بهبود خواص لومینسانس چینی دندانپزشکی با استفاده از سیلیکون کارباید

مقدمه

طی دویست سال گذشته، آمالگام حاکم مطلق عرصه مواد ترمیمی دندان پزشکی بوده است، ولی امروزه ترمیم های هم رنگ که بیشتر به وسیله کامپوزیت ها، سرامیک ها و چینی دندانپزشکی انجام می شوند جایگزین آمالگام ها شده اند. مزیت اصلی ترمیم های هم رنگ، مساله زیبایی است. هرچند عدم استفاده از جیوه که در ترمیم های آمالگام وجود دارد نیز جزو برتری های ترمیم های هم رنگ می باشد؛ چراکه محققین معتقدند جیوه موجود در آمالگام ممکن است در درازمدت عوارض نامطلوبی را ایجاد کند.

یک ماده‌ ترمیمی ایده ال باید خواص بازتاب نور، انتشار و فلوروسانس مشابه دندان طبیعی داشته باشد، در غیر این صورت کیفیت زیبایی آنها کاهش پیدا می‌کند.⁽¹⁾ با توجه به اهمیت زیبایی، خواص نوری شامل نیمه شفافیت (Translucency) مواد سرامیکی در مطالعات بسیاری مورد توجه قرار گرفته است. نیمه شفافیت مواد دندانی عموما با استفاده از پارامتر نیمه شفافیت و نسبت کنتراست اندازه گیری می شود. نسبت کنتراست، نسبت بین بازتاب نمونه بر روی یک زمینه سیاه نسبت به یک زمینه سفید با بازتابش معین است.⁽²⁾مطالعات نشان داده است که ضخامت به طور غیرمستقیم بر روی عبور نور از پرسلن های دندانی اثر می گذارد. هر چه ضخامت ماده بیشتر باشد نیمه شفافیت کمتر است.⁽³⁾

لومینسانس، نشر نور توسط ماده در اثر تابش پرتوهای فرابنفش و مرئی می باشد. به طور ایده ال یک ماده ترمیمی باید لومینسانس مشابه بافت دندان طبیعی را داشته باشد.لومینسانس می تواند به عنوان ابزاری برای تشخیص ماده ترمیمی که آن را از بافت دندان طبیعی متمایز می کند استفاده شود.لومینسانس یک مفهوم کلی و توصیف کننده نشر کوتاه مدت از حالت های برانگیخته منفرد (فلورسانس) و نشر بلند مدت از حالت های برانگیخته سه تایی (فسفرسانس) است. یک نمونه می تواند فلورسانس، فسفرسانس یا هر دو را از خود نشان دهد.⁽⁴⁾

بررسی محققان در مورد تاثیر مقدار و اندازه‌ فیلرها بر خواص نوری رزین کامپوزیت نشان داده است که خواص نوری نمونه ها با افزایش مقدار و اندازه ذرات فیلر کاهش می یابد.⁽⁵⁾ مطالعه دیگری نشان داده است که در مقادیر یکسان فیلر، نمونه های ساخته شده با نانوفیلرها در مقایسه با نمونه های حاوی میکروفیلر خواص نوری بهتری را دارا می باشند.^(7و6) مسئله دیگر تکنیک پرکردن دندان است، برای پرکردن دندان ها از دو تکنیک مرسوم لایه گذاری و پرکردن یک مرحله ای استفاده می شود. تحقیقات صورت گرفته در این زمینه نشان دهنده ایجاد لایه ممانعتی اکسیژن در محل لایه فصل مشترک کامپوزیت – کامپوزیت و افزایش پخش نور در اثر برخورد با این لایه و کاهش شفافیت ترمیم در تکنیک لایه گذاری است.⁽⁸⁾

کاهش خواص نوری ترمیم های دندانی همچنین می تواند ناشی از ضخامت بالای نمونه ها باشد. ضخامت بالای ترمیم که در بسیاری از موارد اجتناب ناپذیر می باشد به دلیل کاهش عمق پلیمریزاسیون و افزایش برخوردهای داخلی، انعکاس و پخش نور را افزایش و شدت نور عبوری را کاهش می دهد.^(13-9)

