氟斑牙釉质梯度纳米力学行为的研究

介绍

氟斑牙是在牙齿发育和矿化过程中，由于从水、食物和空气等各种来源摄入过量氟化物而引起的牙齿畸形[1, 2]。氟化物的区域性集中和广泛应用氟化物预防龋齿导致了这种畸形的高发。在一些高氟地区，氟斑牙的发病率高达 80-90% [3, 4]。氟斑牙的特征是存在影响牙齿外观和功能的白垩状、不透明斑块或牙齿缺陷（图 1a）。这种情况可能进一步导致严重的心理负担和社会化障碍[5]。氟斑牙患者通常需要修复以恢复其牙齿外观和功能 [6, 7]。牙齿修复体的机械和摩擦学特性与相对牙釉质的机械和摩擦学特性的匹配对于获得良好的临床结果非常重要 [8, 9]。材料特性之间的不匹配会导致对侧天然牙或修复体本身过度磨损 [10, 11]。因此，有必要深入研究氟斑牙牙釉质的微观结构、纳米力学性能和纳米摩擦学性能，以选择合适的修复材料[12]。

氟斑牙的照片。 一 轻度氟斑牙的口内照片显示白垩、不透明斑块，严重氟斑牙显示白垩、不透明斑块和牙齿缺损。 b 提取轻度氟斑牙。 c 拔牙重度氟斑牙

牙釉质的最外层保护牙本质和活髓免受口腔环境的影响。牙釉质应该能够在个人的整个生命周期中承受数百万次循环的咀嚼力 [13,14,15]。它必须表现出优异的机械性能，以消散牙齿中的应力并防止裂纹萌生 [12]。鉴于牙釉质的微观结构和成分从外牙釉质向牙釉质-牙本质连接处 (EDJ) 变化，天然牙釉质表现出梯度力学行为 [15,16,17,18]。长期接触高浓度氟化物会导致牙釉质的结构变化并导致氟斑牙 [19,20,21]。这些变化通常伴随着牙釉质机械性能的改变 [22,23,24]。希勒等人。 [22] 和 Suckling 等人。 [23] 使用动物模型来研究氟斑牙釉质的力学行为。范等人。 [24] 研究了人类轻度氟斑牙釉质的力学行为。然而，迄今为止，氟斑牙釉质的梯度纳米力学行为仍不清楚。此外，氟斑牙修复材料的选择标准也比较模糊。因此，本研究调查了轻度氟斑牙釉质和重度氟斑牙釉质的梯度纳米力学行为。将四种不同修复材料的纳米摩擦学特性与氟斑牙釉质外层的纳米摩擦学特性进行比较。本研究结果将指导氟斑牙修复材料的临床选择和开发。

材料和方法

总共收集了 30 颗无龋前磨牙（10 颗正常牙齿，10 颗轻度氟斑牙显示白垩质、不透明斑块 [图 1b] 和 10 颗严重氟斑牙显示白垩、不透明斑块和牙齿缺损 [图 1c]） .捐赠者的年龄从 19 岁到 25 岁不等。所有氟斑牙捐赠者都生活在氟浓度高的地区。研究方案经华西医院伦理委员会批准。拔牙后，将牙齿储存在 4°C 的 Hank 平衡盐溶液（HBSS，Solarbio，北京，中国）中，以防止样品制备前脱水和脱矿质。所有样品均在提取后 1 周内进行测试。

