Регенерация твёрдых зубных и костных тканей в условиях гомеостаза ротовой полости

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Регенерация твёрдых зубных и костных тканей в условиях гомеостаза ротовой полости

Титова С.А. 1Артемьева А.Ю. 1
1МБОУ СОШ №9
Букина И.А. 1Ахметшин Э.А. 2
1МБОУ СОШ №9
2РХТУ им.Менделеева
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современном мире люди недооценивают всю значимость зубов и состояние их здоровья. Состояние зубных тканей сильно влияет на здоровье организма человека. Было проведено много исследований на тему регулярной гигиены полости рта и состояние наших зубных тканей, и выяснилось, что состояние наших зубов влияет на телесные, сердечно-сосудистые и другие заболевания (1).

Кариес - самое частое заболевание среди людей всех возрастов. Среди детей это заболевание встречается в 5-8 раз чаще, чем бронхиальная астма (9). Основной его причиной может стать питание, генетика, возрастные химические изменения в составе тканей, гормональные нарушения. Так же отсутствие гигиены рта и отказ проходить лечение у врачей может повысить риск онкологических заболеваний .По статистике 45% всех людей в мире имеют кариес и заболевание дёсен (3,5 миллиардов человек) (2).

Повреждение твёрдых тканей зуба влекут за собой плохие последствия. В организм попадает не достаточно измельчённая пища, в следствии этого нарушает работа органов пищеварительной системы, что влияет на состояние всего организма в целом.

Заболевания ротовой полости так же негативно влияют даже на протекание беременности. В исследовании (3) говорится о том, что у женщин, с более высокой степенью заболевания кариеса, чаще начинаются преждевременные роды. Но уточняется, что причинной становится не сам кариес, а осложнения, которые он даёт.

Все эти причины указывают на важность сохранения наших зубов. Ведь в ином случае эти заболевания могут нести за собой сокращение жизни человека или же смерть.

Проблема заболеваний полости рта и зубов требуют более острого внимания со стороны их носителей. Без соблюдения гигиены полости рта, там

начинают появляться патогенные бактерии, которые являются источниками появление кариеса (8). В полностью здоровом организме микробная флора защищает от случайных микроорганизмов, включая и патогенные бактерии.

Было установлено, что возможна регенерация зубной эмали в любом возрасте человека. Регенерация, то есть восстановление, возможно при употреблении определённых веществ в качестве средств гигиены.

Но как их сохранить и помочь зубам восстановиться от мелких повреждений? Какие средства нужны для регенерации тканей зуба?

В данной работе изучается и проверяется исследовательская работа старшего преподавателя на кафедре химии и кристаллов РХТУ им. Менделеева Ахметшина Эдуарда Анваровича «Регенерация твёрдых зубных и костных тканей в условиях гомеостаза ротовой полости с использованием обменных химических реакций нетоксичных компонентов».

Цель: заверить прошлые этапы разработки химической реакции, которую можно проводить в ротовой полости в условиях гомеостаза

Задачи:

  1. Изучить строение зуба и возможности его восстановления в процессе использования зубных средств.

  2. Сравнить используемые в данный момент зубные средства и выбрать безопасные для человека.

  3. Изучить способы получения гидроксиапатита и выбрать оптимальные способы для практического получения.

  4. На практике исследовать способы получения гидроксиапатита, произвести качественный анализ продукта.

  5. Выбрать реакцию с наибольшим выходом ГАП для дальнейшего практического применения и сравнить с результатом исследовательской работа Э.А. Ахметшина.

  6. Сделать выводы о проведённой работе ранее.

Обзор литературы

1.Структура и строение зуба

Для реализации цели работы необходимо разобрать строение и состав зуба.

Медицина выделяет три анатомические части зуба: коронка, шейка и корень (корни).

Сам зуб состоит из дентина, которого покрывает область коронки эмалью, а в области шейки - цементом. Изнутри зуб состоит из корневого канала, который заполнен пульпой (мякотью).

Твёрдые ткани зуба (эмаль) состоят из Ca10(PO4)6(OH)2 (гидриксиапатит), Ca5(PO4)3(CO3)0,5 (карбонатапатит), Ca5(PO4)3Cl (хлорапатит), Ca10(PO4)6F2 (фторапатит), белки, липиды, углеводы и H2O.

ГАП (гидриксиапатит) служит для заполнения микротрещин зуба, укрепляет его и защищает от кариеса.

Эмаль не имеет способность к самостоятельной регенерации при её повреждении. Однако, происходит постоянный обмен веществ (в основном ионы), которые поступают в эмаль из других зубных тканей (дентин и пульпа) и из слюны. Одновременно с приходом ионов (минерализация), происходит их удаление из эмали (деминерализация). Данный процесс все время находятся в состоянии динамического равновесия. Его сдвиг в любую сторону зависит от ряда факторов, в том числе и от содержания микро и макроэлементов в слюне, pH на поверхности зубной ткани и в полости рта (5).

