Механизмы формирования и роста кристаллов фосфата кальция на подложке из дентина

УДК 532.785:616.31

Н. О. Бессуднова, канд. физ.-мат. наук, доцент, Д. И. Биленко, канд. физ.-мат. наук, профессор, С. Б. Вениг, д-р физ.-мат. наук, профессор, В. С. Аткин, студент, инженер, В. В. Галушка, аспирант, инженер,

А. М. Захаревич, канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией,

ФГБOУ ВПО «Саратовский государственный национальный исследовательский университет им. Н. Г. Чернышевского»

Механизмы формирования и роста кристаллов фосфата кальция на подложке из дентина

Ключевые слова: дентинная подложка, диффузия в растворе, краевое прилегание, кристалл, механизм формирования кристаллов, растровая электронная микроскопия, фосфат кальция.

Key words: dentine surface, diffusion in solution, marginal seal, crystal, nature of crystal formation, scanning electron microscopy, calcium-phosphate.

Обнаружены кристаллические образования на поверхности протравленного дентина после его экспозиции в 95%-м растворе этанола в течение 30 дней при комнатной температуре. Установлено, что образования являются кристаллами фосфата кальция. Описан физический механизм формирования кристаллов на неоднородностях поверхности дентина за счет диффузии вещества в растворе, в результате которой дентин со временем становится пространственно неоднородным веществом. Выявлено, что формирование и рост кристаллов происходят путем конечного перераспределения ионов материала дентина.

Введение

К актуальным задачам реставрационной стоматологии относятся снижение и устранение дефектов краевого прилегания, возникающих в результате временной деструкции интерфейсов (переходных слоев) «материал дентина — композит». В решении этой проблемы существенную роль может сыграть направленный в сторону дефекта рост кристаллов апатитов, входящих в структуру дентина.

В мировой литературе описаны различные методы формирования и направленного роста кристаллов апатитов на подложках органического и неорганического происхождения в буферных средах под воздействием градиентов электрического поля, различных значениях рН, температуры и др. [1—4]. Несмотря на значительные успехи в области изучения выращивания кристаллов, механизмы

формирования и роста отдельных видов кристаллов, в частности кристаллов апатитов на дентинной матрице, нуждаются в дальнейшем изучении.

Для клинического применения важно добиться направленного роста кристаллов апатитов, входящих в состав дентина, на его поверхности. Прежде всего, необходимо изучение особенностей самопроизвольного роста кристаллов фосфата кальция на поверхности дентина в жидкой среде с нейтральным pH. Целью данного исследования является описание физических механизмов самопроизвольного формирования и роста кристаллов фосфата кальция на дентинной подложке, помещенной в раствор этанола.

Материал и методы исследований

Подготовка образцов дентина

Для изучения морфологии поверхности дентина проведены точные продольные плоско-параллельные распилы образцов зубов толщиной 1 мм. Исследуемые поверхности полировались с использованием абразивных дисков Sof-Lex (3M ESPE) различной степени зернистости (1 мкм и более) далее подвергались травлению 38%-м гелем орто-фосфорной кислоты в течение 60 с, после чего их промывали дистиллированной водой и обрабатывали в ультразвуковой ванне «Сапфир 1,3» (фирма «Сапфир») (мощность Pmax = 130 Вт, время экспозиции — 5 мин) для удаления смазанного слоя.

Для дегидратации образцы помещали в растворы этилового спирта повышающейся концентрации с общим временем экспозиции 12 ч. На этом этапе

образцы были поделены на две равные группы: над образцами первой (контрольной) группы никаких дальнейших манипуляций, кроме подготовки образцов для микроскопического исследования, не проводилось, а образцы второй группы выдерживались в растворе 95%-го этилового спирта в течение 30 дней.

Последующая дегазация исследуемых образцов обеих групп осуществлялась в вакуумной камере электронного микроскопа с целью снизить влияние артефактов, связанных с накоплением электростатического заряда на поверхности дентина, проводилось напыление золотом в атмосфере аргона.

