Experimental evaluation of the galvanophoretic dentin nanoimpregnation for recurrent caries prevention

Full Text

Список сокращений

ГМК – гидроксид меди-кальция.

ВВЕДЕНИЕ

Распространенность кариеса зубов у взрослого населения составляет 95–99% [1]. Достаточно высока и распространенность рецидивирующего кариеса, которая варьирует от 13% до 35% [2–5].

Рецидивы кариеса возникают прежде всего в результате деструкции органических субстанций дентина под влиянием микробной биопленки, оставшейся как в необработанных участках дна и стенок полости, так и в глубине дентинных канальцев [6, 7]. Клинический опыт показывает, что ни применение кариес-индикаторов, ни использование высокоактивных ирригационных растворов, ни лазерное или ультразвуковое воздействия не гарантируют надежной профилактики персистенции микрофлоры в дентинных канальцах, где она может находиться на глубине от нескольких микрометров до десятков микрометров [8]. Таким образом, для профилактики кариеса под реставрациями должны использоваться материалы, оказывающие выраженное пролонгированное бактерицидное действие [9].

Уникальные свойства наноматериалов и биологическая активность частиц в размерном диапазоне от 1 до 100 нм уже сейчас используются в медицине, микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической и пищевой промышленности [10]. В стоматологии одним из хорошо зарекомендовавших себя и разрешенных к применению нанопрепаратов является гидроксид меди-кальция (гидроксокупрат кальция, ГМК), имеющий химическую формулу Ca[Cu(OH)4]. Он обладает высокоактивным противомикробным и обтурирующим действиями [11]. В водной суспензии препарат представлен агрегатами микрочастиц размерами 40–60 мкм. Такие агрегаты в свою очередь образованы сферическими частицами, образующимися путем коалесценции кристаллогидратов оксида меди (II) и оксида кальция, имеющих средний размер 12±3,2 нм [12].

В эндодонтии при лечении апикального периодонтита успешно используются методики применения ГМК: депофорез, гальванофорез, пассивная наноимпрегнация. С их помощью удается осуществлять деконтаминацию пространств в дентине корня зуба на достаточной глубине, что позволяет предупредить рецидив заболевания и существенно повысить эффективность эндодонтического лечения [13]. При этом применение препаратов ГМК для профилактики возникновения рецидивирующего кариеса до сих пор изучено недостаточно.

В эксперименте, благодаря оптическим свойствам меди, с помощью высокочувствительного светового микроскопа возможно зарегистрировать наличие высокодисперсных частиц, содержащих медь, в дентине на глубине до 500 мкм, в концентрации более 0,2%. Анализируя эти данные, можно прогнозировать антибактериальный эффект наноимпрегнации дентина зуба ГМК, в том числе при лечении глубокого кариеса.

ЦЕЛЬ

Экспериментальная оценка степени импрегнации дентина дна механически обработанных кариозных полостей зубов наночастицами препарата гидроксида меди-кальция под влиянием гальванофореза для профилактики рецидивирующего кариеса.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследование провели на 21 зубе, удаленном по различным врачебным показаниям, с сопутствующим диагнозом по МКБ-10 «К02.1 – кариес дентина». Глубина кариозных полостей в области всех зубов была одинаковой, характерной для глубокого кариеса. Течение кариеса было хроническим. Механическую обработку осуществляли с помощью зубоврачебных боров, согласно принятым в России клиническим рекомендациям по лечению кариеса. При этом размягченный пигментированный дентин убирали и полости препарировали до плотного дентина, когда кончик зубоврачебного зонда не увязал в нем, а легко скользил по дну. После механической обработки зубы помещали в лабораторную модель. Полости промывали физиологическим раствором и высушивали воздухом. Затем на дно полостей помещали пасту ГМК слоем толщиной не более 1 мм, которую сверху покрывали алюминиевой фольгой, устанавливали дренаж из хлопчатобумажной нити и изолировали временными пломбами из стеклополиалкенатного цемента. В качестве препарата ГМК использовали «Купрал»® (Humanchemie GmbH, Германия).

Лабораторная модель представляла собой пластиковую ванночку с физиологическим раствором и меламиновой губкой, в которую помещали удаленные зубы с препарированными полостями так, чтобы они до уровня шеек были погружены в физиологический раствор (рисунок 1А). Концы дренажных нитей, выходящие из-под временных пломб, также погружали в физиологический раствор. Таким образом осуществляли гальванофорез ГМК в дентин дна полостей разных зубов в течение 1, 14 и 30 суток. По окончании этих периодов зубы извлекали из модели, удаляли временные пломбы, фольгу и остатки ГМК. Затем с помощью тонких алмазных боров получали спилы коронковых частей зубов в области сформированных полостей толщиной 300–500 мкм (рисунок 1В). Спилы подвергали электронно-микроскопическому исследованию с целью оценки глубины импрегнации дентина ГМК относительно дна полостей в зубах, а также качественную и количественную оценку перемещения заряженных частиц ГМК в дентинные канальцы зубов под влиянием гальванического тока.

 

Рисунок 1. Экспериментальная лабораторная модель (А), спилы зубов с кариозными полостями (В).