Особенности строения дентина и эмали имеют множества свойств, например прочность, деминерализация и реминерализация (6).

2.Неотъемлемая часть зубных и костных тканей

После разбора строения и состава зубов выяснилось, что основной составляющей и регенерирующей частью является гидроксиапатит (ГАП).

ГАП является неотъемлемой частью зубных и костных тканей. Он хорошо усваивается организмом человека и применяется в косметологии, травматологии и других отраслях медицины. ГАП представляет собой белый аморфный порошок (7). Его значение твёрдости равняется 5 по шкале Мооса. Растворяется ГАП при температуре 25 градусов С, а его растворимость ровняется 0.0003г на 100 мл воды. Количество ГАП в зубных тканях = 96%.

3.Деминерализация

После определения восстановителя следует выяснить процесс, из-за чего нужна регенерация.

Даже несмотря на то, что эмаль является самой твёрдой частью организма человека, у неё есть минерализация и деминерализация. У зуба обмениваются ионы с двух сторон (пульпы и со стороны жидкостей полости рта). Деминерализация является потерей солей и минералов в процессе жизнедеятельности различных бактерий. И именно из-за

деминерализация людям необходимо регенерировать твёрдые ткани зуба. Для процесса восстановления привыкли использовать зубные порошки, пасты и гели. Но мало кто серьёзно задумывается о составах наших восстановителей.

  1. Состояние химического равновесия

Суть химического равновесия заключается в том, что при прямой и обратной реакции они продолжают протекать, не меняя скорость и концентрации веществ.

Для выхода из состояния химического равновесия необходимо сменить пропорции веществ, следовательно продукты из данной реакции получат иную концентрацию.

  1. Биоидентичность и биосовместимость

Биоидентичность и биосовместимость давно используются в медицине для подбора правильного оборудования и препаратов. Данные факторы необходимы для рационального использования под конкретные ситуации, для сохранения здоровья и функционирования организма.

Биоидентичность- один из факторов правильноподобранных веществ, которые полностью совпадают с природными компонентами.

Биосовместимостью называют способность веществ или материалов подстраиваться под организм живого существа, но которые несильно отличаются от натуральных природных компонентов.

6.Обзор веществ, используемых в гигиене полости рта

Реклама многих средств по уходу за полостью рта утверждает, что вы сможете восстановить зубы после их применения. Рассмотрим самые известные бренды.

4.1.«RemarsGel». В рекламе данного продукта говорят о том, что в реакции ( Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 ) получаются безопасные кристаллы CaHPO4*2H2O (брушита) (10), они близки по составу и свойствами с Ca10(PO4)6(OH)2,

Но Ca(NO3)2 относится к 3 классу опасности, умеренно токсичен, поэтому его безопасность становится условной, а CaHPO4*2H2O не может реминерализировать эмаль, потому что его твёрдость по шкале Мооса равняется 2,5. Структуры, которые образует брушит неустойчивы и быстро стираются, растворимость значительно выше чем у ГАП (0,088 г/мл при 20-22 градусов С). Это приведёт к быстрому вымыванию и растворению брушита.

Следовательно, данный продукт не может быть использован для качественной регенерации и реминерализации зубных тканей.

4.2. Зубные пасты SPLAT с системой Sp White Sistem BIO. Состоит из бифидобактерного и аморфный цинкозамещенный «ГАП». Разработчики утверждают, что данная паста снижает чувствительность зубов и регенерирует их, благодаря природному кальцию.

Но в пасте есть цинкозамещенный «ГАП», который входит в состав зуба в количестве менее, чем 0,4%. Цинк, входящий в их состав, при синтезе с цинкозамещённым «ГАП» является токсичным веществом для организма человека всех возрастов. Он опасен своим попаданием тем, что при большом его количестве может развиться заболевание дыхательных путей (11). Поэтому данный продукт вызывает много вопросов к его создателям.

4.3. Разработка китайских учёных по эпитаксиальному росту зубной эмали. С помощью ионных кластеров фосфатов кальция наблюдался рост 0,0027 мм (12). Утверждается, что тот самый рост является многообещающей техникой для регенерации.

Но ионные кластеры фосфатов кальция стабилизируются (C2H5)3N (триэтиламином), а он в свою очередь является токсином для человеческого организма. Даже несмотря на легколетучесть, свойства стабилизатора являются невозможными для использования данного вещества в ротовой полости.

Данная разработка не имеет актуальности в регенерации твёрдых тканей зуба.

4.4. Разработка по кристаллизации фторапатит на белковой матрице (13). Утверждается, что данное вещество способствует минерализации зуба.

