Физикохимия поверхности и защита материалов, 2022, T. 58, № 5, стр. 546-555

Импедансометрия

В предварительных экспериментах сравнивали частотные зависимости импеданса, полученные на электрохимической ячейке с закрепленным образцом зуба и без него, когда рабочий титановый электрод контактировал непосредственно с мылом. В обоих случаях годографы представляют собой фрагменты полуокружностей и соответствуют эквивалентной схеме вида R0(С1/R1), где R0 моделирует омическое сопротивление электолита (мыла), C1 – характеристика емкости данной системы электродов, R1 – сопротивление саморазряда емкости. Расчеты, выполненные по специально разработанной программt DCS¹¹ [14] позволили определить номиналы этих элементов табл. 1.

Из результатов видно, что сопротивление “мыла-электролита” R0 несколько меняется от измерения к измерению, поскольку зависит от условий контакта электродов с электропроводной средой, но отличается в этой серии не более, чем вдвое. И не видно существенной разницы между “холостой пробой” и измерениями с зубами. Напротив, сопротивление саморазряда R1 в “холостой пробе” оказалось в 5 раз выше, чем в опытах с образцами зубов. Еще более сильное различие наблюдается для межэлектродной емкости – почти в 400 раз! Можно заключить, что “холостая проба” обладает преимущественно реактивным сопротивлением, обусловленным относительно высокой емкостью (3.9 мкФ) и малой утечкой (276 кОм). Включение в межэлектродную цепь образцов зуба радикально изменяет ситуацию: емкость системы снижается до 0.01 мкФ и одновременно ухудшаются изолирующие свойства межэлектродного пространства (сопротивление утечки R2 снижается до 32–40 кОм). Годографы таких систем принимают вид правильных полуокружностей.

Резкое снижение емкости по сравнению с “холостой пробой” вызвано повышением расстояния между электродами системы и изменением диэлектрических характеристик ячейки из-за включения в ее межэлектродное пространство зуба. На вариации емкости могут сильно влиять и взаимоположение электродов (также как и размер и форма зуба) и это препятствует использованию этого параметра в качестве критерия эффективности обработки.

При анализе характера изменения R2 следует принять, что собственное электросопротивление твердых тканей зуба достаточно высоко, и ток в основном проходит через систему капилляров дентинных канальцев, наполненных жидкостью. Поэтому, возрастание номинала R2 может служить критерием эффективности блокировки дентинных канальцев осадком наносимого брушита.

Для объективного сравнения эффективности реминерализующего действия препарата “БВ” в зависимости от способа его применения мы рассчитали номиналы эквивалентной схемы для частотных зависимостей импеданса, полученных на образцах зубов, предварительно обточенных под коронки, при нанесении препарата аппликационным способом (зуб № 1) и с использованием электрофореза (зуб № 2).

При аппликационном нанесении компоненты препарата (растворы № 1 и 2) наносили на поверхность зуба последовательно с выдержкой по 10 мин для обеспечения пропитки и взаимодействия. В случае использования электрофореза время обработки каждым раствором также составило 10мин при токе 5 мкА. При этом для раствора № 1 (нитрат кальция) применяли анодную полярность рабочего электрода, а для раствора № 2 (гидрофосфат аммония) – катодную, чтобы обеспечить электромиграцию, соответственно, катионов Ca²⁺ и анионов ${\text{НРO}}_{4}^{{2 - }}$ вглубь пористой структуры дентина. Результаты этих экспериментов представлены в табл. 2.

Из полученных данных видно, что при химическом нанесении реминерализующего препарата сопротивление изменяется незначительно. Наблюдается даже некоторое его снижение (на 15%), хотя оно оказалось в пределах разброса исходного значения. При этом величина разброса измерений после химической обработки существенно снижается. После нанесения компонентов препарата в режиме электрофореза сопротивление возросло почти вдвое и разброс значений усилился пропорционально.

Рис. 1.

Годографы импеданса измерительной ячейки в частотном диапазоне 10 кГц–15 гЦ : 1 – без образца; 2 – c образцом зуба в исходном состоянии. Сплошная линия – результат расчета по эквивалентной схеме в указанном частотном диапазоне. Пунктир – расчет по эквивалентной схеме для холостой пробы в диапазоне 10 кГц–1 Гц.

Вероятно, эти результаты можно объяснить тем, что при химическом нанесении слой осадка брушита формируется, вероятно, лишь на поверхности и эффективной блокировки каналов не достигается, а насыщающие поры ионы аммония и нитрата повышают электропроводность внутридентинного электролита.

При электро- ионофорезе с учетом полярности тока для каждого компонента препарата стимулируется проникновение активных веществ вглубь пор и брушит более эффективно блокирует канальцы и одновременно создаются затруднения проникновению вглубь иона ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и ${\text{NO}}_{3}^{ - }$.

