Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ЗУБНОГО КАМНЯ ИЗ АНАЛОГА РАСТВОРА СЛЮНЫ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к области медицины, к методам экспериментального моделирования процессов, протекающих в полости рта человека, в частности образования зубного камня.

Носителями минералов являются не только недра Земли, но и все живое на ней, включая человека. Минералы, возникающие в живом организме и называемые биоминералами, участвуют в его построении (зубы, кости) и физиологически ему необходимы. Они входят и в состав различных новообразований патогенного характера, не свойственных живому организму, возникающих при нарушениях в его функционировании и обнаруживаемых практически во всех тканях и органах человека и животных.

Характерным патогенным новообразованием, возникающим на зубах 75-80% людей, являются зубные камни - дентолиты. Установлена важная роль слюны в образовании зубного камня. Однако исследования ротовой жидкости лиц с зубными камнями носят единичный характер.

В последнее время интерес к проблеме все более возрастает из-за резкого ухудшения экологической обстановки в мире, что является одним из важнейших факторов роста заболеваний, приводящих к возникновению минеральных патообразований. Изучение их состава и строения имеет большую практическую ценность, так как содержит ответ на ряд важнейших вопросов: в чем причина возникновения патообразований, каковы параметры среды их формирования, как меняются во времени эти параметры, как повлиять на химизм среды с целью профилактики их появления.

Зубные отложения можно разделить на две группы.

1. Неминерализованные зубные отложения: пелликула, зубная бляшка, мягкий зубной налет (белое, вещество), пищевые остатки.

2. Минерализованные зубные отложения: наддесневой и поддесневой зубной камень.

Выделяют зубные камни трех цветов: белые, желтые и коричневые. Белые и желтые камни представляют собой мягкие образования, легко снимающиеся с поверхности зуба. По данным ряда авторов, содержание минерального вещества в них колеблется от 56,5 до 76,0 мас. %. Существуют также коричневые дентолиты, они более плотные по своей консистенции и более сложно отделяются от поверхности зуба, обычно возникают в виде каймы вдоль губной поверхности зуба нижней челюсти, несколько реже - верхней челюсти. При этом содержание минерального вещества в них около 87,0 мас. %.

На фиг. 1 представлены дифрактограммы: брушит и апатит 1, апатит и витлокит 2 и апатит 3. Рентгенофазовый анализ зубных камней показал, что минеральная составляющая большинства зубных камней представлена апатитом, в трех образцах вместе с апатитом присутствует брушит.

По нашим данным, основным минеральным компонентом всех образцов слюнных камней является гидроксилапатит. В одном образце в качестве примеси обнаружен брушит, в другом - витлокит (5-10% от содержания гидроксилапатита).

С целью идентификации веществ, не имеющих кристаллического строения, а также для подтверждения и уточнения (в случае минералов апатита и витлокита) результатов рентгенофазового анализа дополнительно проведен анализ методом ИК-спектроскопии.

На фиг. 2 представлен ИК-спектр зубного камня. Данные ИК-спектроскопии подтверждают фосфатный состав неорганической компоненты зубных камней. В спектрах всех образцов присутствуют полосы поглощения, соответствующие колебаниям Р-О связей гидроксилапатита, что совпадает с данными РФА. Не обнаружены полосы поглощения, характерные для OH-групп, однако, все исследованные образцы содержат карбонат-ионы. Наличие полос колебаний С-О связи (1420, 1460 см^-1) говорит о замещении PO₄ ^3- - тетраэдров карбонат-ионами (так называемое замещение В-типа). Полоса 1550 см^-1 говорит о замещении OH-групп карбонат-ионами в каналах структуры апатита, что соответствует замещению А-типа. Соотношение карбонат-ионов, соответствующих этим двум типам замещений, в гидроксилапатитах всех исследуемых образцов равно 2:1. Кроме того, на большинстве ИК-спектров зубных камней присутствует широкая полоса валентных колебаний молекул воды при 3440 см^-1, указывающая на присутствие молекул воды в каналах структуры апатита, и полоса деформационных колебаний воды при 1650 см^-1.