 

Просвечивающую электронную микроскопию препаратов проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа LEO 912 5 ABOMEGA (Karl Zeiss) с энергетическим фильтром и системой Келлера (ускоряющее напряжение: 60, 80, 100, 120 кВ, область освещения: 1–75 мкм, апертура освещения – 0,02–5 миллирадиан, разрешение по энергии упругого рассеивания – 1,5 эВ, область измерения энергии неупругого рассеивания – 0–2500 эВ).

Статистический анализ включал вычисление из вариационных рядов среднего диаметра частиц ГМК, средней массовой концентрации частиц в исследуемом препарате, средней глубины обнаружения в дентине максимальной массовой концентрации частиц, среднего значения максимальной глубины проникновения частиц препарата в дентин, а также средней концентрации частиц в образцах на этих двух уровнях. Данные представлены в формате М±m. Для сравнения данных показателей в экспериментальных группах применяли критерий Стъюдента или критерий Манна – Уитни, в зависимости от характеристик распределения данных.

Кроме того, по результатам электронно-микроскопического исследования рассчитывали коэффициент диффузии (D) и скорость диффузии (õ), которые определяли по формулам Дайнеса – Баррера на отрезке от дна полости в зубе до спектра исследования в глубине дентина, где электронный микроскоп регистрировал медь-содержащие частицы в концентрации более чем 0,2%.

$D=\frac{x^2}{\left(6·t\right)}, мк{м}^2/сутки v=\frac{x}{t}, мкм/сутки$ (1)

где x – глубина импрегнации дентина, мкм; t – время импрегнации дентина, сутки.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При визуализации с помощью просвечивающего электронного микроскопа в составе препарата гидроксида меди-кальция «Купрал»® обнаружены частицы размером 277±22,6 нм (рисунок 2). Среднее значение массовой концентрации (С, %) высокодисперсных частиц, содержащих медь, в препарате составило 10,3%. Эта концентрация впоследствии являлась исходной для расчетов распределения частиц от границы дна кариозных полостей.

 

Рисунок 2. Результаты просвечивающей электронной микроскопии (А) и рентгенофлуоресцентного элементного анализа (В) препарата «Купрал»®.

 

При проведении гальванофореза пасты «Купрал»® в течение одних суток максимальная массовая концентрация выявляемых высокодисперсных частиц, содержащих медь, была зарегистрирована на глубине 1,8±0,05 мкм от дна полостей и составила 1,2%, при средней концентрации 0,75±0,08%. Максимальная глубина проникновения и визуализация высокодисперсных частиц, содержащих медь, в количестве 0,3% в образцах составила 10,1±0,22 мкм (рисунок 3А). Согласно расчетам, коэффициент диффузии (D) был равен 17,0±0,18 мкм²/сутки, а ее скорость (õ) – 10,1±0,11 мкм/сутки.

 

Рисунок 3. Примеры электронных микрофотографий спилов зубов после проведения процедур гальванофореза препарата «Купрал»® в течение А – одних суток, В – 14 суток, С – 30 суток.

 

При проведении гальванофореза пасты «Купрал»® в течение 14 суток максимальная концентрация высокодисперсных частиц, содержащих медь, (2,0%) была зарегистрирована на глубине 0,4±0,04 мкм, а наиболее отдаленная точка проникновения при концентрации 0,3% была зафиксирована на глубине 19,3±0,27 мкм (рисунок 3В). Коэффициент диффузии (D) составил 4,4±0,05 мкм²/сутки, скорость диффузии (õ) – 1,4±0,07 мкм/сутки.

При проведении гальванофореза пасты «Купрал»® в течение 30 суток максимальная концентрация высокодисперсных частиц, содержащих медь, составила 1,9% на глубине 5,0±0,03 мкм, при средней концентрации 0,8±0,06%. Максимальная глубина проникновения и визуализация частиц при концентрации 0,4% в образцах составила 30,0±0,54 мкм (рисунок 3С). Коэффициент диффузии (D) составил 0,2±0,03 мкм²/сутки, скорость диффузии (õ) – 1,0±0,02 мкм/сутки.

На рисунке 4 приведены графики зависимости концентрации высокодисперсных частиц, содержащих медь, в дентине кариозных полостей зубов от длительности гальванофоретической наноимпрегнации. Сравнительный статистический анализ значений, полученных в разные сроки гальванофоретической наноимпрегнации (1, 14 и 30 суток), продемонстрировал существенное значимое различие между показателями глубины обнаружения в дентине дна кариозных полостей максимальной концентрации высокодисперсных частиц, содержащих медь (1,8; 0,4 и 5,0 мкм соответственно, р<0,001). Столь же выраженные различия были обнаружены и между средними показателями максимальной глубины проникновения препарата в дентин (10,1; 19,3 и 30,0 мкм соответственно срокам наноимпрегнации, р <0,001).

 

Рисунок 4. Концентрация высокодисперсных частиц, содержащих медь, в дентине зубов на различной глубине при проведении гальванофореза пасты «Купрал»® в течение различного времени: кривая красного цвета – 1 сутки, кривая желтого цвета – 14 суток, кривая фиолетового цвета – 30 суток.

