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Bioengineering

用 "搓 & 辊" 和非接触式轮廓术模拟和测量咬合侵蚀齿磨损

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/56400

Summary

摩擦 & 辊可以模仿咀嚼周期, 允许变化的咀嚼力, 滑动距离, 咀嚼速度, 周期数, 和频率, 并与侵蚀和磨料的挑战, 可能导致复杂的模拟口腔老化。

Abstract

咀嚼、饮酒和偶尔磨牙会导致生理上的牙齿磨损。极端的挑战, 如磨牙或习惯性咀嚼异物, 可能导致过度磨损。近年来, 腐蚀在加速机械齿磨损中的作用已经得到了认可, 但化学和机械磨损过程之间的相互影响还没有得到广泛的研究。我们的实验室最近引入了一种新型的口腔磨损模拟装置, 即摩擦 & 轧辊, 使用户能够单独或同时在侵蚀和/或研磨环境中进行磨损和加载研究。这份手稿描述了该装置的一个应用: 在模拟咀嚼运动中, 被提取的人 (前) 磨牙的复合机械和腐蚀载荷, 具有受力、速度、流体和时间的控制应用,非接触式轮廓术在可视化和测量所产生的磨损模式。在最高负荷水平实验中产生的咬合形态学与糜烂磨损的临床表现非常相似。

Introduction

口腔可以被认为是一个严酷的环境: 湿度, 温度的变化, 由于热和冷的食物摄入, 和机械负荷与一些最强的肌肉在人体。然而, 牙齿有能力抵御这些挑战。搪瓷是非常坚硬的, 并且牙本质在之下防止相对地易碎的搪瓷从破裂。这两种材料的矿物成分, 羟基磷灰石是非常低的溶解度和平衡与饱和唾液。咀嚼, 饮酒, 偶尔磨牙会导致生理牙齿磨损在一生中1,2,3。极端的挑战, 如磨牙或习惯性咀嚼异物, 可能导致过度磨损。近年来, 侵蚀在加速机械齿磨损中的作用得到了认可。牙齿侵蚀已被广泛研究的体外, 但所使用的模型一般是简单的, 和机械因素很大程度上被忽视。因此, 化学和机械磨损过程之间的临床相互作用是不完全理解的4

许多体外侵蚀和糜烂磨损研究使用简单的酸浸泡平坦抛光珐琅或牙本质样品, 使用硬度损失或轮廓术作为测量方法5。磨料成分的引入通常涉及刷牙动作, 或有时舌或珐琅尖滑动接触点6。这些研究表明, 釉质侵蚀导致软化表面层, 这是容易磨损。平面通常是需要的, 因为机械加载装置不能处理凹凸不平的表面, 而且测量不均匀的表面的技术也更加复杂。然而, 在咬合尖, 大多数的青少年糜烂牙齿磨损, 咀嚼食物的磨损预计是最相关的机械因素咬合侵蚀磨损。理想的口腔磨损机, 模仿口腔环境的所有细节不存在, 大多数体外模型将不允许天然咬合表面的牙齿是暴露或测量7,8

我们的实验室最近推出了一种新颖的设备, 它符合许多 Heintze 的7规范和口腔磨损模拟模型的公差, 并使用户能够单独或同时在侵蚀和/或研磨环境。新设备 (搓 & 卷) 由搅拌机器和容器 (图 1a) 组成.在容器中, 可以安装带有试样的圆柱体。在圆筒和容器的内壁之间一个更多标尺被安置 (图 1b)。通过启动搅拌马达, 杆在气缸中的试样上旋转 (图 1c)。使用垫片, 不同的力量可以应用于标本。有关设备的设计、构造、运行机制和功能的全面描述, 请参阅介绍和讨论设备9的文章。该装置坚固耐用, 技术要求不高, 可同时将载荷应用于32试样。拮抗力在试样表面上移动, 同时保持平滑连续的接触, 这与正常咀嚼的10相当。本文介绍了天然牙咬合面磨损模型的应用, 并说明了该方法的临床意义和通用性。

