Rub&Roll 可模拟咀嚼周期，能够调节咀嚼力、滑动距离、咀嚼速度、循环次数和频率，并结合侵蚀性和磨损性挑战，实现对口腔老化的复杂模拟。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
咀嚼、饮水以及偶尔的磨牙会在人的一生中导致生理性的牙齿磨损。过度的刺激，例如磨牙症或习惯性咀嚼异物，可能导致过度磨损。近年来，人们已认识到酸蚀在加速机械性牙齿磨损中的作用，但化学性与机械性磨损过程之间的相互作用尚未得到广泛研究。本实验室近期推出了一种新型口腔磨损模拟装置“Rub&Roll”，该装置可让用户在腐蚀性和/或磨蚀性环境中独立或同时进行磨损与负载研究。本文描述了该装置的一项应用：在模拟咀嚼运动中，对拔除的人类（前）磨牙进行机械与酸蚀联合负载实验，精确控制力、速度、液体和时间参数，并结合非接触式轮廓测量技术对所产生的磨损模式进行可视化观察与定量测量。实验中在最高负载条件下形成的咬合面形态与临床所见的酸蚀性磨损表现非常相似。
引言
口腔可被视为一种严苛的环境：湿度、因摄入冷热食物引起的温度变化，以及来自人体最强肌肉之一的机械负荷。然而，牙齿具备极佳的结构以应对这些挑战。牙釉质非常坚硬，其下方的牙本质则可防止相对脆性的牙釉质发生断裂。这两种组织中的无机成分——羟基磷灰石——溶解度极低，并与过饱和的唾液保持平衡状态。咀嚼、饮水以及偶尔的磨牙会在一生中导致生理性的牙齿磨损。1,2,3严重的挑战，例如磨牙症或习惯性咀嚼异物，可能导致过度磨损。近年来，人们已认识到侵蚀在加速机械性牙齿磨损中的作用。牙齿侵蚀已被广泛研究 体外但所使用的模型通常较为简单，且大多忽略了力学因素。因此，化学与机械磨损过程之间的临床相互作用尚未被充分理解4.
许多 体外 侵蚀与侵蚀性磨耗研究通常采用将平整抛光的釉质或牙本质样本浸入简单酸性溶液中，通过测量显微硬度损失或采用轮廓仪法作为评估手段5引入研磨成分通常涉及刷牙动作，有时也包括舌部或牙釉质牙尖的滑动接触。6此类研究表明，釉质侵蚀会导致表面形成一层软化的表层，易于发生磨损。通常需要平面样本，因为机械加载装置无法处理不平整的表面，且对不平整表面的测量技术也更为复杂。然而，青少年中大多数侵蚀性牙体组织丧失发生在咬合面牙尖，而咀嚼食物引起的磨耗被认为是咬合面侵蚀性磨损中最相关的机械因素。目前尚不存在能够完全模拟口腔环境所有细节的理想口腔磨损实验装置，大多数 体外 模型将无法暴露或测量牙齿的自然咬合面7,8.
本实验室近期推出了一种新型装置，该装置符合Heintze7提出的多项口腔磨损模拟模型的技术规范与公差要求，能够使用户在腐蚀性和/或磨蚀性环境中独立或同时开展磨损与负载研究。该新装置（Rub&Roll）由一个搅拌装置和一个容器组成（图1a）。容器内可安装一个带有试件的圆柱体，在圆柱体与容器内壁之间可放置一根或多根杆（图1b）。启动搅拌电机后，杆在圆柱体内的试件表面旋转滑动（图1c）。通过使用垫片，可在试件上施加不同的作用力。有关该装置的设计、结构、运行机制及功能的详细描述，请参见介绍和讨论该装置的论文9。该装置结构坚固，技术操作简便，可同时对32个试件施加负载。其对颌力在试件表面移动时始终保持平滑、连续的接触，类似于正常的咀嚼运动10。本文将介绍该装置在模拟天然牙咬合面腐蚀性磨损中的应用，并展示该方法的临床相关性与广泛适用性。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
本实验所用牙齿的收集均遵循地区医学伦理委员会的指导原则。
1. 标本采集与样本制备
- 从牙科诊所收集24颗健康的离体人类（前）磨牙，使用低速手机配合浮石粉刷洗，直至牙齿表面清洁（无碎屑、无牙龈残留物）且光滑，最后在流动的自来水下冲洗15秒。
- 将样本嵌入以适配设备圆柱体的凹槽（12 mm × 15 mm × 27.5 mm）。
- 将印模材料（一根 113 g）置于加热板（50 °C）上熔化 °C) 约10分钟，将磨牙的咬合面浸入熔融物质中，覆盖整个咬合面。将磨牙倒置于显微镜载玻片上，向下按压，直至所有杯状尖端均接触玻璃表面，静置等待 ± 30 秒，直至印模材料冷却并固化，以固定牙齿。
- 使用注射器将10 mL聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）混合物倒入内径为12 mm × 15 mm × 27.5 mm的硅胶模具中。在通风橱中用刮刀混合PMMA（比例为13 g聚合物∶10 mL单体），持续约25秒。静置15秒，使产生的气泡逸出后再使用。
- 将载玻片倒置，使磨牙悬置于充满PMMA的硅胶模具中。下压载玻片直至其接触模具。在室温下，浇注过程持续约1.5分钟。
- 在室温及1,000 hPa条件下使PMMA固化20分钟后，取下显微镜载玻片，并从硅胶模具中取出包埋的牙齿。
- 用配备16 mm铣刀的铣床从底部逐步去除固化后的PMMA，测量嵌入磨牙的总高度，并将其调整至恰好27.3 mm。
2. 准备脱矿溶液
- 加入 0.1 M 乳酸（50 g）、1.5 mM CaCl2 (1.103 g)，0.9 mM KH2PO4 (0.612 g)、10 mL 1% 氯胺、0.5 ppm F（2.5 mL 1,000 ppm 氟化物标准溶液）加入 4,900 mL 去离子水中，在搅拌板上搅拌。