Слюна - это жидкость, продуцируемая специализированными железами: околоушной слюнной железой (ОУСЖ), подчелюстной (ПЧСЖ), подъязычной (ПЯСЖ) и др., открывающимися своими протоками в полость рта. Слюна образуется в результате энергозависимых процессов и по своим свойствам резко отличается от ультрафильтрата плазмы. Из больших слюнных желез ПЧСЖ выделяет около 70%, ОУСЖ - 25%, ПЯСЖ - 3-4%, малые слюнные железы - 1-2% слюны. Эти цифры могут колебаться в зависимости от стимуляции и других факторов.

Следует уточнить, что в полости рта находится не чистый секрет слюнных желез, а биологическая жидкость, часто называемая ротовой жидкостью. Она представляет собой суммарный секрет всех слюнных желез, включающий также микрофлору полости рта, содержимое десневых карманов, десневую жидкость, продукты жизнедеятельности микрофлоры мягкого зубного налета, распада мигрирующих из слизистой оболочки и выделившихся со слюной лейкоцитов, остатки пищевых продуктов и т.д.

Ротовая жидкость представляет собой водный раствор органических и минеральных веществ (0,58%, из них 0,22% - неорганические вещества). На долю воды приходится 99,42%.

Неорганические компоненты слюны представлены макро- и микроэлементами (H, K, Na, Ca, Mg, Fe, Cu, Р, S, Cl, F и др.). Они могут находиться в ротовой жидкости как в ионизированной форме в виде простых (H⁺, K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^- и др.) и сложных (H₂PO₄ ^-, HPO₄ ^2-, PO₄ ^3-, HCO₃ ^-, SO₄ ^2- и др.) ионов, так и в составе органических соединений - белки, белковые соли, хелаты и т.д.

Минерализующая функция ротовой жидкости определяется, прежде всего, величиной pH и содержанием ионов Ca²⁺ и HPO₄ ^2-.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является: "Способ моделирования процесса образования зубного камня" Авторы: Голованова О.А., Вельская Л.В., Пушкарева А.В., Казанцева Р.В. (14.01.2009 г.) В данном способе авторы связывали протекание образование зубного камня с изменением состава биологической жидкости, а также моделировали биологическую систему при отклонениях состава биологической жидкости от нормы.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа экспериментального моделирования процесса образования зубного камня из аналога раствора слюны человека, который является благоприятным для кристаллизации фосфатов кальция, выявление условий, способствующих камнеобразованию в полости рта с целью обнаружения предрасположенности к данному заболеванию, и последующей выработки профилактических мер возникновения и роста зубного камня.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ моделирования процесса образования зубного камня из аналога раствора слюны человека, основанный на синтезе зубного камня в искусственно созданной модельной среде, при котором готовят модельную среду указанного состава: NaCl - 9,00 ммоль/л, K₂CO₃ - 5,00 ммоль/л, (NH₄)₂HPO₄ - 5,60 ммоль/л, NH₄Cl - 29,49 ммоль/л, NH₄F - 0,01 ммоль/л, KCl - 25,00 ммоль/л, CaCl₂·2H₂O - 6,90 ммоль/л, MgCl₂·6H₂O - 3,00 ммоль/л проводят синтез при значении pH=6,95±0,05 и температуре 37.0±0.5°C, при этом через 60 дней образуется фаза в виде брушита, через 90 дней из модельной системы образуется гидроксилапатит, который является основным компонентом зубных камней человека.

При проведении эксперимента использовались значения диапазона концентраций основных неорганических компонентов и pH слюны здорового взрослого среднестатистического человека. В таблице 1 представлен минеральный состав слюны человека. Концентрации катионов и анионов в различных сериях экспериментов отвечало их минимальному, среднему и максимальному значениям диапазона данного показателя характерного для состава биологической жидкости. При этом изучалось поведение систем при температуре 37.0±0.5°C и четырех значениях pH: 5.50±0.05, 6.00±0.05, 7.00±0.05 и 8.00±0.05.