خواص اپتیکی دندان و پرسلن شامل رنگ، نیمه شفافیت و نیز ته رنگ (Hue)،درجه روشنی (Value)و خلوص (Chroma) است. ترکیبات متنوع و میزان بلورینگی سیستم های سرامیکی متفاوت مانند لیتیوم دی سیلیکات،فلورو اپاتیت و یا لوسیت بر روی خواص اپتیکی این سیستم ها اثر می گذارد. افزایش بلورینگی (Crystallinity) به منظور افزایش استحکام مکانیکی منجر به افزایش نورماتی (Opacity) می شود.⁽¹⁴⁾برای دستیابی به ترمیم مشابه دندان باید دو مرحله یعنی انتخاب بهترین سایه ممکن با استفاده از راهنمای سایه و باز تولید این سایه با مواد دندانی مناسب انجام شود.⁽¹⁵⁾

Casolco و همکاران⁽¹⁶⁾ سرامیک های زیرکونیای نیمه شفاف با اندازه nm 55 را با استفاده از پودرهای نانوساختار پایدار شده به دست آورده اند. آن ها پیشنهاد کرده اند هنگامی که اندازه دانه به طور قابل ملاحظه ای کوچک تر از طول موج نور مریی باشد عبور بیشتر نور نسبت به پراکندگی ایجاد شده با برهم کنش ذرات رخ می دهد زیرا حضور ذرات ریز داخلی باعث حداکثر شدن کدری در مواد نیمه شفاف می گردد.حضور ناخالصی ها و شرایط تف جوشی مانند دما و زمان نیز می تواند به طور قابل ملاحظه ای بر روی اندازه ذره و در نتیجه بر نیمه شفافیت اثر بگذارد.

Dozic و همکاران⁽¹⁷⁾ نشان داده اند که ضخامت لایه پرسلن بر روی سایه قطعی ترمیم های سرامیکی تاثیر می گذارد و تغییرات اندک در ضخامت یا سایه لایه های پرسلن نیمه شفاف بر روی سایه ترمیم اثر قابل توجهی دارد.

در مقاله‌ ای که Nakajima و همکاران⁽¹⁸⁾ منتشر نمودند مقایسه ای بین دندان طبیعی گاو و سه نمونه رزین کامپوزیت مورد استفاده در بازار انجام گرفت. نتایج نشان داد که در دندان طبیعی با افزایش ضخامت؛ مشابه ترمیم کننده ها؛ کاهش در میزان عبور نور و شفافیت دیده می شود ولی پخش نور در دندان برخلاف ترمیم کننده ها با افزایش ضخامت کاهش یافته است. که علت این تفاوت می تواند چگالی, قطر و جهت گیری توبول هایی که در ساختار دندان وجود دارند باشد.

بررسی ساختار دندان نشان می دهد دندان شامل کانال های میکروسکوپی است که توبول دندانی نامیده می شوند و از سمت اعصاب دندان (پالپ) به قسمت خارجی یا مینای دندان پخش شده و شامل مایعات فیزیولوژیک می باشند.⁽¹⁹⁾ در دندان ها با توبول های عرضی انکسار نور از حالت مایل و طولی کمتر است. به علاوه مواد داخل توبول ها (آب, هوا, مایعات دندانی یا مواد معدنی) انتشار و انتقال نور و خواص جذب را تحت تاثیر قرار می‌دهند.⁽¹⁸⁾

هدف از این مطالعه مشابه سازی توبول های دندانی در نمونه های چینی دندانپزشکی و بررسی تاثیر آنها بر خواص لومینسانس نمونه های دندانی است.

مواد و روش ها

در این مطالعه آزمایشگاهی، برای تهیه نمونه های چینی دندانپزشکی با درصدهای مختلف تخلخل، 16 نمونه قرص با ضخامت 2 میلیمتر و قطر 5 میلیمتر تهیه شدند. برای تهیه نمونه ها از سیلیکون کاربید با درصدهای وزنی 1، 2 و 3 درصد برای ایجاد تخلخل های مختلف در نمونه و بدون سیلیکون کاربید برای ساخت نمونه شاهد استفاده شد.

