歯のフッ素症エナメル質の勾配ナノメカニカル挙動に関する調査

はじめに

歯のフッ素症は、歯の発達と石灰化の間に、水、食物、空気などのさまざまな供給源から過剰なフッ化物を摂取することによって引き起こされる歯の奇形です[1,2]。フッ化物の局所濃度と虫歯を防ぐためのフッ化物の広範な適用は、この奇形の高い発生率をもたらしました。歯のフッ素症の発生率は、一部の高フッ化物領域で80〜90％に達します[3、4]。歯のフッ素症は、歯の外観と機能に影響を与える白亜質の不透明なパッチまたは歯の欠陥の存在を特徴としています（図1a）。この状態はさらに深刻な精神的負担と社会化の障壁をもたらす可能性があります[5]。歯のフッ素症の患者は、歯の外観と機能を回復するために修復が必要になることがよくあります[6、7]。歯科修復物の機械的およびトライボロジー特性を反対側の歯のエナメル質の特性と一致させることは、良好な臨床転帰を達成するために非常に重要です[8、9]。材料特性の不一致は、反対側の天然歯または修復物自体の過度の摩耗を引き起こす可能性があります[10、11]。したがって、適切な修復材料を選択するには、歯のフッ素症エナメル質の微細構造、ナノメカニカル特性、およびナノトライボロジー特性を徹底的に調査する必要があります[12]。

歯のフッ素症の写真。 a チョークのような不透明なパッチを示す軽度の歯のフッ素症と、チョークのような不透明なパッチと歯の欠陥の両方を示す重度の歯のフッ素症の口腔内写真。 b 軽度の歯のフッ素症を抽出しました。 c 抜歯した重度の歯のフッ素症

エナメル質の最外層は、象牙質と重要な歯髄を口腔環境から保護します。歯科用エナメル質は、個人の生涯を通じて数百万サイクルにわたる咀嚼力に耐えることができなければなりません[13、14、15]。歯の応力を分散させ、亀裂の発生を防ぐために、優れた機械的特性を示さなければなりません[12]。エナメル質の微細構造と組成が外側のエナメル質からエナメル質-象牙質接合部（EDJ）に向かって変化することを考えると、天然の歯のエナメル質は勾配のある機械的挙動を示します[15、16、17、18]。高フッ化物レベルへの慢性的な曝露は、歯のエナメル質の構造変化を引き起こし、歯のフッ素症を引き起こします[19、20、21]。これらの変化は、しばしばエナメル質の機械的挙動の変化を伴います[22、23、24]。 Shearer etal。 [22]およびSucklingetal。 [23]は、動物モデルを使用して、歯のフッ素症エナメル質の機械的挙動を研究しました。ファンら[24]は、ヒトの軽度の歯のフッ素症エナメル質の機械的挙動を調査しました。しかし、今日まで、歯のフッ素症エナメル質の勾配ナノメカニカル挙動は不明なままです。さらに、歯のフッ素症の修復材料の選択基準もあいまいです。したがって、この研究では、軽度の歯のフッ素症エナメル質と重度の歯のフッ素症エナメル質の勾配ナノメカニカル挙動を調査します。 4つの異なる修復材料のナノトライボロジー特性を、歯のフッ素症エナメル質の外層の特性と比較します。この研究の結果は、歯のフッ素症の修復材料の臨床的選択と開発をガイドします。

材料と方法

合計30本の齲蝕のない小臼歯（正常な歯10本、白亜質の不透明なパッチを示す軽度の歯のフッ素症歯10本[図1b]および白亜質の不透明なパッチと歯の欠陥を示す重度の歯のフッ素症歯10本[図1c]）を収集しました。 。ドナーの年齢は19歳から25歳の範囲でした。歯のフッ素症のすべてのドナーは、フッ素濃度の高い地域に住んでいました。研究プロトコルは、西中国病院の倫理委員会によって承認されました。抜歯後、歯はハンクの平衡塩類溶液（HBSS、Solarbio、北京、中国）に4°Cで保管され、サンプル調製前の脱水と脱灰を防ぎました。すべてのサンプルは、抽出後1週間以内にテストされました。

