Тема: кариес зубов как химический процесс. Кариесрезистентность эмали.

Общее время занятия: 4 часа

Мотивационная характеристика темы. С химической точки зрения кариес - результат дисбаланса в череде процессов растворения минералов эмали и их репреципитации. Судьба кристаллов зависит от их собственных свойств (растворимости в кислоте) и характеристик окружающей среды (насыщенности по апатитам). Минерализующая профилактика кариеса зубов преследует цель сохранить баланс путем химических преобразований эмали и насыщением околозубной среды ионами, составляющими апатиты. Для научных и практических задач важно понимать суть кариесрезистентности эмали, знать методы ее оценки и возможности повышения.

Цель: углубить представления о кариесе как о химическом процессе;овладеть методами определения кариесрезистентности эмали и усвоить принципиальные возможности ее повышения

Задачи занятия

В результате освоения теоретической части темы студент должен знать:

· химические основы кариозного процесса (субъекты и механизмы растворения и преципитации);

· факторы, определяющие кариесрезистентность зуба;

· методы оценки кариесрезистентности эмали.

В результате выполнения практической части занятия студент должен уметь

· проводить тесты для определения кариесрезистентности эмали, давать им оценку и составлять прогноз в отношении развития кариеса.

Требования к исходному уровню знаний. Для полного усвоения темы студенту необходимо повторить:

· из морфологии – строение и основные структурные единицы эмали;

· гистологии и эмбриологии – этапы гистогенеза зуба;

· из химии – механизмы растворения и преципитации; понятие о перенасыщенности; законы термодинамики; соединения фосфата кальция, структура кристаллов апатита;

· из физики: что такое лазер? какие факторы определяют оптические свойства кристаллов? какие факторы определяют уровень электропроводности эмали?

· из биохимии, профилактики стоматологических заболеваний – патогенез кариеса зубов.

Контрольные вопросы из смежных дисциплин

1. Какие органические и неорганические вещества представлены в эмали, каково их процентное соотношение?

2. Что является основным структурным элементом эмали? Каковы структурные различия эмали зубов в возрастном аспекте?

3. Этапы, последовательность, сроки минерализации твердых тканей зуба до и после его прорезывания.

4. При каких условиях происходит растворение кристаллов? При каких условиях становится возможной преципитация и рост кристаллов?

5. Какие химические реакции лежат в основе патогенеза кариеса зубов?

6. Какие методы количественного анализа применяют в медицине?

7. Что является физической основой электропроводности?

8. Каковы основные характеристики лазерного луча? Каковы законы, описывающие поведение луча света (отражение, рассеивание и т.д.)?

 

Контрольные вопросы по теме занятия

1. Кариес как химический процесс. Роль ионов кальция, фосфатов и фторида в процессе растворения и репреципитации минералов эмали.

2. Кариесрезистентность: содержание термина, условия пре- и постэруптивного формирования.

3. CRT-тест: обоснование, методика проведения, оценка результатов.

4. ТЭР: обоснование, методика проведения, оценка результатов.

5. Лазерная рефлектометрия: обоснование, методика проведения, оценка результатов.

6. Электрометрия: обоснование, методика проведения, оценка результатов.

7. Биопсия эмали: методика проведения, возможности использования и оценки.

8. Методы точного количественного определения содержания макро- и микроэлементов в твердых тканях зубов (спектрометрия, изучение Са, Р в золе).

Учебный материал

Кариес эмали рассматривается сегодня как совокупность химических процессов растворения и репреципитации, подчиненных законам термодинамики. Баланс этих процессов (см. далее) зависит от свойств эмали и свойств околозубной среды, а именно от насышенности среды по ионам, составляющим апатит – то есть от их концентрации и рН среды.

Химические основы концепции кариеса.

Главные события кариозного процесса разворачиваются в апатитоподобных структурах эмали. Апатиты эмалиотличаются от минерального гидроксиапатита, имеющего формулу Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2, наличием «загрязняющих» включений - карбонатных групп и ряда химических элементов в следовых количествах (натрия, магния, калия, хлорида, цинка, фторида); кроме того, в решетке кристалла нередко сохраняются вакантные места, поэтому «средний» состав эмали может быть описан формулой

Ca _9,48 Mg _0,18 Na _0,11 (PO₄)_5.67 (CO₃)_0,45 (OH)_1,54 (H₂O)_0,46.

Вакансии и включения (главным образом – карбоната и фторида) и существенно изменяют плотность кристалла биологического апатита и влияют на его растворимость. Преэруптивное включение карбонатов[2], магния, натрия и наличие вакантных мест в решетке – основные причины того, что апатиты эмали имеют более высокую растворимость, чем минеральные апатиты. Фторид, включаясь (пре- и постэруптивно) в кристаллическую решетку в кристаллическую решетку в местах, предназначенных для гидроксильных групп, делает структуру более компактной, что снижает энергию кристалла и стабилизирует его в термодинамическом отношении.