- 用 10 M KOH 滴定（± 使用校准的pH玻璃电极将50 mL溶液调至pH 4.8。
3. 样品安装与Rub&Roll设备的机器设置（图1）
- 从容器中取出圆柱体，并将24个样本放入Rub&Roll圆柱体的凹槽内。
- 通过在样本下方的凹槽中插入垫片来调节样本从圆柱体突出的高度，从而调整加载力。对于8个无载荷（0 N）的样本，不使用垫片；对于8个30 N的样本和8个50 N的样本，分别使用1 mm和1.5 mm的垫片。
- 将圆柱体的两部分组装并用M6螺栓固定，然后将圆柱体放回容器中。
- 向容器中加入500 mL去矿质溶液。
- 安装加载杆：外径14 mm、内径10 mm的PVC管（硬度73 Shore A），内插一根直径9 mm的不锈钢316杆（硬度130–150 HB）。
- 将转速设定为20 rpm，以模拟临床咀嚼频率，并让设备持续不间断运行。
- 实验过程中，每周两次更换去矿质溶液和PVC管，并使用校准过的玻璃电极检测pH值。
- 3个月后（相当于约1,500,000次循环），将圆柱体从容器中取出，拆开圆柱体的两部分取出样本，并将样本保存在去离子水中。
注：所有样本在Rub&Roll加载前后均使用非接触式轮廓仪进行扫描。
4. 三维形貌扫描、分析与差值计算
- 使用轮廓仪对样本进行表面形貌测量。
- 开启设备：计算机、PSU模块和传感器控制器。安装合适的传感器并用拇指螺丝固定，然后小心地将光纤插入传感器控制器中。
- 在传感器控制器上选择正确的传感器。传感器控制器会显示4个选项（F1 - F4）。按F4两次，即可显示共聚焦传感器菜单。
- 按F3（传感器选择），滚动至2 - 10,000 µm。选择（10 mm）后按F4。按F1，然后选择F4（是）以将设置保存至EEPROM。调节LED强度至“± 9点钟”位置，然后依次按F4 - F2 - F4，为传感器采集“暗参考”。
- 打开软件并选择“连接”设备选项。注意测量台将自动移动至“原点位置”进行搜索。主界面将显示在屏幕上。点击菜单栏中的“工具”，然后选择传感器，选中 Sensor S29 | 10 - 10,000 µm。
- 点击菜单栏中的“工具”，然后选择采样率，设为300 Hz。再次点击菜单栏中的“工具”，选择速度传感器，设为0 - 100%。
- 在菜单栏中选择“扫描”，然后选择“关键移动台”。点击屏幕中央的黄色区域，将测量台移至中心位置。
- 将样品置于测量台中央，随后调整至传感器测量范围内的合适高度。将传感器置于样品感兴趣区域上方，并调节传感器距离，使待扫描的整个样品区域位于传感器的焦距范围内。传感器控制器将通过实时高度数据中的绿色区域指示当前高度是否在传感器量程内。
- 选择“设置”。将平均次数设为2，以确保每个记录的数据点均为2次测量的平均值。这将降低扫描速度，但提高扫描质量。完成设置后点击“确定”，返回主扫描设置界面。
- 将传感器光束定位在样品的左上角。设置总扫描面积为15 mm × 12 mm，X和Y方向步长为40 µm（0.04 mm），X方向步数为375，Y方向步数为300。更小的步长可提高扫描分辨率，但也会增加扫描时间。点击“立即扫描”以开始扫描。
- 约10分钟后扫描完成，在菜单栏中选择“文件”，然后选择“另存为”。扫描数据已标准化，确保所有图像的比例尺保持一致。
- 在菜单栏中选择“文件”，然后选择“打开文件”。在菜单栏中选择“翘曲校正”，应用数值为1的翘曲滤波器，以消除扫描台和传感器的噪声。在菜单栏中选择“最高点”，找到磨牙上的最高点。
- 在菜单栏中选择“工具”，然后选择“按扫描配置缩放”。在扫描配置中，将偏移量（单位：mm）设置为最高点Z值（在4.10中测得）减去3500。将范围设为手动模式，从0到3.6 mm，然后点击“确定”。
- 在菜单栏中选择“加载区域”以重置比例尺。在菜单栏中选择“文件”，然后选择“另存为”。
- 对两个不同时间点获取的扫描数据进行相减。
- 在软件中点击菜单栏的“打开”，在目录中定位原始扫描文件和修改后的扫描文件，选择文件后点击“确定”。选项窗口将出现，在“调平”选项中选择手动调平；在“补偿偏移”选项中分别选择“应用于原始”和“应用于修改后”。
- 点击菜单栏中的“窗口”，然后选择“创建视图”，最后选择“截面视图”。
- 选择修改后的表面，通过按住Ctrl键并按左右箭头键实现水平方向对齐；按住Ctrl键并按上下箭头键实现垂直方向对齐；按住Shift键并按上下箭头键实现Z方向（高度）对齐，使差值视图中显示的减去体积和高度尽可能小。
- 在菜单栏中选择“文件”，然后选择“另存为”。输出结果以平均体积损失和平均高度损失表示。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
我们将人磨牙（每组 n = 8）置于 Rub&Roll 装置中，在 pH 4.8 的酸性水溶液中暴露 3 个月，相当于约 6 年的临床使用时间。施加的机械载荷分别为：无载荷（0 N）、30 N 或 50 N。
