Investigasi pada Perilaku Nanomekanis Gradien dari Enamel Fluorosis Gigi

Hasil dan Diskusi

Mikrostruktur dan Perilaku Nanomekanik Gradien dari Email Fluorosis Gigi

Struktur mikro dari tiga lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat ditunjukkan pada Gambar 2. Batang email luar dan tengah dari gigi normal menunjukkan diameter yang seragam dan tersusun tegak (Gbr. 2a, d), sedangkan batang enamel bagian dalam menampilkan pola bergelombang atau berliku (Gbr. 2g). Pada fluorosis gigi ringan, sejumlah kecil pori-pori (lingkaran putih pada Gambar 2b) terlihat pada enamel luar, tetapi lapisan tengah dan dalam (Gambar 2e, h) menunjukkan struktur mikro yang mirip dengan gigi normal. Struktur batang enamel luar dari fluorosis gigi yang parah ditandai dengan celah yang melebar antara batang enamel (panah hijau pada Gambar 2c) dan banyak pori-pori (lingkaran putih pada Gambar 2c). Kristal pada batang email tersusun secara longgar dengan meningkatnya pembersihan kristal dan mikropori (panah merah pada Gambar 2c). Sejumlah kecil pori-pori (lingkaran putih pada Gambar 2f) juga ditemukan di lapisan tengah. Struktur email bagian dalam dari fluorosis gigi parah mirip dengan gigi normal (Gbr. 2i). Dibandingkan dengan gigi normal, struktur mikro dari email luar fluorosis gigi ringan dan email luar dan tengah fluorosis gigi parah menunjukkan perbedaan yang nyata, yang dapat dikaitkan dengan dua faktor [28,29,30,31]. Salah satu faktornya adalah gangguan asupan fluoride yang berlebihan selama pembentukan normal email gigi pada masa pubertas. Proses ini menghasilkan retensi protein matriks yang berlebihan, hipomineralisasi batang email, dan susunan kristal yang longgar dari batang email [28,29,30]. Faktor lainnya adalah perubahan kimia pada kristal hidroksiapatit yang disebabkan oleh asupan fluoride yang berlebihan. Fluorida apatit terbentuk ketika unsur fluorida menggantikan hidroksil dalam kristal hidroksiapatit [31].

Gambar SEM dari email gigi normal, email fluorosis gigi ringan, dan email gigi fluorosis parah. a –c lapisan luar, d –f lapisan tengah, dan g –i lapisan dalam digores dengan asam fosfat 37% selama 30 detik dan kemudian divisualisasikan di bawah perbesaran × 5000. Panah hijau menunjukkan celah yang melebar di antara batang email, sedangkan lingkaran putih menunjukkan pori-pori. Panah merah menunjukkan kristal yang tersusun longgar di batang email dengan peningkatan pembersihan kristal dan mikropori

Pada email gigi normal, kekerasan nano dan modulus elastisitas menurun dari lapisan luar ke dalam (Gbr. 3), sedangkan perubahan perpindahan meningkat dari lapisan luar ke dalam (Gbr. 4). Orientasi batang email dan komponen kimia menghasilkan gradien sifat nanomekanik dari lapisan luar ke lapisan dalam email gigi [32,33,34]. Enamel gigi normal menunjukkan struktur hierarki yang kompleks [18, 35]. Batang enamel luar lurus dan sejajar satu sama lain, sedangkan batang enamel dalam diperpanjang dalam "pita" bergantian [36]. Selama pengunyahan, stres meluas sepanjang batang tegak (enamel luar) sampai energi yang tersedia terkuras atau dibelokkan oleh enamel yang terdekusasi (enamel bagian dalam) [36]. Enamel gigi terdiri dari 96% bahan mineral, 1% protein organik, dan 3% air menurut beratnya, dan kandungan protein organik meningkat dari email luar ke EDJ [37]. Komponen organik dari gigi meningkatkan respon antifatigue dan berkontribusi untuk menahan retakan [38, 39], dan pembentukan jembatan ligamen dari protein organik juga meningkatkan tekanan penutupan [40]. Karena perbedaan struktur mikronya (Gbr. 2) dan peningkatan kandungan organik [41], email fluorosis gigi menunjukkan perilaku nanomekanis gradien yang berbeda dari email gigi normal. Kekerasan nano dan modulus elastisitas email fluorosis gigi ringan meningkat dari lapisan luar ke lapisan tengah dan kemudian menurun dari lapisan tengah ke lapisan dalam (Gbr. 3). Perubahan perpindahan (7,70 ± 2,71 nm) dari lapisan luar email gigi berfluorosis ringan secara signifikan lebih besar daripada email gigi normal (p < 0.05), dan perpindahan yang berubah menurun dari lapisan luar ke lapisan tengah dan kemudian sedikit meningkat dari lapisan tengah ke lapisan dalam (Gbr. 4). Untuk enamel fluorosis gigi yang parah, kekerasan nano dan modulus elastisitas meningkat dari lapisan luar ke lapisan dalam. Kekerasan nano (2,04 ± 0,89 GPa) dan modulus elastisitas (46,63 ± 11,19 GPa) lapisan luar dari email gigi fluorosis parah lebih rendah daripada lapisan tengahnya, dan lapisan dalam menunjukkan nilai tertinggi di antara lapisan tersebut (p < 0,05) (Gbr. 3). Perubahan perpindahan enamel fluorosis gigi parah menurun dari lapisan luar ke dalam, dan perubahan perpindahan (11,50 ± 3,77 nm) dari lapisan luar lebih besar daripada lapisan tengah (8,79 ± 2,24 nm). Di antara lapisan, lapisan dalam menunjukkan perpindahan terendah (p < 0,05) (Gbr. 4).