Растворимость апатита описывается формулой

K_sp=a_Ca¹⁰a_PO4⁶a_OH²

где a – активность в растворе ионов кальция, фосфата и гидроксила. Выход ионов из апатита в околозубную среду начинается при снижении до критического уровня в ней количества свободных ионов, составляющих апатиты (а это зависит как от фонового количества ионов, так и от рН - количества ионов водорода, способных связать эти ионы и «вывести из игры»[3]), т.е при недонасыщенности околозубной среды по апатиту. Растворяясь, апатит распадается на отдельные ионы; при постепенном снижении рН раньше других растворяются апатиты, содержащие карбонаты, магний, натрий и цитраты, позже – апатиты с фторидами.

При повышении рН и/или существенном росте концентрации ионов в околозубной среде процесс идет вспять – ионы могут преципитировать и образовывать те или иные соединения кальция и фосфата, которые при благоприятных условиях трансформируются в апатитоподобные структуры.

Таким образом, растворение кристаллов апатита в кислой среде зависит от нескольких параметров, главные из которых – свойства кристалла, рН и количество ионов, составляющих апатит, в околозубной среде – в жидкости бляшки и слюне; чем больше ионов водорода в среде (ниже рН), тем больше свободных ионов в среде необходимо иметь для поддержания (восстановления) перенасыщенности среды по апатитам и, соответственно, сохранения минерального баланса эмали.

· Роль кальция и фосфата. Ионы кальция и фосфатамогут отчасти пополнить околозубную среду естественным образом (при снижении рН распадаются мицеллы слюны, растворяются компоненты зубных отложений и апатиты эмали), однако при значительном продолжительном снижении рН этих источников оказывается недостаточно. Сократить утраты минералов из эмали и поощрить их преципитацию из околозубной среды можно, если извне привнести «в зону боев» нужные для перенасыщенности среды ионы – ионы кальция и фосфата из пищевых продуктов (например, сыра) и/или профилактических препаратов. В этом случае можно надеяться на формирование тех или иных соединений кальция и фосфата, которые могут постепенно модифицироваться до формы апатита (аморфный фосфат кальция Ca₉(PO₄)₆ хH₂O (АСР) [4] → фосфат октакальция Ca₈H₂(PO₄)₆ 5H₂O (ОСР) → дигидрат фосфата дикальция (син. брушит) CaHPO₄ 2H₂O (DCPD) → гидроксиапатит Ca₁₀ (PO₄)₆ (OH)₂) (НАР).

· Роль фторида в кариозном процессе. Сегодня полагают, что основные механизмы участия фторида в защите от кариеса связаны с его влиянием на процессы растворения и репреципитации минералов эмали.

Фторид и растворение апатитов. Фторид снижает скорость растворения эмали в условиях кариесогенной ситуации, что объясняют несколькими механизмами. Основное значение придают тому, что ионы фтора могут включаться в апатитную решетку, замещая ионы гидроксила. В результате между узлами кристаллической решетки формируются более тесные связи и, соответственно, структура стабилизируется, становясь более устойчивой к растворению в кислоте. Фторированные апатиты могут формироваться преэруптивно (при достаточном уровне фторида в тканевой жидкости, омывающей фолликул зуба) и постэруптивно – в твердой фазе (ионы фторида из раствора могут самостоятельно или в виде HF проникать в межкристаллические пространства и включаются в кристаллы с исходно вакантными позициями или с частичной утратой гидроксил-ионов) и в жидкой фазе, с последующей преципитацией в частично растворенные кристаллы (см. далее). Из химии известно, что стехиометрические фторапатиты более устойчивы к кислоте, чем гидроксиапатиты (растворяются при рН=4,5 и рН=4,5 соответственно) - этим тезисом и объясняют защитную роль структурного фторапатита (см. рис. 1).

 

 

 

кальций фторид кислород водород     Рис.2. Структура фрагментов кристаллов гидрокси – и фторапатитов эмали

фторапатит гидроксиапатит

Рис. 1.Схема строения фторапатита и гидроксиапатита.

Кроме того, отмечено, что наличие ионов фторида в межкристаллической жидкости стимулирует рост кристаллов апатита, что повышает уровень минерализации эмали. Ионы фторида, присутстствующие в околозубной среде, отчасти связывают ионы водорода, контролируя рН. Наконец, если околозубная среда перенасыщена по фториду, фторапатиты эмали не растворяются.

Фторид и преципитация апатитов. В последнее время главную роль в профилактических эффектах фторида отводят не струтктурному, но т.н. «лабильному фториду», находящемуся в ионной форме в непосредственной близости от апатитов.