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Protocol

本试验所用牙齿的收集是按照区域医学伦理委员会的指导方针进行的。

1. 标本采集和样品制备

  1. 收集24声音提取的人 (前) 臼齿从牙科实践, 并刷与浮石在低速手机到一个干净的 (无碎片, 没有牙龈残余) 和光滑的牙齿表面, 最后冲洗十五年代下自来水。
  2. 嵌入的样品, 使他们适合的凹槽 (12 毫米 x 15 mm x 27.5 毫米) 的气缸的设备。
    1. 在板 (50 ° c) 上熔化印模化合物 (一根113克), 大约10分钟, 在熔融物质中浸出臼齿的咬合部分, 覆盖咬合表面。将臼齿倒置放在显微镜下的幻灯片上, 然后按下直到所有杯子的提示触摸玻璃和等待±三十年代, 直到印象化合物已冷却和设置, 固定的牙齿。
    2. 使用注射器将10毫升的酯 (pmma) 混合物倒入硅胶模具中, 内部尺寸为 12 mm x 15 mm x 27.5 mm. 混合 PMMA 在油烟罩 (比13克聚合物:10 毫升单体) 大约二十五年代使用刮刀。离开到十五年代, 这样任何气泡都可以在使用前逃脱。
    3. 将显微镜滑轨倒置, 并在填充有 PMMA 的硅模中暂停磨牙。按下幻灯片, 直到它触及模具。浇注相在室温下持续约1.5 分钟。
    4. 在室温下设置 PMMA 和 1000 hPa 20 分钟后, 取下显微镜滑轨, 从硅模具中取出嵌入的牙齿。
    5. 测量嵌入摩尔的总高度, 并通过用 16 mm 的铣刀, 从底部增量去除固化的 PMMA, 将高度调整到刚好 27.3 mm。

2. 脱矿溶液的制备

  1. 添加0.1 米乳酸 (50 克), 1.5 mm CaCl2 (1.103 g), 0.9 mm,2PO4 (0.612 g), 10 毫升1% 氯, 0.5 ppm F (2.5 毫升 1000 ppm 氟化物标准溶液) 到4900毫升的去离子水搅拌板上。
  2. 滴定与10米 KOH (±50毫升), 以 ph 4.8 与校准 ph 玻璃电极。

3. 摩擦 & 轧辊的安装和机器设置 (图 1)

  1. 从容器中取出钢瓶, 将24试样放在摩擦 & 辊筒的凹槽中。
  2. 为了调整加载力, 通过在试样下方的凹槽中放置一个垫片来调整试样的突起。对于没有负载 (0 n) 的8标本, 使用无垫片, 并为 30 n (8 标本) 和 50 n (8 标本), 使用一个垫片的1毫米和1.5 毫米, 分别。
  3. 安装气缸的2部分, 用 M6 螺栓固定, 并将钢瓶放在容器中。
  4. 用500毫升脱矿溶液填充容器。
  5. 放置装货杆: PVC 管 (硬度73岸 a), 外径为14毫米, 内径为 10 mm, 插入不锈钢316杆 (硬度 130-150 HB), 直径为9毫米。
  6. 将转速设置为 20 rpm, 模拟临床咀嚼频率, 并让设备不间断运行。
  7. 在实验中, 更换除盐溶液和 PVC 管, 并检查 pH 与校准玻璃电极每周两次。
  8. 在3月后 (对应于大约150万个周期) 断开钢瓶与容器的连接, 拆下样品, 拆卸2部分的气缸, 并将标本存放在去离子水中。
    注: 所有试样都在摩擦 & 辊的前后进行扫描, 使用非接触仪。

