ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 5, с. 479-482
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ
УДК 538.951+612.311.1
ВЛИЯНИЕ ЖИДКОСТИ НА ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ДЕНТИНА
© 2013 г. Д. В. Зайцев*, Н. В. Селезнева*, С. С. Григорьев**, П. Е. Панфилов*
*Уральский федеральный университет, Екатеринбург **Уральская государственная Медицинская Академия, Екатеринбург e-mail: peter.panfilov@usu.ru Поступила в редакцию 15.03.2012 г.
В работе изучается влияние жидкости на механические свойства дентина человека при одноосном сжатии. Показано, что суточное вымачивание образцов в воде, ацетоне и глицерине не влияет на микроструктуру и качественно не меняет механическое поведение дентина, который остается высокоупругой и способной к значительной пластической деформации прочной твердой тканью.
DOI: 10.7868/S0044185613050112
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что окружающая среда способна кардинально изменить деформационное поведение твердого тела [1]. В живых тканях ее влияние является определяющим, поскольку биологически активные жидкости играют здесь важную роль, обеспечивая обмен веществ в организме. Примером тому может служить твердая основа зубов человека — дентин, который в коронковой части покрыт эмалью, а в корневой — цементом (рис. 1). Дентинная матрица состоит из ультра-мелкодисперстных кристаллов апатита кальция размером 10—50 нм [2, 3] и биоорганических соединений (волокон белка коллагена) [4, 5]. По всему объему дентин пронизан каналами концентрического сечения диаметром 3—5 мкм [6—8] (рис. 2). Интактный дентин содержит около 25% воды, до трех четвертей которой (в виде дентинной жидкости) располагается в дентинных каналах. В центральной части зуба находится пульповая камера, заполненная мягкими тканями (нервы и кровеносные сосуды). После эндодонтического лечения корневого канала (удаление пульпы), зуб со временем теряет свои прочностные свойства и должен заменяться имплантантом. Это можно объяснить тем, что пульпа "отвечает" за генерацию и циркуляцию дентинной жидкости, необходимой для нормального функционирования зуба.
Прочностные свойства дентина человека являются предметом изучения в течение длительного времени, однако трудности, связанные с приготовлением образцов для механических испытаний (малые размеры и этические проблемы) не позволили однозначно определить, как эта твердая ткань ведет себя под нагрузкой [9]. Большинство исследователей рассматривает дентин как прочную практически недеформируемую среду
[10]. Однако это противоречит клинической практике и данным по точечному нагружению [11, 12]. Недавно было показано, что при одноосном сжатии и микроиндентировании по Виккер-су, сухой дентин демонстрирует высокую упругость (~15%) и способность к значительной необратимой деформации (~15%), оставаясь при этом прочной твердой тканью (~550 МПа) [13]. Изучение деформационного поведения дентина, выдержанного перед испытаниями в различных
Главная ось зуба
-Эмаль
■Дентин
Рис. 1. Строение коренного человеческого зуба (пре-моляра).
• * ......
50 мкм
I_
Рис. 2. Строение дентинной матрицы: а — каналы ориентированы перпендикулярно поверхности рисунка; б — каналы ориентированы параллельно поверхности рисунка.
29, град
Рис. 3. Дифрактограммы, снятые с образцов "сухого" и выдержанного в воде коронкового дентина.
жидкостях (физиологическом растворе (0.9% водном растворе NaCl), дистиллированной воде, спиртовых коллоидных растворах (например, од-носолодовом шотландском виски) показали, что под действием этих сред могут изменяться количественные характеристики, но не сам характер механического поведения ткани, которая остается практически недеформируемой [14, 15]. Целью настоящей работы является получение ответа на вопрос, как жидкость влияет на механическое поведение дентина человека при одноосном сжатии.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы для изучения механических свойств и структуры дентина вырезали в форме параллелепипедов размерами ~2 х 2 х 0.65 мм3 из коронко-вых частей моляров и премоляров человека, удаленных по медицинским показаниям, по методике, описанной в работе [13]. Для изучения влияния жидкости на поведение дентина под нагрузкой, образцы, выдерживали в дистиллированной воде, ацетоне, шотландском виски марки "White Horse" и глицерине в течение суток (по 10 штук для каж-
дой жидкости). Механические испытания на одноосное сжатие проводили на разрывной машине Shimadzu AG-X 50kN (скорость перемещения траверсы 0.1 мм/мин) при комнатной температуре. Линейные размеры образцов до и после испытаний измеряли на измерительном микроскопе УИМ-21 (точность ±1 мкм). Микроструктуру образцов дентина аттестовали методом рентгенографического анализа на дифрактометре Bruker D8 Advance в Си£а-излучении (шаг 0.05°, время сканирования в точке 10 секунд).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С образцов, выдержанных в жидкостях, перечисленных в предыдущем абзаце, были сняты рентгенограммы, которые сравнивали с сухим дентином. Анализ дифрактограмм показал, что во всех случаях дентин состоит из апатитов кальция одного типа, которые находятся в ультрамелкокристаллическом состоянии (размеры кристаллитов 10—100 нм). Эта оценка совпадает с результатами аттестации микроструктуры дентина, полученными методом просвечивающей электронной микроскопии [13]. Выдержка в жидкости не приводила к качественным изменениям в дифрактограммах. Поэтому на рис. 3 приведены данные для образцов сухого и выдержанного в H2O дентина. В малых углах дифракционные пики c образцов, выдержанных в жидкостях, хорошо разрешаются, тогда как в больших углах, часть пиков малой интенсивности не разрешается. Это можно связать с влиянием жидкости, которая может находится как на поверхности образца, так и в дентинных каналах.
