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铒:钇铝石榴石激光照射后牙本质分析方法研究

2019-04-06 06:35 | 来源:未知 | 责任编辑:本站编辑

作者:杜晴,张笋,北京大学口腔医学院·口腔医院儿童口腔科

 

人牙本质由70%无机矿物质、20%有机物以及10%水共同组成,无机矿物质主要是碳酸磷灰石的纳米晶体,其他包括氟化磷灰石等;有机物主要是水合Ⅰ型胶原。诸多体外实验已证实,Er:YAG激光可促进牙本质形貌及成分改变,这些作用主要取决于激光的能量、脉冲宽度、照射时间、水冷却4个因素。具体的研究方法可参考材料分析,对材料成分和结构进行精确表征。一般情况下,材料分析包括组织形貌、成分与价键、晶体物相、分子结构分析四大类。此外,基于其他理化性质而建立的色谱、质谱、电化学分析以及热分析等也是材料分析的重要方法。但相对来说,上述四大类方法应用更为广泛,因此,本文将就以上四种研究方法及结果做一综述,以期为后续研究中实验设计和临床应用提供参考。

 

1.组织形貌分析

 

生物材料分析中的组织形貌分析经历了光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)的发展过程,在各类分析手段中扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)使用率最高,是研究组织形貌最有效的工具。用SEM观察Er:YAG激光照射后的牙本质形貌,可为窝洞预备、树脂粘接、抗酸性等研究提供参考。形貌观察还可通过扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)等进行,目前此技术已形成庞大的SPM家族,但较少用于Er:YAG激光照射后的牙本质形貌研究,主要辅助于SEM。

 

牙本质小管直径1~2μm,周围由矿物含量约95%的管周牙本质包绕,它们共同镶嵌在矿物含量30%的胶原基质中,即管间牙本质。牙本质深度和位置不同,其组织形貌不同,使用Er:YAG激光照射后形貌亦有所差异。张笋等发现,经过不同参数Er:YAG激光备洞后,乳牙和恒牙窝洞内无玷污层,牙本质小管清晰;高于10Hz、400mJ的激光能量可造成牙本质熔融和裂隙,损伤乳牙牙本质。Raucci-Neto等使用不同参数Er:YAG激光照射牙本质的表层和深层后发现,牙本质表层即釉牙本质界处的牙本质小管密度为15000/mm2,靠近髓腔处则上升为65000/mm2。

 

SEM观察可见激光对表层牙本质非选择性熔融,照射后表面平坦;对深层牙本质选择性消融,表面不规则,管周牙本质突出,呈袖口状。当能量高于300mJ,表层和深层牙本质电镜下表现相似,呈平整表面。结合其他研究,可发现在一定能量下,激光照射后牙本质小管清晰,无玷污层。过高能量则可能出现烧焦、熔融、粗糙、熔化、再结晶、裂隙、脱矿-再矿化、牙本质变性等表现。以上研究可为临床选择适合的能量参数提供参考。

 

2.成分和价键分析

 

成分及价键分析的原理是利用不同入射波激发核外电子,使之发生层间跃迁,在此过程中分析元素特征信息。按发射信号不同,分为X线光谱与电子能谱。其分析仪器分为能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)和波谱仪(wave length dispersive spectrometer,WDS)。EDS是指将特征X射线光子按能量大小进行分类统计,与WDS相比,EDS的优点是:(1)采谱速度快,在几分钟内对原子序数≥4的所有元素进行快速定性分析;(2)灵敏度高,可比WDS高一个数量级;(3)结构紧凑、稳定性好,对样品表面发射线的位置没有严格限制,适合粗糙表面的分析工作。同时,现代扫描电镜一般将其作为成分分析的附件。

 

回顾既往文献,大多使用EDS进行成分分析。研究发现,牙本质是由70%无机物、20%有机物和10%的水组成,体积上各占50%、30%、20%。无机物主要是碳酸羟基磷灰石,最重要的组成是碳酸根、镁和钠。有机物主要是Ⅰ型胶原,液体成分和血浆相似。Contreras-Arriaga等参考此前研究成果,用不同能量激光照射人牙本质,使用EDS分析,发现照射后碳元素显著降低,氧元素和镁元素显著增加;高能量照射下(能量密度53.0J/cm2及以上),钙磷比显著增加,差异具有统计学意义。

