Результат интеллектуальной деятельности: Способ моделирования процесса образования зубного камня из аналога раствора зубного налета

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

В последнее время интерес к проблеме патогенного минералообразования в организме человека 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. Характерным патогенным новообразованием, возникающим на зубах 75-80% людей, являются зубные камни - дентолиты.

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 ОН-групп, однако, все исследованные образцы содержат карбонат-ионы. Наличие полос колебаний C-О связи (1420, 1460 см^-1) говорит о замещении РО₄^-3-тетраэдров карбонат-ионами (так называемое замещение В-типа). Полоса 1550 см^-1 говорит о замещении ОН-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.

Жидкая фаза зубного налета («Plaque fluid»)

В состав зубного налета входит 82% воды, из которой 30-35% - внеклеточная вода, покрывающая поверхность зубов в виде пленки, причем максимальной толщины зубной налет достигает на межпроксимальной и пришеечной поверхности зубов. Эта внеклеточная часть воды может быть отделена при помощи центрифуги. Полученная жидкость называется жидкой фазой зубного налета («plaque fluid»). Имея толщину всего 100-300 нм, этот слой обладает уникальным по своим компонентам составом, количественно отличаясь от состава слюны и жидкости десневой борозды (десневой жидкости) (табл. 1).

Ряд авторов пытались объяснить высокую концентрацию ионов в жидкой фазе зубного налета [Tatevossian А. и Gould С.Т., Archives of Oral Biology, 1976, v. 26. P. 657-662] предположили, что диффузия в зубном налете ограничена собственной структурной извилистостью. Согласно этой интерпретации, узкие наполненные жидкостью микроканалы нетронутого зубного налета могут увеличить длину диффузионного пути; коэффициенты диффузии через пленку толщиной 100-300 нм снижаются, а значит, концентрация компонентов будет значительно выше, чем в ротовой и десневой жидкостях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является патент РФ №2342713, опубл., 27.12.2008 г., где различные патологические процессы связаны с изменением состава биологической жидкости.

Технической задачей заявляемого решения является разработка способа экспериментального моделирования процесса образования зубного камня из аналога раствора «жидкая фаза зубного налета».

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ моделирования процесса образования зубного камня из аналога раствора зубного налета, основанный на получении зубного налета в искусственно созданной модельной среде, отличающийся тем, что для приготовления модельной среды используют: NaCl - 21,41 ммоль/л, KHCO₃ - 24,81 ммоль/л, (NH₄)₂HPO₄ - 3,30 ммоль/л, NaH₂PO₄⋅2H₂O - 3,17 ммоль/л, NH₄F - 0,10 ммоль/л, KCl - 0,79 ммоль/л, CaCl₂⋅2H₂O - 3,00 ммоль/л, MgCl₂⋅6H₂O - 0,85 ммоль/л, при этом добавляют NaHCO₃ при рН 5,5÷6 в количестве, необходимом для предотвращения уменьшения концентрации в растворе карбонат ионов за счет гидролиза в кислой среде, осуществляют корректировку рН моделируемого раствора и проводят синтез при значении рН = 7,00±0,05, при этом через 14 дней образуется фаза брушита и гидроксилапатита, состав которой соответствует основным компонентам зубных камней человека.

На основе результатов изучения минерального состава зубных и слюнных камней проведено экспериментальное моделирование процесса камнеобразования в полости рта. В качестве модельных систем была выбрана жидкая фаза зубного налета.

При проведении эксперимента использовались значения диапазона концентраций основных неорганических компонентов и рН жидкой фазы зубного налета здорового взрослого среднестатистического человека. Концентрация катионов и анионов в различных сериях экспериментов отвечала их минимальному, среднему и максимальному значениям диапазона данного показателя, характерного для состава биологической жидкости (табл. 1). При этом изучалось поведение систем при температуре 37.0±0.5°С и четырех значениях рН: 5.50±0.05, 6.00±0.05, 7.00±0.05 и 8.00±0.05.

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.

Для установления фазового и химического состава полученных твердых фаз были использованы методы рентгенофазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии и методы химического анализа. При этом соотношение катионов и анионов в твердой фазе оценивали по разности начальных и конечных концентраций осадкообразующих ионов в модельном растворе по методикам химического анализа.

На фиг. 4 представлена дифрактограмма осадка, полученного из раствора, моделирующего состав жидкой фазы зубного налета (7 дней, рН=7,00±0,05). Результаты модельного эксперимента показали, что на первом этапе (7 дней эксперимента) образуется брушит или смесь брушита и витлокита во всем диапазоне pH.

На фиг. 5 представлена дифрактограмма осадка, полученного из раствора, моделирующего жидкую фазу зубного налета (90 дней, рН=5,50±0,05). При увеличении времени кристаллизации происходит переход брушита в более термодинамически стабильную фазу - гидроксилапатит (ГА), причем скорость этого перехода зависит от pH раствора. В таблице 2 представлены результаты модельного эксперимента (“plaque fluid”) в зависимости от времени.

При сравнении данных, приведенных в табл. 2, видно, что образование гидроксилапатита - в среде жидкой фазы зубного налета происходит через 14 дней практически во всем диапазоне pH. Известно, что для жидкой фазы зубного налета значение pH изменяется в диапазоне 6.5-6.8, из табл. 2 видно, что при рН=7,00±0,05 происходит образование двух фаз - «брушит и гидроксилапатит» и это соответствует составу зубных камней.

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.

Таким образом, 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 Ca²⁺ 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.