В качестве исходных реагентов использовались соли марки ч.д.а и х.ч. и бидистиллированная вода. Выбор исходных реагентов и их соотношение в растворе определялись таким образом, чтобы концентрации ионов и ионная сила раствора были максимально приближены к данным параметрам моделируемой системы.

На фиг. 3 представлена схема модельного эксперимента in vitro. Для каждой серии экспериментов были приготовлены растворы, содержащие катионы и анионы, при совместном присутствии которых в данных условиях не образуются малорастворимые соединения. После смешения эквивалентных объемов растворов производили корректировку значений pH путем добавления 6 М раствора NaOH. С целью предотвращения уменьшения концентрации в растворе карбонат ионов (за счет гидролиза в кислой среде) необходимое количество NaHCO₃ добавляли при pH 5.5-6.0. После корректировки pH моделируемого раствора до необходимого значения добавляли определенную массу кристаллического NaCl, рассчитанную таким образом, чтобы ионная сила раствора была по возможности максимально приближена к моделируемой системе. Готовый раствор сливали в стакан и оставляли для кристаллизации на время 7-270 дней при температуре 37.0±0.5°C.

По предварительному термодинамическому расчету в исследуемых растворах термодинамически вероятно образование следующих малорастворимых соединений: CaHPO₄·2H₂O; Ca₄H(PO₄)₃·2.5H₂O и Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Сопоставляя индексы пересыщения, рассчитанные для фосфатов кальция различного стехиометрического состава, следует отметить, что в рамках выбранной термодинамической модели в изучаемых системах (при pH 5,2-8,0) наибольшую степень пересыщения имеет гидроксилапатит. Известно, что брушит кристаллизуется при более низких значениях pH, чем апатит, и, согласно нашим термодинамическим расчетам, является метастабильной фазой.

На фиг. 4 представлена дифрактограмма образца, полученного из модельного раствора при pH=5,50 в течение 30 дней. Результаты модельного эксперимента показали, что на первом этапе образуется брушит (предфаза гидроксилапатита) во всем диапазоне pH. На фиг. 5 представлена дифрактограмма образца ГА, синтезированного из модельного раствора слюны. При увеличении времени кристаллизации происходит переход брушита в более термодинамически стабильную фазу - гидроксилапатит (ГА).

Данные табл. 2 приведены для максимальных значений диапазона концентраций катионов и анионов соответствующих биологических жидкостей. Аналогичные результаты получены для минимальных и средних значений диапазона концентраций, отличия составляют только массы полученных в эксперименте твердых фаз

Анализ осадка, полученного осаждением при pH=5.50, методом РФА (фиг. 4) подтвердил, что в данных условиях кристаллизуется брушит. При увеличении щелочности среды начинается осаждение более устойчивой и менее растворимой фазы гидроксилапатита. Для систем с исходным значением pH=6.00-8.00 присутствуют пики как брушита, так и гидроксилапатита, что указывает на совместную кристаллизацию в данных условиях двух фосфатов кальция с различной стехиометрией. В условиях, когда pH>8.00, кристаллизуется только гидроксилапатит (фиг. 5), кристалличность которого увеличивается по мере роста pH среды.

В целом, при описании процесса кристаллизации фосфатов кальция в исследуемых нами системах, следует отметить, что состав твердой фазы, образующейся на первой стадии осаждения, и дальнейшие этапы ее трансформации особенно зависят от pH раствора, концентрации ионов Mg²⁺, Са²⁺ и PO₄ ^3-. Следует также отметить, что кристаллизация фаз, особенно на первоначальных этапах, контролируется в большей степени кинетическими факторами.

Сравнение фазового состава осадков, полученных в ходе модельного эксперимента, и зубных камней, удаленных у пациентов в ходе медицинского осмотра, показало, что состав практически идентичен, т.е. предложенная модельная система позволяет воспроизвести условия ротовой полости человека.