 

Расчет коэффициентов диффузии в разные сроки гальванофоретической наноимпрегнации показал, что их значения существенно уменьшаются с течением времени. Такое снижение средних показателей D относительно первых суток составило 3,9 раза к 14 суткам и 85 раз к 30 суткам (р <0,001). Соответственно и средние показатели скорости импрегнации к 14 суткам уменьшились в 7,2 раза, а к 30 суткам – в 10,1 раза (р <0,001).

ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе исследования установлено, что под воздействием гальванического тока препарат гидроксида меди-кальция проникает в толщу дентина по дентинным канальцам. Максимальная глубина проникновения, зарегистрированная в настоящем исследовании, составила 30 мкм. Учитывая создание максимальной массовой концентрации 10,3% высокодисперсных частиц, содержащих медь, в области дна полостей и постепенное ее уменьшение до 2%, можно предположить, что проникновение частиц со средним размером 277±22,6 нм происходит как под влиянием гальванического тока, так и за счет градиента концентрации. Но постепенно процесс тормозится вследствие кристаллизации препарата и образования частиц большего размера, имеющих соответственно меньшую диффузионную способность. Четко определена средняя зона импрегнации дентина высокодисперсными частицами, содержащими медь, характерная для всех образцов с разными сроками гальванофореза, – это зона от 2 до 6 мкм от дна полостей.

Было выявлено, что в течение первых суток наблюдается максимальное насыщение дентина высокодисперсными частицами, содержащими медь. В этот период коэффициент диффузии частиц максимален и составляет в среднем 7,2±0,07 мкм²/сутки. Далее скорость импрегнации дентина частицами уменьшается, теряется их способность проникать в дентинные канальцы и в последующем диффузия практически прекращается. Таким образом, можно предположить, что терапевтический эффект при проведении гальванофореза ГМК в области дна кариозной полости может быть достигнут уже по истечении первых суток экспозиции.

Учитывая диаметр дентинных канальцев в области дна полостей – около 0,5 мкм и его постепенное увеличение до 2–3 мкм в зоне околопульпарного дентина [14], можно предположить, что возможна импрегнация дентина на бо´льшую глубину, при условии, что препарат ГМК не будет образовывать крупные конгломераты кристаллов из-за увеличения в этом случае количества дентинной жидкости. Возможным вариантом замедления кристаллизации частиц может быть добавление к препарату ГМК гидрозоля наночастиц меди или серебра размерами 1–5 нм. Известно, что, образуя с заряженными частицами ГМК комплексные структуры, они могут многократно повышать их кинетическую энергию [12]. Однако и обнаруженные в ходе настоящего исследования находки позволяют говорить о том, что наноимпрегнация дентина в области дна кариозной полости способна надежно обтурировать дентинные канальцы в этой зоне, оказывая выраженное пролонгированное противомикробное действие, аналогичное таковому в случаях эндодонтического лечения зубов с применением методов наноимпрегнации дентина корня [15]. Поэтому можно надеяться, что, будучи подтвержденной в клинических исследованиях, описанная методика может использоваться как вариант выбора с целью профилактики рецидивирующего кариеса зубов, особенно при наличии глубоких полостей.

ВЫВОДЫ

1. При проведении гальванофореза препарата гидроксида меди-кальция «Купрал»® импрегнация дентина в области дна кариозной полости зуба высокодисперсными частицами, содержащими медь, происходит уже в течение первых суток. При этом глубина проникновения частиц препарата достигает 10,1 мкм.
2. При увеличении длительности гальванофореза «Купрала»® до 14 суток происходит увеличение как глубины проникновения частиц в дентин (с 10,1 до 19,3 мкм), так и массовой концентрации высокодисперсных частиц, содержащих медь, на границе импрегнации (с 1,2 до 2%). Максимальная глубина проникновения частиц в дентин (до 30 мкм) наблюдается при длительности гальванофореза в течение 30 суток.
3. Максимальные значения коэффициента диффузии (D) и ее скорости (õ) регистрируются по истечении первых суток проведения гальванофореза. При увеличении времени гальванофореза до 14 и 30 дней эти показатели снижаются.

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

About the authors

Aleksandra R. Bessudnova

Tver State Medical University

Author for correspondence.
Email: bessudnova.aleksa@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9565-7133

a postgraduate student of the Department of Periodontology

Russian Federation, Tver

Vitalii A. Rumyantsev

Tver State Medical University

Email: rumyancev_v@tvgmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6045-3333

PhD, Professor, Head of the Department of Periodontology

Russian Federation, Tver

Georgii A. Frolov

National University of Science and Technology "MISIS"

Email: georgifroloff@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1460-6030

PhD, Associate professor of the Department of Physical Chemistry

Russian Federation, Moscow

Alisa V. Blinova

Tver State Medical University

Email: blinova-alisa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4315-163X

a postgraduate student of the Department of Periodontology

Russian Federation, Tver

Vladimir V. Bityukov

Tver State Medical University

Email: bitykova_l@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0479-4971

assistant of the Department of Dentistry

Russian Federation, Tver

References

Supplementary files