Техника эксперимента

Исследования проводили с использованием аналитического комплекса на базе растрового электронного микроскопа (РЭМ) высокого разрешения SEM Mira II LMU (Tescan) с системой энергодисперсионного анализа EDX INCA ENERGY 350 (Oxford Instruments), используемого нами для локального химического элементного анализа и изучения морфологии.

Основными методами РЭМ являются регистрация излученных электронов с различными энергиями и зонами генерации, в частности вторичных электронов, и анализ характеристического рентгеновского излучения, возникающего в результате взаимодействия падающего электронного пучка с поверхностью образца. Исследования подготовленных образцов зубов методами РЭМ заключались в получении изображений изменений морфологии поверхности дентина, связанных с образованием на ней кристаллитов. Изучение морфологии проводилось в режиме детектирования вторичных электронов, которые наиболее чувствительны к рельефу поверхности. Информация о рельефе собирается на

основе анализа состояния приповерхностной зоны генерации вторичных электронов. Химический элементный состав кристаллов на поверхности дентина определялся с помощью энергодисперсионной системы микроанализа.

Морфология и химический состав кристаллических структур

На рис. 1 представлены участки поверхности образцов дентина из контрольной группы. После экспозиции образцов дентина второй группы в растворе этанола в течение 30 сут на их поверхности были обнаружены характерные образования астро-подобного вида, они располагались в виде скоплений и характеризовались локальным направленным ростом. На рис. 2 представлены кристаллоподобные образования на поверхности образцов дентина из второй группы.

Для участка поверхности дентина (рис. 3, а) представлены карты распределения основных химических элементов. Плотность распределения белых пикселей (рис. 3, б—е) соответствуют аналогичному параметру распределения кальция, фосфора, кислорода, углерода и кремния в образце соответственно.

Анализируя карты распределения химических элементов, можно сделать вывод, что кристалл формируют в основном кальций, фосфор и кислород. Необходимо указать, что используемый в экспериментах растровый электронный микроскоп не позволяет детектировать водород, входящий в структуру ряда кальций-фосфатных материалов.

Для исключения влияния материала подложки на результаты измерения состава обнаруженных структур оценен диаметр области генерации характеристического рентгеновского излучения в объеме

Рис. 1

Изображения морфологии поверхности образцов дентина первой группы, полученные при ускоряющем напряжении НУ = 15 кВ, с увеличением х1000

№ 5-Б(23-24)/2012

биотехносфера

Рис. 2

Образования кристаллов на поверхности дентина, полученные в режиме детектирования вторичных электронов с увеличением х1000

образца. Максимальная глубина проникновения электронов в исследуемые кристаллиты, рассчитанная методами Монте-Карло с применением программного обеспечения Casino, не превышает 1 мкм, их характерные размеры по направлению падения луча — не менее 5 мкм.

С целью провести сравнительный анализ химического состава кристалла и дентинной матрицы были выбраны четыре области (рис. 4), в каждой из которых проводился энергодисперсионный анализ. Области 1 и 2 были расположены на поверхностях кристалла, области 3, 4 — на подложке из дентина.

На рис. 5 представлены результаты рентгено-спектрального анализа химического состава различных областей. В исследуемых образованиях (области 1 , 2) отмечается значительное содержание кислорода и высокое по сравнению с подложкой (области 3, 4) содержание кальция и фосфора, что позволяет классифицировать кристалл как кальций-фосфатное соединение. Эти данные убедительно подтверждают, что предварительная обработка

не влияет на состав образцов. Повышенное содержание углерода в областях 3, 4 свидетельствует об органической природе дентинной подложки, а его отсутствие в областях 1, 2 является дополнительным доказательством того, что информация о составе образований не содержит данных о составе подложки.