Но в процессе синтеза используется HNO₃, NH₄OH (гидроксид аммония), C3H7NO (диметилформамид), C8H12N2O2 (гексаметилендиизоцианат), они являются токсичными для человеческого организма, поэтому данное вещество нельзя применять в ротовой полости без вреда для здоровья.

Данные разработки не являются безопасными.

5.Подбор веществ для безопасной регенерации

Существует множество реакций для получения ГАП. Автор проверяемой исследовательской работы провёл более 150 реакций, из которых выделил самые основные:

  1. 4Na2HPO4*12H2O+5CaCO3+H2O ——> Ca5(PO4)3(OH)+2CO2+NaHPO4+50H2O+3Na2CO3

  2. 4NaH2PO4*2H2O+5CaCO3+H2O ——> Ca5(PO4)3(OH)+5CO2+3NaOH+22H2O+NaH2PO4

  3. В третьей реакции были взяты CaCО3 и Na2HPO4,но в пропорциях 1:6, для того, чтобы вывести реакцию из состояния химического равновесия.

После проведения литературного обзора перед исследованием встала задача выбора способа получения порошка гидроксиапатита с самым большим выходом.

Методы исследования

Цель: на практике апробировать методы получения ГАП и после количественного анализа выбрать оптимальный для практического применения.

После литературного обзора было принято решение на практике опробовать методы получения ГАП первый и второй, а так же в первой реакции попытаться изменить пропорции входящих веществ.

План эксперимента:

1.Рассчитать количество необходимого сырья

2.Провести реакции

3.Отправить осадки на РФА

4.Исследовать результаты РФА

5. Выбрать метод с максимальным выходом ГАП

1.1.Было рассчитано количество нужного сырья :

В первой реакции были взяты CaCO3 и Na2НPO4:

4Na2HPO4*12H2O+5CaCO3+H2O ——> Ca5(PO4)3(OH)+2CO2+NaHPO4+50H2O+3Na2CO3

М(Na2HPO4)= 23*2+1+31+16*4=142 г/моль

M(CaCO3)= 40+12+16*3= 100 г/моль

m(Na2HPO4)=4*M(Na2HPO4)=4*142=568г

m(CaCO3)=5*M(CaCO3)= 5*100=500г

m(Na2HPO4)=5,68г

m(CaCO3)=5г

Во второй реакции были взяты CaCO3 и NaH2PО4 :

4NaH2PO4*2H2O+5CaCO3+H2O ——> Ca5(PO4)3(OH)+5CO2+3NaOH+22H2O+NaH2PO4

M(NaH2PO4)=23+1*2+31+16*4=120 г/моль

М(СаСО3)=40+12+16*3=100 г/моль

m(NaH2PO4)=4*M(NaH2PO4)=4*120=480г

m(CaCO3)=5*M(CaCO3)=5*100=500г

m(NaH2PO4)=4,8г

m(CaCO3)=5г

В третьей реакции были взяты CaCО3 и

Na2HPO4,но в пропорциях 1:6 ,где 1-CaCO3, 6-Na2HPO4 :

4Na2HPO4*12H2O+5CaCO3+H2O ——> Ca5(PO4)3(OH)+2CO2+NaHPO4+50H2O+3Na2CO3

М(Na2HPO4)= 23*2+1+31+16*4=142 г/моль

M(CaCO3)= 40+12+16*3= 100 г/моль

m(Na2HPO4)=4*M(Na2HPO4)=4*142=568г

m(CaCO3)=5*M(CaCO3)= 5*100=500г

m(Na2HPO4)=5,68г

m(CaCO3)=5г

m(Na2HPO4)=5,68г

m(CaCO3)=0,83г

1.2. Измерены на весах реактивы, смешаны в ёмкостях (приложение 1), добавлена вода. Далее для выпадения осадка раствор оставлен на некоторое время (приложение 2). Когда осадок опустился, была слита вода, а сам осадок - высушен.

1.3. Получившийся осадок был сдан на РФА (рентгенофазовый анализ(приложение 4)) для определения количества веществ (приложение 3).

Результаты и обсуждение

Результаты РФА:

График показывает расположение пиков веществ, где зелёным цветом обозначен ГАП, чёрным - CaCO3.

При сопоставлении графиков, видна интенсивность выхода ГАП и CaCO3.

После изучения трёх графиков, приходим к выводу, что график под номером два имеет наибольшую интенсивность ГАП.

Вывод: вторая реакция подходит для синтеза искомого вещества в промышленных масштабах.

Результаты РФА показали, что наибольшее количество ГАП получается во второй реакции:

4NaH2PO4*2H2O+ 5CaCO3+H2O --> Ca5(PO4)3(OH)+5CO2+3NaOH+22H2O+NaH2PO4

Выводы:

1.Здоровье зубов сильно влияет на здоровье всего организма человека. Один из способов восстановления твёрдых тканей зубной эмали это использование в средствах ухода за полостью рта веществ, способствующих минерализации тканей зуба.