样品准备

通过使用高速切割机（Struers Minitom，Struers，Denmark）与金刚石磨料切割轮（Struers，Denmark）在水灌溉下以 300 rpm 运行，将牙冠与牙根分离。然后将牙冠切成两半并嵌入环氧树脂（EpoFix，Struers，Denmark）中，暴露其纵向截面。冠的一半用于纳米压痕测试，另一半用于纳米划痕测试。每种修复材料的五个样品 (4 mm × 4 mm × 2 mm) [二硅酸锂玻璃陶瓷 (IPS e.max CAD) (Ivoclar Vivadent AG)、聚合物渗透陶瓷网络 (PICN) (Vita Zahnfabrik, Bad Sackingen , 德国)、复合树脂块 (Lava™ Ultimate) (3M ESPE, Seefeld, Germany) 和传统复合树脂 (Fltek™ Z350XT) (3M ESPE, MN, USA)]。样品依次抛光，从#800 目 SiC 纸（碳化硅纸，Struers）开始，然后使用越来越细的磨料，直到 #4000 目。此后，将样品用 3 μm 和 0.04 μm 磨料颗粒溶液（OP-S NonDry，Struers，Denmark）和水基抛光。最后，将样品超声清洗 15 秒。在这项研究中，牙釉质分为三层，即外牙釉质，与咬合面的最大距离最多为 100 μm；中间牙釉质，位于咬合面和 EDJ（中间牙釉质）之间的中间；和内牙釉质，它与 EDJ（内牙釉质）的最大距离最多为 100 微米 [25]。

纳米压痕测试

通过使用具有 Berkovich 金刚石压头（~ 150 nm 的标称半径）的纳米压痕装置（Triboindenter TI950，Hysitron，美国）进行纳米压痕测试。为了准确定位牙釉质的不同区域，纳米压痕系统配备了原位扫描探针显微镜（SPM）。压痕是在 2000 μN 的施加载荷和 30 秒的保持时间下进行的。加载和卸载速率为 400 μN/s。在正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙的每一牙釉质层上进行50个压痕。压痕之间的距离设置为超过 5 微米。降低的弹性模量和纳米硬度是通过传统的 Oliver 和 Pharr 方法测量的 [26, 27]。记录保持时间前后的接触位移。然后，通过在最大载荷下保持期结束时的穿透深度减去保持时间开始时的初始深度来计算变化的位移。改变位移用于评估纳米压痕蠕变响应。

纳米划痕测试

纳米划痕测试是使用纳米划痕装置（Triboindenter TI950，Hysitron，美国）和锥形金刚石压头（标称半径为~ 1 μm）（Hysitron Triboscope，MN，USA）进行的。在 1000 μN 的负载下以 0.5 μm/s 的速率和 10 μm 的划痕长度施加划痕。在正常牙釉质、轻度氟斑牙釉质和重度氟斑牙釉质以及修复材料的每一层釉质上施加五十个划痕。划痕之间的距离设置为超过 5 微米。纳米划痕试验结束后，系统记录摩擦系数、纳米划痕深度和宽度。

统计分析

使用SPSS 18.0进行统计分析。单向方差分析和学生的 t 进行了测试以分析数据。一个 p 小于 0.05 的值被认为具有统计学意义。

SEM观察

采用场发射枪扫描电子显微镜（SEM）（INSPECT F，捷克共和国）研究了正常牙、轻度氟斑牙和重度氟斑牙的三层牙釉质层的微观结构。

结果与讨论

氟斑牙釉质的微观结构和梯度纳米力学行为

正常牙、轻度氟斑牙和重度氟斑牙三层牙釉质层的显微结构如图2所示。正常牙的外、中牙釉质棒直径均匀，呈直立排列（图2）。 2a，d），而它们的内部珐琅棒呈现出起伏或编织的图案（图 2g）。在轻度氟斑牙中，在外牙釉质上观察到少量孔隙（图 2b 中的白色圆圈），但它们的中层和内层（图 2e、h）呈现出与正常牙齿相似的微观结构。严重氟斑牙的外部牙釉质棒的结构特征是牙釉质棒之间的间隙变宽（图 2c 中的绿色箭头）和许多孔（图 2c 中的白色圆圈）。釉质棒中的晶体松散排列，晶体间隙和微孔增加（图 2c 中的红色箭头）。在中间层也发现了少量孔隙（图 2f 中的白色圆圈）。重度氟斑牙的内牙釉质结构与正常牙齿相似（图2i）。与正常牙齿相比，轻度氟斑牙的外牙釉质与重度氟牙症的外中牙釉质的微观结构存在显着差异，这可能归因于两个因素[28,29,30,31]。一个因素是在青春期牙釉质的正常形成过程中过量摄入氟化物的干扰。该过程导致基质蛋白过度保留、釉质棒矿化不足和釉质棒的松散结晶排列 [28,29,30]。另一个因素是过量摄入氟化物引起的羟基磷灰石晶体的化学变化。当氟元素取代羟基磷灰石晶体中的羟基时形成氟磷灰石[31]。

