XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование различных отделов эмали зубов человека методом растровой электронной микроскопии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
1.1 Актуальность
На данный момент сложилось устойчивое мнение, что эмаль зуба является многофункциональной тканью со сложной ультраструктурной организацией, благодаря которой она в течение всей жизни препятствует воздействию агрессивных факторов внешней и внутренней сред организма [1,4,7-9].
Имеющиеся на сегодняшний день литературные данные по указанной проблеме достаточно противоречивы, что указывает на сложность исследования эмали с помощью различных методов, которые зачастую позволяют изучить только минеральную составляющую. Процессы созревания и минерализации твердых тканей протекают в течение все жизни человека и обусловлены изменением взаимоотношения органического матрикса и минерального компонента, которые подвержены значительным структурным изменениям [3,4,7].
Исходя из этого, необходимым аспектом в исследовании эмали в норме необходимо проводить с применением комплекса методов оценки, которые должны обладать высокой разрешающей способностью. Применение классических методик не позволяет в полной мере оценить происходящие изменения на структурном уровне. Поэтому разработка и внедрение современных, высокоточных методов морфологической оценки является актуальным [2,3,5,10].
Актуальность темы исследования так же связана с малым количеством работ по исследованию твердых тканей зубов на макро-, микро- и наноуровне в различные возрастные периоды микроскопическими методами. Полученные результаты исследования могут быть использованы для разработки современных методик профилактики заболеваний твердых тканей зубов, носящих научно-обоснованный и персонифицированный характер [2,3,5,6,10].
1.2 Цель
Дать сравнительную оценку структуре минерального компонента различных отделов эмали зубов человека методом растровой электронной микроскопии.
1.3 Задачи
1. Изучить структуру поверхностного слоя эмали зубов человека в возрастные периоды 15-20, 21-30, 31-40 лет.
2. Изучить структуру глубокого слоя эмали зубов человека в возрастные периоды 15-20, 21-30, 31-40 лет.
3. Сравнить скорость созревания минерального компонента в различных отделах эмали зубов человека с использованием метода растровой электронной микроскопии в возрастные периоды 15-20, 21-30, 31-40 лет.
4. Оценить возможность использования метода растровой электронной микроскопии для визуализации ультраструктуры эмали зубов человека.
1.4 Объект исследования
Удаленные зубы 38 человека по медицинским показаниям.
1.5 Предмет исследования
Микроскопическая структура зубов 38 человека.
1.6 Гипотеза
Наличие гипоминерализованных участков эмали зубов приводит к возникновению кариозного процесса. Поверхностный слой эмали, после прорезывания зубов, активно созревает за счет минерализующего потенциала ротовой жидкости. Более глубокие слои эмали получают минеральные и питательные вещества через пульповую камеру и эмалево-дентинную границу, которая является ключевым участником обменных процессов. При неблагоприятных условиях внутренней среды организма, зрелость минерального компонента эмали зубов после прорезывания остается низкой.
1.7 Методология
На первом этапе исследования был произведен анализ научной литературы (исторический метод операционального эмпирического исследования) с целью выяснения степени разработанности проблемы, настоящего научного исследования. Были сформированы задачи научной работы и ее цели, построены рабочие гипотезы (познавательные действия теоретических методов), выбраны объекты исследования, определены методы их исследования.
На втором этапе исследования в ходе набора первичного исследовательского материала использованы, как методы эмпирического (экспериментальный метод, систематическое наблюдение, счет, измерение), так и методы теоретического познания (выявление и разрешение противоречий, анализ и синтез, сравнение).
На третьем этапе исследования произведена статистическая обработка набранного первичного материала с использованием метода математического анализа.
1.8 Материал и методы
В исследовании приняли участие 30 человек, которые были разделены на возрастные группы 15-20, 21-30, 31-40 лет. Забор интактных зубов 38 проводился по медицинским показаниям. После удаления зубы одномоментно фиксировали в 10% формалине. Подготовка шлифов образцов зубов 38 для электронной микроскопии проводилась на базе НОРЦН ФГБОУ ВО ОмГТУ Минобрнауки России следующим образом: зуб после экстракции помещают в 40% раствор формальдегида, затем его фиксируют в столярной струбцине, с помощью алмазного диска диаметром 20 мм с охлаждением дистиллированной водой производят вертикальную сепарацию зуба в мезио-дистальном направлении, тем самым получая продольный срез.
Готовят патрон из полипропиленовой трубы с внутренним диметром 30 мм, толщиной стенки 5 мм, путем отрезания фрагмента с помощью ножниц для резки труб ПВХ, получают заготовку высотой 10 мм, внутренним диаметром 30 мм, толщиной стенки 5 мм, алмазным надфилем убирают неровности заготовки, штангенциркулем контролируют высоту и параллельность. Подготовленный ранее фрагмент зуба помещают в патрон, размещенный на ровной горизонтальной поверхности, срезом вниз, заливают двухкомпонентной эпоксидной смолой на 24 часа, получают препарат.