2. В научно-исследовательской работе был изучен синтез гидроксиапатита с помощью нетоксичных компонентов в условиях близких к условиям гомеостаза ротовой полости. В результате синтеза был получен гидроксиапатит-основа твердых тканей зуба. Разработанный метод позволяет реализовать синтез биоидентичного гидроксиапатита непосредственно в ротовой полости.

3. Конечным продуктом будут являться регенерирующие химические составы. На основе этих составов в дальнейшем будут изготовлены составы для регенирации зубов.

Заключение:

Поскольку в современном мире основная проблема стоматологии-отсутствие нетравматичного лечения заболеваний тканей зуба, актуальным остаётся вопрос разработки технологии, позволяющей регенерировать твёрдые ткани зуба.

Руководителями научно-исследовательской работы была предложена технология реминерализации твёрдых зубных тканей. Авторами работы были проведены повторные исследования и получены положительные результаты.

Конечным продуктом будут являться регенерирующие химические составы. На основе этих составов в дальнейшем будут изготовлены составы для регенерации зубов.

Список литературы

  1. Беспалова А.Ю., Утробина И.И., Мокашева Ек.Н., Мокашева Евг.Н. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭТИОПАТОГЕНЕЗА ЗАБОЛЕВАНИЙ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ И РОТОВОЙ ПОЛОСТИ // European Journal of Natural History. – 2022. – № 2. – С. 44-49;

  2. https://d4w.ru/news/2022-po-dannym-voz-bolezni-polosti-rta-porazili-pochti HYPERLINK "https://d4w.ru/news/2022-po-dannym-voz-bolezni-polosti-rta-porazili-pochti-polovinu-naseleniya-zemli"-polovinu-naseleniya-zemli

  3. Акопян М.Д., Есаян З.В., Андриасян Л.Г. Влияние кариеса зубов и его осложнений на исход беременности // Знание, 2019 - №65 – с. 27-34.

  4. Терапевтическая стоматология: учебник для студентов медицинских вузов / под ред. Е. В. Боровского. — М.: Медицинское информационное агентство, 2009. — 840 с.

  5. Боровский Е. В., Леонтьев В. К. Биология полости рта. М.: Мед. книга; Н. Новгород: Изд. НГМА, 2001.

  6. 14. Синтез гидроксиапатита для биоактивных материалов / Н. Е. Торопков, В. И. Верещагин, Т. С. Петровская, Н. С. Антонкин // Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине: материалы IV международной научно-практической конференции, Томск, 13–15 октября 2016 года / Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2016. – С. 130-134.

  7. Гамзаев Б. М., Ибрагимова Л. К., Гусейнова Р. Н. Ещё раз о кариесе // Проблемы стоматологии. 2012. №1.

  8. Шеловских, М. В. Интенсивность и распространенность кариеса у различных возрастных групп населения и его вероятные причины / М. В. Шеловских // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. – 2008. – Т. 7. – № 1. – С. 258-259.

  9. Sadighi Shamami M., Sadighi Shamami M., Amini S. Periodontal disease and tooth loss as risks for cancer: a systematic review of the literature. // Iran J. Cancer Prev. – 2011. – Vol. 4, № 4. – P. 189–198.

  10. РемарсГель (RemarsGel) для профилактики кариеса и укрепления зубной эмали. URL: https://remars.ru/home/effect

  11. 29. Sp.white system<sup>®</sup>. Официальный сайт SPLAT. URL: https://splatglobal.com/ru-ru/innovation/our-technology/sistema-bio-sp-white

  12. Shao, C., Jin, B., Mu, Z., Lu, H., Zhao, Y., Wu, Z., Yan, L., Zhang, Z., Zhou, Y., Pan, H., Liu, Z., & Tang, R. (2019). Repair of tooth enamel by a biomimetic mineralization frontier ensuring epitaxial growth. Science advances, 5(8), eaaw9569.

  13. Elsharkawy, S., Al-Jawad, M., Pantano, M. F., Tejeda-Montes, E., Mehta, K., Jamal, H., Agarwal, S., Shuturminska, K., Rice, A., Tarakina, N. V., Wilson, R. M., Bushby, A. J., Alonso, M., Rodriguez-Cabello, J. C., Barbieri, E., Del Río Hernández, A., Stevens, M. M., Pugno, N. M., Anderson, P., & Mata, A. (2018). Protein disorder-order interplay to guide the growth of hierarchical mineralized structures. Nature communications, 9(1), 2145.

Приложения

Приложение 1. Приложение 2. Приложение 3.

Изготовление смеси. Выведение осадка. Образцы, подготовленные к сдаче на РФА.

Приложение 4. Аппарат для проведения РФА.

Просмотров работы: 22