正常牙釉质、轻度氟斑牙釉质和重度氟斑牙釉质的SEM图像。 a –c 外层，d –f 中间层和 g –我 内层用 37% 磷酸蚀刻 30 秒，然后在× 5000 放大倍数下观察。绿色箭头表示搪瓷棒之间的间隙扩大，而白色圆圈表示孔隙。红色箭头表示釉棒中晶体排列松散，晶体间隙增大，微孔增多

在正常牙釉质中，纳米硬度和弹性模量从外层到内层降低（图 3），而变化的位移从外层到内层增加（图 4）。牙釉质棒和化学成分的取向导致从牙釉质的外层到内层的梯度纳米力学性能 [32,33,34]。正常牙釉质呈现复杂的层次结构 [18, 35]。外部搪瓷棒是直的并且彼此平行排列，而内部搪瓷棒在交替的“带”内延伸[36]。在咀嚼过程中，应力沿直立杆（外牙釉质）延伸，直到可用能量被交叉牙釉质（内牙釉质）排出或偏转[36]。牙釉质由 96% 的矿物材料、1% 的有机蛋白质和 3% 的水组成，按重量计，有机蛋白质含量从外釉质到 EDJ [37]。牙齿的有机成分促进抗疲劳反应并有助于抑制裂纹 [38, 39]，并且有机蛋白的韧带桥的形成也促进闭合应力 [40]。由于其微观结构的差异（图 2）和增加的有机物含量 [41]，氟斑牙釉质显示出与正常牙釉质不同的梯度纳米力学行为。轻度氟斑牙牙釉质的纳米硬度和弹性模量从外层到中层增加，然后从中层到内层降低（图3）。轻度氟斑牙釉质外层位移变化（7.70 ± 2.71 nm）明显大于正常牙釉质（p <0.05），变化的位移从外层到中层逐渐减小，然后从中层到内层略有增加（图4）。对于重度氟斑牙釉质，纳米硬度和弹性模量由外层向内层增加。氟斑牙重度牙釉质外层纳米硬度（2.04 ± 0.89GPa）和弹性模量（46.63 ± 11.19GPa）均低于中层，内层在各层中最高（p <0.05)（图 3）。重度氟斑牙牙釉质的位移变化由外层向内层递减，外层位移变化（11.50 ± 3.77 nm）大于中层（8.79 ± 2.24 nm）。在各层中，内层的位移最小(p <0.05)（图 4）。

正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙釉质层的纳米力学特性。 一 纳米硬度。 b 弹性模量。相同符号表示正常牙釉质、轻度氟斑牙釉质和重度氟斑牙釉质相应层的纳米硬度和弹性模量无显着差异

正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙的牙釉质层的纳米压痕蠕变行为。相同符号表示正常牙釉质、轻度氟斑牙釉质和重度氟斑牙釉质相应层间纳米压痕蠕变行为无显着差异

正常牙、轻度氟斑牙和重度氟斑牙三层牙釉质的摩擦系数如图5所示，正常牙牙釉质的摩擦系数由外层向内层增加。在轻度氟斑牙釉质中，摩擦系数由外层向中层递减，然后由中层向内层递增。在重度氟斑牙釉质中，外层（0.25 ± 0.044）和中层（0.18 ± 0.025）的摩擦系数显着大于轻度氟斑牙和正常牙釉质的摩擦系数（p <0.05)。此外，重度氟斑牙牙釉质的摩擦系数由外层向内层降低（p <0.05).