サンプル準備

水洗浄下で300rpmで動作するダイヤモンド研磨カットオフホイール（Struers、デンマーク）を備えた高速切断機（Struers Minitom、Struers、デンマーク）を使用して、歯冠を歯根から分離しました。次に、クラウンを2つに切断し、エポキシ樹脂（EpoFix、Struers、デンマーク）に埋め込んで、縦断面を露出させました。クラウンの半分はナノインデンテーションテストに使用され、残りの半分はナノスクラッチテストに使用されました。各修復材料[リチウムジシリケートガラスセラミック（IPS e.max CAD）（Ivoclar Vivadent AG）、ポリマー浸透セラミックネットワーク（PICN）（Vita Zahnfabrik、Bad Sackingen）の5つの標本（4mm×4mm×2mm） 、ドイツ）、コンポジットレジンブロック（Lava™ultimate）（3M ESPE、Seefeld、ドイツ）、および従来のコンポジットレジン（Fltek™Z350XT）（3M ESPE、MN、USA）]も準備しました。試料は、＃800メッシュのSiC紙（炭化ケイ素紙、Struers）から始めて、＃4000メッシュまで徐々に細かい研磨剤で研磨されていきました。その後、試験片を3μmおよび0.04μmの研磨粒子溶液（OP-S NonDry、Struers、デンマーク）と水ベースで研磨しました。最後に、標本を15秒間超音波洗浄しました。この研究では、エナメル質を3つの層に分割しました。つまり、咬合面から最大100μmの距離にある外側のエナメル質です。咬合面とEDJ（ミドルエナメル）の中間に位置するミドルエナメル。内エナメル上皮は、EDJ（内エナメル上皮）から最大100μmの距離にあります[25]。

ナノインデンテーションテスト

ナノインデンテーションテストは、Berkovichダイヤモンド圧子（公称半径〜150 nm）を備えたナノインデンテーションデバイス（Triboindenter TI950、Hysitron、USA）を使用して実行されました。歯のエナメル質のさまざまな領域を正確に特定するために、ナノインデンテーションシステムにその場走査型プローブ顕微鏡（SPM）が装備されました。インデントは、2000μNの負荷と30秒の保持時間で実行されました。ロードとアンロードの速度は400μN/秒でした。正常な歯、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症の各エナメル質層に50個のインデントを実行しました。インデント間の距離は5μm以上に設定されました。減少した弾性率とナノ硬度は、従来のオリバーとファーのアプローチによって測定されました[26、27]。保持時間の前後の接触変位を記録した。次に、最大荷重下での保持期間終了時の侵入深さから、保持時間開始時の初期深さを差し引いて、変化変位を算出した。変更された変位は、ナノインデンテーションクリープ応答を評価するために使用されました。

ナノスクラッチテスト

ナノスクラッチテストは、ナノスクラッチデバイス（Triboindenter TI950、Hysitron、米国）と、円錐形のダイヤモンド圧子（公称半径〜1μm）（Hysitron Triboscope、MN、米国）を使用して実行されました。引っかき傷は、1000 µNの荷重で0.5 µm / sの速度で、引っかき傷の長さは10 µmで適用されました。正常な歯のエナメル質、軽度の歯のフッ素症のエナメル質、重度の歯のフッ素症のエナメル質、および修復材料の各エナメル質層に50個の引っかき傷を付けました。スクラッチ間の距離は5μm以上に設定されました。ナノスクラッチテストの後、摩擦係数とナノスクラッチの深さと幅がシステムによって記録されました。

統計分析

統計分析は、SPSS18.0を使用して実行されました。一元配置分散分析と学生の t データを分析するためにテストが実行されました。 p 0.05未満の値は、統計的に有意であると見なされました。

SEM観察

正常な歯、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症の3つのエナメル質層の微細構造を、フィールドエミッションガン走査型電子顕微鏡（SEM）（INSPECT F、チェコ共和国）によって調査しました。