Sifat nanomekanis dari lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi parah. a kekerasan nano. b Modulus elastisitas. Simbol identik menunjukkan tidak ada perbedaan signifikan dalam kekerasan nano dan modulus elastisitas antara lapisan yang sesuai dari email gigi normal, email fluorosis gigi ringan, dan email fluorosis gigi parah

Perilaku creep nanoindentasi pada lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat. Simbol yang identik menunjukkan tidak ada perbedaan signifikan dalam perilaku creep nanoindentasi antara lapisan yang sesuai dari email gigi normal, email fluorosis gigi ringan, dan email fluorosis gigi parah

Koefisien gesekan dari tiga lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat ditunjukkan pada Gambar 5. Koefisien gesekan email gigi normal meningkat dari lapisan luar ke dalam. Pada email gigi berfluorosis ringan, koefisien gesekan menurun dari lapisan luar ke lapisan tengah dan kemudian meningkat dari lapisan tengah ke lapisan dalam. Pada email gigi fluorosis parah, koefisien gesekan lapisan luar (0,25 ± 0,044) dan tengah (0,18 ± 0,025) secara signifikan lebih besar daripada email fluorosis gigi ringan dan email gigi normal (p < 0,05). Selain itu, koefisien gesekan dari enamel fluorosis gigi yang parah menurun dari lapisan luar ke dalam (p < 0.05).

Koefisien gesekan lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat

Kedalaman dan lebar goresan nano dari tiga lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat ditunjukkan pada Gambar. 6. Enamel gigi normal menunjukkan kedalaman dan lebar goresan nano yang meningkat dari lapisan luar ke dalam (Gbr. . 6a), Sementara enamel fluorosis gigi ringan menunjukkan kedalaman dan lebar goresan nano yang menurun dari lapisan luar ke tengah dan kemudian meningkat dari lapisan tengah ke lapisan dalam (Gbr. 6b). Variasi kedalaman dan lebar nanoscratch dari email gigi fluorosis parah berbeda secara signifikan dari email gigi normal. Secara khusus, kedalaman dan lebar goresan nano menurun dari lapisan luar ke lapisan dalam dari email gigi fluorosis parah (Gbr. 6c).

Profil jejak nanoscratch pada lapisan email gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi parah. a Enamel gigi biasa. b Enamel fluorosis gigi ringan. c Enamel fluorosis gigi parah

Ketahanan aus dari email gigi normal menurun dari lapisan luar ke dalam, dan perilaku ini sesuai dengan yang diamati pada penelitian sebelumnya [42,43,44]. Kelebihan fluoride dapat membentuk endapan seperti fluoride pada permukaan email dan mengurangi ketahanan aus [3, 45, 46]. Dalam penelitian ini, ketahanan aus lapisan luar dan tengah email gigi berfluorosis parah dan lapisan luar email gigi berfluorosis ringan jauh lebih rendah dibandingkan dengan email gigi normal. Enamel antar batang mengandung lebih banyak protein daripada batang enamel, bertindak sebagai lapisan penyangga yang menyerap dan menyebarkan tekanan pada gigi, dan mempengaruhi ketahanan aus dari enamel gigi [43]. Asupan fluoride yang berlebihan menyebabkan pembentukan batang email hipomineralisasi dan retensi protein matriks yang berlebihan dalam email antar-batang fluorosis gigi [28,29,30,31], yang keduanya secara dramatis mempengaruhi ketahanan aus email fluorosis gigi.

