Морфологические особенности строения апатитов зубной эмали у лиц с разными уровнями предрасположенности к реализации кариеса зубов

терапевтическая стоматология

Морфологические особенности строения апатитов зубной эмали у лиц с разными уровнями предрасположенности к реализации кариеса зубов

И. Л. Горбунова, кандидат медицинских наук, ассистент кафедры терапевтической стоматологии Омской государственной медицинской академии Омск

B. А. Дроздов, кандидат химических наук, руководитель Омского регионального Центра коллективного пользования СО РАН, зав. лабораторией аналитических и физико-химических методов исследования Института проблем переработки углеводородов СО РАН

Омск

М. В. Тренихин, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории аналитических и физико-химических методов исследования Института проблем переработки углеводородов СО РАН Омск

C. Б. Путинцев, врач стоматолог-ортопед стоматологической клиники «Гармония»

Омск

Поиск механизмов прямой генетической обусловленности такого многофакторного заболевания, как кариес зубов, не дает возможности надеяться на высокий конечный результат. Однако выяснение степени соотносительного участия наследственных и средовых факторов в детерминации предрасположенности к заболеванию и установление возможного типа наследования продолжает оставаться актуальным.

В. Б. Недосеко [2, 3] предложил классификацию уровней резистентности к кариесу, которая основана на локализации и интенсивности кариозного процесса. Параметрическими исследованиями И. Л. Горбуновой

[1] было установлено, что интактная эмаль зубов у лиц

с разными уровнями устойчивости относится к мало-

пористым объектам с суммарной пористостью 4-6 % и имеет определенные различия по своим текстурным характеристикам.

Пористость и дисперсность эмали сами по себе не определяют кристаллохимическое строение зубных тканей. Вместе с тем увеличение пористости зубной эмали, по всей видимости, отражает факт нарушения упаковки первичных кристаллов эмали вплоть до изменения значений параметров элементарной ячейки ее основных структурных элементов - апатитов [17]. Ка-

риозный процесс, по своему механизму, способствует возникновению условий для повышения их растворимости.

Общеизвестно, что химический состав биологических апатитов существенно сложнее синтетических, поэтому брутто-формулу обычно записывают в следующем виде [10]:

Са10 (Р°4)б (ОН)2

Ъ В А

где Z = Са2+, №+, Ы§2+; В = РОД СО32-, НРО/-; А = ОН-, СО32-, Р, С1-, Н2О.

В настоящее время все еще отсутствуют систематизированные сведения о конкретном составе апатитов зубной эмали и степени замещения в них фосфатных и гидроксильных групп другими анионами и, прежде всего, СО32Т-, С1--ионами.

Тем не менее применение метода ИК-спектроскопии позволяет достаточно надежно идентифицировать локализацию СО 32- в анионных узлах структуры вместо РО43-(позиция В-типа) по частотам 1470 см-1 и 873 см-1 и, собственно, вместо ОН- (позиция А-типа) по частотам 1545 см-1; 1500 см-1 и 878 см-1) (табл. 1) [9].

Таблица 1

Частоты замещения С032-ионов в анионных узлах структуры апатитов зубной эмали

Частота, см1 Характерные замещения

1545 СО32" для ОН-

1500 СО32" для ОН-

1470 [СО32",П] для РО43-

1460 [СО32-, X-] Х^- или ОН- для РО43-

1420 [СО32-,П] и [СО32-, Х-] для РО43-

Таким образом, метод ИКС позволяет, в принципе, оценить в биологических объектах количество сложных карбонат-содержащих соединений.

Целью настоящей работы явилось изучение качественного состава апатитов зубной эмали при различных уровнях резистентности к кариесу у лиц обоего пола из разных возрастных групп.

Исследование апатитов эмали зубов проводилось с использованием методов рентгенофазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии (ИКС) и спектроскопии комбинационного рассеивания (СКР).