結果と考察

歯のフッ素症エナメル質の微細構造と勾配ナノメカニカル挙動

正常歯の3つのエナメル層、軽度の歯のフッ素症、重度の歯のフッ素症の微細構造を図2に示します。正常歯の外側と中央のエナメル小柱は均一な直径を示し、直立して配置されています（図2）。 2a、d）、内側のエナメル小柱は起伏のあるまたは織りのパターンを示しました（図2g）。軽度の歯のフッ素症では、外エナメル上皮に少数の毛穴（図2bの白い円）が観察されましたが、それらの中層と内層（図2e、h）は正常な歯と同様の微細構造を示しました。重度の歯のフッ素症の外側のエナメル小柱の構造は、エナメル小柱（図2cの緑色の矢印）と多数の毛穴（図2cの白い円）の間のギャップが広がっていることを特徴としています。エナメル小柱の結晶は、結晶のクリアランスと微細孔が増えるにつれて緩く配置されました（図2cの赤い矢印）。中間層にも少数の細孔（図2fの白い円）が見つかりました。重度の歯のフッ素症の内エナメル上皮の構造は、正常な歯の構造と類似していた（図2i）。正常な歯と比較して、軽度の歯のフッ素症の外エナメル質と重度の歯のフッ素症の外エナメル質と中部エナメル質の微細構造は、2つの要因に起因する可能性のある顕著な違いを示しました[28、29、30、31]。 1つの要因は、思春期の歯のエナメル質の正常な形成中の過剰なフッ化物摂取の干渉です。このプロセスは、過剰なマトリックスタンパク質の保持、エナメル小柱の低ミネラル化、およびエナメル小柱の緩い結晶配列をもたらします[28、29、30]。もう1つの要因は、フッ化物の過剰摂取によって引き起こされるヒドロキシアパタイト結晶の化学変化です。フッ化物アパタイトは、フッ化物元素がヒドロキシアパタイト結晶のヒドロキシルを置換するときに形成されます[31]。

正常な歯のエナメル質、軽度の歯のフッ素症のエナメル質、および重度の歯のフッ素症のエナメル質のSEM画像。 a – c 外層、 d – f 中間層、および g – i 内層を37％リン酸で30秒間エッチングし、×5000の倍率で可視化しました。緑の矢印はエナメル小柱間のギャップが広がっていることを示し、白い円は毛穴を示しています。赤い矢印は、エナメル小柱にゆるく配置された結晶で、結晶のクリアランスと微細孔が増加していることを示しています

通常の歯のエナメル質では、ナノ硬度と弾性率は外層から内層に向かって減少しましたが（図3）、変化した変位は外層から内層に向かって増加しました（図4）。エナメル小柱と化学成分の配向は、歯のエナメル質の外層から内層への勾配ナノメカニカル特性をもたらしました[32、33、34]。通常の歯のエナメル質は複雑な階層構造を示しました[18、35]。外側のエナメル小柱は真っ直ぐで互いに平行に並んでいましたが、内側のエナメル小柱は交互の「バンド」内に伸びていました[36]。咀嚼中、ストレスは直立したロッド（外側のエナメル質）に沿って広がり、利用可能なエネルギーが議論されたエナメル質（内側のエナメル質）によって排出または偏向されます[36]。歯のエナメル質は、96％のミネラル材料、1％の有機タンパク質、および3％の水で構成されており、有機タンパク質の含有量は外側のエナメル質からEDJに向かって増加します[37]。歯の有機成分は抗疲労反応を促進し、亀裂の停止に寄与し[38、39]、有機タンパク質の靭帯ブリッジの形成も閉鎖応力を促進します[40]。微細構造の違い（図2）と有機物含有量の増加[41]により、歯のフッ素症のエナメル質は、通常の歯のエナメル質とは異なる勾配のナノメカニカル挙動を示しました。軽度の歯のフッ素症エナメル質のナノ硬度と弾性率は、外層から中層に向かって増加し、次に中層から内層に向かって減少しました（図3）。軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層の変化した変位（7.70±2.71 nm）は、通常の歯のエナメル質よりも有意に大きかった（ p <0.05）、変化した変位は外層から中層に向かって減少し、次に中層から内層に向かってわずかに増加しました（図4）。重度の歯のフッ素症エナメル質では、ナノ硬度と弾性率が外層から内層に向かって増加しました。重度の歯のフッ素症エナメル質の外層のナノ硬度（2.04±0.89 GPa）と弾性率（46.63±11.19 GPa）は中層よりも低く、内層はこれらの層の中で最も高い値を示しました（ p <0.05）（図3）。重度の歯のフッ素症エナメル質の変化した変位は外層から内層に向かって減少し、外層の変化した変位（11.50±3.77 nm）は中間層の変位（8.79±2.24 nm）よりも大きかった。層の中で、内層は最も低い変位を示しました（ p <0.05）（図4）。