4. 测量扫描、分析和减法

  1. 使用仪生成样品的地形测量。
  2. 开关设备: 计算机、电源模块和传感器控制器。放置适当的传感器, 并与螺钉安全。然后, 小心地将光纤插入传感器控制器。
  3. 在传感器控制器上选择正确的传感器。传感器控制器将显示4选项 (F1-F4)。按 F4 两次, 并显示共焦传感器菜单。
    1. 按 F3 (传感器选择), 滚动到 2-1万µm. 选择 (10 mm) 并按 F4。按 F1 并选择 F4 (是) 将设置保存到 EEPROM。选择 LED 强度, 并转到位置 "±9点", 并按 F4-F2-F4 采取了 "暗参考" 的传感器。
  4. 打开软件并选择 "连接" 到设备的选项。注意, 测量表将自动移动到 "主页位置" 搜索。显示屏上会显示主屏幕。按下菜单栏中的工具, 然后选择传感器 S29 |10-1万µm。
    1. 按下菜单栏中的工具, 然后选择300赫兹. 在菜单栏中的按下工具, 然后是速度传感器, 然后选择 0-100%。
  5. 在菜单栏中选择 "扫描"。然后选择关键移动阶段。按屏幕中间的黄色区域, 将测量表移动到中心。
  6. 将试样放置在测量表的中心, 然后在传感器的范围内设置正确的高度。将传感器置于样本感兴趣的区域之上, 并调整传感器的距离, 使扫描的完整采样区域位于传感器的焦点范围内。传感器控制器指示高度是否在显示活动数据高度中的绿色区域的传感器范围内。
  7. 选择设置。将平均值设置为 2, 以确保每个记录的数据点都是平均2测量值。这会减慢扫描速度, 但会提高扫描质量。完成设置后, 按 OK 返回主扫描设置。
  8. 将传感器光束放置在试样的左上角。将总扫描区域设置为 15 mm x 12 mm, 在 x 和 y 方向的步长为40µm (0.04 mm), 步骤数 x = 375 和 y = 300。再次, 较小的步骤将增加扫描分辨率, 但也扫描时间。现在按扫描开始扫描。
  9. 当扫描完成约10分钟后, 在菜单栏中选择 "文件", 随后选择 "另存为"。扫描被规范化, 在这种方式下, 天平总是在相同的水平。
  10. 选择菜单栏中的文件, 然后选取 "打开文件"。在菜单栏中选择翘曲。使用1的翘曲滤镜来消除扫描台和传感器的噪音。选择菜单栏中的最高点, 然后在磨牙上找到最高点。
  11. 在菜单栏中选择工具, 然后在扫描配置中选择选项缩放。在扫描配置中, 按 Z 值最高点 (在4.10 中测量)-3500 计算 mm 的偏移量。手动设置范围, 从0到 3.6 mm, 然后按 "确定"。
  12. 选择菜单栏中的 "加载区域" 以重置缩放比例。选择菜单栏中的文件, 接着选择 "另存为"。
  13. 减去扫描在两个不同的时刻, 在时间。
    1. 在软件的菜单栏中选择 "打开"。在目录中找到原始扫描和修改后的扫描文件, 选择 "文件", 然后按 "确定"。将显示 "选项" 屏幕, 在 "调配" 选项中选择: 手动调配选项;并在补偿抵消的选项分别, 适用于原件和适用于修改。
    2. 在菜单栏中选择 "窗口", 后跟选项创建视图, 最后是选项横截面视图。
  14. 选取已修改的曲面, 并在水平、垂直和 Z 方向 (高度) 上, 通过按住控制键并按下左右箭头键以水平方向移动经过修改的曲面;按住控制键并按向上和向下箭头键进行垂直方向;按住 shift 键并按 Z 方向向上和向下键, 这样, 差异视图中显示的减去的音量和高度就尽可能低。
  15. 选择菜单栏中的文件, 然后选择 "另存为". 输出被读为平均体积损失和平均高度损失。

