Onderzoek naar het gradiënt nanomechanisch gedrag van tandfluorose-glazuur

Resultaten en discussie

Microstructuur en gradiënt nanomechanisch gedrag van tandfluorose-glazuur

De microstructuren van de drie glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose worden getoond in Fig. 2. De buitenste en middelste glazuurstaven van de normale tanden vertoonden uniforme diameters en waren rechtopstaand gerangschikt (Fig. 2a, d), terwijl hun binnenste emaille staven een golvend of weefpatroon vertoonden (Fig. 2g). Bij milde tandfluorose werd een klein aantal poriën (witte cirkels in Fig. 2b) waargenomen op het buitenste glazuur, maar hun middelste en binnenste lagen (Fig. 2e, h) vertoonden microstructuren die vergelijkbaar waren met die van de normale tanden. De structuur van de buitenste glazuurstaven van ernstige tandfluorose werd gekenmerkt door verbrede openingen tussen de glazuurstaven (groene pijl in Fig. 2c) en talrijke poriën (witte cirkels in Fig. 2c). Kristallen in de emailstaaf waren losjes gerangschikt met toenemende kristalklaring en microporiën (rode pijl in figuur 2c). Een klein aantal poriën (witte cirkels in Fig. 2f) werden ook gevonden in de middelste laag. De structuur van het binnenglazuur van ernstige tandfluorose was vergelijkbaar met die van de normale tanden (Fig. 2i). Vergeleken met die van de normale tanden vertoonden de microstructuren van het buitenste glazuur van milde tandfluorose en het buitenste en middelste glazuur van ernstige tandfluorose duidelijke verschillen, die aan twee factoren kunnen worden toegeschreven [28,29,30,31]. Een factor is de interferentie van overmatige inname van fluoride tijdens de normale vorming van tandglazuur in de puberteit. Dit proces resulteert in overmatige retentie van matrixeiwit, hypomineralisatie van glazuurstaafjes en een losse kristallijne rangschikking van de glazuurstaafjes [28,29,30]. De andere factor is de chemische verandering in hydroxyapatietkristallen veroorzaakt door overmatige inname van fluoride. Fluorideapatiet wordt gevormd wanneer het fluoride-element de hydroxyl in hydroxyapatietkristallen verdringt [31].

SEM-afbeeldingen van het normale tandglazuur, mild tandfluorose-glazuur en ernstig tandfluorose-glazuur. De een –c buitenste lagen, d –f middelste lagen, en g –ik binnenlagen werden gedurende 30 seconden geëtst met 37% fosforzuur en vervolgens gevisualiseerd onder een vergroting van ×  5000. Groene pijlen geven verbrede openingen tussen de glazuurstaven aan, terwijl witte cirkels poriën aangeven. Rode pijlen geven losjes gerangschikte kristallen in de glazuurstaafjes aan met toenemende kristalklaring en microporiën

In het normale tandglazuur namen de nanohardheid en elasticiteitsmodulus af van de buitenste naar de binnenste lagen (Fig. 3), terwijl de veranderde verplaatsing toenam van de buitenste naar de binnenste lagen (Fig. 4). De oriëntatie van de glazuurstaafjes en chemische componenten resulteerde in de gradiënt nanomechanische eigenschappen van de buitenste naar de binnenste lagen van het tandglazuur [32,33,34]. Normaal tandglazuur vertoonde een complexe hiërarchische structuur [18, 35]. De buitenste glazuurstaven waren recht en evenwijdig aan elkaar uitgelijnd, terwijl de binnenste glazuurstaven zich binnen afwisselende "banden" uitstrekten [36]. Tijdens het kauwen breidt de spanning zich uit langs de rechtopstaande staven (buitenste glazuur) totdat de beschikbare energie wordt afgevoerd of afgebogen door het decussated glazuur (binnenste glazuur) [36]. Het tandglazuur bestaat voor 96% uit minerale materialen, 1% organisch eiwit en 3% water per gewicht, en het organische eiwitgehalte neemt toe van het buitenste glazuur naar de EDJ [37]. De organische componenten van de tanden bevorderen antivermoeidheidsreacties en dragen bij aan het stoppen van scheuren [38, 39], en de vorming van ligamentbruggen van organisch eiwit bevordert ook sluitingsspanningen [40]. Vanwege de verschillen in hun microstructuren (Fig. 2) en het verhoogde organische gehalte [41], vertoonde tandfluorose-glazuur gradiënt nanomechanisch gedrag dat anders was dan dat van het normale tandglazuur. De nanohardheid en elasticiteitsmodulus van het milde tandfluorose-glazuur namen toe van de buitenste naar de middelste lagen en namen vervolgens af van de middelste naar de binnenste lagen (Fig. 3). De veranderde verplaatsing (7,70 ±-2,71 nm) van de buitenste laag van het milde tandfluorose-glazuur was significant groter dan die van het normale tandglazuur (p <-0,05), en de veranderde verplaatsing nam af van de buitenste naar de middelste lagen en nam vervolgens iets toe van de middelste naar de binnenste lagen (Fig. 4). Voor het ernstige tandfluorose-glazuur namen de nanohardheid en elasticiteitsmodulus toe van de buitenste naar de binnenste lagen. De nanohardheid (2,04 ± 0,89 GPa) en elasticiteitsmodulus (46,63 ± 11,19 GPa) van de buitenste laag van het ernstige tandfluorose-glazuur waren lager dan die van de middelste laag, en de binnenste laag vertoonde de hoogste waarden van die lagen (p < 0.05) (Fig. 3). De veranderde verplaatsing van ernstig tandfluorose-glazuur nam af van de buitenste naar de binnenste lagen, en de veranderde verplaatsing (11,50 ±-3,77 nm) van de buitenste laag was groter dan die van de middelste laag (8,79 ±-2,24 nm). Van de lagen vertoonde de binnenste laag de laagste verplaatsing (p < 0.05) (Fig. 4).

Nanomechanische eigenschappen van de glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose. een Nanohardheid. b Elastische modulus. Identieke symbolen duiden geen significant verschil aan in nanohardheden en elastische moduli tussen de overeenkomstige lagen van het normale tandglazuur, mild tandfluoroseglazuur en ernstig tandfluoroseglazuur

Nano-indentatiekruipgedrag van de glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose. Identieke symbolen duiden geen significant verschil aan in het kruipgedrag van nano-indentatie tussen de overeenkomstige lagen van het normale tandglazuur, mild tandfluorose-glazuur en ernstig tandfluorose-glazuur

De wrijvingscoëfficiënten van de drie glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose zijn weergegeven in Fig. 5. De wrijvingscoëfficiënt van het normale tandglazuur nam toe van de buitenste naar de binnenste lagen. Bij mild tandfluorose-glazuur nam de wrijvingscoëfficiënt af van de buitenste naar de middelste lagen en nam vervolgens toe van de middelste naar de binnenste lagen. Bij glazuur met ernstige tandfluorose waren de wrijvingscoëfficiënten van de buitenste (0,25 ± 0,044) en middelste (0,18 ± 0.025) lagen significant groter dan die van het milde tandfluorose glazuur en normaal tandglazuur (p < 0.05). Bovendien nam de wrijvingscoëfficiënt van het ernstige tandfluorose-glazuur af van de buitenste naar de binnenste lagen (p < 0.05).

Wrijvingscoëfficiënten van de glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose

De nanokrasdiepten en -breedtes van de drie glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose worden getoond in Fig. 6. Normaal tandglazuur vertoonde een nanoscratchdiepte en -breedte die toenam van de buitenste naar de binnenste lagen (Fig. 6a), terwijl het milde tandfluorose-glazuur een nanoscratch-diepte en -breedte onthulde die afnam van de buitenste naar de middelste lagen en vervolgens toenam van de middelste naar de binnenste lagen (figuur 6b). Variaties in de nanokrasdiepte en -breedte van het ernstige tandfluoroseglazuur waren significant verschillend van die van het normale tandglazuur. In het bijzonder namen de diepte en breedte van nanokras af van de buitenste naar de binnenste lagen van glazuur met ernstige tandfluorose (Fig. 6c).

Profielen van nanokrassporen op de glazuurlagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose. een Normaal tandglazuur. b Mild tandfluorose-glazuur. c Ernstig tandfluoroseglazuur

De slijtvastheid van het normale tandglazuur nam af van de buitenste naar de binnenste lagen, en dit gedrag komt overeen met dat waargenomen in eerdere studies [42,43,44]. Overtollig fluoride kan fluoride-achtige afzettingen vormen op het glazuuroppervlak en de slijtvastheid verminderen [3, 45, 46]. In deze studie waren de slijtvastheid van de buitenste en middelste lagen van glazuur met ernstige fluorose en de buitenste laag van glazuur van milde fluorose opmerkelijk lager dan die van het normale tandglazuur. Het glazuur tussen de staafjes bevat meer eiwit dan het glazuurstaafje, fungeert als een bufferlaag die de druk op de tand absorbeert en verspreidt, en beïnvloedt de slijtvastheid van het tandglazuur [43]. Overmatige inname van fluoride leidt tot hypogemineraliseerde vorming van glazuurstaafjes en overmatige retentie van matrixeiwit in het glazuur tussen de staafjes van tandfluorose [28,29,30,31], die beide een dramatische invloed hebben op de slijtvastheid van het tandfluoroseglazuur.

