Определение биомеханических закономерностей реакции периодонта на нагрузку в эксперименте in vitro

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РЕАКЦИИ ПЕРИОДОНТА НА НАГРУЗКУ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ IN VITRO

Наумович Сергей Семенович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск Дрик Федор Григорьевич, кандидат технических наук, Белорусский государственный медицинский университет, Минск

Naumovich S.S., Drick F.G.

Belarusian State Medical University, Minsk Determination of biomechanical laws of periodontium reactions to load in experiment in vitro

Резюме. Изучение ответной реакции тканей периодонта на нагрузку является очень актуальным направлением, так как позволяет понять не только процессы, протекающие в зубочелюстной системе при жевании, но и оценить влияние на периодонтальную связку и костную ткань челюсти во время ор-тодонтического лечения и протезирования. Эксперимент in vitro на трупных сегментах нижней челюсти с сохраненной периодонтальной связкой проводился при нагружении отдельных зубов с последующей регистрацией деформации с применением метода голографической интерферометрии. Полученные результаты оценки деформации различных компонентов периодонта позволили высчитать усредненный коэффициент, отражающий соотношение степени деформации всего периодонтального комплекса к изолированной деформации костной ткани челюсти в области нагружаемого зуба (равен 2,69±1,09). Также был определен параметр, характеризующий степень деформации периодонтальной связки в зависимости от величины нагрузки, равный 1,89±1,15 мкм/кгс. Определенные параметры в будущем могут использоваться для решения широкого круга научных и практических задач. Ключевые слова: периодонтальная связка, костная ткань, напряженно-деформированное состояние, линейные свойства, голографическая интерферометрия.

Современная стоматология. — 2017. — №4. — С. 78-80.

Summary. The study of the response of periodontal tissues to the load is a very relevant trend, since it allows to understand not only the processes occurring in the dentoalveolar system during mastication, but also to evaluate the effect on periodontal ligament and bone tissue of the jaw during orthodontic treatment and prosthetics. An in vitro experiment on cadaveric segments of the mandible wtth a preserved periodontal ligament was carried out when individual teeth were loaded with subsequent recording of deformations using the method of holographic interferometry. The obtained evaluation results of deformation of various periodontal components allowed to calculate the average coefficient reflecting the deformation ratio of all periodontal complex to an isolated strain of the jawbone in the area of the loaded tooth. This parameter was equal to 2.69±1.09. In addition, the coefficient was determined, characterizing the deformation of the periodontal ligament depending on the magnttude of the load, equal to 1,89±1,15 ym/kgf. Determined parameters in the future can be used to solve a wide range of scientific and practical problems.

Keywords: periodontal ligament, bone tissue, stress-strained state, linear properties, holographic interferometry.

Sovremennaya stomatologiya. - 2017. - N4. - P. 78-80.

Одним из наиболее перспективных направлений научных исследований в стоматологии является изучение биомеханических реакций в периодонте под воздействием нагрузки [2, 3]. Фундаментальные знания по этим вопросам позволят не только лучше понять механизм ортодонтического перемещения зуба, но и объяснить механизм запуска резорбции костной ткани и разрушения периодонтальной связки под воздействием окклюзионной травмы. В комплексе тканей, формирующих периодонт, сво-

ими особыми свойствами выделяется периодонтальная связка, которая наиболее подвержена деформации. Связка представляет собой большое количество ориентированных в различной плоскости пучков коллагеновых волокон и основного вещества, в котором располагаются клетки (фибробласты, цементобласты, остеобласты, остеокласты и др.). По данным большинства исследований, именно клеточный состав связки играет ключевую роль в запуске процесса ре-моделирования костной ткани в зонах повышенного напряжения [4]. Однако до

сих пор остаются неизученными непосредственные механизмы запуска этого процесса, какие величины деформаций и напряжений (сжатия или растяжения) вызывают ответную реакцию в периодонте, какое время воздействия необходимо для возникновения перемещения зуба или резорбции костной ткани? Актуальным также является вопрос о соотношении степени деформации различных составляющих периодонтального комплекса. К сожалению, на данном этапе развития науки пока не представляется возможным дать исчерпывающие ответы на все эти

вопросы, но постепенные шаги в моделировании изменений в периодонте могут приблизить нас к решению этих задач [8].

При всех очевидных преимуществах метода математического моделирования основным его недостатком является изначальное упрощение системы с некоторыми предположениями. Особенно актуально это в случае моделирования периодонтальной связки, закономерности деформации которой до конца не изучены. Поэтому любые новые данные, полученные экспериментальным путем in vivo или in vitro, могут стать основой для построения новых более точных математических моделей зубочелюстной системы. Экспериментальное исследование биомеханики периодонта является довольно сложной задачей из-за крайне малых размеров периодонтальной связки и отсутствия четко выработанных протоколов исследования [5-7].