Для идентификации кристалла в настоящей работе использовалось кальций-фосфорное соотношение — общеизвестный характеристический параметр ортофосфатов кальция, применяемый в стоматологии. В трехкомпонентной системе Са(0Н)2-НзР04-Н20 существуют 11 неионнозаме-щенных ортофосфатов с ионным отношением кальция к фосфору от 0,5 до 2,0 [5]. Например, для гидроксиапатита кальция Саю(Р04)6(0Н)2 отношение кальция к фосфору в объеме материала равно 1,67. Кальцийдефицитным апатитам Саю - х(НР04)х(Р04)б - Х(0Н)2 - х (0 < х < 1) соответствует пониженное кальций-фосфорное соотношение 1,5 < Ca/P < 1,67. Экспериментально полу-

-

V. т.

Ги™| к-:  т?.. «-

Рис. 3

Изображения морфологии поверхности дентина, полученное в режиме детектирования вторичных электронов (а), и карты распределения химических элементов в образце (б—е): б — кальция; в — фосфора; г — кислорода; д — углерода; е — кремния

№ 5-6(23-24)/2012

биотехносфера

5 мкм

Рис. 4

Морфология участка, использованного для энергодисперсионного микроанализа

ченные значения отношения Ca/P в наблюдаемых образованиях близки к единице, что соответствует дикальций фосфат дигидрату или минералу бруши-ту СаНР04-2Н20.

Механизм образования кристаллов

Зарождение и формирование кристаллов происходят на неоднородностях (границах микротрещин и изломов), образующихся в процессе резки дентина, при этом в качестве источника ионов кальция может выступать подвергшийся деструкции гидроксиапатит кальция приповерхностного слоя дентина.

Перенос вещества из разломов на поверхность происходит за счет диффузии ионов, входящих в состав пери- и интертубулярного дентина. Диффузия происходит с участием агента — переносчика ионов — раствора этанола, в который помещены

рис. 5

Распределение химических элементов, представленное в весовых (а, в, д, ж) и атомных (б, г, е, з) процентах: области 1, 2 — элементы кристалла; области 3, 4 — элементы подложки: а, б — область 1; в, г — область 2, д. е — область 3; ж. з — область 4

Рис. 6

Морфология кристаллов в разломах материала дентина с увеличением х15000

подготовленные образцы. Перенесенные ионы осаждаются на неоднородностях поверхности дентина. Морфология поверхности дентина, подвергшейся деструкции, представлена на рис. 6.

Обнаруженные образования в трещинах и разломах показывают, что на участках с развитой поверхностью чаще происходит образование зародышей и наблюдается рост кристаллических структур. Края, изломы — области с механическими разрушениями, обладающими повышенным содержанием дефектов, что приводит к увеличению значений коэффициентов диффузии и изменению механизма диффузии — от объемной к поверхностной. Развитая поверхность, приводящая к росту активных центров кристаллизации, а также большое количество дефектов на поверхности и переход объемной диффузии в поверхностную хорошо объясняют наблюдаемые образования. Также подтверждается предположение о том, что лимитирующий механизм —

Рис. 7

РЭМ-изображение кристалла эттрингита, заполняющего воздушную пору бетонного блока

диффузия реагентов, составляющих растущие кристаллические образования, единственным источником которых является дентин. Образование активных ионов могло бы лимитировать выход указанных веществ из дентина. На первый взгляд, в этом отношении вода могла бы быть эффективнее этанола, но есть ряд других возможных процессов, под воздействием которых гидроксиапатиты могли бы трансформироваться.

Можно провести аналогию между экспериментально обнаруженными особенностями формирования кристаллов на поверхности дентина, помещенного в раствор этанола, и явлением эффлоресцен-ции, наблюдаемой на каменной кладке. При эффло-ресценции соли, содержащиеся в материале, растворяются в жидкости, проникающей в его поры. За счет вымывания из объема растворенные соли переносятся на поверхность каменного блока, где происходит их преципитация [6]. Пример кристалла эттрингита в поре бетонного блока в рамках описанного механизма представлен на рис. 7 [7].