Препарат шлифуют на шлифовально-полировальном станке «MP-1B Grinder Polisher» шлифовальными кругами «dexter» зернистостью 800 grit в течение 3 минут с охлаждением дистиллированной водой, при этом необходимо сошлифовать 1 мм наружного слоя препарата. Затем обрабатывают шлифовальным кругом «dexter» зернистостью 1000 grit в течении 2 минут с охлаждением дистиллированной водой, при этом сошлифовывают 0,5 мм препарата. Контроль сошлифованного слоя осуществляют с помощью штангенциркуля. После чего производят последовательную обработку шлифовальными кругами «dexter» зернистостью 1500, 2000, 2500 grit в течении 1 минуты каждым с охлаждением дистиллированной водой, при этом сошлифовывают еще 0,5 мм препарата. После окончательного шлифования и контроля толщины препарат очищают под струей дистиллированной воды в течение 1 минуты, затем полируют на шлифовально-полировальном станке «MP-1B Grinder Polisher» с использованием полировального круга из войлока с пастой ГОИ для пластмасс в течение 2 минут. После полирования препарат очищают под струей дистиллированной воды в течение 2 минут. Высушивают п репарат с использованием строительного фена при температуре 36°С в течение 30 секунд. Протравливают поверхность препарата 37% ортофосфорной кислотой Н3РО4 в течение 20 секунд. Далее промывают под струей дистиллированной воды в течение 15 секунд. Высушивают препарат с использованием строительного фена при температуре 36°С в течение 30 секунд.
Ультраструктуру эмали исследовали растрового электронного микроскопа Jeol JCM - 5700. Анализировали поверхность, плотность упаковки, расстояние между эмалевыми призмами зубов 38. Подана заявка на изобретение.
Обработку полученных данных проводили методами вариационной статистики, применяли критерии Манна-Уитни (U), Пирсона (2), с использованием Microsoft Excel 2008, Statistica 12.
2. Основная часть
Данные последних лет, полученные с помощью электронной микроскопии, вносят некоторые коррективы в представления об ультраструктуре эмали зубов и ее компонентов. При электронной микроскопии, как и оптической, изучение ткани начинается со сравнительно малого увеличения, при котором визуализируются эмалевые призмы, с детализацией их величины, формы, степени их развития.
Необходимо отметить, что структура эмалевых призм во всех возрастных группах имеет правильную, упорядоченную форму строения. Наиболее стабильную структуру эмалевые призмы имеют в возрасте 31-40 лет, где доминируют эмалевые призмы крупного размера. В возрасте 15-20, 21-30 лет эмалевые призмы имеют менее упорядоченное строение, в недостаточном количестве встречаются призмы крупного размера.
Важным аспектом ультраструктурного строения поверхностного слоя минерального компонента эмали является наличие неровностей и выступов на поверхности эмалевых призм, которые ярко выражены в возрасте 15-20 лет (Рисунок 1 А). В возрасте 21-30 лет наличие шероховатостей и неровностей на эмалевых призмах наблюдались в единичных количествах, в возрасте 31-40 лет практически отсутствует (Рисунок 1 Б,В). В возрасте 21-30, 31-40 лет эмалевые призмы отличаются меньшей рельефностью (Рисунок 1 Б,В).
А Б В
Рисунок 1 Ультраструктура минерального компонента поверхностного слоя эмали зубов человека, методом растровой электронной микроскопии
(А – 15-20 лет; Б – 21-30 лет; В – 31-40 лет)
Ув. х 500
Наибольшая плотность упаковки минерального компонента эмали зубов в поверхностном слое доминирует в возрасте 21-30, 31-40 лет. В возрасте 15-20 лет доминирует недостаточный уровень упаковки эмалевых призм и их хаотичное расположение.
При оценке ультраструктурного строения глубокого слоя минерального компонента эмали является наличие выраженных неровностей и выступов на поверхности эмалевых призм, которые доминируют в возрасте 15-20 и 21-30 лет (Рисунок 2 А,Б). В возрасте 21-30 лет наличие шероховатостей и неровностей на эмалевых призмах прослеживается в меньших количествах (Рисунок 2 Б). В возрасте 31-40 лет эмалевые призмы отличаются меньшей рельефностью (Рисунок 2 В). В возрасте 15-20 лет мы обнаружили разветвления на множественные призмы, а в некоторых отделах их слияние (Рисунок 2 А).