При введении фторида в раствор, содержащий ионы фосфата и кальция, растет вероятность преципитации соединений кальция даже при относительно низком уровне рН (но ниже рН=4,5). Термодинамическое обоснование эффектов лабильного фторида заключается в следующем: среда с 4,5<рН<5,5 недонасыщена по гидроксиапатиту, но, в присутствии даже относительно небольшого количества фторида (≥0,03ppmF), все еще перенасыщена по фторапатиту – следовательно, ионы фосфата и кальция, вымытые из эмали, могут преципитировать из околозубной среды на поверхность эмали в составе фторированного апатита (см. рис.2), что снижает итоговый объем деминерализации эмали и повышает шансы ее на реминерализацию; после вымывания кислоты и ее нейтрализации (превращения в соли) кислотность околозубной среды достигает уровня.рН>5,5 - среда остается перенасыщенной и по фторапатиту и становится перенасыщенной по гидроксиапатиту - преципитируют и фторированные, и нефторированные апатиты (см. рис.2).

 

Рис.2. Процессы в эмали и околозубной среде при различных уровня рН

При относительно высокой концентрации фторида (10ppmF) околозубная среда становится перенасыщенной не только по фторапатиту, но и по фториду кальция; по кинетическим причинам более предпочтительным оказывается формирование фторида кальция. Глобулы фторида кальцияCaF₂ (« лабильный» фторид»), образующиеся на поверхности эмали, при уровнях рН и концентрации кальция, характерных для слюны и бляшки, должны были бы быстро растворяться, однако, защищенные фосфатами и/или протеинами слюны и бляшки, остаются стабильными долгое время; «защита» из ионов фосфата рушится при рН<5,0, поэтому в ходе кислотной кариесогенной атаки фторид может высвобождаться из фторида кальция и далее участвовать в формировании фторапатита. Фторапатиты, оседая на поверхности частично растворенных кристаллов поверхностной эмали, могут «ремонтировать» дефектные участки, придавая им свой уровень резистентности [5].

Присутствие фторида в околозубной среде особенно важно во время и в ближайшее время после прорезывания зуба: в ходе первых кислотных атак растворяются наиболее лабильные - карбонатные – апатиты эмали, которые при наличии доступного фторида могут репреципитировать уже как относительно стабильные фторсодержащее апатиты; этот процесс считают основой т.н. постэруптивного созревания эмали.

Таким образом, клиническая стабильность эмали, а также динамика развития кариозного процесса на его ранних стадиях зависят и от качества преэруптивного формирования эмали, от условий, складывающихся вблизи эмали после прорезывания зуба, определяющих ее минеральный баланс. В прошлом основное значение в судьбе зуба придавали только одному из известных сегодня факторов, определяющих растворение эмали – ее собственным свойствам, называемым «кариесрезистентностью эмали». Современная парадигма профилактики кариеса зубов уделяет внимание всем факторам, существенным для сохранения баланса – и кариесрезистентности эмали, и рН околозубной среды (контролю активности кариесогенной бляшки), и присутствию ионов в околозубной среде (см. далее о минерализующей системной и местной профилактике с использованием соединений фторида, кальция и фосфата).

Кариесрезистентность эмали

Устойчивость эмали к растворению в кислоте, понимаемая в узком смысле, определяется составом и структурой кристаллической апатитной решетки.

В клинике и в исследованиях используют тесты, позволяющие объективно оценить кислотоустойчивость эмали (CRT, ТЭР), плотность ее структуры (электрометрия, лазерная рефлектометрия, микротвердость), минеральный состав кислотного биоптата и озоленных образцов.

Следует правильно ориентироваться в результатах тестов на кариесрезистентность:

· повышение значений ТЭР свидетельствует о снижении кариесрезистентности эмали;

· увеличение времени цветной реакции в CRT свидетельствует о повышении кариесрезистентности;

· увеличение диффузной компоненты при рефлектометрии информирует о снижении кариесрезистентности;

· снижение результатов электрометрии свидетельствует о росте резистентности эмали.

Результаты клинических и лабораторных исследований позволяют судить об устойчивости зубов к кариесу, делать прогноз развития кариеса для составления программ профилактики и оценивать их эффективность.

Задание для самостоятельной работы

Прежде всего студенту необходимо систематизировать знания о кариесе как о химическом процессе и понять, какого рода поддержка (естественная и ятрогенная, в том числе с использованием соединений фтора, кальция и фосфата) может быть полезна тканям зуба в кариесогенной ситуации – эти знания станут основной для усвоения нескольких последующих тем.

При подготовке к занятию следует вспомнить, какие преэруптивные условия формируют кариесрезистентность зубов. Методы определения кариесрезистентности в достаточном объеме изложены в учебном пособии.