正常牙、轻度氟斑牙和重度氟斑牙釉质层的摩擦系数

正常牙、轻度氟斑牙和重度氟斑牙三层牙釉质的纳米划痕深度和宽度如图6所示。正常牙釉质表现为纳米划痕深度和宽度从外层到内层逐渐增加（图6）。 .6a)，而轻度氟斑牙釉质显示纳米划痕深度和宽度，从外层到中间层减小，然后从中间层到内层增加（图 6b）。重度氟斑牙釉质的纳米划痕深度和宽度的变化与正常牙釉质的差异显着。具体而言，纳米划痕的深度和宽度从重度氟斑牙釉质的外层到内层逐渐减小（图 6c）。

正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙的牙釉质层上的纳米划痕轨迹轮廓。 一 正常牙釉质。 b 轻度氟斑牙釉质。 c 重度氟斑牙釉质

正常牙釉质的耐磨性从外层到内层降低，这种行为与先前研究中观察到的行为一致 [42,43,44]。过量的氟化物会在牙釉质表面形成类似氟化物的沉积物并降低耐磨性 [3, 45, 46]。本研究中，重度氟斑牙牙釉质的外中层和轻度氟斑牙牙釉质的外层耐磨性显着低于正常牙釉质。杆间牙釉质比牙釉质杆含有更多的蛋白质，作为缓冲层吸收和分散牙齿上的压力，影响牙釉质的耐磨性[43]。过量的氟化物摄入会导致氟斑牙牙釉质的牙釉质棒形成不足和基质蛋白过度滞留在氟斑牙牙釉质中[28,29,30,31]，这两者都会显着影响氟斑牙牙釉质的耐磨性。

了解氟斑牙不同层的纳米力学和纳米摩擦学特性是本研究的重要贡献，因为了解这些特性有助于指导选择合适的修复材料用于临床实践，并促进牙科修复材料的发展.氟斑牙釉质呈现出与正常牙釉质不同的独特梯度纳米力学行为。因此，氟斑牙牙釉质修复材料的选择标准与正常牙釉质的选择标准不同。应选择纳米力学和纳米摩擦学性能相匹配的修复材料来修复不同层的氟斑牙釉质。

氟斑牙正常和异常牙釉质棒的纳米力学特性

重度氟斑牙牙釉质的纳米硬度和弹性模量从外层到内层增加，而变化的位移从外层到内层减少。随后进行了深入分析，以解决在严重氟斑牙釉质中观察到的纳米硬度和弹性模量的大标准偏差。重度氟斑牙的牙釉质外层和中层牙釉质层根据其牙釉质棒的特点可分为正常和异常牙釉质棒两种类型（图7）。某些牙釉质棒（即严重氟斑牙中的正常牙釉质棒）看似完整，但显示出排列松散的晶体结构和众多微孔（图 7）。另一部分牙釉质棒（即重度氟斑牙中的异常牙釉质棒）的特征是有许多孔（图 7 中的白色圆圈）。在本研究中，重度氟斑牙牙釉质的外层和中层呈现出比天然牙釉质相应层更低的纳米硬度和弹性模量以及更高的蠕变变形，尤其是在外层。在重度氟斑牙釉质外层，正常和异常牙釉质棒的纳米硬度和弹性模量均较低，位移变化较大；相比之下，异常牙釉质棒中的相应特征更大（图 8）。研究表明，氟斑牙的严重程度与牙齿纳米力学性能的变化有关 [22, 23]。这一发现表明异常的搪瓷棒受到过量氟元素的严重影响。鉴于在严重氟斑牙中观察到微观结构变化和较差的纳米力学和纳米摩擦学性能，通常需要修复以防止在咀嚼过程中连续磨损导致垂直距离减少。

氟斑牙牙釉质外层正常和异常牙釉质棒的 SEM 图像。在用 37% 的磷酸蚀刻 30 秒后，在× 20,000 的放大倍数下观察微观结构。绿色箭头表示搪瓷棒之间扩大的间隙，而白色圆圈表示孔隙。红色箭头表示釉棒中晶体排列松散，晶体间隙增大，微孔增多

严重氟斑牙正常和异常牙釉质棒的纳米力学特性。 一 正常牙釉质棒、异常牙釉质棒和牙棒间牙釉质在重度氟斑牙外牙釉质的SPM图像中标记。 b 纳米硬度。 c 弹性模量。 d 纳米压痕蠕变行为