С помощью сканирующей электронной микроскопии установлено, что пористость и удельная поверхность исследуемых образцов интактной эмали с разными

уровнями резистентности к кариесу различаются, достаточно закономерно увеличиваясь от высокого уровня устойчивости к очень низкому (рис. 1).

стандарта - нафталина (V = 780 см1, величина сс1). Полученные в ходе расчета результаты представлены в табл. 2. Каждая табличная величина рассчитана усредненным способом по трем параллелям экспериментальных данных.

Таблица 2

Относительные интенсивности полосы поглощения на частоте 873 см1 (величина аЬ) С032 -ионов эмали зубов у лиц с разными уровнями резистентности к кариесу,

нормированные на относительную интенсивность полосы поглощения внешнего стандарта

Номер эксперимента Высокий уровень резистентности к кариесу, 1 ab/l cd Низкий уровень резистентности к кариесу, 1 ab/l cd Соотношение низкий/ высокий уровень резистентности к кариесу

1 0,62 0,71 1,15

2 0,46 0,59 1,28

3 0,40 0,47 1,18

Рис.1. Пористость зубной эмали у лиц с разными уровнями устойчивости к кариесу при ее изучении методом сканирующей электронной микроскопии

По результатам ИКС-экспериментов (рис. 2) с использованием метода внешнего стандарта (вещество нафталин) в сочетании с методом базисной линии рассчитаны относительные интенсивности поглощения деформационных колебаний СО,; -ионов эмали зубов у лиц, с разными уровнями резистентности к кариесу (V =873 см1, величина аЬ), нормированные на относительную интенсивность полосы поглощения внешнего

Волновое число, см~1 Волновое число, см~1

Рис 2. Участки ИК-спектра апатитов зубной эмали у лиц с разными уровнями устойчивости к кариесу. Показаны деформационные колебания С032-ионов апатита (у = 873 см 1, величина аЬ) и полоса поглощения внешнего стандарта нафталина (у0= 780 см1, величина сс)). 1 - высокий уровень устойчивости к кариесу; 2 -низкий уровень устойчивости к кариесу

Видно, что содержание COj-ионов В-типа в эмали зубов лиц с очень низким уровнем резистентности в среднем на 20% выше, чем в эмали кариесрезистен-тных лиц. Это указывает на более высокую степень замещения POj-ионов ионами СО; в структуре гидрок-сиапатитов эмали данного уровня.

Используя данные М. Y. Stack [16], можно провести примерный расчет абсолютного содержания карбонат-ионов, локализованных в положениях В-типа. Для высокого уровня резистентности эта величина составляет —2,67 % (вес.), для очень низкого уровня резистентности к кариесу ~ 3,2% (вес.).

Спектры комбинационного рассеивания (СКР) порошков эмали зубов у лиц с разными уровнями резистентности к кариесу представлены на рис. 3. В спектре порошка эмали зубов лиц с очень низким уровнем карие срезистентности была обнаружена широкая полоса в диапазоне 1300-1280 см1. В спектре порошка эмали зубов кариесрезистентных лиц подобного не наблюдалось.

Необходимо отметить, что количество работ, в которых метод СКР используется для изучения зубной эмали, значительно уступает количеству аналогичных публикаций по ИКС [5-8, 15, 16]. На сегодняшний день нами почти не найдено информации о появлении подобных особенностей в спектрах комбинационного рассеяния нормальной и патологически измененной зубной эмали. Исключение составляет работа М. В. Kautsky et al. [12], в которой авторы, используя методы ИКС, СКР и рентгеновский флуоресцентный анализ на синхро-тронном излучении, анализируют состав и структурные особенности слюнных камней человека. По данным этой работы на спектрах ИКС и СКР обнаружены полосы, характерные для органических компонент [11].