Для оптимизации продолжительности электрофореза зуба препаратом “БВ” выполнена серия измерений на образах удаленных однокорневых зубов с предварительно удаленной эмалью. Приборный комплекс IPC-FRA позволяет проводить измерения на определенной частоте (в данном случае 1 кГц) и вести непрерывную запись результатов не в виде компонентов вектора импеданса, а как номиналы выбранной схемы замещения. Этот режим был использован для отслеживания изменения номинала сопротивления в входе всего эксперимента, включая и стадии электрофореза. Пример такой временной зависимости номинала сопротивления R1 для параллельной схемы замещения (при R0 =170 Ом) показан на рис. 2.

Рис. 2.

Кинетика изменения сопротивления образца в ходе выполнения электрофореза (5 мкА). В интервалах между отдельными секциями графика происходила замена растворов.

Во время предварительной выдержки в минеральной воде (секция 1) сопротивление возрастает с 75 до 120 кОм, вероятно за счет отмывки. Затем в ходе электрофореза раствором № 1 резко снижается (секция 2), поскольку его электропроводность существенно выше, чем для воды. Секция 3 относится к стадии электрофореза раствором № 2. Видно, что происходит заметное увеличение, как номинала сопротивления, так и скорости его изменения в ходе электрофореза. Это свидетельствует о том, что несмотря на понижающее сопротивление поступление в систему ионов аммония, превалирует увеличивающий сопротивление процесс блокировки канальцев формирующимся в них осадком брушита.

Во время секции 4 электрофорез был выключен и проводили отмывку обработанного зуба (минеральной водой). Сопротивление сначала снизилось, вероятно, из-за влияния накопленных в системе ионов аммония и нитрата (которые во время электрофореза “сдерживали”), но по мере отмывки сопротивление все более повышалось (до 140 кОм) и на финальной стадии (секция 5) стабилизировалось на уровне 150–160 кОм, т.е. на 30% выше, чем до обработки.

О влиянии длительности стадий электрофореза можно судить из данных табл. 3.

Из табл. 3 видно, что в исходном состоянии зубы имели относительно высокое сопротивление. Отметим, что образец, подвергнутый электрофорезу в течение 2 мин, имел более высокое сопротивление за счет меньшего поперечного сечения зуба по сравнению с образцов зуба использованного для 5-ти минутной обработки. После суточной выдержки в минеральной воде сопротивление образцов снизилось соответственно в 2 и 3.5 раз, и эти величины были стабильны в течение 10 мин до начала электрофореза. По окончании электрофореза препаратом “БВ” во всех опытах сопротивление выросло, однако темп прироста снижался с ростом продолжительности воздействия, хотя абсолютная эффективность блокировки канальцев увеличивалась.

Таким образом, на основании данных результатов было выбрано оптимальное и достаточное для эффективной обработки препаратом “БВ” продолжительность электрофореза 2 × 2 мин вместо “штатной” 2 × 10 мин при химическом методе нанесения.

Сканирующая микроскопия

Импедасометрические исследования подтвердили эффективность блокирующего действия при реминерализующей обработке дентина препаратом “БВ”, причем она выше с использованием электрофореза компонентов препарата. Однако, эти исследования не дают информации о структуре и локальном распределении наносимого осадка по поверхности и глубине обрабатываемого зуба. Изучение поверхности и поперечных шлифов с помощью оптического микроскопа не выявило видимых изменений в результате реминерализующих обработок, вероятно из-за малоконтрастного (белого) цвета тонких слоев брушита на фоне тканей зуба.

Сканирующая растровая электронная микроскопия обладает высоким пространственным разрешением по сравнению с оптическим микроскопом и позволяет для выбранных локальных участков получить данные о содержании отдельных элементов. На рис. 3 сопоставлены изображения приблизительно одного и того же участка поперечного шлифа зуба, без предварительной обработки, полученные на электроном и оптическом микроскопах. Темные участки слева относятся к армирующей смоле, в которую был залит образец. Вертикальная граница разделяет различные ткани зуба: эмаль (светлая на оптическом микроскопе) и дентин. В точках A и B выполнен анализ поверхностного слоя шлифа на глубину около 1 мкм. На полученных спектрах видны пики, относящиеся к отдельным элементам, по амплитуде которых, можно качественно судить о концентрации элемента в поверхностном слое. Основные пики на спектрах соответствуют углероду, кислороду, кальцию, фосфору и молибдену²². Для количественного определения элементного состава необходимо иметь набор эталонных образцов. Однако можно оценить относительное изменение состава по определенным элементам, рассчитав отношение сигналов этих элементов.