Многократное протравливание исследуемых образцов ортофосфорной кислотой приводит к снижению скорости образования кристаллов, что, по-видимому, может быть объяснено сглаживанием поверхности дентина и уменьшением количества активных центров. Другой причиной является ограниченность источника вещества для формирования кристаллов.

Выводы

В результате проведенной серии экспериментов показано, что на поверхности дентина, протравленного гелем ортофосфорной кислоты и выдержанного в растворе этанола в течение 30 сут при комнатной температуре, образуются кристаллофосфаты кальция, изменяющие морфологию поверхности и состав

№ 5-6(23-24)72012 |

биотехносфера

исходного материала. Описан физический механизм самопроизвольного формирования кристаллов фосфата кальция на неоднородностях поверхности дентина за счет диффузии вещества в растворе, в результате которой дентин со временем становится пространственно неоднородным веществом. Выявлено, что формирование и рост кристаллов происходят путем конечного перераспределения ионов диффундирующих веществ.

Литература

1.

Byrappa K., Ohachi T. Crystal Growth Technology. Norwich: William Andrew Publishing Inc; New York: Springer, 2003. 590 p.

2. Nelson D. G. A., Barry J. C., Shields C. P. et al. Crystal morphology, composition, and dissolution behavior of carbonated apatites prepared at controlled pH and temperature

// Journal of Colloid and Interface Science. 1989. Vol. 130, N 2. P. 467-479.

3. Dhanaraj G., Byrappa K., Prasad V. et al. Springer handbook of crystal growth. New York: Springer, 2009. 1816 p.

4. Николаенко С. А., Ципперле M., Лобауэр У. и др. Исследование биомиметического формирования гидроксиапати-та на поверхности дентина // Стоматология. 2007. № 6. C. 20-25.

5. Elliot J. С. Structure and ^emistry of the apatites and other calcium orthophosphates. Amsterdam: Elsevier, 1994. 389 p.

6. Aberle T., Keller А., Zurbriggen R. Efflorescence mechanisms of formation and ways to prevent // Materials of "O 2° Con-gresso Nacional de Argamassas de Construero realize". 2007, November, 22-23, Lisbon. URL: http://www.apfac.pt/con-gresso2007/comunicacoes/Paper%2001_07.pdf.

7. Brocken H., Nijland T. G. White efflorescence on brick masonry and concrete masonry blocks, with special emphasis on sulfate efflorescence on concrete blocks // Construction and Building Materials. 2004. Vol. 18, N 5. P. 315-323.

УДК 616-72 + 616.62 Л. Ю. Иванова, аспирант,

ФГБУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» М. И. Лернер, д-р техн. наук,

B. П. Черненко, канд. техн. наук,

C. В. Редькин, инженер,

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Научно-технические аспекты электроимпульсной дезинтеграции биологических органоминеральных конкрементов

Ключевые слова: электроимпульсная литотрипсия, эндоскопический инструмент, срок службы зонда, эффективность разрушения, безопасность метода.

Key words: electro-impulse lithotripsy, endoscope equipment, the probe's service life, destruction efficiency, safety of the method.

Рассмотрены принцип электроимпульсной дезинтеграции материалов и его техническая реализация. Исследованы эффективность и безопасность электроимпульсного метода разрушения органоминеральных конкрементов. Определен безопасный уровень энергии в импульсе при прямом воздействии на живую ткань.

Введение

Современные многофункциональные эндоскопические устройства позволяют проводить мало-инвазивные хирургические операции. Благодаря

активному внедрению эндоскопических методов в хирургии существенно сократилось число открытых операций в гастроэнтерологии, урологии, кардиологии, гинекологии и количество послеоперационных осложнений.

Контактная литотрипсия — малоинвазивный метод разрушения органоминеральных конкрементов (ОМК), образующихся в организме человека при мочекаменной болезни (МКБ).

Основные преимущества контактной литотрип-сии по сравнению с другими методами:

• прямая передача энергии к камню;

• непосредственный визуальный контроль над процессом;