三组的平均咬合面高度损失分别为：76 ± 20 µm 0 N时为161 ± 40 µm 30 N时；以及266 ± 101 µm 50 N图2）。机械负荷下的磨蚀性磨损在咬合牙尖顶端形成了类似浅碟状的病损，与临床上称为“凹陷磨损”（cupping）的牙体磨蚀现象极为相似。图3 和 图4).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本文所展示的应用很好地体现了Rub&Roll的临床相关性。在最高载荷水平实验中形成的咬合面形态与侵蚀性牙体硬组织缺损的临床表现非常相似（图5）11,12。
该装置的多功能性首先体现在所使用的溶液上。在最简单的模型中，可以使用水。例如，在测试粘接强度之前，将样品置于水介质中可用于模拟复合树脂修复粘接剂的老化过程13。在更具临床相关性的模型中，可用水替代人工唾液。还可添加纤维等研磨性成分，以模拟咀嚼研磨性食物的过程。在以咀嚼磨损为研究目标的情况下，甚至可直接使用完整的食物样品。对于单纯的侵蚀性磨损，溶液可配制为模拟软饮料或果汁的成分。
其次，如示例所示，可通过改变样本的位置来调整载荷。载荷限制在约 75 N，但这仍远在正常咀嚼力的范围内14。通过...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 低速手机 | 德国莱特基希 | 牙科设备 | |
| 手柄刷 | KAVO，德国莱特基希 | 牙科设备 | |
| Pumish | 牙科设备 | ||
| 人类第三磨牙 | |||
| 印模膏绿色 | Kerr，比奥焦，瑞士 | 货号 00444 | |
| 显微镜载玻片 | Menzel，德国不伦瑞克 | 76 × 26 毫米 | |
| Autoplast 冷固化义齿基托材料 | Candulor，Wangen，瑞士 | ||
| 内径为 12 x 15 x 27.5 的硅胶模具 | 3M Espe Neuss，德国 | 表达STD | |
| 压力容器 | Al Dente，梅肯贝uren，德国 | 581-009-024/25 | |
| 铣刀 ø16 mm | 德国，格式 | HSSCo8 编号 21691600 | |
| 铣床 | Weiss机床工具 | WMD 20 LV | |
| 揉搓&Roll | 荷兰奈梅亨 UMCN | 技术研讨会 | |
| 揉搓&Roll 容器 | 荷兰奈梅亨乌得勒支大学医学中心 | 技术研讨会 | |
| 揉搓&Roll 圆柱形样品架 | 荷兰奈梅亨乌得勒支大学医学中心 | 技术研讨会 | |
| 揉搓&Roll 电机 | 荷兰奈梅亨乌得勒支大学医学中心 | 技术研讨会 | |
| 垫片：硅胶板，厚度 1 mm / 1.5 mm，60 个 ± 5° Shore A，红色 | Peter van den Berg 密封技术，Barendrecht | ||
| 乳酸 优级纯 88% | 布姆，荷兰 | CAS号：79-33-4 | |
| 二水合氯化钙 CaCl₂2 .2H2O | 默克，德国达姆施塔特 | CAS号：10043-52-4 | |
| 磷酸二氢钾 KH2PO4 | 默克，德国达姆施塔特 | CAS号：7778-77-0 | |
| 用于合成的三水合氯胺T（钠盐） CH3C6H4SO2NClNa·3H2O | 德国达姆施塔特默克公司 | CAS号：7080-50-4 | |
| 氟化钠标准溶液 1000 mg/L F Certipur | 默克，德国达姆施塔特 | CAS编号：7681-49-4 | |
| 去离子水 | |||
| 氢氧化钾，颗粒，EMSURE 分析纯试剂，KOH | 默克，德国达姆施塔特 | CAS号：1310-58-3 | |
| PVC 管（硬度73 Shore A），外径14 mm，内径10 mm | 德语 & NEUMANN，德国 | 货号 3501014 | |
| 插入316不锈钢（硬度130）–150 HB，直径 9 mm | 荷兰奈梅亨乌特勒支医学中心 | 技术研讨会 | |
| pH玻璃电极 | WTW，德国韦尔海姆 | Sentix 61 103640 | |
| 非接触式轮廓仪 Proscan 2100 | Scantron 工业产品有限公司，英国汤顿 | http://www.scantronltd.co.uk | |
| 软件版本 Proscan 2100 2.1.1.15A+，传感器 S29 / 10-10000 微米 | Scantron Industrial Products Ltd，英国汤顿 | ||
| 软件版本 Proform | Scantron Industrial Products Ltd，英国汤顿 | ||
| Leica 体视显微镜 | www.leica-microsystems.com | M50 | |
| 佳能照相机 | 佳能日本 | EOS 50D | |
| 注射器 | BD Plastipak，西班牙 | 20 ml | |
| 加热板 | Schott instruments Mainz | SLK1 | |
| 硅橡胶印模材料（Vinyl Polysiloxane Expres） | 3M Espe，美国 | 常规 | |
| 搅拌板 | IKA Werke，德国 | KMO2 基础款 |
参考文献