В нашем случае для интерпретации появления полосы 1300-1280 см1 было сделано предположение о том, что ответственными за это могут быть органи-

Проблемы стоматологии. 2008. № 5

Высоким уровень Средний уровень

резистентности резистентности

Низкий уровень рез истентности

Очень низкий уровень рез истентности

ТШПШИЧШЛА СТОМАТОЛОГИЯ

0.040

о

0

1 0,035

О

0,030

0.005 -

о.ооо -I—,——,—,—,—.—,——|—.—|—,

400 600 000 1000 1200 1400 Длина волны, смг1

Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния эмали зубов у лиц с разными уровнями резистентности к кариесу. Спектр 1 - высокий уровень резистентности к кариесу; спектр 2 - низкий уровень резистентности к кариесу

ческие группировки (типа -СН0-) [14]. Вероятнее всего, данный эффект свидетельствует об увеличении доли органической компоненты в эмали по сравнению с минеральной фазой и, соответственно, об уменьшении удельного содержания гидроксиапатита сложного состава в зубной эмали лиц с очень низким уровнем карие срезистентности. Для подтверждения этой гипотезы необходимо дальнейшее исследование как спектроскопическими, так и рентгеноструктурными методами.

Дополнительно проведено сравнение полученных данных по СКР с результатами исследований М. A. Lamias et al. [13]. В указанной работе, в частности, описаны спектральные особенности синтезированных образцов хлор- и фторапатитов. В нашем случае уровень разрешения полученных спектров не позволяет обсуждать вопрос о наличии или отсутствии хлор- и фтор-группировок в исследуемых образцах.

Характерные участки поверхности эмали зубов у лиц с разными уровнями резистентности к кариесу после обработки в течение 1 минуты 37% раствором орто-фосфорной кислоты и напыления проводящего покрытия (золото) показывают, что морфология поверхности эмали кариесрезистентных лиц характеризуется упорядоченным расположением призм и практически полным отсутствием пор (при коэффициенте увеличения 1000-3000) (см. рис. 1). Такая однородность ин-тактной эмали может быть объяснена ее природной высокой степенью минерализации, а также тем фактом, что она имеет очень низкую пористость - до 4% [1]. В случае низкого уровня резистентности к кариесу в отдельных местах на поверхности образцов наблюдались

участки, обладающие значительным количеством пор и разупорядоченностью структуры (см. рис. 1). При этом пористость такой эмали увеличивается до 7 %. Так как площадь удельной поверхности непосредственно связана с размерами частиц, то ее увеличение с понижением уровня резистентности к кариесу свидетельствует об уменьшении размеров кристаллов гидроксиапа-титов.

Проведенные исследования показывают, что зубная эмаль относится к малопористым, грубодисперсным объектам. Характерно, что значения параметров элементарной ячейки апатитов зубной эмали всех четырех уровней устойчивости к кариесу существенно отличаются от соответствующих величин стехиометрического гидроксиапатита. Это свидетельствует в пользу того, что последний гораздо более однороден и дисперсен, чем зубная эмаль, являющаяся продуктом сложных и длительных преобразований (минерализации) биологической ткани.

Вариации параметров кристаллической решетки апатитов зубной эмали у женщин несколько шире, чем у мужчин (табл. 3).

Таблица 3

Характеристики кристаллической решетки интактной эмали зубов у мужчин и у женщин

Возрастная группа Число образцов Параметр а, А Параметр с, А

Мужчины

15 лет - 24 года 25 9,442-9,453 6,878-6,889

25-45 лет 20 9,452-9,459 6,880-6,887

46-60 лет 24 9,443-9,451 6,883-6,886

61 год -75 лет 18 9,443-9,449 6,886-6,881

Женщины

15 лет - 24 года 29 9,447-9,455 6,879-6,992

25^15 лет 23 9,456-9,461 6,880-6,890

46-60 лет 27 9,446-9,452 6,880-6,888

61 год -75 лет 21 9,441-9,448 6,887-6,878

Примечание. Стандартная ошибка определения значений параметров ±0.001 А.