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Representative Results

我们暴露了人磨牙 (n = 8 每组) 到酸性水溶液在 pH 4.8 在摩擦 & 轧辊, 3 月。这对应于一个临床运作时间大约6年。施加的机械载荷为: 无负载 (0 n)、30 n 或 50 n。

平均咬合面高度损失为三组为:76 ±20µm 为 0 N;161±40µm 30 N;和266±101µm 50 N (图 2)。磨损与机械加载造成的咬合尖齿状病变的牙颌尖端尖端类似的临床现象与侵蚀牙齿磨损称为 "拔火罐" (图 3图 4)。

Figure 1
图1。摩擦 & 轧辊示意图.(a) 设备概述: 1. 搅拌电机, 2. 容器。(b) 容器的内部视图: 3. 杆, 4 缸。(c) 与试样和容器外部接触的连杆: 3. 杆, 5. 垫片, 6. 嵌入的摩尔。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2.条形图显示的平均咬合表面高度损失的人磨牙牙齿加载 0, 30, 或 50 N 在一个脱矿溶液 pH 4.8 使用的摩擦 & 辊装置。误差线指示 SD.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3.典型的磨牙牙后3月的摩擦 & 辊在一个脱盐溶液与 pH 值4.8。从左到右, 牙齿机械地加载 0 n, 30 n, 或 50 n 首行显示 stereomicroscopic 光照片 (放大 10X), 和底部行显示相应的减法图像。减法图像中的颜色表示从无损耗 (红色) 到1500µm 损耗 (蓝色) 的高度损失。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4.示例测量扫描选定的样本, 前 (上一行) 和后3月曝光 (中间行)。底部的行显示两个叠加扫描的行剖面 (在曝光后为红色和黑色)。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5.咬合侵蚀牙磨耗的临床应用实例。注意尖的拔火罐 (Dr. r 高路易)。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

在这里提出的应用给了一个良好的印象的临床相关性的揉 & 辊。在实验中产生的咬合形态学在最高的负载水平是非常相似的临床表现糜烂牙齿磨损 (图 5)11,12

设置的多才多艺首先说谎与使用的解答。在最简单的模型中, 可以使用水。在水介质中加载样品可用于样品老化, 例如复合树脂修复胶粘接, 在粘结强度测试之前13。在一个更具临床相关性的模型中, 水可以被人工唾液取代。研磨性成分, 如纤维可以添加到模拟咀嚼的磨料食品。即使是整个食品, 也可以在咀嚼磨损是调查结果的情况下使用。对于纯腐蚀磨损, 可以制定出模拟软饮料或果汁的解决方案。

其次, 如本例所示, 可以通过改变样品的位置来调整载荷。装载被限制到大约 75 N, 但这在正常嚼力量的范围之内很好14。通过选择生理负荷水平, 衰老过程的速度与临床相关。由于旋转单元中的连续曝光, 以及在同一时间可以暴露的大量试样, 实验总时间仍在减少。

可以设想对设备进行更多的修改。通过添加热控单元, 可以引入冷热的方面, 这是口腔老化的另一个重要方面。通过改变培养基周期, 可以引入 pH 循环, 用于模拟釉质的龋齿过程 (de 和再)。可以对杆面进行修改, 以模拟不同的拮抗剂情况, 如瓷或复合修复体。通过在样品下方放置粘弹性材料, 可以模拟牙周韧带的作用。该设备是相对简单的, 可以很容易地定制的用户, 根据需要。

在操作设备时必须考虑一些细节。当使用不均匀接触面时, 样品定位是复杂的, 因为在表面上的杆的运动可能会受到凸出形状的阻碍。这可能会导致滑杆和不必要的振动。在每一个实验的开始, 因此, 有必要密切监测设备的运行。大约8小时后, 它通常会顺利运行。建议在这段时间后更换杆, 并从该点起, 每周更换两次。