А Б В
Рисунок 2 Ультраструктура минерального компонента глубокого слоя эмали зубов человека, методом растровой электронной микроскопии
(А – 15-20 лет; Б – 21-30 лет; В – 31-40 лет)
Ув. х 500
Наибольшая плотность упаковки глубокого слоя минерального компонента эмали зубов выявлена в возрасте 31-40 лет. В возрасте 21-30 лет визуализируется недостаточный уровень упаковки эмалевых призм, в возрасте 15-20 лет отмечается разрозненное и хаотичное расположение.
На поперечном срезе в поверхностном отделе отмечается прямолинейный ход эмалевых призм, в глубоком отделе S-образный ход.
Таблица 1 Размеры эмалевых призм различных слоев эмали зубов человека
|
Параметры |
Возрастная группа (лет) |
||
|
15-20 лет |
21-30 лет |
31-40 лет |
|
|
Ширина эмалевых призм поверхностного слоя, нм |
4,32±0,12 |
4,45±0,31 |
4,76±0,25 |
|
Ширина эмалевых призм глубокого слоя, нм |
3,97±0,15 |
4,19±0,24 |
4,51±0,21 |
Примечание: р<0,05
Из таблицы 1 установлено, что эмалевые призмы во всех группах растут анизотропно. Наиболее быстрые темпы роста отмечаются в поверхностном слое эмали в возрасте 21-30, 31-40 лет. Темпы роста в глубоких слоях происходят медленными темпами и усиливаются после 30 лет, что указывает на недостаточный уровень зрелости.
3. Заключение
1. В возрасте 21-30, 31-40 лет эмалевые призмы в поверхностном слое отличаются меньшей рельефностью, плотность упаковки достаточно высокая. В возрасте 15-20 лет отмечается низкая плотность упаковки эмалевых призм с выраженной рельефностью и шероховатостью.
2. В возрасте 15-20, 21-30 лет эмалевые призмы в глубоком слое характеризуются низкой упаковкой и хаотичностью, доминируют выраженные неровности и шероховатости на поверхности. После 30 лет эмалевые призмы уплотняются, рельеф становится менее выраженным.
3. В возрасте 15-20, 21-30 лет в поверхностном слое эмали скорость созревания минерального компонента выше, в глубоком слое ниже, и указывает на низкий уровень зрелости. После 30 лет темпы созревания поверхностного и глубокого отделом приобретают однонаправленный динамический характер и выравниваются по силе, что приводит к достаточной зрелости.
4. Методом растровой электронной микроскопии установлено, что с возрастом происходит уплотнение минерального компонента, в различных слоях эмали происходит это с разной скоростью. Метод позволяет визуализировать внутреннюю структуру и отделы эмали с высокой разрешающей способностью.
4. Список литературы
1. Алимский, A.B. Возрастные изменения зубочелюстной системы / А.В. Алимский // Российский стоматологический журнал. - 2004. - № 4. - С. 26-29.
2. Антонова, И.Н. Методика морфологического и морфометрического анализа поверхности эмали зуба человека с помощью атомно-силовой микроскопии / И. Н. Антонова // Морфология. – 2017. – Т. 150. - № 5. – С. 71-76.
3. Иванова, Г.Г. Определение состояния твёрдых тканей зубов с использованием современных способов диагностики / Г.Г. Иванова, Э.П. Тихонов, М.А. Чибисова // Маэстро стоматологии. – 2008. – № 4(32). – С. 84-87.
4. Леонтьев, В.К. Эмаль зубов как биокибернетическая система / В.К. Леонтьев. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2016. – 72 с.
5. Усанов, Д.А. Исследование поверхности материалов методом сканирующей атомно-силовой микроскопии: учебное пособие / Д.А. Усанов, Р.К. Яфаров. – Изд-во Сарат. ун-та, 2006. – 23 с.
6. Cerci, B.B. Dental enamel roughness with different acid etching times: Atomic force microscopy study // European Journal of General Dentistry. – 2012. – № 1. – Р. 187-191.
7. Eisenmann, D.R. Enamel structure. - In: Ten Cate AR, ed. / D.R. Eisenmann //. European Journal of General Dentistry - 2011. - № 4. – Р. 87–91.
8. Kerebel, B. Ultrastructural studies of enamel crystallites / B. Kerebel, G. Daculsi, L.M. Kerebel // J Dent Res. – 1979. - № 58. – Р. 844-851.
9. Nanci, A. Enamel: composition, formation, and structure. In: Ten Cate’s oral histology development, structure, and function / A. Nanci // St. Louis, MO, USA: Mosby. - 2003. – Р. 145-191.
10. Poggio, C. Atomic force microscopy study of enamel remineralization / C. Poggio // Ann Stomatol (Roma). - 2014. – № 5(3). – Р. 98-102.