Этот факт объясняется существенными колебаниями содержания кальция в женском организме в связи с его физиологическими особенностями (беременность, лактация, особенности обмена веществ, соблюдение диеты). При этом разброс значений параметров апатитов в кариозной эмали больше, чем в интактной, что также обусловлено взаимосвязанными вариациями содержания кальция и долей анионных вакансий в соответствующих кристаллографических позициях [4].

У исследованных апатитов эмали постоянных зубов без признаков физиологического старения (возрастная группа 15 лет - 24 года) параметр а меняется от 9,442 до 9,453А у мужчин и от 9,447 до 9,455 А у женщин; параметр с - от 6,878 до 6,889 А у мужчин и от 6,879 до 6,992 А у женщин. Зависимости значений параметров от возраста в этой группе не наблюдается.

По мере старения организма (возрастные периоды 2545 лет, 46-60 лет и 61 год - 75 лет) влияние возрастного фактора на параметры решетки апатитов интак-тных зубов увеличивается. У лиц от 25 до 60 лет параметр а уменьшается от 9,459 до 9,443 Ä у мужчин и от 9,461 до 9,446 Äy женщин; а вот параметр с увеличивается от 6,880 до 6,887 Ä у мужчин и от 6,880 до 6,890 Ä у женщин. Улиц от 61 года до 75 лет наоборот: параметр а увеличивается от 9,443 до 9,449 Ä у мужчин и от 9,441 до 9,448 Ä у женщин; параметр с уменьшается от 6,886 до 6,881 А у мужчин и от 6,887 до 6,878 Ä у женщин. Возрастные изменения кристаллохимичес-кого состава эмали сопровождаются также увеличением интенсивности полосы -2000 см1, характеризующей замещение в кристаллической структуре биологического апатита зубов трехвалентных анионов [Р04]3" двухвалентными [НР04]2" кислыми ионами.

Результаты данного исследования химического состава и параметров элементарной ячейки апатитов эмали зубов у мужчин и женщин разных возрастных групп и с разными уровнями резистентности позволили проанализировать сложные взаимосвязанные изоморфные замещения, происходящие в кристаллической структуре апатита зубной эмали в процессе старения организма. На основе полученных результатов можно предположить общую типовую кристаллохимическую формулу апатитов эмали зубов. Проводя данное исследование, мы исходили из того, что резистентность эмали зубов к действию неблагоприятных факторов связана с их строением, составом и свойствами и осуществляется на разных уровнях: молекулярном, тканевом, органном, системном, организменном.

Таким образом, полученные данные дают основание сделать вывод о том, что увеличение содержания СО,; в зубной эмали с низким уровнем резистентности к кариесу, по-видимому, может отражать результат увеличения степени замещения Р04"-ионов карбонат-ионами, что способствует созданию кариесвозможной ситуации.

Средние значения Са/Р-коэффициентов исследованных апатитов меньше величины 1,67, характерной для стехиометрического апатита Са10(РО4)б(ОН)г Этот факт, а также установленный дефицит ОН-групп свидетельствуют о наличии вакансий в позиции кальция в кристаллической структуре апатита. Значения параметров элементарной ячейки исследованных апатитов эмали зубов (см. табл. 3) существенно отличаются от значений, характерных для стехиометрического гид-роксиапатита Са10(РО4)б (ОН), (а = 9,418 А с = 6,884Ä-ICPDF card 9-432). Величина параметра а варьирует от 9,441 до 9,461 А то есть она на 0,23-0,43 % больше, чем у стехиометрического гидроксиапатита. Величина параметра с меняется меньше: от 6,878 до 6,992 А то есть она может быть как больше, так и меньше значения, характерного для стехиометрического гидроксиапатита. Диапазоны вариаций параметров апатитов интактной эмали у мужчин и у женщин незначительны. Вариации значений параметров кристаллической решетки апатитов интактной эмали зубов у представителей каждой выделенной возрастной группы составляют 0,007-0,0010 Ä

. При этом прямая корреляционная связь между значениями параметра а (а также соотношения а/с) и возрастом выявляется только у апатитов эмали интактных зубов пациентов в возрасте 61 года - 75 лет. Увеличение с возрастом обследованных средней величины полуширины дифракционных отражений (на 10-15% у апатитов эмали пациентов в возрасте 61 года - 75 лет по сравнению с молодыми пациентами) подтверждает, что изменения значений параметров происходят на фоне увеличения степени дефектности кристаллической структуры апатита эмали.