پودر پرسلن (Noritake Company, Japan) به عنوان فاز غالب در این نمونه ها به کار رفت. سیلیکون کاربید با اندازه ذره 40 میکرون، (Sigma-Aldrich, Japan) به عنوان افزودنی با خلوص 8/99 درصد برای ایجاد تخلخل استفاده شد. طبق دستور العمل مورد اشاره در مرجع⁽²⁰⁾ و انجام بهینه سازی، ابتدا آب مقطر همراه 5 درصد وزنی
پلی اتیلن گلایکول (به عنوان بایندر) به مخلوط پودر پرسلن و سیلیکون کاربید، با مقادیر 3-0 درصد وزنی اضافه شد و یک محلول رقیق حاصل شد. (نسبت آب به مخلوط 8/0 به 1 درصد وزنی بوده است.) محلول رقیق شده به مدت 30 دقیقه توسط همزن مغناطیسی همزده شده و سپس در آون بین 1 تا 2 ساعت قرار داده شد. سپس توسط الک با مش 3/0 الک شده و پودری با اندازه ذره 550 میکرون به دست آمد. پودر توسط پرس خشک با فشار 10 مگاپاسکال فشرده شد و قرص هایی با اندازه ضخامت 2 و قطر 5 میلیمتر ساخته شد. نمونه ها برای سینتر شدن در کوره با نرخ افزایش دمای 5 درجه سانتیگراد بر دقیقه تا رسیدن به دمای 1150 درجه قرار گرفت و به مدت 20 دقیقه در این دما و در فشار اتمسفر نگهداشته شدند. نمونه ها بعد از خروج از کوره تحت میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش پرتو ایکس (XRD) و سپس اسپکتروفتومتری قرار گرفتند.

برای تهیه نمونه دندانی از دندان قدامی سالم مرد جوان 27 ساله که در یک حادثه شکسته شده بود، استفاده شد. ﺑﺮش هاﻱ ﺩﻧﺪﺍﻧﻲ ﺩﺭ ضخامت های ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻧﻤﻲ ﺗﻮﺍﻧﺪ ﻓﻘﻂ ﻣﺤﺪﻭﺩ ﺑﻪ ﻣﻴﻨﺎ ﻳﺎ ﻋﺎﺝ ﺩﻧﺪﺍﻥ ﺑﺎﺷﺪ، ﺑﻠﻜﻪ ﺗﺮﻛﻴﺒﻲ ﺍﺯ ﻣﻴﻨﺎ ﻭ ﻋﺎﺝ ﺑﺮﺵ ﻫﺎﻱ ﻧﺴﻮﺝ ﺩﻧﺪﺍﻧﻲ ﺭﺍ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻲ دهند. ﺟﻬﺖ ﺍﻧﺠﺎﻡ ﺑﺮﺵ، ﺩﻧﺪﺍﻥ ﻫﺎ ﺩﺭ ﺭﺯﻳﻦ قالب گیری شد ﻭ ﺳﭙﺲ ﺑﺮش هایی ﺩﺭ ﺟﻬﺖ عمودی ﺑﺎ ﺿﺨﺎﻣت 2 میلیمتر ﺍﻳﺠﺎﺩ شدند.

یافته ها

تصویر 1، الگوی XRD نمونه 2 درصد وزنی سیلیکون کاربید را بعد از سینترینگ در دمای 1150 درجه سانتیگراد نشان می دهد.

همانطور که در این نمودار دیده می شود، در ساختار نمونه بعد از سینتر شدن سیلیکون کاربید دیده نمی شود، بلکه سیلیسیم به صورت SiO2 در ساختار وجود دارد. نتایج نشان می دهد بعد از سینتر شدن SiC اکسید شده و به صورت SiO2، CO2 در آمده است. تشکیل لایه محافظ SiO2 بر روی سطح به دلیل انجام فرایند در اتمسفر هوا رخ داده است.

