Анализ качества отбеливания зубов с помощью наномеханического режима PinPoint на атомно-силовом микроскопе компании Park Systems

ФЕВ212019

За последние годы важность измерения механических свойств стала очевидной в различных областях применения, начиная от понимания и анализа механизмов повреждения интегральных схем микроэлектроники, и заканчивая диагностикой заболеваний в области медицины, включая разработку реставрационных материалов для зубов человека [1-3].

Некоторые образцы при слишком сильном прессовании могут быть подвержены сильной деформации поверхности и изменению их поверхностных характеристик, что может привести к неточной оценке результатов измерения. Кроме того, так как размеры и особенности, представляющие интерес для функциональных материалов, постоянно сокращаются до уровней наномасштабов, и, учитывая, что разрушение материала начинается с изменения структуры атомных решеток, обычные методы, используемые при описании характеристик материалов, перестают быть эффективными при идентификации дефектов и аномалий на поверхности материалов, поскольку позволяют проводить измерения только в миллиметровом диапазоне.

Поэтому для описания таких характеристик чрезвычайно необходимы инструменты следующего поколения, которые были бы полезными и позволяли проводить измерения на уровне наномасштабов. Недавно был введен новый измерительный метод для АСМ, разработанный компанией Park Systems, под названием наномеханический режим PinPoint [4], который предложил исследователям инновационное решение этих проблем.

Данная технология работает так, что обеспечивает перемещение кантилевера по траектории «подвод-отвод к/от поверхности» с усилием в несколько нН, гарантируя работу без трения за счет устранения действия латеральных сил благодаря точечно-непрерывному контакту зонда с поверхностью образца. В режиме PinPoint в каждой точке изображения стоится кривая «сила-расстояние», которая используется для расчета механических характеристик вблизи поверхности измеряемого образца. Во время сбора данных XY-сканер останавливается, а время контакта контролируется, чтобы дать достаточно времени Z-сканеру для сбора точных и достоверных данных с разрешением в нанометровом масштабе.

Любая структура материала ухудшается со временем при хранении в естественной среде. Такие измерения происходят от точечных дефектов на наноуровне. Также это касается и процесса отбеливания зубов. Каждый, кто отбеливает зубы, хочет, чтобы зубы оставались белыми без необходимости частого повторения данной процедуры. Таким образом, для этого необходимо знать, как происходят топологические и механические изменения на поверхности зуба на уровне наномасштабов. В данной работе для сбора топографических и механических данных для образца зуба использовался наномеханический режим PinPoint, позволяющий понять влияние отбеливающих полосок на механические и топографические свойства зуба. Результаты показывают, что отбеливающие полоски приводят к уменьшению шероховатости зубной эмали и увеличению модуля упругости и адгезии.

Эксперимент

Образец зуба анализировали с помощью атомно-силового микроскопа Park NX10 [5] в условиях окружающей среды. При измерении для получения топографических и механических сигналов использовался наномеханический режим PinPoint с кантилевером AC160TS (номинальный коэффициент жесткости k=26 Н/м при резонансной частоте f=300 кГц) [6].

Перед проведением сканирования зуб обработали, поместив его в деионизированную воду на 30 минут, далее поместили на 2 минуты в 50%-ый раствор (по объему) изопропилового спирта, а затем снова промыли в деионизированной воде. Также был использован сжатый воздух с целью попытки удаления остаточного «мусора» и «грязи» из зуба, которые накапливаются на зубах естественным образом с течением временем.

На рис. 1 показана экспериментальная установка. Для устойчивости образца во время сканирования использовались углеродная лента и суперклей. Зуб был помещен на магнитный диск и приклеен к двухсторонней углеродной ленте. Чтобы убедится, что зуб надежно закреплен и не будет двигаться во время измерения, под него поместили часть зубочистки для удержания таким образом, чтобы поверхность зуба была выровнена при сканировании. Суперклей использовали для обеспечения дополнительной устойчивости.

Рис. 1. Экспериментальная установка на базе микроскопа NX10 для измерения образца зуба.

Для проверки полученных значений модуля упругости использовался эталонный образец. Образец представляет собой смесь пленки PS-LDPE (полистирол и полиолефиновый эластомер). Параметры сканирования были установлены таким образом, что измерение модуля упругости соответствовало 2.0 ГПа при анализе матрицы из полистирола и 1.0 ГПа при измерении круговых объектов, которые появились на изображениях модуля упругости, которые вмешиваются в общую матрицу, что согласуется с описанием производителя для образца PS-LDPE.

На рис. 2 представлены полученные изображения модуля упругости для области размером 15 × 15 мкм эталонного образца PS-LDPE. Изображения были проанализированы с помощью программного обеспечения XEI, разработанного компанией Park Systems, которое отображает полученные сигналы в цвето-кодированные изображения.

Более темные области (черный цвет на рис. 2 слева) с круговыми объектами показывают области с более низкими значениями модуля упругости. В то время как более светлые области (коричневый цвет на рис. 2 справа) с плоской поверхностью, известной как матрица PS, являются областями с более высокими значениями модуля упругости. Все области фиолетового цвета означают, что они были исключены при расчете средней величины значения модуля упругости. Рассчитанное среднее значение модуля упругости для области сополимера LDPE составляет 0.116 ГПа, а для плоской области полистирола PS – 2.039 ГПа.

Рис. 2. Изображения эталонного образца PS-LDPE (15 × 15 мкм): изображение с плоской областью полистирола исключено при расчете среднего значения модуля упругости (слева); изображение с областью сополимера исключено при расчете среднего значения модуля упругости (справа).