 

Moosavi等认为,照射后钙磷比显著增加可证明牙本质抗酸性增加。然而,这需要其他证据来支持,比如照射后牙本质中具体发生何种变化。鉴于晶相中原子数目是相同的,我们很难将晶相与EDS结果及钙磷比相互关联。因此,需要进一步分析牙本质的晶体结构。

 

3.晶体物相分析

 

在材料科学领域,相是指具有特定结构和性能的物质状态,原子排列方式决定了晶体的相结构,而相组成与材料的理化性能有直接对应关系。主要分析方法包括X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、电子衍射、中子衍射。XRD是指用X射线照射晶体,形成晶体衍射线,衍射线的方向和强度反映了材料内部的晶体结构与相的组成。XRD分析物相较为简便快捷,适用于多相体系的综合分析,也可对微米量级的单颗晶体进行分析,常用于牙本质研究。

 

Teruel等发现,对比人与牛、羊、猪的牙本质,人与牛的牙本质有着高度相似性。Stock等对牛牙的管周与管间牙本质进行XRD分析,发现二者中碳酸磷灰石晶体结构无差异。Lee等使用XRD分析发现,Er:YAG激光照射前后牙本质未发生物相改变,但化学组成及表面形态有差异,Bakry等研究结果亦支持此观点。同年,Iwai等用牛牙制备人工龋模型,激光照射后,正常牛牙本质比人工龋牙本质磷灰石晶体结构更清晰。这些结果为Er:YAG激光临床应用提供参考,然而XRD的缺点是不能有效聚焦,不能在更微观的层次分析材料结构,这点需要电子衍射进行补充。电子衍射分析多在透射电镜上进行,适合测定微细晶体或亚微米尺度的晶体结构,拓展了晶体物相分析的研究范围。但目前尚未应用于牙本质分析。

 

4.分子结构分析

 

研究分子光谱是探究分子结构的重要手段,由化学键振动能级跃迁所产生的光谱称为分子振动光谱,包括红外光谱和拉曼光谱,二者用途相同,但原理不同。红外光谱是直接观察样品分子对辐射能量的吸收情况,拉曼光谱是分子对单色光的散射引起拉曼效应,间接观察分子振动能级的跃迁。在牙本质分析中,傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)与傅里叶变换拉曼光谱应用较广,是牙本质分析的好方法。Liu等使用FTIR对牙本质龋透明区至正常组织的矿物含量等进行分析,发现该方法可较好地用于牙本质龋的研究,根据羟基磷灰石及胶原的光谱不同,可对脱矿牙本质进行分区,其中“透明区”应作为去腐中保留的组织。

 

Sasaki等使用FTIR研究Er:YAG激光照射后牙本质组成,发现钙、磷含量下降,但蛋白质和水的丧失大于无机物。Choeysuppaket等利用显微拉曼光谱研究结果相同。此后,He等再次验证此结果,同时对激光照射表面下的牙本质进行研究,发现表层下牙本质结晶程度增高,有机物减少。然而矿物含量斜率(钙磷比值)不会受到影响,这与上述研究结果一致。这些都为Er:YAG激光临床应用提供借鉴。

 

5.小结

 

一项完整的研究工作,常需要综合利用各种分析方法才能获得全面的信息,Er:YAG激光对牙本质作用的研究也不例外。然而,不同检测方法分析得出的结果可能不同。如Bakry等与Omae等应用FTIR与XRD观察Er:YAG激光照射后牙本质,二者结论不同:前者发现化学成分无变化,而后者认为有变化。Omae等认为,除了实验环境不同之外,还可能是检测仪器不同所致。

 

目前来看,Er:YAG激光照射后牙本质分析方法的研究可归纳为以下3点:(1)新型材料研究手段日益全面,逐步向综合化、大型化发展;(2)科研工作中,学者们从单一研究方法开始转变为采取多种方法全面分析,并试图找到不同检测手段之间的联系。(3)一些研究结果与临床应用的联系尚需进一步加以验证,研究角度也需要进一步拓展。因此,对Er:YAG激光照射后牙本质的材料分析仍有待进一步探索,在研究中需要深入了解材料分析方法和原理,合理设计实验,为临床应用提供参考。

 


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