- Anderson, K., Throckmorton, G. S., Buschang, P. H., Hayasaki, H. The effects of bolus hardness on masticatory kinematics. J Oral Rehabil. 29, 689-696 (2002).
- Koolstra, J. H. Dynamics of the human masticatory system. Crit Rev Oral Biol M. 13 (4), 366-376 (2002).
- Lepley, C. R., Throckmorton, G. S., Ceen, R. F., Buschang, P. H. Relative contributions of occlusion, maximum bite force, and chewing cycle kinematics to masticatory performance. Am J Orthod Dentofac. 13, 606-613 (2011).
- Lee, A., He, H., Lyons, K., Swain, M. V. Tooth wear and wear investigations in dentistry. J Oral Rehabil. 39, 217-225 (2012).
- Lussi, A., Megert, B., Shellis, R. P., Wang, X. Analysis of the erosive effect of different dietary substances and medications. Br J Nutr. 107, 252-262 (2012).
- Vieira, A., Overweg, E., Ruben, J. L., Huysmans, M. C. Toothbrush abrasion, simulated tongue friction and attrition of eroded bovine enamel in vitro. J Dent. 34 (5), 336-342 (2006).
- Heintze, S. D. How to qualify and validate wear simulation devices and methods. Dent Mater. 22, 712-734 (2006).
- Lambrechts, P., Dibbles, E., van Landuyt, K., Peumans, M., van Meerbeek, B. How to simulate wear? Overview of existing methods. Dent Mater. 22, 693-701 (2006).
- Ruben, J. L., Roeters, F. J. M., Montagner, A. F., Huysmans, M. C. D. N. J. M. A multifunctional device to simulate oral ageing: the "Rub&Roll". J Mech Behav Biomed Mater. 30, 75-82 (2014).
- Xu, W. L., et al. Review of the human masticatory system and masticatory robotics. Mech Mach Theory. 43, 1353-1375 (2008).
- Abrahamsen, T. C. The worn dentition pathognomonic patterns of abrasion and erosion. Int Dent J. 55, 268-276 (2005).
- Khan, F., Young, W. G., Law, V., Priest, J., Daley, D. J. Cupped lesions of early onset dental erosion in young southeast Queensland adults. Aust Dent J. 46, 100-107 (2001).
- Montagner, A. F., et al. Bonding Efficacy and Fracture Pattern of Adhesives Submitted to Mechanical Aging with the Rub&Roll Device. J Adhes Dent. 19, 59-68 (2017).
- Martinez Choy, S. E., Lenz, J., Schweizerhof, K., Schmitter, M., Schindler, H. J. Realistic kinetic loading of the jaw system during single chewing cycles: a finite element study. J Oral Rehabil. 44, 375-384 (2017).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