После освоения темы для лучшего усвоения материала в рабочей тетради необходимо:

· по памяти воспроизвести в тетради рисунок 2.

Самоконтроль усвоения темы: После изучения темы для контроля качества усвоения и выявления неясных моментов предлагается ответить на следующие вопросы тестового контроля.

Вопрос	Варианты ответов	Коды ответов
1) Кариесрезистентность эмали - это: а) растворимость эмали; б) устойчивость эмали к кариесу; в) проницаемость эмали; г) степень минерализации эмали.	1) а 2) б 3) в 4) г 5) a,в
2) При проведении теста CRT время изменения цвета индикатора составило 45 сек. Это свидетельствует о кариесрезистентности эмали: а) высокой; б) низкой.	1) a 2) б
3) В основе ТЭР лежат свойства эмали: а) растворимость; б) b)плотность; в) степень минерализации; г) электропроводность эмали.	1) a 2) б 3) в 4) г
4) Для проведения ТЭРИ используют реактивы: а) кристалл-виолет+соляная кислота; б) индигокармин+серная кислота; в) метиленовый синий+соляная кислота; г) индигокармин+ соляная кислота; д) метиленовый синий+ серная кислота.	1) a 2) б 3) в 4) г 5) д
5) Степень окрашивания эмали при проведении ТЭР составила 0,37%. Это соответствует кариесрезистентности эмали: a) высокой; б) очень низкой; в) умеренной.	1) a 2) б 3) в
6) Для проведения лазерной рефлектометрии необходимо иметь: а) гелий-неоновый лазер; б) гальванометр; в) аппарат для электоодонтодиагностики; г) краситель+кислота.	1) a 2) б 3) в 4) г 5) a, г
7) Величина отраженного света при проведении лазерной рефлектометрии составляет при кариесустойчивой эмали исследуемого зуба: a) 0,24; б) 0,30.	1) a 2) б
8) В основе метода электрометрии лежат: а) степень насыщения эмали органическими веществами; б) степень насыщения эмали неорганическими веществами; в) растворимость эмали; г) проницаемость эмали.	1) a, в 2) б, г 3) a, б 4) в, г
9) При оценке CRT- теста регистрируют: а) время изменения окраски индикатора от желтого до фиолетового; б) степень прокрашивания эмали; в) величину электропроводности твердых тканей зуба; г) величину отраженного света.	1) a 2) б 3) в 4) г
10) Для зрелой кариесрезистентной эмали будут характерны следующие показатели: а) ТЭР=4; CRT=55сек; электропроводность эмали 4А; б) ТЭР=6; CRT=67сек; электропроводность эмали 0А; в) ТЭР=3; CRT=71сек; электропроводность эмали 0А; г) ТЭРИ=7; CRT=43сек; электропроводность эмали 3А;	1) a 2) б 3) в 4) г

Литература

Основная

2. Лекции на темы: «Кариес как химический процесс. Кариесрезистентность эмали». «Местная минерализующая профилактика кариеса зубов: теоретические основы»

3. Терехова, Т. Н. Профилактика стоматологических заболеваний: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений по специальности «Стоматология» / Т. Н. Терехова, Т. В. Попруженко. Мн.: Беларусь, 2004. С.133–145.

4. Попруженко Т. В. Профилактика стоматологических заболеваний/ Т.В. Попруженко, Т.Н.Терехова.- М.: МЕДпресс-информ, 2009. С.222-232, 246.

5. Попруженко Т. В. Профилактика кариеса зубов с использованием местных средств, содержащих фториды, кальций и фосфаты: учеб.-метод. пособие / Т. В. Попруженко, М.И. Кленовская. –Минск: БГМУ, 2010.

Дополнительная

1. Боровский Е.Б., Леонтьев В.К. Биология полости рта. – М.: Медицина,1991. – 304с.

2. Леонтьев В.К., Вершинина О.И. Механизмы кислотного растворения эмали // Стоматология. –1982. - №1. - С.4-7.

3. Леонтьев В.К., Петрович Ю.А. Биохимические методы исследования в клинической и экспериментальной стоматологии: Методическое пособие. – Омск, 1976. – С.32-33, 47-49, 80.

4. Овруцкий Г.Д., Водолацкий М.П., Водолацкая А.М. Прогнозирование и донозологическая диагностика кариеса зубов. – Ставрополь, 1990. –96с.

5. Окушко В.Р. Физиология эмали и проблема кариеса зубов. – Кишинев. – 1989. – 78с.

6.Профессиональная профилактика в практике стоматолога: атлас по стоматологии / Ж.-Ф. Руле, С. Циммер; пер. с нем. Т.Н. Тереховой и Т.В. Попруженко под общ. ред. С.Б. Улитовского, С.Т. Пыркова М.: МЕДпресс-информ, 2010.-71-72. с.

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №13