исследование устойчивости зубной эмали к

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЗУБНОЙ ЭМАЛИ К МЕХАНИЧЕСКИМ
ПОВРЕЖДЕНИЯМ
А.П. Скачков
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь,
Россия
skachkov@psu.ru
Аннотация. В докладе предлагается методика оценки устойчивости зубной эмали к истиранию.
Проводится набор испытаний, состоящий из предварительного профилеметрирования вдоль
выбранной линии, царапания выбранного участка и итогового профилеметрирования. Разницу между
начальной и конечной геометрией предлагается считать интегральной характеристикой устойчивости
к истиранию. Эксперименты проводились в разных зонах зубной эмали как здоровых, так и
поврежденного кариесом зубов. Одновременно проводились серии экспериментов по
индентированию рассмотренных участков для оценки твердости и жесткости эмали зуба. Для
исследований использовалась установка NanoTest-600.
Работа поддержана грантом РФФИ № 14-08-96012.
Зубная эмаль должна удовлетворять ряду важных условий: обладать длительной
износоустойчивостью, иметь высокую жесткость в нормальном к поверхности зуба направлении, передавать
нагрузку на дентин без разрушения. Для обеспечения этих требований эмаль имеет довольно сложную
структуру. Необходимо уметь описывать эту структуру и ее характеристики для дальнейшего
моделирования поведения зуба в процессе его функционирования. В данной работе приводятся результаты
экспериментальных исследований эмали зуба с помощью экспериментальной установка NanoTest−600.
В основе принципа работы установки лежит индентирование алмазной пирамидкой Берковича.
Обработка кривой «нагрузка − глубина внедрения» позволяет получить приведенный модуль и твердость
материала. Особенностью данной установки является возможность управлять малыми нагрузками (1 − 500
мН) и измерять перемещения индентора с точностью до 1 нм. Наличие системы оптических микроскопов
позволяет достаточно точно позиционировать место индентирования. Дополнительной опцией установки
является возможность проведения экспериментов на царапание вдоль выбранной линии коническим
алмазным индентором.
Для исследования устойчивости зубной эмали к истиранию проводится набор экспериментов,
состоящий из предварительного профилеметрирования вдоль выбранной линии. В силу выпуклости
поверхности зуба и ограничения установки по максимальному перепаду исследуемой глубины длина
участка составляет обычно доли миллиметра. Затем на выбранном участке проводится царапание с
заданным усилием. После царапания проводится повторное профилеметрировение исследуемого участка с
целью определения итоговой геометрии. Значение разницы между начальной и конечной величиной
профиля, осредненное по длине царапины предлагается использовать для оценки качества зубной эмали. В
дальнейшем будем называть ее средним истиранием (в мкм). Одновременно на исследуемых участках
проводились эксперименты по определению твердости зуба.
Эксперименты проводились на зубах, удаленных у пациентов по медицинским показаниям.
Использовались как коренные зубы, так и резцы. Царапание проводилось на фронтальной части зубов, а для
коренных − и на жевательной поверхности. Часть царапаний было проведено на участке зуба,
идентифицированным, как зона, имеющая кариозное повреждение. Усилие при царапании варьировалось в
пределах от 20 до 100 мН. Перед экспериментом поверхность зуба очищалась от внешних отложений, чтобы
исключить их влияние на результаты.
На рисунке 1 приведена фотография трех пар царапин, проведенных с усилиями 80, 40 и 20 мН.
Длина царапин на фотографии равна 100 мкм.
Рис. 1
На рисунке 2 приведены результаты одной из серий эксперимента. График 1 соответствует
предварительному профилеметрированию. График 2 – внедрение индентора при царапании с усилием 80
мН. График 3 – итоговое прфилеметрирование. Depth (нм) – величина профиля по отношению к начальной
точке царапины (знак ’+’ соответствует углублению индентора, знак ’ –’ – возвышению). Distance (мкм) –
расстояние от начальной точки эксперимента, причем на первых 10 мкм происходит возрастание нагрузки
от нулевой до максимальной.
Рис. 2
При определении твердости на каждом участке, где проводилось царапание, рассматривалось не
менее 30 точек для испытаний на твердость. В области, где предполагалось кариозное повреждение,
индентирование проводилось в 500 точках, что позволило построить карту твердости данного участка.
Проведенные эксперименты продемонстрировали заметный разброс результатов, что можно
объяснить как сложной и неоднородной структурой зубов, так и тем, что материалы были получены от
разных доноров. Тем не менее, можно выделить некоторые закономерности. Во-первых, заметно различие в
поведении зубной эмали на жевательной и фронтальной поверхностях. Среднее истирание на первых
участках варьируется в пределах 0,2 – 0,8 мкм, а на вторых – в пределах 0,5 – 2,5 мкм. При этом различие в
твердости не такое значительное: на первых участках среднее значение твердости составляет 5 – 6 ГПа, а на
вторых – в пределах 4 – 5 ГПа. Во-вторых, результаты, полученные при малых нагрузках (до 50 мН) имеют
большой разброс, что затрудняет их использование для дальнейшего анализа. Это можно объяснить
большой структурной неоднородностью поверхности зуба, искажающей результаты сканирования при
малых глубинах. В-третьих, при исследовании области с кариозным повреждением полученные результаты
явно отличаются от предыдущих: среднее истирание составляет 3-5 мкм, твердость также заметно ниже и
лежит в пределах 1,5 –3 ГПа. На рисунке 3 приведена карта твердости (ГПа) участка, прилежащего к
кариозной области (размеры участка в мкм).
380
360
8.5
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
Рис. 3
К сожалению, количество проведенных экспериментов с учетом большого разброса результатов не
позволяют пока провести корреляционный анализ связи среднего истирания с твердостью зубной эмали,
хотя такая зависимость просматривается.
В дальнейшем предполагается доработать предложенную методику, разработав рекомендации по
величине прилагаемых усилий при царапании, оптимальной длине царапины. Полученные методики,
совместно с классическими исследованиями на твердость, будут использованы при оценке качества лечения
различных повреждений эмали зуба.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-08-96012.