正常な歯、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症のエナメル質層のナノメカニカル特性。 a ナノ硬度。 b 弾性率。同一の記号は、正常な歯のエナメル質、軽度の歯のフッ素症のエナメル質、および重度の歯のフッ素症のエナメル質の対応する層の間で、ナノ硬度と弾性率に有意差がないことを示します

正常な歯のエナメル質層のナノインデンテーションクリープ挙動、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症。同一の記号は、正常な歯のエナメル質、軽度の歯のフッ素症のエナメル質、および重度の歯のフッ素症のエナメル質の対応する層の間で、ナノインデンテーションのクリープ挙動に有意差がないことを示します

正常な歯の3つのエナメル質層、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症の摩擦係数を図5に示します。正常な歯のエナメル質の摩擦係数は、外層から内層に向かって増加しました。軽度の歯のフッ素症エナメル質では、摩擦係数は外層から中層に向かって減少し、次に中層から内層に向かって増加しました。重度の歯のフッ素症エナメル質では、外層（0.25±0.044）と中間層（0.18±0.025）の摩擦係数は、軽度の歯のフッ素症エナメル質と通常の歯のエナメル質（ p ）よりも有意に大きかった。 <0.05）。さらに、重度の歯のフッ素症エナメル質の摩擦係数は、外層から内層に向かって減少しました（ p <0.05）。

正常な歯、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症のエナメル質層の摩擦係数

正常な歯の3つのエナメル質層、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症のナノスクラッチの深さと幅を図6に示します。正常な歯のエナメル質は、外側から内側の層に向かって増加するナノスクラッチの深さと幅を示しました（図。6a）、軽度の歯のフッ素症エナメル質は、外層から中層に向かって減少し、次に中層から内層に向かって増加するナノスクラッチの深さと幅を示しました（図6b）。重度の歯のフッ素症エナメル質のナノスクラッチの深さと幅の変化は、通常の歯のエナメル質のものとは大幅に異なっていました。具体的には、ナノスクラッチの深さと幅は、重度の歯のフッ素症エナメル質の外層から内層に向かって減少しました（図6c）。

正常な歯のエナメル質層、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症のナノスクラッチトラックのプロファイル。 a 通常の歯のエナメル質。 b 軽度の歯のフッ素症エナメル質。 c 重度の歯のフッ素症エナメル質

通常の歯のエナメル質の耐摩耗性は外層から内層に向かって減少し、この挙動は以前の研究で観察されたものと一致しています[42、43、44]。過剰なフッ化物は、エナメル質表面にフッ化物のような堆積物を形成し、耐摩耗性を低下させる可能性があります[3、45、46]。この研究では、重度の歯のフッ素症エナメル質の外層と中層、および軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層の耐摩耗性は、通常の歯のエナメル質よりも著しく低かった。ロッド間エナメル質は、エナメル質ロッドよりも多くのタンパク質を含み、歯への圧力を吸収および分散する緩衝層として機能し、歯のエナメル質の耐摩耗性に影響を与えます[43]。フッ化物の過剰摂取は、歯のフッ素症のロッド間エナメル質における低ミネラル化エナメル小柱形成と過剰なマトリックスタンパク質保持につながり[28、29、30、31]、どちらも歯のフッ素症エナメル質の耐摩耗性に劇的な影響を及ぼします。