Список использованной литературы

1. Горбунова И. Л. Обоснование особенностей проведения кариеспро-филактических мероприятий у лиц с различным уровнем резистентности зубов к кариесу (клинико-лабораторное исследование): Дис. ... канд. мед. наук. Омск, 2000.

2. Недосеко В. Б., Соколинская Е. Г., Гарбер 0. Г. Роль местных и общих факторов в формировании уровней резистентности постоянных зубов к кариесу // Кариес зубов и его осложнения: Материалы юбил. конф., посвящ. 75-летию 0ГМА. Омск, 1995. С. 118-119.

3. Недосеко В. Б. Уровни резистентности зубов к кариесу // Материалы юбилейной научной сессии: Сб. науч. тр. Омск, 1995. С. 15-19.

4. Результаты исследования морфологического строения, химического состава и параметров кристаллической решетки апатитов твердых тканей зубов / А. В. Цимбалистов и др. // Институт стоматологии. 2004. №2 (23). С. 60-63.

5. Coolidge Т., Becie F., Jocols М. 0. A microscopic comparative of clinically and arblfically produced changes In enamel // 0. Surg., 0. Med., 0. path. 1955. Vol. 8 (II). P. 1204.

6. Coolidge Т., Jacobs M. Enamel carbonate in carles // J. dent. Res. 1957. Vol.36, №5. P. 765.

7. Dahm S., RisnesS. A comparative Infrared spectroscopic study of hydroxide and carbonate absorption bands In spectra of shark enameloid, shark dentin, and a geological apatite//Calcif. Tissue Int. 1999. Vol. 65, №6. P. 459-465.

8. Effects of F- on apatlte-octacalclum phosphate intergrowth and crystal morphology In a model system of tooth enamel formation / M. lijlma et al. // Calcif. Tissue Int. 1992. Vol. 50, №4. P. 357-361.

9. Elliot J. C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates // Studies Inorganic chemistry. 1994. №18. P. 24-28.

10. Epitaxial overgrowth of apatite crystals on the thin-ribbon precursor at early stages of porcine enamel mineralization / Y. Mlake et al. // Calcif. Tissue Int. 1993. Vol. 53, №4. P. 249-256.

11. Initial dissolution rate studies on dental enamel after CO, laser irradiation / J. L. Fox et al. //J. Dent. Res. 1992. Vol. 71, №7. P. 1389-1398.

12. Kautsky M. В., Featherstone J. D. Effect of salivary components on dissolution rates of carbonated apatites // Carles Res. 1993. Vol. 27, №5. P. 373-377.

13. Larmas M. A., Hayrynen H., Lajunen L. H. Thermogravlmetric studies on sound and carious human enamel and dentin as well as hydroxyapatlte // Scand. J. Dent. Res. 1993. Vol. 101, №4. P. 185-191.

14. Koulorldes T. A., Buonocore M. G. Effect of organic Ions on solubility of enamel and dentin In acid buffors //J. Dent. Res. 1961. Vol. 40, №3. P. 578-593.

15. Sowa M.G., Mantsch H. H. FT-IR photoacoustic depth profiling spectroscopy of enamel // Calcif. Tissue Int. 1994. Vol. 54, №6. P. 481-485.

16. Stack M. Y. The carbohydrate content of human dental enamel // J. Dent. Res. 1957. Vol. 36. P. 325-329.

17. The threshold effects of Nd and Ho: YAG laser-induced surface modification on demlnerallzation of dentin surfaces / J. H. Kinney et al. // J. Dent. Res. 1996. Vol.75, №6. P. 1388-1395.