Рис 3.

РСЭМ изображение поперечного шлифа зуба без обработки. На врезке тот же участок на оптическом микроскопе. В точках А и B получены спектры.

Основным минералом твердых тканей зуба является гидроксиапатит, который состоит из фосфата кальция, поэтому исследовали отношение интенсивностей сигналов спектра Ca/P. В твердых тканях зуба это соотношение различное. Проследив изменения состава в зависимости от обработки, можно оценить обогащение или обеднение состава тканей по этим элементам. Для необработанного зуба соотношение кальция к фосфору в точке A (эмаль) составляет 1.449, в точке B (дентин) – 1.283. Для образца фосфата кальция это стехиометрическое соотношение 1.5. Таким образом, видно, что эмаль обогащена кальцием по сравнению с дентином.

Были исследованы различные режимы нанесения реминерализующего состава “БВ” на поперечных шлифах образцов зубов, обработанных in vitro (табл. 3). На этих шлифах проводили измерение сигналов спектра по кальцию и фосфору вдоль линии от поверхности вглубь образца. Для участков, отвечающих эмали, дентину и рыхлому слою осадка брушита³³, определяли усредненный сигнал по каждому компоненту и рассчитывали их отношение. Эти результаты приведены в табл. 4, а РСЭМ изображения на рис. 4.

Рис. 4.

РСМЭ изображения поперечных шлифов образцов зубов с различной методикой реминерализующей обработки и профили сигналов Ca (белый (зеленый в малоконтрастной области осадка брушита)) и P (оранжевый) по линии сканирования (голубая) от поверхности (слева) вглубь образца (направо).

Применение препарата “БВ” методом аппликации (пропитки) приводит к образованию на поверхности обточенной эмали участков, рыхлого осадка брушита (рис. 4б). Этот слой толщиной от 100 до 200 мкм плохо сцеплен с поверхностью зуба. Отношение усредненного сигнала Са/Р для этого участка вместе с эмалью составляет 1.127, а для дентина Са/Р = 1.198. Поскольку, для брушита теоретическое отношение Са/Р = 1, внешний слой весьма близок к ожидаемому. На границе с дентином наблюдается “провал” в уровне сигналов, что объясняется неплотным сцеплением осадка с основой и его отслоением.

Для образца II № 1 с обточенной эмалью, также приготовленного методом аппликации, в зону шлифа не попали участки с рыхлым слоем брушита, видны его отдельные фрагменты. По результатам для слоя дентина, видно, что отношение Са/Р = 1.272 и практически не отличается от отношения, как для предыдущего, так и необработанного образца. Характер распределения сигналов по линии сканирования не выявляет каких-либо областей измененной минерализации, что свидетельствует об однородном составе дентина без видимого обогащения поверхности. Другими словами, метод аппликации не обеспечивает изменения минерализации дентина даже при длительной и многократной пропитке.

Образец III № 2 обработан по методике электрофореза препаратом “БВ”. На фото 4г виден слой эмали со сквозными микротрещинами. На его внешней поверхности нет следов осадка брушита, как при обработке аппликацией. Для участка эмали отношение Са/Р = 1.430, т.е. как для исходного состояния. Напротив, во внешнем слое дентина зафиксировано заметно более высокое относительное содержание кальция по сравнению с необработанным образцом и образцами после аппликаций препарата “БВ” (в среднем на 6.6%), а в более глубоком слое отношение элементов близко к необработанному образцу.

Таким образом, при электрофорезе реакция между компонентами препарата “БВ” происходит не на поверхности твердых тканей, а преимущественно в глубоких слоях пористой структуры дентина. Минерализация насыщенной кальцием эмали не меняется, а внешний слой дентина обогащается этим элементом. Этот эффект сохраняется и при сокращении времени электрофореза (образцы IV № 4 и IV № 5), и реминерализация заметна в поверхностном слое толщиной по крайней мере в 300 мкм.

На рис. 5а показан поперечный шлиф образца зуба с сохранившейся эмалью, в которой были сквозные дефекты, возникшие при обточке. В результате обработки электрофорезом произошла преимущественная реминерализация в слое дентина, прилегающего к этим повреждениям эмали, что видно, как более светлые участки на фото с оптического микроскопа.

Рис. 5.

Микрофото поперечного шлифа зуба с повреждениями эмали и участками реминерализации дентина после электрофореза.

На хрупком изломе образца IV № 4 видны дентинные канальцы, просвет которых блокируется осадком бруишта (светлые отложения), сформированном в глубине слоя дентина под действием электрофореза.

Рис. 6.

РСМЭ изображение хрупких изломов зуба с осадком брушита на стенках и устьях дентинных канальцев.