در تصاویر 2 (A، B و C) نتایج آنالیز SEM از نمونه ها با درصد سیلیکون کاربید 1 تا 3 درصد نمایش داده شده است.

تصویر 1 : الگوی XRD نمونه پرسلن با مقدار سیلیکون کاربید 2 درصد وزنی بعد از سینتر شدن در دمای 1150 درجه سانتیگراد

تصویر 2 : A) نمونه 1 درصد، B) نمونه 2 درصد، C) نمونه 3 درصد سیلیکون کاربید

با توجه به تصاویر SEM می توان افزایش درصد تخلخل را دراثر افزایش سیلیکون کاربید در دمای 1150 درجه سینتر مشاهده کرد. در مقدار 1 درصد  سیلیکون کاربید به دلیل کم بودن کربن در ساختار، حجم گاز CO₂ ناشی از اکسیداسیون کم بوده در نتیجه تخلخل های کروی بسیار ریزی تشکیل شده است. در حالت کلی تخلخل هایی که به این روش ایجاد می شوند ایزوله و غیرپیوسته هستند و به دلیل ویسکوزیته بالای فاز مایع نمی توانند از ساختار خارج شوند (تصویر 2-A) و میانگین اندازه تخلخل ها از 100 میکرون تجاوز نمی کند. در مقدار 2  درصد  سیلیکون کاربید به دلیل افزایش حجم کربن نسبت به حالت اول مقدار گاز بیشتری ایجاد شده و تخلخل های پیوسته بیشتری به وجود می  آیند که اندازه آن ها 120 میکرومتر می  باشد (تصویر 2-B). در حالت سوم با سیلیکون کاربید 3 درصد، بیشترین حجم گاز CO2 در ساختار ایجاد شده است که باعث ایجاد تخلخل های به هم پیوسته و بزرگ می  شود (تصویر 2-C). در این حالت اندازه تخلخل ها تا 170 میکرومتر افزایش یافته است. در حقیقت با افزایش درصد سیلیکون کاربید حجم گاز ایجاد شده افزایش می  یابد و از بهم پیوستگی این گازها تخلخل هایی با اندازه بزرگ تر ایجاد می  شود.

تصویر 3 تاثیر مقدار سیلیکون کاربید را در اندازه تخلخل ها برای نمونه های سینتر شده در دمای 1150 به مدت 20 دقیقه نشان می  دهد. در شرایط یکسان نمونه های با درصد سیلیکون کاربید 3 درصد بیشترین تخلخل و نمونه های با درصد سیلیکون کاربید 1 درصد کمترین تخلخل را دارا می  باشند. با افزایش مقدار سیلیکون کاربید در ساختار اندازه تخلخل ها افزایش یافته است که در مقادیر 2 تا 3 درصد این افزایش قابل ملاحظه است.

تصویر 4، نتایج به دست آمده از اسپکتروسکوپی نوری را بر روی هر یک از چهار نمونه چینی دندانپزشکی و نیز نمونه دندان طبیعی را ﺑه صوﺭﺕ ﻣﻴﺎﻧﮕﻴﻦ ﺷﺪﺕ ﻧﻮﺭ ﺧﺮﻭﺟﻲ ﺩﺭ ﮔﺮﻭه هاﻱ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺑﻪ ﺗﻔﻜﻴﻚ درصد تخلخل ﻧﻤﻮﻧﻪ نشان می  دهد. ساختار دندان طبیعی در محدوده مینا و عاج تقریبا مشابه و دارای 30 درصد  مواد معدنی (غیرآلی شامل پروتئین ها) و آب و 70 درصد  هیدروکسی آپاتیت Ca10(PO4)6(OH)2‌ از نظر وزنی و به ترتیب 55 درصد  و 45  درصد  از نظر حجمی است.