Pemahaman tentang sifat nanomekanik dan nanotribologis dari berbagai lapisan fluorosis gigi merupakan kontribusi penting dari penyelidikan ini, karena pengetahuan tentang sifat tersebut dapat membantu memandu pemilihan bahan restoratif yang tepat untuk digunakan dalam praktik klinis dan mendorong pengembangan bahan restorasi gigi. . Enamel fluorosis gigi menunjukkan perilaku nanomekanis gradien yang berbeda dari email gigi normal. Oleh karena itu, kriteria pemilihan bahan restorasi untuk email gigi fluorosis berbeda dengan email gigi normal. Bahan restorasi dengan sifat nanomekanik dan nanotribologi yang cocok harus dipilih untuk memulihkan lapisan email fluorosis gigi yang berbeda.

Sifat Nanomekanik dari Batang Enamel Normal dan Abnormal pada Fluorosis Gigi

Kekerasan nano dan modulus elastisitas email fluorosis gigi parah meningkat dari lapisan luar ke lapisan dalam, sedangkan perubahan perpindahan menurun dari lapisan luar ke lapisan dalam. Analisis mendalam selanjutnya dilakukan untuk mengatasi standar deviasi yang besar dari kekerasan nano dan modulus elastisitas yang diamati pada email gigi fluorosis parah. Lapisan enamel luar dan tengah dari fluorosis gigi yang parah dapat dibagi menjadi dua jenis menurut fitur batang enamelnya, yaitu batang enamel normal dan abnormal (Gbr. 7). Batang email tertentu (yaitu, batang email normal pada fluorosis gigi yang parah) tampak lengkap tetapi menunjukkan struktur kristal yang tersusun longgar dan banyak mikropori (Gbr. 7). Bagian lain dari batang email (yaitu, batang email yang abnormal pada fluorosis gigi yang parah) ditandai dengan banyak pori-pori (lingkaran putih pada Gambar 7). Dalam penelitian ini, lapisan luar dan tengah dari email gigi fluorosis parah menunjukkan kekerasan nano yang lebih rendah dan modulus elastisitas dan deformasi creep yang lebih tinggi daripada lapisan yang sesuai dari email gigi asli, terutama di lapisan luar. Pada lapisan luar email gigi berfluorosis parah, batang email normal dan abnormal menunjukkan kekerasan nano yang rendah dan modulus elastisitas serta perubahan perpindahan yang tinggi; sebaliknya, gambaran yang sesuai pada batang email abnormal lebih besar (Gbr. 8). Studi telah menyarankan bahwa keparahan fluorosis gigi terkait dengan perubahan sifat nanomekanis gigi [22, 23]. Temuan ini menunjukkan bahwa batang email yang abnormal sangat dipengaruhi oleh elemen fluoride yang berlebihan. Mengingat bahwa perubahan mikrostruktur dan sifat nanomekanik dan nanotribologis yang buruk diamati pada fluorosis gigi yang parah, restorasi sering kali diperlukan untuk mencegah pengurangan jarak vertikal yang disebabkan oleh keausan terus menerus selama pengunyahan.

Gambar SEM dari batang email normal dan abnormal di lapisan luar email fluorosis gigi. Struktur mikro dilihat dengan perbesaran × 20.000 setelah etsa dengan asam fosfat 37% selama 30 detik. Panah hijau menunjukkan celah yang melebar di antara batang email, sementara lingkaran putih menunjukkan pori-pori. Panah merah menunjukkan kristal yang tersusun longgar di batang email dengan peningkatan pembersihan kristal dan mikropori

Sifat nanomekanik dari batang email normal dan abnormal dari fluorosis gigi yang parah. a Batang email normal, batang email abnormal, dan email antar-batang diberi label pada gambar SPM dari email luar fluorosis gigi parah. b kekerasan nano. c Modulus elastisitas. d Perilaku creep nanoindentation

