XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование различных отделов эмали зубов человека методом атомно-силовой микроскопии для оценки уровня зрелости

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тигранян Г.О. 1Коршунова В.А. 2

---

1ФГБОУ ВО "Омский государственный медицинский университет" Минздрава России

2БОУ г. Омска "Гимназия №85"

Коршунов А.С. 1

---

1ФГБОУ ВО "Омский государственный медицинский университет" Минздрава России

Работа в формате PDF

715.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Эмаль зуба человека обладает сложной ультраструктурной организацией [1-11], механические свойства которой определяются микроструктурой, тканевой организацией, составом органических, минеральных субстанций, водой, содержание которых варьируется в зависимости от степени ее зрелости [2-6,13]. Вариации в количественном соотношении органических и минеральных субстанций осуществляются до прорезывания зуба, изменяются после прорезывания, особенно в раннем постнатальном периоде онтогенеза человека [3-5, 9-12]. Сложные ультраструктурные изменения, происходящие в эмали до прорезывания зуба, определяют дальнейшую его судьбу, влияя на механические свойства эмали после прорезывания, предотвращают от нежелательных механических повреждений [3-5,9,10].

В раннем возрасте в постоянных зубах наблюдается нестабильная, рельефная структура эмали [5,6]. На большей ее части определяются призменные структуры, головки призм могут выступать на поверхности эмали, лежать на одном с ней уровне или представлять собой углубления, придающие ей ячеистый вид [6]. Эмаль постоянных зубов человека в возрасте 15-30 лет отличается меньшей рельефностью, структура становится более стабильной по сравнению с временными зубами. Для лиц старших возрастных групп в постоянных зубах более характерна гомогенизация структуры [3,4,6].

Цель исследования.

Дать сравнительную оценку структуре минерального компонента различных отделов эмали зубов человека методом атомно-силовой микроскопии.

Задачи исследования.

1. Изучить структуру поверхностного слоя эмали зубов человека в возрастные периоды 15-20, 21-30 лет методом атомно-силовой микроскопии.

2. Изучить структуру глубокого слоя эмали зубов человека в возрастные периоды 15-20, 21-30 лет методом атомно-силовой микроскопии.

3. Сравнить скорость созревания минерального компонента в различных отделах эмали зубов человека с использованием метода атомно-силовой микроскопии в возрастные периоды 15-20, 21-30 лет.

4. Оценить возможность использования метода атомно-силовой микроскопии для визуализации наноструктуры эмали зубов человека.

Объект исследования.

Удаленные зубы 38 человека по медицинским показаниям.

Предмет исследования.

Микроскопическая структура зубов 38 человека.

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.

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.

Материал и методы.

В исследовании приняли участие 20 человек, которые были разделены на возрастные группы 15-20, 21-30 лет. Забор интактных зубов 38 проводился по медицинским показаниям. После удаления зубы одномоментно фиксировали в 10% формалине. Подготовка шлифов образцов зубов 38 для атомно-силовой силовой микроскопии проводилась на базе НОРЦН ФГБОУ ВО ОмГТУ Минобрнауки России следующим образом: зуб после экстракции помещают в 40% раствор формальдегида, затем 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 шлифования и контроля толщины эмали препарат очищают в ультразвуковой ванне 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, охлаждают дистиллированной водой, затем проводят окончательную полировку на шлифовально-полировальном станке «MP-1B Grinder Polisher» с использованием полировального круга из плюша с алмазной суспензией Akasel 1 микрон в течение 30 секунд. После полирования препарат очищают в ультразвуковой ванне в течение 2 минут. Высушивают препарат 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.

Наноструктуру эмали исследовали с помощью атомно-силового микроскопа NTEGRA PRIMA (NT-MDT). Анализ изображений атомно-силовой микроскопии осуществлялся с использованием программного модуля обработки изображений Image Analysis. Анализировали поверхность, плотность упаковку размеры эмалевых призм и кристаллов, 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.

Основная часть.