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است با افزایش تخلخل شدت انتشار فوتون ها در مقایسه با هم و با نمونه کنترل افزایش داشته و به دندان طبیعی نزدیک شده است. با افزایش سیلیکون کاربید در ساختار، تخلخل هایی ایجاد می  شود که به سبب آن شدت رسیدن فوتون ها به فتوسل افزایش می  یابد. تفاوت میان نمونه شاهد و نمونه های همراه با سیلیکون کاربید موید این مطلب است. در درصدهای بالاتر سیلیکون کاربید شدت فوتون ها افزایش یافته و به دندان طبیعی نزدیک تر شده است، که نشان دهنده تاثیر مناسب ایجاد تخلخل های به هم مرتبط در چینی دندانپزشکی بر روی خواص لومینسانس آن می  باشد.

تصویر 3 : اثر مقدار سیلیکون کاربید در ساختار بر اندازه تخلخل ها

تصویر 4 : اسپکتروفوتومتر مقایسه ای برای دندان طبیعی و نمونه های ساخته شده از پرسلن

بحث

هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر وجود تخلخل در چینی دندانی روی خواص نوری و لومینسانس آن بوده که نتایج آن انطباق خوبی با نتایج کار دیگر محققان دارد. مشخصات فیزیکی پرسلن که منجر به جذب نور می  شود می  تواند بر روی پارامترهای اپتیکی سرامیک مانند نیمه شفافیت اثر گذارد.ساختار فیزیکی ذرات که منجر به جذب نور شده و نیز اندیس شکست نسبی ذرات در زمینه بر روی میزان پراکندگی نور اثر می  گذارد. ماده ای که متشکل از ذرات ریز است (به طور تقریبی با قطر mm1/0) نورماتی کمتری دارد در حالی که ذرات درشت تر (با قطر mm 10) منجر به بازتاب سطحی پس از برخورد نور، شکست نور در هنگام عبور و جذب نور می  شود.⁽²¹⁾سرامیک هایی که فاز بلورین کمتری دارند عموماً نیمه شفاف تر هستند. Zhang و همکاران⁽²²⁾ گزارش دادند که نیمه شفافیت سرامیک های حاوی فاز بلورین 55  درصد  کمتر از پرسلن های فاقد فاز بلوری است. در عین حال فازهای کریستالی نسبت به تخلخل اثر کمتری بر روی نیمه شفافیت پرسلندارند که نشان دهنده اهمیت می زان تخلخل بر روی خواص اپتیکی پرسلن می  باشد.که مطابقت بسیار خوبی با نتایج حاصل از این پژوهش دارد.

Figueiredo و همکاران⁽²³⁾ با مطالعه بر روی سه نمونه رزین کامپوزیت تجاری نشان دادند که نمونه های رزین بسته به نوع نمونه و طول موج تابش، طول موج های متفاوت با شدت های متغیر را نشر می  دهند، ولی تمامی آنها قله نشر بین 380 تا 480 نانومتر دارند. این مقادیر با نتایج حاصل از مطالعه Lutskaya⁽²⁴⁾ که برروی چند بیمار با گروه سنی متفاوت و چند ماده ترمیمی متداول صورت گرفته یکسان بوده است. با توجه به نتایج حاصل از اسپکتروفتومتری افزایش میزان مواد معدنی در نمونه ها باعث شیفت نتایج به سمت طول موج های بیشتر شده اند. ترمیم کننده های دندانی که شامل رزین کامپوزیت ها و گلس آیونومرها بوده اند در طول موج 450 نانومتر بیشترین فلوروسانس را ساطع کرده اند، حال آن که این مقدار برای نمونه های دندانی، شامل نمونه های عاج و مینا با مواد معدنی کم، عاج و مینا با مواد معدنی زیاد، دندان غنی شده، نمونه های گرفته شده از بیماران جوان، نمونه های گرفته شده از بیماران پیر، می نای با مواد معدنی کم و مینای غنی شده از 450 به 550 نانومتر شیفت یافته؛ اما شدت تابش به مقدار زیادی کاهش یافته است که نشان دهنده تاثیر زیاد ترکیبات معدنی دندان در طول موج ساطع شده و شدت تابش است. به بیان دیگر نمونه های دندانی معدنی شده در طول موج های بالاتری دارای پیک هستند.⁽²⁴⁾