Таким образом, существует серьезная проблема в экспериментальной оценке биомеханических процессов, протекающих в периодонтальной связке под действием жевательной либо ортодон-тической нагрузки. Актуальным является не только получение новых научных данных о реакции периодонтальной связки, но также разработка и систематизация новых методов и протоколов ее исследования.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования мы использовали две трупных нижних челюсти человека с различным количеством сохранившихся зубов, полученные в соответствии с разрешением (осударственной службы медицинских судебных экспертиз (в настоящее время Государственный комитет судебных экспертиз Республики Беларусь). Макропрепараты были законсервированы в 10% растворе формалина, хранились в физиологическом растворе (0,9% водный раствор хлорида натрия) с целью предотвращения высыхания периодонтальной связки.

Перед экспериментом макропрепараты нижней челюсти распилили на сегменты, включающие тело челюсти, альвеолярный отросток, периодонталь-ную связку и однокорневые зубы. Всего

в эксперименте использовали 3 сегмента нижней челюсти, включающие суммарно 8 зубов: 4 резца, 3 клыка и 1 премоляр. Исследуемые образцы фиксировались к горизонтальной поверхности с помощью акриловой самотвердеющей пластмассы. Сегменты челюстей с многокорневыми зубами в эксперименте не использовались, так как точная регистрация деформаций на интерферограммах возможна только при передаче внешних усилий вдоль продольной оси зуба, а обеспечить данное условие на зубах с более чем одним корнем не представлялось возможным. Также для упрощения передачи внешней нагрузки вдоль оси корня каждого конкретного зуба были спилены контактные пункты у исследуемых зубов, и было проведено препарирование окклюзионных поверхностей и режущих краев, с созданием площадок, перпендикулярных длине оси зуба. На полученные поверхности зуба наклеивались металлические шайбы для осевого центрирования нагрузки и ее равномерного распределения по окклюзионной поверхности зуба.

Схема эксперимента, описывающая методику получения интерферограмм методом двух экспозиций в контрнаправлениях, а также последовательность нагружения объектов описана ранее [1].

Результаты и обсуждение

Для каждого из 8 сегментов нижней челюсти регистрировали контрольные интерферограммы при разных величинах нагрузки на 2 датчиках, один из которых зафиксирован в области верхушки

корня зуба, на альвеолярном отростке, а второй - непосредственно на исследуемом зубе. Количество полос на датчике, расположенном на зубе, определяло смещение зуба в периодонтальной связке и костной ткани челюсти, в то же время датчик, прикрепленный к костной ткани, демонстрировал только изолированную деформацию кости. Таким образом, вычитая количество полос на втором датчике из числа полос первого датчика, мы получали изолированную деформацию периодонтальной связки.

Исследуемые образцы подвергались внешней нагрузке с шагом в 3 кгс. Данные по деформации отдельных зубов были ранее сведены и проанализированы [1]. Результаты эксперимента не выявили определенной закономерности по функциональным группам зубов, что, в первую очередь, связано с малым количеством исследуемых образцов. Также в процессе обработки данных каждого образца были отмечены довольно схожие цифры коэффициента, обозначенного нами как N который характеризует соотношение степени деформации всего комплекса «зуб - связка - кость» к степени деформации костной ткани. Для всех экспериментальных образцов он незначительно колеблется в небольшом диапазоне от средних значений (таблица 1). Мы полагаем, что данный коэффициент может рассматриваться как определенная константа, характеризующая степень распределения деформации различных морфологических компонентов

Таблица 1 Величина соотношения количества интерференционных полос

на датчиках смещения, прикрепленных соответственно к исследуемому зубу и костной ткани челюсти при различных величинах нагрузки

Номер образца Величина дискретной нагрузки F1—F2, кгс N ср

3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24

1 1,54 1,67 2,14 1,53 1,615 1,875 1,37 1,68

2 2,5 2,07 2,23 2 1,6 1,9 1,64 1,99

3 2,5 5,25 3,33 6 4 4 - 4,18

4 2,27 1,818 2 1,86 2,4 2,08 1,63 2,01

5 2,78 2,82 3,36 4,4 4,63 4,22 4,5 3,82

6 3,54 3,5 3,75 3,5 3,22 3,75 - 3,54

7 2,04 2,67 3,14 3 3,14 3,8 2,67 2,92

8 1,6 1,72 1,72 1,75 1,7 2 1,67 1,74

Таблица 2 Коэффициент (K=AN/AF), характеризующий степень деформации периодонтальной связки в зависимости от величины нагрузки