Een goed begrip van de nanomechanische en nanotribologische eigenschappen van verschillende lagen tandfluorose is een belangrijke bijdrage van dit onderzoek, aangezien kennis van dergelijke eigenschappen kan helpen bij de selectie van de juiste restauratiematerialen voor gebruik in de klinische praktijk en de ontwikkeling van tandheelkundige restauratiematerialen kan bevorderen . Tandfluorose-glazuur vertoont een duidelijk gradiënt nanomechanisch gedrag dat verschilt van dat van het normale tandglazuur. Daarom zijn de criteria voor het selecteren van restauratiematerialen voor tandfluorose-glazuur anders dan die voor normaal tandglazuur. Er moeten restauratieve materialen met bijpassende nanomechanische en nanotribologische eigenschappen worden gekozen om verschillende lagen tandfluorose-glazuur te herstellen.

Nanomechanische eigenschappen van de normale en abnormale glazuurstaven van tandfluorose

De nanohardheid en elasticiteitsmodulus van glazuur met ernstige tandfluorose namen toe van de buitenste naar de binnenste lagen, terwijl de veranderde verplaatsing van de buitenste naar de binnenste lagen afnam. Vervolgens werd een diepgaande analyse uitgevoerd om de grote standaarddeviatie van de nanohardheid en elasticiteitsmoduli aan te pakken die werden waargenomen in glazuur met ernstige tandfluorose. De buitenste en middelste glazuurlagen van ernstige tandfluorose kunnen worden onderverdeeld in twee soorten op basis van de kenmerken van hun glazuurstaven, namelijk normale en abnormale glazuurstaven (Fig. 7). Bepaalde glazuurstaafjes (d.w.z. normale glazuurstaafjes bij ernstige tandfluorose) lijken compleet, maar vertonen losjes gerangschikte kristalstructuren en talrijke microporiën (Fig. 7). Een ander deel van de glazuurstaafjes (d.w.z. de abnormale glazuurstaafjes bij ernstige tandfluorose) wordt gekenmerkt door talrijke poriën (witte cirkels in figuur 7). In deze studie vertoonden de buitenste en middelste lagen van glazuur met ernstige tandfluorose een lagere nanohardheid en elastische moduli en hogere kruipdeformatie dan de overeenkomstige lagen van het natuurlijke tandglazuur, vooral in de buitenste laag. In de buitenste laag van ernstig tandfluoroseglazuur vertoonden normale en abnormale glazuurstaven een lage nanohardheid en elastische moduli en een hoge veranderde verplaatsing; daarentegen waren de overeenkomstige kenmerken in de abnormale glazuurstaafjes groter (fig. 8). Studies hebben gesuggereerd dat de ernst van tandheelkundige fluorose gerelateerd is aan de veranderingen in de nanomechanische eigenschappen van de tanden [22, 23]. Deze bevinding geeft aan dat abnormale glazuurstaven ernstig worden aangetast door een teveel aan fluoride-elementen. Aangezien microstructurele veranderingen en slechte nanomechanische en nanotribologische eigenschappen worden waargenomen bij ernstige tandfluorose, is restauratie vaak nodig om vermindering van de verticale afstand als gevolg van voortdurende slijtage tijdens het kauwen te voorkomen.

SEM-beeld van normale en abnormale glazuurstaafjes in de buitenste laag van het tandfluorose-glazuur. De microstructuur wordt bekeken onder een vergroting van × 20.000 na 30 s etsen met 37% fosforzuur. Groene pijlen tonen de verbrede openingen tussen de glazuurstaven, terwijl witte cirkels de poriën tonen. Rode pijlen geven losjes gerangschikte kristallen in de glazuurstaafjes aan met toenemende kristalklaring en microporiën

Nanomechanische eigenschappen van de normale en abnormale glazuurstaven van ernstige tandfluorose. een Normale glazuurstaaf, abnormale glazuurstaaf en glazuur tussen de staafjes zijn gelabeld in SPM-afbeelding van het buitenste glazuur van ernstige tandfluorose. b Nanohardheid. c Elastische modulus. d Nano-inspringing kruipgedrag