در پژوهش حاضر با افزودن SiC به نمونه های چینی دندانپزشکی، تخلخل های درون ساختاری ایجاد شده است. با افزایش تخلخل های پیوسته بیشتر و بزرگ تر در ساختار، فضای لازم برای حرکت فوتون ها و خارج شدن آنها از ساختار ایجاد می شود. همانطور که در تصویر 4 نشان داده شده است، درصدهای بالای تخلخل باعث افزایش شدت فوتون های خروجی می شود. در تمامی مطالعات صورت گرفته مواد دندانی که اسپکتروفوتومتری آن ها در طول موج نور روز انجام شده است، این مواد در فاصله ی 400 تا 500 نانومتر دارای پیک هستند.⁽²⁴⁾ که این مقادیر به برند سازنده و رنگ انتخاب شده ماده ترمیمی وابسته است. نتایج اسپکتروفتومتری برای نمونه های پرسلن در این مطالعه نشان داد که تمامی نمونه ها تقریباً در 450 نانومتر بیشترین شدت را داشته و شفافیت آنها به تدریج در طول موج های بیشتر کاهش می یابد و در طول موج های بالای 600 نانومتر بسیار کم می شود. برای دندان طبیعی پیک شدت انتشار در طول موج 470 و برای نمونه ها در 450 نانومتر دیده شده است. در طول موج 450 تا 650 فلوروسنس دندان طبیعی از تمام نمونه های پرسلن بیشتر و شدیدتر است و در طول موج های بالای 650 نانومتر تقریباً مشابه است.

نتایج به دست آمده از اسپکتروفوتومتری با نتایج بررسی Lutskaya⁽²⁴⁾ نیز مطابقت دارد زیرا به صورت مشابه وجود مواد معدنی بیشتر در ساختار باعث شیفت طول موج تابش در نمونه دندانی در مقایسه با نمونه های ترمیمی شده است. اما به صورت کلی افزایش تخلخل در ساختار ماده ترمیمی بر شدت انتشار افزوده و شفافیت پرسلن را به میزان شفافیت دندان طبیعی نزدیک کرده است. در واقع محدوده طول موج انتشار برای نمونه های ساخته شده و دندان طبیعی یکسان است ولی تفاوت های موجود در ساختار کریستالی، ترکیبات دندان طبیعی، جهت گیری توبول ها و وجود مایعات فیزیولوژیک در توبول های دندانی باعث ایجاد شیفت در طول موج انتشار شده است.

نتیجه گیری

نتایج این مطالعه نشان داده است که با افزایش تخلخل در ساختار پرسلن شفافیت نمونه افزایش یافته و به دندان طبیعی نزدیک می شود. اگرچه به دلیل تفاوت در ترکیبات ساختاری شیفت حدوداً 20 نانومتری در پیک شدت فلوروسنس دندان نسبت به پرسلن مشاهده می شود که گرچه قابل اغماض نیست ولی به دلیل قرار گرفتن دندان و پرسلن در یک محدوده طول موج قابل پذیرش است. وجود تخلخل در ساختار ماده پرکننده باعث آزادی حرکت فوتون ها شده، از برخوردهای درون ساختاری فوتون می کاهد و شدت فوتون های خروجی در نتیجه شفافیت نمونه افزایش می یابد. دراین تحقیق برای شبیه سازی این توبول های دندانی، تخلخل های کنترل شده در ساختار پرسلن ایجاد شده که باعث بهبود خواص نوری این ماده دندانی می شود که می تواند برای کاربردهای ترمیم زیبایی بسیار امیدوارکننده باشد.

تشکر و قدردانی

نویسندگان مقاله بر خود لازم می­دانند از پردیس علوم و فن آوری های نوین دانشگاه سمنان و آزمایشگاه بیوسرامیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر به دلیل حمایت از پژوهش حاضر تقدیر و تشکر نمایند. همچنین این مقاله برگرفته از پایان نامه دانشجویی از دانشگاه سمنان می باشد.