歯のフッ素症のさまざまな層のナノメカニカルおよびナノトライボロジーの特性を理解することは、この調査の重要な貢献です。このような特性の知識は、臨床診療で使用する適切な修復材料の選択を導き、歯科修復材料の開発を促進するのに役立ちます。 。歯のフッ素症のエナメル質は、通常の歯のエナメル質とは異なる、明確な勾配のナノメカニカル挙動を示します。したがって、歯のフッ素症エナメル質の修復材料を選択するための基準は、通常の歯のエナメル質の基準とは異なります。歯のフッ素症エナメル質のさまざまな層を修復するには、ナノメカニカル特性とナノトライボロジー特性が一致する修復材料を選択する必要があります。

歯のフッ素症の正常および異常なエナメル小柱のナノメカニカル特性

重度の歯のフッ素症エナメル質のナノ硬度と弾性率は外層から内層に向かって増加しましたが、変化した変位は外層から内層に向かって減少しました。続いて、重度の歯のフッ素症エナメル質で観察されたナノ硬度と弾性率の大きな標準偏差に対処するために、詳細な分析が行われました。重度の歯のフッ素症の外側と中央のエナメル質層は、エナメル小柱の特徴に応じて、正常なエナメル小柱と異常なエナメル小柱の2つのタイプに分けることができます（図7）。特定のエナメル小柱（つまり、重度の歯のフッ素症の通常のエナメル小柱）は完全に見えますが、ゆるく配置された結晶構造と多数の微細孔を示します（図7）。エナメル小柱の別の部分（つまり、重度の歯のフッ素症における異常なエナメル小柱）は、多数の毛穴（図7の白い円）を特徴としています。この研究では、重度の歯のフッ素症エナメル質の外層と中間層は、特に外層において、天然歯エナメル質の対応する層よりも低いナノ硬度と弾性率、および高いクリープ変形を示しました。重度の歯のフッ素症エナメル質の外層では、正常および異常なエナメル小柱は、低いナノ硬度と弾性率、および高い変化した変位を示しました。対照的に、異常なエナメル小柱の対応する特徴はより大きかった（図8）。研究によると、歯のフッ素症の重症度は、歯のナノメカニカル特性の変化に関連していることが示唆されています[22、23]。この発見は、異常なエナメル小柱が過剰なフッ化物元素によって深刻な影響を受けていることを示しています。重度の歯のフッ素症では微細構造の変化と不十分なナノメカニカルおよびナノトライボロジー特性が観察されるため、咀嚼中の継続的な摩耗によって引き起こされる垂直距離の減少を防ぐために、修復が必要になることがよくあります。

歯のフッ素症エナメル質の外層にある正常および異常なエナメル小柱のSEM画像。 37％リン酸で30秒間エッチングした後、微細構造を×20,000の倍率で表示します。緑の矢印はエナメル小柱間の隙間が広がっていることを示し、白い円は毛穴を示しています。赤い矢印は、エナメル小柱にゆるく配置された結晶で、結晶のクリアランスと微細孔が増加していることを示しています

重度の歯のフッ素症の正常および異常なエナメル小柱のナノメカニカル特性。 a 正常なエナメル小柱、異常なエナメル小柱、およびロッド間エナメルは、重度の歯のフッ素症の外側のエナメルのSPM画像でラベル付けされています。 b ナノ硬度。 c 弾性率。 d ナノインデンテーションクリープ挙動

歯のフッ素症の臨床的回復に適した歯科材料

正常な歯の外層のナノスクラッチの深さと幅、軽度の歯のフッ素症、および重度の歯のフッ素症を、4つの修復材料のものと比較しました（図9）。 IPS e.max CADは最も低いナノスクラッチの深さと幅を示しましたが、Vita Enamic、ポリマー浸透セラミックネットワーク（PICN）は、通常の歯のエナメル質の外層と同様のナノスクラッチの深さと幅を示しました。コンポジットレジンブロックLava™Ultimate（LUV）のナノスクラッチの深さと幅は、軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層のものと同様でしたが、従来のコンポジットレジンFltek™Z350XT（Z350）のナノスクラッチの深さと幅はより高かった軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層のものより。テストされたサンプルの中で、重度の歯のフッ素症エナメル質の外層は、最大のナノスクラッチの深さと幅を示しました。

