Study of hard tissues of the tooth crown using scanning electron microscopy and elemental analysis
- Authors: Pavlova T.V.1, Pavlova L.A.2,3, Pavlova O.M.4, Hazem K.5, Novikov V.Y.3, Kaplin A.N.6, Tverskaya A.V.7, Zatolokina M.A.6,8
-
Affiliations:
- First St. Petersburg State Medical University named after Academician I.P. Pavlov
- Medical Institute
- Belgorod State National Research University
- First St. Petersburg State Medical University named after Academician I.P. Pavlov,
- Medical Institute, Belgorod State National Research University
- Kursk State Medical University
- Belgorod State National Research University Medical Institute
- I.S. Turgenev Oryol State University
- Issue: Vol 21, No 2 (2024)
- Pages: 92-96
- Section: Original Researches
- URL: https://journals.eco-vector.com/1994-9480/article/view/634770
- DOI: https://doi.org/10.19163/1994-9480-2024-21-2-92-96
- ID: 634770
Cite item
Full Text
Abstract
The introduction of new methodological approaches actualizes research that makes it possible to establish relationships between the elemental composition of hard dental tissues and microscopic analysis data. Using scanning electron microscopy, the nature of the location and size of enamel prisms was revealed, and a description of the structure of the initial and final enamel was given. The zone of the dentino-enamel junction, the location of the dentinal tubules and the composition of the dentin matrix were studied. It has been proven that the content of water, organic matter, sodium and potassium is higher in dentin, and the concentration of magnesium, phosphorus and calcium is higher in enamel.
Keywords
Full Text
Коронка – часть зуба, выступающая над поверхностью десен и обращенная в полость рта. Дентин определяет форму зуба, формирует стенки пульпарной камеры и покрыт эмалью – особой бесклеточной минерализованной структурой, которую условно принято называть тканью. Изучение тканей зуба имеет целый ряд трудностей, среди которых, с одной стороны, сложности получения образцов зубов, удаленных по клиническим показаниям, но не имеющих патологических изменений. С другой – необходимость специальной подготовки материала для морфологических исследований (фиксации, дегидратации, декальцинации, контрастирования и т.п.), что часто приводит к искажению структуры и артефактам.
Совершенствование методик, применение методов атомно-силовой и растровой микроскопии позволило расширить представления об организации микрорельефа поверхности эмали [1, 2, 3, 4], возрастных особенностях организации твердых тканей зуба [5, 6]. Уточнены детали строения дентино-эмалевого соединения [7], капиллярно-пористых пространств эмали [8, 9], изучается микрохимический состав твердых тканей зуба [10]. Одной из важных проблем является установление взаимосвязей между химическим составом твердых тканей зуба и их микроскопической организацией.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование твердых тканей коронки зуба с использованием сканирующей электронной микроскопии и применением элементного анализа.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В исследовании использовали постоянные зубы пациентов в возрасте от 35 до 50 лет, 5 резцов и 5 моляров удалены по ортодонтическим показаниям. Для изучения ультраструктуры коронки зубов применяли растровый микроскоп FE Quanta 200 3D. Элементный состав тканей зуба, процентное содержание органических веществ, воды, калия, натрия, магния, кальция, фосфора, исследовали на детекторе регистрации спектров характеристического рентгеновского излучения фирмы EPAX, чувствительность метода 10–13 – 10–15 грамм. Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с использованием программ Microsoft Excel и Statistica 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенное макроскопическое исследование показало, что анатомическая структура коронки удаленных зубов не изменена. Эмаль изученных зубов имела гладкую, блестящую поверхность без видимых дефектов и патологических изменений. Цвет варьировался от оттенков белого до желто- коричневого в зависимости от возраста и состояния гигиены полости рта.
На сканирующих электронных микрофотографиях эмали выявлены эмалевые призмы (рис. 1), которые на продольных срезах имели слегка изогнутую волнистую S-образную форму, а на поперечных – вид арок. Диаметр призм, расположенных ближе к дентино-эмалевой границе, был (3,02 ± 0,30) мкм, что значительно меньше таковых в области поверхности зуба (5,45 ± 0,61) мкм. Основу эмали составляли крупные кристаллы гидроксиапатита, напоминающие вытянутые неправильные шестиугольники, между которыми сохранялись микропространства. Кристаллические структуры располагались упорядочено: в центральной части призмы лежали практически параллельно длинной оси, а в удаленных участках – веерообразно. Узкий периферический слой «оболочки» или «короны призмы» обладал меньшей электронной плотностью. В межпризменном веществе кристаллы лежали перпендикулярно кристаллам призм. Наружный слой – конечная эмаль – чрезвычайно вариабельный по строению: в одних участках обнаружены плотные беспризменные зоны, в других эмалевые призмы достигали самой поверхности зуба.