适合氟斑牙临床修复的牙科材料

将正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙的外层纳米划痕深度和宽度与四种修复材料的纳米划痕深度和宽度进行比较（图 9）。虽然 IPS e.max CAD 呈现最低的纳米划痕深度和宽度，但 Vita Enamic，聚合物浸润陶瓷网络 (PICN) 显示出与正常牙釉质外层相似的纳米划痕深度和宽度。复合树脂块 Lava™ Ultimate (LUV) 的纳米划痕深度和宽度与轻度氟斑牙釉质外层的纳米划痕深度和宽度相似，而常规复合树脂 Fltek™ Z350XT (Z350) 的纳米划痕深度和宽度更高比轻度氟斑牙牙釉质外层的那些。在测试的样品中，重度氟斑牙牙釉质的外层呈现出最大的纳米划痕深度和宽度。

正常牙齿、轻度氟斑牙和重度氟斑牙以及四种修复材料的外牙釉质上的纳米划痕轨迹轮廓。正常牙釉质 (NTE)、轻度氟斑牙釉质 (MFE)、重度氟斑牙釉质 (SFE)、IPS e.max CAD (IPS)、聚合物浸润陶瓷网络 (PICN)、Lava™ Ultimate (LVU) 和Fltek™ Z350XT (Z350)

前牙的氟斑牙会影响牙齿的外观，严重的氟斑牙和后牙的牙齿缺损会对咀嚼产生负面影响 [5]。通常需要修复体，例如牙冠、嵌体或高嵌体，以修复因氟斑牙而受损的牙齿 [6, 7]。修复材料的机械性能与相对的牙釉质的机械性能相匹配对于防止天然牙釉质或应用材料本身的过度磨损尤为重要 [8,9,10,11]。陶瓷因其高生物相容性和与天然牙釉质相似的美学而被广泛用作修复材料 [47]。然而，陶瓷具有高耐磨性，这会导致相对的天然牙釉质过度磨损 [47, 48]。耐磨性低的材料，如 PICN 和复合树脂块，已被开发作为陶瓷的替代品 [48, 49]。 PICN表现出与正常牙釉质外层相似的耐磨性。因此，当对侧牙齿是正常牙齿时，PICN 是合适的修复材料。然而，需要修复的氟斑牙中的对侧牙齿可能呈现轻度氟斑牙。在这种情况下，需要具有类似于轻度氟斑牙釉质的纳米摩擦学特性的材料来修复氟斑牙。常规复合树脂，如Z350，其耐磨性低于轻度氟斑牙外层；这种特性可能会导致修复材料的磨损增加。复合树脂块，如 LUV，是在高温高压下制造的，具有优于传统复合树脂的机械性能 [50]。在本研究中，复合树脂块显示出与轻度氟斑牙釉质外层相似的耐磨性。该特性意味着该材料适合用作氟斑牙的修复材料。由于氟斑牙牙釉质的纳米力学行为决定了修复材料的选择，因此应为氟斑牙应用合适的材料以达到更好的临床效果。因此，应进一步研究氟斑牙牙釉质的纳米力学行为，进一步开发新型修复材料。

结论

根据我们的分析结果，可以得出以下结论：

1. 1.

   氟斑牙牙釉质的微观结构和梯度纳米力学行为与正常牙釉质的显着不同。轻度氟斑牙釉质外层与重度氟斑牙釉质外层和中层存在差异。

2. 2.

   氟斑牙牙釉质中可观察到正常和异常的牙釉质棒。特别是氟斑牙牙釉质中异常牙釉质棒的微观结构与正常牙釉质棒的显微结构存在显着差异。具体而言，异常搪瓷棒的纳米硬度和弹性模量低于正常搪瓷棒，但蠕变变形更大。

3. 3.

   复合树脂块的耐磨性与轻度氟斑牙釉质外层相似。因此，与陶瓷相比，复合树脂块是一种更合适的氟斑牙修复材料。

缩写

EDJ：

釉质-牙本质交界处

IPS：

IPS e.max CAD

LVU：

Lava™ 终极版

MFE：

轻度氟斑牙釉质

NTE：

正常牙釉质

PICN：

聚合物浸润陶瓷网络

SEM：

扫描电镜

SFE：

重度氟斑牙釉质

SPM：

扫描探针显微镜

Z350：

Fltek™ Z350XT