 После проведения измерений эталонного образца, измерение тестового зуба было проведено при тех же условиях и параметрах. Для статистической обоснованности было проведено три измерения на трех различных поверхностях зуба, которые выбирались с помощью оптического микроскопа, встроенного в АСМ.

Измерения проводились на участках зуба, расположенных на расстоянии не более 500 мкм друг от друга, поэтому можно сказать, что примерно одна и та же область была последовательно отсканирована. Чтобы отбелить образец зуба, использовали отбеливающие полоски [7]. Одну полоску нанесли на поверхность зуба и оставили на 1 час согласно рекомендации. После этого зуб промыли деионизированной водой и высушили. В общей сложности к концу отбеливания  было использовано три отбеливающих полоски.

Результаты и выводы

 Полученные топографические изображения и изображения с данными о механических свойствах представлены в сводной таблице 1 ниже. Данные изображения также были проанализированы с помощью XEI. Количественная оценка с данными о шероховатости поверхности и механических свойствах представлена в таблице 2. Экспериментальные значения модуля упругости до и после процедуры отбеливания были сравнены в предыдущих исследованиях [2].

Как известно зуб состоят трех основных слоев: эмаль, дентин и цемент корня зуба, которые были обнаружены в соответствующем порядке. Основываясь на существующие на данный момент исследования, значение модуля упругости верхнего слоя зуба составляет порядка 1.3382±0.3079 ГПа. Измеренное значение в данном эксперименте составило 1.072 ГПа до обработки и 1.571 ГПа после отбеливания. Такая же закономерность наблюдалась и на силе адгезии, где энергия до обработки составляла 0.196 фДж, а после отбеливания – 1.608 фДж. С другой стороны, значение шероховатости поверхности, наоборот, уменьшалось: СКО профиля шероховатости составило 201.0 нм до процедуры и 38.33 нм после процедуры.

Известно, что в процессе отбеливания зубов с помощью отбеливающих полосок наблюдается взаимодействие между гидроксидами самих полосок и окрашивающих молекул (хромогены) на зубах. Данная реакция относится к процессу окисления. Реакция окисления вызывает разрушение молекул хромогена при получении электронов от гидроксидов, что приводит к их расщеплению на молекулы, которые не отражают свет и позже могут быть удалены из зуба.

Предыдущие опасения, связанные с процедурами отбеливания зубов и основанные на ранних исследованиях, заключались в том, что ожидалось, что общая твердость эмали будет снижаться, а шероховатость зуба, наоборот, увеличиваться при увеличении времени и частоты отбеливания [8-9]. Данное исследование, однако, показало обратное – шероховатость уменьшилась, а модуль упругости возрос. Возможное объяснение заключается в том, что окисление гидроксидов приводит к сглаживанию поверхности, поскольку окрашивающие молекулы хромогена удаляются из зуба, а твердость увеличивается ввиду того, что сама эмаль имеет большее значение модуля упругости чем удаляемые молекулы хромогена.

Таблица 1. Сводная таблица с результатами анализа поверхности зуба до и после процедуры отбеливания (размер анализируемой области 15 × 15 мкм)

Полученные данные	До	После
Топография
Модуль упругости
Сила адгезии

Таблица 2. Средние значения полученных данных до и после процедуры отбеливания.

Заключение

Данные о топографии и механических свойствах поверхности зуба были успешно получены с помощью атомно-силового микроскопа NX10 компании Park Systems в режиме PinPoint. Основываясь на полученных данных, было обнаружено, что такой метод анализа характеристик зубной эмали согласуется с данными о механических свойствах, полученных другими методами, такими как микро- и макроиндентирование (определение твердости методом вдавливания). Также было продемонстрировано, что после процесса отбеливания общая шероховатость зуба уменьшается, т.е. он становится более гладким, а твердость, наоборот, увеличивается. Таким образом, новый наномеханический режим PinPoint является идеальным методом количественной оценки механических свойств на уровне наномасштабов, который к тому же позволяет продлить срок службы кантилевера.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. J. Vella, et al., Mechanical properties and fracture toughness of organo-silicate glass (OSG) low-k dielectric thin films for microelectronic applications, International Journal of Fracture 119/120: 487–499, 2003.
2. M. Oyen, et al., A practical guide for analysis of nanoindentation data, J Mech Behav Biomed Mater. 2009 Aug;2(4):396-407. doi: 10.1016/j.jmbbm.2008.10.002. Epub 2008 Oct 15.
3. Y.Zhang, et al.,Review of research on the mechanical properties of the human tooth, Published online 2014 Apr 18. doi: 10.1038/ijos.2014.21.
4. https://www.parksystems.com/index.php/company/news/press-release/450-nanomechanical-mode-to-characterize-nano-mechanical
5. https://www.czl.ru/catalog/microscope/atomic-force-microscopes/park-nx10.html
6. http://probe.olympus-global.com/en/product/omcl_ac160ts_r3/7
7. https://crest.com/en-us/products/whitestrips/crest-3d-white-monthly-whitening-boost-whitestrips-teeth-whitening-kit
8. K. Chun, et al., Comparison of mechanical property and role between enamel and dentin in the human teeth, Published online 2014 Feb 6. doi: 10.1177/1758736014520809
9. C. Pinto, et al., Peroxide bleaching agent effects on enamel surface microhardness, roughness and morphology, Braz. oral res. vol.18 no.4 São Paulo Oct./Dec. 2004.