Номер Величина дискретной нагрузки F1-F2, кгс

образца 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24

1 2,33 3,33 2,67 3 2,67 4,67 2,33

2 5 5,33 5,33 4,67 3 3 2,33

3 5 5,67 7 10 4,5 4 -

4 4,67 3 3,33 2 4,67 4,33 1,67

5 5,33 6,67 B,67 10,33 9,67 9,67 9,33

6 11 11,67 11 B,33 6,67 7,33 -

7 B,33 11,67 10 10 10 14 16,67

8 2 2,67 2,67 3 2,33 2,33 1,33

в пределах периодонтального комплекса опорных зубов при статической нагрузке. Этот показатель характеризует, во сколько раз деформация костной ткани меньше суммарной деформации всего периодонта. По результатам проведенного эксперимента, средняя величина коэффициента с учетом среднеквадра-тического отклонения равна 2,69±1,09. Интересным фактом является то, что относительная деформация костной ткани в общей деформации периодонта была больше у образцов с меньшей абсолютной деформацией. На наш взгляд, это свидетельствует о том, что если нагрузка активнее перераспределялась на костную ткань, то это значительно разгружало весь периодонт в целом. Именно поэтому убыль костной ткани запускает порочный круг перегрузки и прогрессирования заболеваний периодонта.

При постановке научной задачи, в первую очередь, интересовала именно деформация периодонтальной связки. Поэтому при обработке данных по деформации отдельных зубов мы выделили отдельный параметр, характеризующий степень деформации связки в зависимости от величины нагрузки и обозначенный как интегральный коэффициент К. Он рассчитывался как соотношение разности количества интерференционных

полос (А^ на датчиках смещения к величине дискретной нагрузки во всех случаях равной 3 кгс. Среднее значение данного параметра составило 5,97±3,63. Зная длину волны гелий-неонового лазера, использовавшегося для регистрации интерферограмм, 632,8 нм, мы смогли перевести данный коэффициент в реальную величину смещения зуба в периодонтальной связке. Так была получена деформация связки, равная 1,89±1,15 мкм/кгс. Следует отметить, что данная величина характеризует смещение зуба в связке только вдоль его вертикальной оси, что связано с особенностями метода регистрации. То есть среднее смещение исследуемых зубов вдоль оси при вертикальной нагрузке составляло около 2 мкм при действии силы в 1 кг.

Полученные результаты в абсолютных значениях по данным 54 контрольных интерферограмм (для образца №3 и №6 не удалось зарегистрировать деформации в диапазоне нагрузок от 21 до 24 кгс) из-за ограниченного количества зубов и погрешностей эксперимента нельзя переносить на генеральную совокупность. Однако порядок цифр и диапазон значений могут рассматриваться как ориентир при проведении дальнейших исследований ответной реакции периодонта.

Заключение

Периодонт зубов выполняет целый ряд функций, одной из основных является восприятие и перераспределение жевательной нагрузки. Однако до настоящего времени остаются малоизученными механизмы ответа, в первую очередь, периодонтальной связки на внешнее воздействие. Серия проведенных экспериментов на трупных сегментах нижней челюсти с регистрацией смещений методом голографической интерферометрии позволила выявить новые закономерности биомеханического ответа периодонта на нагрузку. Полученные параметры по соотношению распределения деформаций в периодонте между различными его компонентами позволяют понять роль костной ткани в разгрузке периодонталь-ной связки при жевании и протезировании. Значение параметра по деформации периодонтальной связки в зависимости от величины нагрузки может быть полезным ориентиром в проведении ортодонтиче-ского лечения. Следует отметить, что в будущем требуется проведение новых исследований по биомеханике пери-одонта, как для проверки полученных данных, так и для установления новых закономерностей.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Наумович С.С., Дрик Ф.Г. // Современная стоматология. - 2017. - №2. - ^5B-61.

2. Jang AI, Merkte A.P., Fahey K.P., et al. // Bone. - 2015. - Vol.B1. - P.196-207.

3. Lin J.D., Lee J, Özcoban H, et al. // J. Bio-mech. - 2014. - Vol.47. - P.2102-2114.

4. Nanci A., Bosshardt D.D. // Periodontology. -2006. - Vol.40. - P.11-2B.

5. Papadopoulou K., Keiiig L, Eliades Th., et al. // Eur J Orthod. - 2014. - Vol.36. - P.9-15.

6. Pini M., Zysset P.H., Botsis J., Contro R. // J. Biomech. - 2004. - Vol.37. - P.111-119.

7. Poppe M., Bourauel C, Jäger A. // Journal of Orofacial Orthopedics. - 2002. - Vol.63. -P.35B-370.

B. Ted S.F, Carey J.P., Toogood R.W., Major P.W. // Journal of Dental Biomechanics. -2011. - doi:10.4061/2011/3129B0.

Поступила 12.07.2017