在牙被嵌入为咬合装载之前, 应该仔细地考虑定位, 以便杆运动的方向模拟发音或咀嚼运动尽可能接近。咬合面上的力可能会导致磨损, 这反过来会降低载荷。建议定期监测样品的突起, 以便在预定范围内保持装货。在使用酸性介质进行的实验中, 对于侵蚀或龋齿的建模, pH 值也应进行监测。由于搪瓷的溶解, 它可能会在更长的实验过程中发生变化。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者没有致谢。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Low speed handpiece KAVO, Leutkirch imm Allgau, Germany Dental equipment
Brush for handpiece KAVO, Leutkirch imm Allgau, Germany Dental equipment
Pumish Dental equipment
Human third molars
Impression compound green Kerr, Bioggio, Switzerland Art.nr. 00444
Microscope slide Menzel, Braunschweig, Germany 76 x 26 mm
Autoplast Cold curing denture base material Candulor, Wangen, Switzerland
Silicone mold with inside dimensions of 12 x 15 x 27.5 3M Espe Neuss, Germany Express STD
Pressure vessel Al Dente, Meckenbeuren, Germany 581-009-024/25
Milling cutter ø16mm Format, Germany HSSCo8 nr. 21691600
Milling machine Weiss Machine Tools WMD 20 LV
Rub&Roll UMCN , Nijmegen The Netherlands Technical workshop
Rub&Roll container UMCN , Nijmegen The Netherlands Technical workshop
Rub&Roll cylinder sample holder UMCN , Nijmegen The Netherlands Technical workshop
Rub&Roll motor UMCN , Nijmegen The Netherlands Technical workshop
Shim: Silicone plate massive 1 mm/ 1,5mm, 60 ± 5° Shore A, red Peter van den Berg afdichtingstechniek, Barendrecht
Lactid acid extra pure 88% Boom, The Netherlands CAS nummer: 79-33-4
Calcium Chloride dihydrate CaCL2 .2H2O Merck, Darmstadt, Germany CAS nummer: 10043-52-4
Pottassium dihydrogen Phosphate KH2PO4 Merck, Darmstadt, Germany CAS nummer: 7778-77-0
Chloramine T (sodium salt) trihydrate for synthesis CH3C6H4SO2NClNa·3H2O Merck, Darmstadt, Germany CAS nummer: 7080-50-4
Natriumfluoride standard solution 1000mg/L F Certipur Merck, Darmstadt, Germany CAS nummer: 7681-49-4
Deionized water
Kaliumhydroxide, pellets EMSURE analytical reagent KOH Merck, Darmstadt, Germany CAS nummer: 1310-58-3
PVC tube(Hardness73 Shore A)outer diameter 14mm inner diameter 10mm DEUTSCH & NEUMANN, Germany Art.nr. 3501014
Insert of a stainless steel 316 (Hardness 130–150 HB) diameter 9mm UMCN , Nijmegen The Netherlands Technical workshop
pH glass electrode WTW, Weilheim, Germany Sentix 61 103640
Non contact Profilometer Proscan 2100 Scantron Industrial Products Ltd, Taunton, UK http://www.scantronltd.co.uk
Software version Proscan 2100 2.1.1.15A+ Sensor S29 / 10-10000 microns Scantron Industrial Products Ltd, Taunton, UK
Software version Proform Scantron Industrial Products Ltd, Taunton, UK
Stereomicroscope Leica www.leica-microsystems.com M50
Photocamera Canon Canon Japan EOS 50D
Syringe BD Plastipak, Spain 20 ml.
Hotplate Schott instruments Mainz SLK1
Silone impression material (Vinyl Polysiloxane Expres) 3M Espe , USA Regular
Stirring Plate IKA Werke, Germany KMO2 Basic

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References

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生物工程 问题 132 咀嚼力 咀嚼 磨损 磨蚀 侵蚀 摩擦
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