正常な歯の外エナメル質、軽度の歯のフッ素症、重度の歯のフッ素症および4つの修復材料のナノスクラッチトラックのプロファイル。通常の歯のエナメル質（NTE）、軽度の歯のフッ素症のエナメル質（MFE）、重度の歯のフッ素症のエナメル質（SFE）、IPS e.max CAD（IPS）、ポリマー浸透セラミックネットワーク（PICN）、Lava™Ultimate（LVU）、およびFltek™Z350XT（Z350）

前歯の歯のフッ素症は歯の外観に影響を与え、後歯の歯の欠陥を伴う重度の歯のフッ素症は咀嚼に悪影響を及ぼします[5]。歯のフッ素症によって損傷した歯を修復するには、クラウン、インレー、アンレーなどの修復が必要になることがよくあります[6、7]。修復材料の機械的挙動を反対側の歯のエナメル質の機械的挙動と一致させることは、天然の歯のエナメル質または適用された材料自体の過度の摩耗を防ぐために特に重要です[8、9、10、11]。セラミックは、生体適合性が高く、天然の歯のエナメル質と同様の審美性があるため、修復材料として広く使用されています[47]。しかし、セラミックは高い耐摩耗性を示し、反対側の天然歯エナメル質の過度の摩耗を引き起こします[47、48]。セラミックの代替品として、PICNやコンポジットレジンブロックなどの耐摩耗性の低い材料が開発されています[48、49]。 PICNは、通常の歯のエナメル質の外層と同様の耐摩耗性を示します。したがって、反対側の歯が正常な歯である場合、PICNは修復のための適切な材料です。ただし、修復が必要な歯のフッ素症の反対側の歯は、軽度の歯のフッ素症を示す可能性があります。この場合、歯のフッ素症を回復するには、軽度の歯のフッ素症エナメル質と同様のナノトライボロジー特性を備えた材料が必要です。 Z350などの従来のコンポジットレジンは、軽度の歯のフッ素症の外層よりも低い耐摩耗性を示します。このような特性は、修復材料の摩耗を増加させる可能性があります。 LUVなどのコンポジットレジンブロックは、高温高圧下で製造され、従来のコンポジットレジンよりも優れた機械的特性を備えています[50]。本研究では、コンポジットレジンブロックは、軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層と同様の耐摩耗性を示しました。この特性は、この材料が歯のフッ素症の修復材料としての使用に適していることを意味します。歯のフッ素症エナメル質のナノメカニカル挙動が修復材料の選択を決定するため、より良い臨床転帰を達成するために、適切な材料を歯のフッ素症に適用する必要があります。したがって、歯のフッ素症エナメル質のナノメカニカル挙動に関する追加の研究を実施し、新しい修復材料をさらに開発する必要があります。

結論

分析の結果に基づいて、次の結論を導き出すことができます。

1. 1。

   歯のフッ素症エナメル質の微細構造と勾配ナノメカニカル挙動は、通常の歯のエナメル質のものとは大幅に異なっていました。軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層と重度の歯のフッ素症エナメル質の外層と中間層で違いが観察されました。

2. 2。

   正常および異常なエナメル小柱は、歯のフッ素症のエナメル質で観察できました。特に、歯のフッ素症エナメル質の異常なエナメル小柱の微細構造は、正常なエナメル小柱のそれとは大幅に異なっていた。具体的には、異常なエナメル小柱は、正常なエナメル小柱よりも低いナノ硬度と弾性率を示しましたが、クリープ変形は高くなりました。

3. 3。

   コンポジットレジンブロックの耐摩耗性は、軽度の歯のフッ素症エナメル質の外層の耐摩耗性と同様でした。したがって、セラミックと比較して、コンポジットレジンブロックは歯のフッ素症に適した修復材料です。

略語

EDJ：

エナメル質-象牙質接合部

IPS：

IPS e.max CAD

LVU：

Lava™アルティメット

MFE：

軽度の歯のフッ素症エナメル質

NTE：

通常の歯のエナメル質

PICN：

ポリマー浸透セラミックネットワーク

SEM：

走査型電子顕微鏡

SFE：

重度の歯のフッ素症エナメル質

SPM：

走査型プローブ顕微鏡

Z350：

Fltek™Z350XT