Детальное изучение ультраструктуры эмали зубов методом атомно-силовой микроскопии показало, что эмалевые призмы в поперечном сечении имеют аркообразную и многогранную форму с такой же их формой у основания в двух группах. Противоположный конец призм клиновидный, которым она вклинивается в нижележащие призмы. Таким образом, широкие концы эмалевых призм разделены суженными концами вышележащего слоя призм. В продольном направлении наблюдается нестабильная структура: местами встречаются ровные, гладкие участки, в других отделах доминирует хаотичное и разрозненное расположение эмалевых призм.

Установлено, что наибольшая плотность упаковки минерального компонента эмали зубов в поверхностном слое наблюдается в возрасте 21-30 лет. В возрасте 15-20 лет установлен недостаточный уровень упаковки эмалевых призм и их хаотичное расположение.

При оценке глубокого слоя минерального компонента эмали выявлено наличие выраженных неровностей и выступов на поверхности эмалевых призм, которые доминируют в возрасте 15-20 и 21-30 лет. В возрасте 21-30 лет наличие шероховатостей и неровностей на эмалевых призмах прослеживается в меньших количествах, а также мы обнаружили разветвления на множественные призмы, а в некоторых отделах их слияние.

Таблица 1 Размеры эмалевых призм различных слоев эмали зубов человека

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 15-20, 21-30 лет (Рисунок 1 А,Б). Темпы роста в глубоких слоях происходят медленными темпами и усиливаются после 20 лет, что указывает на недостаточный уровень зрелости (Рисунок 2 А,Б).

Рисунок 1 Наноструктура поверхностного слоя эмали зубов человека методом атомно-силовой микроскопии

(А – 15-20 лет; Б – 21-30 лет)

Ув. х 25000

Рисунок 2 Наноструктура слоя эмали зубов человека методом

атомно-силовой микроскопии

(А – 15-20 лет; Б – 21-30 лет)

Ув. х 25000

Важным показателем, который указывает на зрелость минерального компонента, является плотность упаковки эмалевых призм. В поверхностном слое эмали в норме отмечается более плотная упаковка эмалевых призм в 21-30 лет (5,99±0,11 на срезе площадью 100 мкм²) (Рисунок 1Б).

Таблица 2 Количество эмалевых призм в поле зрения на срезе 100 мкм²

Примечание: р<0,05

В 15-20 лет наблюдается недостаточный уровень упаковки (5,81±0,13 на срезе площадью 100 мкм²) (Рисунок 1А). В глубоком слое эмалевые призмы располагаются менее плотно за счет довольно широких межпризменных пространств. В 21-30 лет плотность упаковки эмалевых призм - 5,57±0,18 на срезе площадью 100 мкм², в 15-20 лет - 5,32±0,12 на срезе площадью 100 мкм² (Рисунок 2А,Б) (Таблица 2).

Рисунок 3 Наноструктура эмали зубов человека методом

атомно-силовой микроскопии в 15-20 лет

(А – поверхностный слой; Б – глубокий слой)

Ув. х 25000

Также важным показателем зрелости эмали зубов является количество кристаллов в эмалевой призме, в поверхностном слое кристаллы более крупные, соответственно их количество в поле зрения меньше, в 15-20 лет – 27±2,1 на срезе 10 мкм², в 21-30 лет - 25±1,9 на срезе 10 мкм² (Таблица 3).

Таблица 3 Количество кристаллов в поле зрения на срезе 10 мкм²

Примечание: р<0,05

В глубоком слое эмали призмы более мелкого размера, а их количество в поле зрения значительно выше, в 15-20 лет - 105±6,7 на срезе 10 мкм², в 21-30 лет - 92±6,5 на срезе 10 мкм² (Таблица 3).

Заключение.

1. В возрасте 21-30 эмалевые призмы в поверхностном слое отличаются достаточным уровнем упаковки и менее хаотичным расположением относительно друг друга. 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.

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.

4. Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что с возрастом происходит уплотнение минерального компонента, в различных слоях эмали происходит это с разной скоростью. Метод позволяет визуализировать внутреннюю ультраструктуру и отделы эмали с высокой разрешающей способностью.

Список использованных и источников и литературы.

1. Антонова, И.Н. Исследование ультраструктурного состояния твердых тканей зуба при экспериментальном моделировании ортодонтического лечения несъемной аппаратурой / И.Н. Антонова, В.Д. Гончаров, Е.А. Боброва // Стоматология. - 2017; - Т. 96. - № 3. - С. 5-10.

2. Середин, П.В. Органоминеральное взаимодействие биомиметических материалов с твердыми тканями зуба / П.В. Середин, О.А. Успенская, Д.Л. Голощапов, И.Ю. Ипполитов, P.V. Jitraporn, Ю.А. Ипполитов // Современные технологии в медицине. - 2012. - T. 12. - № 1. - С. 43-51.

3. Коршунов, А.С. Диспластические феномены в сердце и эмали зубов / А.С. Коршунов, В.П. Конев, С.Н. Московский, Д.О. Серов, В.О. Фирсова, В.В. Кунгуров, В.Ю. Вавакин // Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. - 2018. - Т. 20. - № 3. - С. 66-70.

4. Коршунов, А.С. Структура минерального компонента эмали ретинированных зубов в постнатальном периоде онтогенеза при дисплазии соединительной ткани / Коршунов А.С., Конев В.П., Московский С.Н., Фирсова В.О., Курятников К.Н., Вавакин В.Ю. // Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. - 2018. - Т. 20. - № 6. - С. 43-47.

5. Леонтьев, В.К. Эмаль зубов как биокибернетическая система / В.К. Леонтьев // М.: ГЭОТАР-Медиа. - 2016.

6. Луцкая, И.К. Основные оптические свойства постоянных зубов человека / И.К. Луцкая, Н.В. Новак, Н.В. Терехова, П.Е. Запашник // Клиническая имплантология и стоматология. - 2004. - Т. 1. - № 4. - С. 24-30.

7. Мандра, Ю.В. Морфоструктура, микрорельеф, качественный и количественный состав поверхности зубов при ранней стадии повышенной стираемости / Ю.В. Мандра, А.В. Легких, Д.В. Киселева // Проблемы стоматологии. - 2016. - Т. 12. - № 2. - С. 30-35.

8. Ерофеева, Е.С. Экспериментальное исследование микроструктуры поверхности эмали человеческих зубов / Е.С. Ерофеева, О.С. Гилева, И.А. Морозов, Ю.А. Пленкина, А.Л. Свистков // Материаловедение. - 2012. - Т. 184. - № 7. - С. 50-55.

9. Шумилович Б.Р. Современные представления о кристаллической структуре гидроксиапатита и процессах возрастных изменений эмали зуба (исследование in vitro) / Б.Р. Шумилович // Журнал анатомии и гистопатологии. - 2015. - Т. 4. - № 1. - С. 77-86.

10. Poggio, C. Atomic force microscopy study of enamel remineralization / C. Poggio // Annali di Stomatologia. - 2014. - V. 5. - № 3. - P. 98-102.

11. Cerci, B. Dental enamel roughness with different acid etching times: Atomic force microscopy study / C. Cerci // European Journal of General Dentistry. - 2012. - V. 1. - № 3. - P. 187-191.

12. Ippolitov, Yu. Morphology of the human dental enamel / Yu. Ippolitov, I. Ippolitov, P. Seredin // Indian Journal of Dentistry. - 2014. - № 5. - P. 135-139.

13. Low, S.B. Reduction in Dental Hypersensitivity with Nano-Hydroxyapatite, Potassium Nitrate, Sodium Monoflurophosphate and Antioxidants / S.B. Low, E.P. Allen, E.D. Kontogiorgos // The Open Dentistry Journal. - 2015. - V. 9. - № 1. - P. 92-97.