Bahan Gigi yang Sesuai untuk Restorasi Klinis Fluorosis Gigi

Kedalaman dan lebar goresan nano dari lapisan luar gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi berat dibandingkan dengan empat bahan restorasi (Gbr. 9). Sementara IPS e.max CAD menyajikan kedalaman dan lebar goresan nano terendah, Vita Enamic, jaringan keramik-tersusun polimer (PICN), mengungkapkan kedalaman dan lebar goresan nano yang serupa dengan lapisan luar email gigi normal. Kedalaman dan lebar goresan nano dari blok resin komposit Lava™ ultimate (LUV) serupa dengan lapisan luar dari enamel fluorosis gigi ringan, sedangkan kedalaman dan lebar goresan nano pada resin komposit konvensional Fltek™ Z350XT (Z350) lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan luar email fluorosis gigi ringan. Di antara sampel yang diuji, lapisan luar enamel fluorosis gigi yang parah menunjukkan kedalaman dan lebar goresan nano terbesar.

Profil jejak nanoscratch pada enamel luar gigi normal, fluorosis gigi ringan, dan fluorosis gigi parah dan empat bahan restorasi. Enamel gigi normal (NTE), email fluorosis gigi ringan (MFE), email fluorosis gigi parah (SFE), IPS e.max CAD (IPS), jaringan keramik terinfiltrasi polimer (PICN), Lava™ ultimate (LVU), dan Fltek™ Z350XT (Z350)

Fluorosis gigi pada gigi anterior mempengaruhi penampilan gigi, dan fluorosis gigi parah dengan cacat gigi pada gigi posterior mempengaruhi pengunyahan secara negatif [5]. Restorasi, seperti mahkota, inlay, atau onlay, seringkali diperlukan untuk mengembalikan gigi yang rusak akibat fluorosis gigi [6, 7]. Pencocokan perilaku mekanik bahan restorasi dengan enamel gigi lawan sangat penting untuk mencegah keausan berlebihan dari enamel gigi asli atau bahan yang diaplikasikan itu sendiri [8,9,10,11]. Keramik banyak digunakan sebagai bahan restorasi karena biokompatibilitasnya yang tinggi dan estetik yang mirip dengan email gigi asli [47]. Namun, keramik memiliki ketahanan aus yang tinggi, yang menyebabkan keausan berlebihan pada email gigi asli yang berlawanan [47, 48]. Bahan dengan ketahanan aus yang rendah, seperti PICN dan blok resin komposit, telah dikembangkan sebagai alternatif keramik [48, 49]. PICN menunjukkan ketahanan aus yang serupa dengan lapisan luar email gigi normal. Jadi, ketika gigi lawannya adalah gigi normal, PICN adalah bahan yang tepat untuk restorasi. Namun, gigi lawan pada fluorosis gigi yang membutuhkan restorasi kemungkinan besar menunjukkan fluorosis gigi ringan. Dalam hal ini, bahan dengan sifat nanotribologi yang mirip dengan enamel fluorosis gigi ringan diperlukan untuk memulihkan fluorosis gigi. Resin komposit konvensional, seperti Z350, menunjukkan ketahanan aus yang lebih rendah daripada lapisan luar fluorosis gigi ringan; karakteristik seperti itu dapat menyebabkan peningkatan keausan bahan restoratif. Blok resin komposit, seperti LUV, dibuat di bawah suhu tinggi dan tekanan tinggi dan memiliki sifat mekanik yang lebih unggul dari resin komposit konvensional [50]. Dalam penelitian ini, blok resin komposit menunjukkan ketahanan aus yang serupa dengan lapisan luar email gigi berfluorosis ringan. Karakteristik ini menyiratkan bahwa bahan ini cocok untuk digunakan sebagai bahan restorasi untuk fluorosis gigi. Karena perilaku nanomekanis email fluorosis gigi menentukan pemilihan bahan restorasi, bahan yang sesuai harus diterapkan untuk fluorosis gigi untuk mencapai hasil klinis yang lebih baik. Dengan demikian, studi tambahan tentang perilaku nanomekanis dari email gigi fluorosis harus dilakukan, dan bahan restoratif baru harus dikembangkan lebih lanjut.