При сканирующей электронной микроскопии поверхность эмали представлена характерными образованиями в виде неровностей и мелких вдавлений (ямок), создающих структуру на подобии сот. Начальная эмаль – внутренний слой толщиной (7,50 ± 2,82) мкм – не содержала призм. В области дентино-эмалевого соединения встречались участки с большим содержанием белков и слабо минерализованными эмалевыми призмами: эмалевые пластинки, пучки и веретена.
Рис. 1. Эмаль (резец). Сканирующая электронная микрофотография (×1000)
Дентин коронки зуба содержал межклеточное вещество (обызвествленный матрикс), пронизанное канальцами (трубочками) (рис. 2).
Рис. 2. Дентин (резец). Сканирующая электронная микрофотография (×30 000)
В матриксе обнаружены коллагеновые волокна и протеогликаны, кристаллические структуры располагались либо между фибриллами, либо на их поверхности, реже – внутри волокон. Кристаллы в дентине мельче, чем в эмали, они различны по форме: игольчатые в околопульпарной зоне, пластинчатые ближе к дентино-эмалевому соединению. Слегка изогнутые дентинные канальца имели сложное ветвление, плотность их расположения уменьшалась в направлении от пульпы к дентино-эмалевому соединению. Расстояние между канальцами значительно варьировало и составляло от (5,35 ± 0,85) до (8,24 ± 1,85) мкм. Стенка канальцев образована более минерализованным перитубулярным дентином, в пространстве между ними располагался менее обызвествленный интертубулярный матрикс.
По результатам элементного анализа (табл.), содержание воды и органических веществ в дентине составило (12,21 ± 2,81), это достоверно выше, чем в эмали (4,94 ± 1,65).
Особенности распределения элементов в коронке зуба (резцы), %
Химический состав | Эмаль | Дентин |
Вода и органические вещества | 4,94 ± 1,65 | 12,21 ± 2,81* |
Na | 3,86 ± 0,07 | 3,93 ± 0,04 |
Mg | 1,21 ± 0,05 | 1,10 ± 0,04 |
P | 27,95 ± 2,03 | 29,05 ± 1,56 |
Ca | 62,17 ± 3,52 | 52,41 ± 2,36* |
К | 0,81 ± 0,06 | 1,30 ± 0,05 |
* p < 0,05 по сравнению дентина с эмалью.
Концентрация фосфора и кальция в твердых тканях зуба значительно превышает концентрацию других элементов. Количество кальция в эмали (62,17 ± 3,52) достоверно выше, чем в дентине (52,41 ± 2,36). Эмаль и дентин в незначительных количествах содержат и другие минеральные компоненты. Процентное содержание натрия, фосфора и калия в дентине несколько превышает содержание этих элементов в эмали, а магния, напротив, больше в эмали.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Эмалевые призмы имеют волнистую S-образную форму на продольных срезах и вид арок на поперечном сечении. Диаметр призм у дентино-эмалевой границы составляет (3,02 ± 0,30) мкм, в области поверхности зуба (5,45 ± 0,61) мкм. Начальная эмаль имеет толщину (7,50 ± 2,82) мкм и не содержит эмалевых призм. Дентинные канальца в коронке зуба слегка изогнуты и имеют сложное ветвление. Расстояние между дентинными канальцами варьирует от (5,35 ± 0,85) до (8,24 ± 1,85) мкм. Доказано, что содержание воды и органических веществ в дентине достоверно выше, чем в эмали. Процентное содержание натрия и калия больше в дентине, а концентрация магния выше в эмали.
About the authors
Tatyana V. Pavlova
First St. Petersburg State Medical University named after Academician I.P. Pavlov
Email: tvmolgun@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2360-2875
Doctor of Medical Sciences, Professor of the Department of Histology, Embryology and Cytology
Russian Federation, St. PetersburgLyubov A. Pavlova
Medical Institute; Belgorod State National Research University
Email: Lpavlova1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5537-2157
Doctor of Medical Sciences; Professor of the Department of Pathology
Russian Federation, BelgorodOksana M. Pavlova
First St. Petersburg State Medical University named after Academician I.P. Pavlov,
Email: ompavlova@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0008-7888-0921
Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Histology Embryology and Cytology
Russian Federation, St. PetersburgKhseino Hazem
Medical Institute, Belgorod State National Research University
Author for correspondence.
Email: Hossino@bsu.edu.ru
Postgraduate student of the Department of General Practice Dentistry
Russian Federation, BelgorodVseslav Yu. Novikov
Belgorod State National Research University
Email: novikov_v@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7734-0535
Researcher at the Center for Collective Use "Technologies and Materials"
Russian Federation, BelgorodAnton N. Kaplin
Kursk State Medical University
Email: drkaplin46@gmail.com
Candidate of Medical Sciences, Associate Professor of the Department of Pathological Anatomy
Russian Federation, KurskAnastasia V. Tverskaya
Belgorod State National Research University Medical Institute
Email: tverskaya@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2663-8569
Candidate of Medical Sciences, Associate Professor of the Department of Human Anatomy and Histology
Russian Federation, BelgorodMaria A. Zatolokina
Kursk State Medical University; I.S. Turgenev Oryol State University
Email: marika1212@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9553-1597
Doctor of Medical Sciences, Professor of the Department of Histology, Embryology, Cytology; Head of the Department of Histology, Cytology and Embryology
Russian Federation, Kursk; OrelReferences
- Pavlova T.V., Peshkova E.K., Kolesnikov D.A. Clinical observations and analysis of the dental status of patients with thyroid diseases. Fundamental’nye issledovaniya = Fundamental research. 2012;4(1):97–100. (In Russ.).
- Pavlova T.V., Peshkova E.K., Markovskaya V.A. et al. New morphofunctional approaches to the study of hard dental tissues in thyroid pathology. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya Meditsina. Farmatsiya. 2013;21(1):90–94. (In Russ.).
- Antonova I.N., Goncharov V.D., Kipchuk A.V., Bobrova E.A. Peculiarities of the morphological structure of the inorganic component of human dental enamel and dentin at the nano-level. Morfologiya = Morphology. 2014;146(5): 52–56. (In Russ.).
- Goncharov V.D., Antonova I.N., Kipchuk A.V., Skoro-bogatova A.I. Methods for morphological and morphometric analysis of the surface of human tooth enamel using atomic force microscopy. Morfologiya = Morphology. 2016;150(5): 71–76. (In Russ.).
- Vagner V.D., Konev V.P., Korshunov A.S., Kuryatni-kov K.N., Skurikhina A.P. Study of the human enamel prisms maturation nature in different periods of postpartum ontogenesis by atomic force microscopy. Stomatologiya= Stomatology. 2021;100(3):19–24. (In Russ.).
- Shumilovich B.R., Vorobyova Yu.B., Malykhina I.E., Chertovskikh A.V. Modern ideas about the crystal structure of hydroxyapatite and the processes of age-related changes in tooth enamel (in vitro study). Zhurnal anatomii i gistopatologii = Journal of Anatomy and Histopathology. 2015;4(1):77–86. (In Russ.).
- Vagner V.D., Korshunov A.S., Kuryatnikov K.N. et al. The nature of metabolic processes in human dental hard tissues depending on their morphological structure. Stomatologiya = Stomatology. 2022;101(6):7–13. (In Russ.). doi: 10.17116/stomat20221010617.
- Kunin A.A., Moiseeva N.S., Kunin D.A. Micro- and ultrastructure of tooth enamel and its importance for the prevention of caries. Stomatologiya detskogo vozrasta i profilaktika = Pediatric dentistry and dental prophylaxis. 2017;2(61):4–8. (In Russ.).
- Leontyev V.K., Shestel I.L., Pedder V.V. et al. Ultra-structure and topographic characteristics of the capillary-porous space of intact tooth enamel. Institut stomatologii = The dental institute. 2021;4(93):106–108. (In Russ.).
- Seredin P.V., Ippolitov Y.A., Ippolitov I.Y. et al. Morphology of the human dental enamel. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2014;16(2):142–146.
Supplementary files
