянии от взятой за основу поверхности образца, выделяются неодинаковой интенсивностью цвета. Исходя из этих измерений определяли размеры частиц. Результаты исследования. Проведённые нами АСМ-исследования показывают, что эмаль и дентин представляет собой принципиально пористые, состоящие из отдельных однотипных частиц, ткани зуба. При этом основная часть кристаллов гидроксиапатита эмали в поперечном сечении образцов имеют сложную форму и размеры между 40 и 60 нм (см. рис. 1). Наряду с этими частицами наблюдается некоторое количество кристаллов гидроксиапатита размером от 100 до 200 нм (см. рис. 1) и микропоры (см. рис. 1), характерные размеры которых не превышают 200 нм. Кристаллы отличаются по размерам и плотности прилегания в зависимости от расположения и ткани (эмаль или дентин) (см. рис. 2, б). Проведённые исследования показали, что размер кристаллов гидроксиапатита, составляющих ткани зуба, плавно изменяются от преимущественно 60-80 нм в дентине до 40-60 нм в эмали (рис. 3, а, б). Типичная картина продольного сечения образца дентина приведена на рис. 4. В этом сечении кристаллы гидроксиапатита имеют форму неравносторонних гексогональных фигур с характерными размерами поперечного и продольного сечения 60 нм и 120 нм, соответственно (рис. 5). Длинная сторона направлена преимущественно к поверхности зуба. Отдельные частицы, связываясь по короткой стороне гексогональной формы, образуют соединения, напоминающие «цепь» (см. рис. 5). Цепи кристаллитов представляют собой вытянутые структуры диаметром от 50 до 150 нм и длиной до нескольких мкм (см. рис. 5), которые, в свою очередь, объединяются в более крупные структуры - пучки призм, границы которых окаймляют группу в 20-30 структурных единиц. В одних случаях кристаллы плотно примыкают друг к другу, в других - между ними присутствуют микропространства (см. рис. 5), nA поперечные размеры которых изменяются от 50 до 300 нм и имеют сложную пространственную организацию в виде эллипсоида вращения с характерными размерами 120 нм на 60 нм, т. е. с соотношением сторон 2:1 (см. рис. 3, б). Длинная сторона эллипсоида направлена преимущественно к поверхности зуба. Эти просветы в живой ткани зуба заполнены органическим компонентом. Сложность пространственной структуры приводит к тому, что на поверхности поперечного сечения исследуемого участка шлифа зуба нет сквозного канала определенной направленности (см. рис. 5). Более полно представить различия продольного и поперечного сечения структуры эмали и дентина позволяют сравнения 3D-картины (см. рис. 1 и 5) при одинаковом разрешении. Обсуждение полученных данных. По результатам электронной микроскопии, поверхность эмали зуба человека имеет характерный рельеф - в виде перикиматий и углублений (ямок) [3, 13]. 3D-структура ткани, выявленная в данном исследовании, наглядно демонстрирует это. На наноуровне видно, что структура неорганической составляющей эмали и дентина зуба человека однотипна по своей природе. Кристаллы гидроксиапатита в этих тканях отличаются только характером организации: плотностью расположения, формой частиц. Так, эмаль зуба составляют более плоские, плотно расположенные частицы кристаллов, в то время как дентин - более округлые, рыхло расположенные. Это обусловлено, в том числе, функциональным состоянием тканей: а именно, воздействием жевательной нагрузки [3, 16]. Эмаль зуба при такой структуре демонстрирует бóльшую прочность, в то время как дентин - эластичность, достигающуюся не только плотностью расположения частиц в ткани, но и особым соединением их между собой на наноуровне в виде «цепей». Общепринято, что в тонком слое шлифа зуба дентинные трубочки расположены параллельно друг другу и равномерно распределены по его сечению. Установлено, что кристаллы гидроксиапатита, составляющие основу эмалевых призм и неорганическую составляющую дентина, имеют гексагональную форму [1, 5, 14]. Наши исследования показывали, что эта форма повторяется на ультраструктурном уровне, имеет вид не равностороннего шестиугольника, в виде сот, а характерно вытянутого. Впервые показано, что соединение структурных элементов происходит по короткой стороне шестигранника. Геометрические параметры дентинных трубочек и закономерности их расположения в ткани зуба хорошо изучены [6, 13]. Обнаружено, что диаметр трубочек неравномерен на протяжении от пульпы к эмали зуба, а по отношению к дентино-эмалевому соединению направление меняется вплоть до перпендикулярного, при этом они частично изогнуты, имеют разветвления, бифуркации. Анализ АСМ-изображения показывает, что при одинаковом разрешении более полную картину о внутренней структуре твёрдых тканей зуба позволяет получить сочетание режимов сканирования. Полученные нами данные свидетельствуют, что микропространства имеют эллипсоидную форму, подчиняясь строгой математической закономерности. Сложность пространственной структуры приводит к тому, что на поверхности поперечного сечения, микропространства имеют вид простых углублений. Диаметр дентинных трубочек уменьшается в направлении от пульпы зуба к эмалево-дентинному соединению соответственно от 2-3 до 0,5 мкм. Также происходит изменение плотности расположения канальцев от дентина к эмали [2]. Результаты данного исследования демонстрируют, что от дентина к эмали пропорции просвета канальцев уменьшаются в строгой последовательности. В частности, на поперечном шлифе дентина они занимают от 10-15% площади сечения (крупные канальцы - 5-7%), в аналогичном шлифе эмали их суммарная площадь не превышает 5-7%, при этом крупных канальцев практически не наблюдается. Таким образом, с помощью АСМ удалось уточнить основные характеристики неорганической составляющей твердых тканей зуба. Для исследования формы и пространственного расположения частиц кристалла гидроксиапатита оптимальным является режим исследования mag*sin и построение 3D-модели, в то время как режим height («по высоте») позволяет установить точный размер частиц на продольных и поперечных шлифах. Сопоставление полученных данных помогает визуализировать пространственную организацию эмали и дентина зуба человека на наноуровне, определить конфигурацию микропространств в исследуемых тканях.

Об авторах

Ирина Николаевна Антонова

Научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова

кафедра пропедевтики стоматологических заболеваний 197022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6-8

Вадим Дмитриевич Гончаров

Научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова

Email: vdgoncharov@rambler.ru
отдел современных стоматологических технологий 197022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6-8

Алена Васильевна Кипчук

Научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова

Email: dentist-alena@yandex.ru
кафедра пропедевтики стоматологических заболеваний 197022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6-8

Екатерина Анатольевна Боброва

Научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова

кафедра пропедевтики стоматологических заболеваний 197022, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6-8

Список литературы

Дополнительные файлы