Механические испытания проводили вплоть до появления на деформационных кривых перегибов, соответствующих возникновению в образцах трещин, которые можно видеть в оптический микроскоп на увеличениях порядка х20. При этом зарождение трещин не приводило к распаду образца на части и сжатие можно было неоднократно повторять [13, 16]. Механизм роста трещины в дентине, когда перед вершиной магистральной трещины развивается протяженная пластическая зона в которой происходит локализованное накопление необратимой деформации и зарождение порообразных трещин, хорошо согласуется с этим результатом [13, 16]. Деформационные кривые для образцов дентина, выдержанного в разных жидкостях, показаны на рис. 4. Там же, для сравнения, приведена кривая на сжатие образца сухого дентина. Основные характеристики их механического поведения представлены в таблице.
Анализ полученных результатов показывает, что после суточной выдержки в жидкости дентин продолжает оставаться высокоупругой и способной к значительной необратимой деформации
ВЛИЯНИЕ ЖИДКОСТИ НА ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ДЕНТИНА 481
Механические свойства образцов дентина, выдержанных в различных жидкостях
E, ГПа стпц, МПа ств, МПа Бупр, % F % Б, %
"сухой" 4.02 ± 0.24 386 ± 21 582 ± 27 14.2 ± 1.0 11.2 ± 1.9 25.5 ± 2.2
ацетон 3.83 ± 0.74 363 ± 35 490 ± 42 13.7 ± 2.4 9.5 ± 2.0 23.2 ± 2.6
Виски White Horse 3.54 ± 0.68 321 ± 27 425 ± 31 12.2 ± 1.8 15.1 ± 2.4 27.3 ± 3.4
вода 3.08 ± 0.65 152 ± 38 361 ± 38 8.3 ± 1.9 24.2 ± 3.5 32.5 ± 4.3
глицерин 4.21 ± 0.54 392 ± 41 565 ± 37 14.5 ± 1.8 9.9 ± 2.0 24.3 ± 2.9
прочной твердой тканью. При этом наблюдается снижение предела прочности и величины упругой деформации, тогда как величина необратимой деформации и полной деформации возрастает. Наибольшее влияние на механические свойства дентина оказывает выдержка в воде, а наименьшее — в ацетоне. Возможно, это связано с тем, что плотность ацетона ниже плотности воды и спиртосодержащих водных растворов. Подобное поведение дентина при испытаниях по схеме трехточечного изгиба было описано в работах [14, 15]. Механические же свойства дентина после выдержки в глицерине не отличались от свойств сухого дентина. Это можно объяснить тем, что из-за высокой вязкости, глицерин, в отличие от ацетона, виски и воды, не проникает в дентинные каналы. К сожалению, определить прямыми методами проникает ли жидкость в ден-тинные каналы и, если да, то как ее много и как глубоко, не удалось. Но, если образцы после первого испытания просушить, то при повторном сжатии они демонстрируют механические свойства подобные свойствам сухого дентина. Это позволяет сде-
Деформация, %
Рис. 4. Деформационные кривые образцов дентина, выдержанных в течение суток в: 1 — "сухом" дентине; 2 — ацетоне; 3 — виски марки "White Horse"; 4 — воде; 5 — глицерине.
лать предположение, что такие жидкости как вода, виски и ацетон, в отличие от глицерина, попадают в дентинные каналы и оказывают влияние на деформационное поведение дентина человека, не изменяя, однако, его характера. Иными словами, дентинная матрица в каналах которой находятся вода или жидкости с более низкой плотностью продолжает оставаться высокоупругой и пластичной прочной твердой тканью.
Для медицинской науки важно знать, насколько существенным будет описанное выше снижение прочностных свойств дентина для "эксплуатационных характеристик" зубов? Известно, что при пережевывании нормальной пищи, напряжение на зубах не превышает уровня в 30—50 МПа [17, 18], тогда как различия в механических свойствах между сухим и вымоченным в жидкости дентине начинают проявляться только при напряжениях свыше 100 МПа. Поэтому можно утверждать, что присутствие жидкости в дентинных каналах не должно сказаться механических свойствах зубов (если, конечно, не пытаться перекусывать стальную проволоку или разгрызать стеклянные стаканы), но обеспечивает их функционирование как живой системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что наличие в дентинных каналах жидкости не меняет характера деформационного поведения дентина человека, который остается высокоупругой и способной к значительной пластической деформации прочной тканью. Наблюдаемое при напряжениях свыше 100 МПа снижение механических свойств дентина не должно сказаться на способности зубов пережевывать нор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.