Geschikte tandheelkundige materialen voor het klinische herstel van tandheelkundige fluorose

De nanokrasdiepten en -breedtes van de buitenste lagen van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose werden vergeleken met die van vier restauratieve materialen (Fig. 9). Terwijl IPS e.max CAD de laagste nanoscratch-diepte en -breedte vertoonde, onthulde Vita Enamic, polymeer-geïnfiltreerd-keramisch netwerk (PICN), een nanoscratch-diepte en -breedte die vergelijkbaar is met die van de buitenste laag van het normale tandglazuur. De nanokrasdiepte en -breedte van het composietharsblok Lava™ ultimate (LUV) waren vergelijkbaar met die van de buitenste laag van het milde tandfluoroseglazuur, terwijl de nanokrasdiepte en -breedte van de conventionele composiethars Fltek™ Z350XT (Z350) hoger waren dan die van de buitenste laag van het milde tandfluorose-glazuur. Van de geteste monsters vertoonde de buitenste laag van glazuur met ernstige tandfluorose de grootste nanokrasdiepte en -breedte.

Profielen van nanokrassporen op het buitenste glazuur van de normale tand, milde tandfluorose en ernstige tandfluorose en vier restauratieve materialen. Normaal tandglazuur (NTE), mild tandfluorose glazuur (MFE), ernstig tandfluorosis glazuur (SFE), IPS e.max CAD (IPS), polymeer-geïnfiltreerd-keramisch netwerk (PICN), Lava™ ultimate (LVU), en Fltek™ Z350XT (Z350)

Tandfluorose in de voortanden beïnvloedt het uiterlijk van de tanden, en ernstige tandfluorose met tandafwijkingen in de achterste tanden heeft een negatieve invloed op het kauwen [5]. Restauraties, zoals kronen, inlays of onlays, zijn vaak nodig om de door tandfluorose beschadigde tanden te herstellen [6, 7]. Het afstemmen van het mechanische gedrag van het restauratiemateriaal op dat van het tegenoverliggende tandglazuur is vooral belangrijk om overmatige slijtage van het natuurlijke tandglazuur of het aangebrachte materiaal zelf te voorkomen [8,9,10,11]. Keramiek wordt veel gebruikt als restauratiemateriaal vanwege hun hoge biocompatibiliteit en vergelijkbare esthetiek als het natuurlijke tandglazuur [47]. Keramiek vertoont echter een hoge slijtvastheid, wat overmatige slijtage van het tegenoverliggende natuurlijke tandglazuur veroorzaakt [47, 48]. Als alternatief voor keramiek zijn materialen ontwikkeld met een lage slijtvastheid, zoals PICN en composietharsblokken [48, 49]. PICN vertoont een slijtvastheid die vergelijkbaar is met die van de buitenste laag van het normale tandglazuur. Dus wanneer de tegenoverliggende tand een normale tand is, is PICN het juiste materiaal voor restauratie. De tegenovergestelde tand bij tandheelkundige fluorose die restauratie vereist, vertoont echter waarschijnlijk milde tandheelkundige fluorose. In dit geval zijn materialen nodig met nanotribologische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van het milde tandfluorose-glazuur om tandfluorose te herstellen. Conventionele composietharsen, zoals Z350, vertonen een slijtvastheid die lager is dan die van de buitenste laag van milde tandfluorose; een dergelijke eigenschap kan leiden tot verhoogde slijtage van de restauratiematerialen. Composietharsblokken, zoals LUV, worden vervaardigd onder hoge temperaturen en hoge drukken en hebben mechanische eigenschappen die superieur zijn aan die van de conventionele composietharsen [50]. In de huidige studie vertoonde het composietharsblok een slijtvastheid die vergelijkbaar is met die van de buitenste laag van het milde tandfluorose-glazuur. Deze eigenschap houdt in dat dit materiaal geschikt is voor gebruik als restauratiemateriaal voor tandfluorose. Aangezien het nanomechanische gedrag van tandfluorose-glazuur de keuze van het restauratiemateriaal bepaalt, moet het geschikte materiaal voor tandfluorose worden toegepast om betere klinische resultaten te bereiken. Daarom moeten aanvullende onderzoeken naar het nanomechanische gedrag van tandfluorose-glazuur worden uitgevoerd en moeten nieuwe restauratieve materialen verder worden ontwikkeld.