Properti Nanomekanik Gradien Enamel Fluoris: Implikasi untuk Pemilihan Bahan Restorasi

Pendahuluan

Fluorosis gigi timbul ketika asupan fluorida berlebih selama pertumbuhan gigi mengubah mineralisasi enamel [1, 2]. Di daerah dengan fluorida tinggi, prevalensi dapat mencapai 80–90 % [3, 4]. Hasilnya, lekukan crek dan opaque atau defek struktural mengkompromikan estetika dan fungsi, seringkali mengakibatkan keseduhan psikososial [5]. Oleh karena itu, intervensi restorasi adalah hal yang umum [6, 7]. Sukses restorasi bergantung pada mencocokkan properti mekanik dan tribologis bahan restorasi dengan enamel lawan untuk mencegah aus yang dipercepat pada salah satu substrat [8, 9]. Ketidakcocokan dapat menyebabkan degradasi cepat dari restorasi atau gigi alami [10, 11]. Akibatnya, pemahaman yang komprehensif tentang mikrostruktur, karakteristik nanomekanik, dan nanotribologis enamel fluoris esensial untuk pemilihan bahan yang tepat [12].

Foto fluorosis gigi. a Citra intraoral fluorosis ringan yang menunjukkan lekukan crek dan opaque serta fluorosis berat yang menampilkan lekukan crek dan defek gigi. b Enamel fluorosis ringan yang diekstraksi. c Enamel fluorosis berat yang diekstraksi.

Lapisan luar enamel melindungi dentin dan pulpa dan harus menahan gigi mengunyah selama jutaan siklus [13, 14, 15]. Properti mekanik unggulnya meneruskan stres dan mencegah inisiasi retak [12]. Enamel menunjukkan gradien dari permukaan luar ke junc enamel-dentin (EDJ), mencerminkan perubahan progresif dalam mikrostruktur dan komposisi [15, 16, 17, 18]. Paparan kronis fluorida mengganggu gradien ini, menyebabkan perubahan struktural dan perubahan properti mekanik [19, 20, 21, 22, 23, 24]. Studi hewan sebelumnya [22, 23] dan studi manusia terbaru tentang fluorosis ringan [24] belum membahas gradien lengkap. Penelitian ini mengisi kesenjangan itu dan mengevaluasi empat bahan restorasi terhadap lapisan luar enamel gigi fluoris untuk memandu pengambilan keputusan klinis.

Bahan dan Metode

Secara keseluruhan 30 premolar bebas karies (10 normal, 10 fluorosis ringan, 10 fluorosis berat) diekstraksi dari donatur berusia 19–25 tahun yang tinggal di daerah dengan fluorida tinggi. Protokol mendapat persetujuan dari Komite Etik Rumah Sakit China Barat. Gigi disimpan dalam larutan garam seimbang Hank (HBSS, Solarbio, Beijing) pada 4 °C untuk menjaga hidrasi dan diuji dalam satu minggu setelah ekstraksi.

Persiapan Sampel

Bagian mahkosa diproduksi menggunakan Struers Minitom dengan roda potong berlian (300 rpm, irrigasi air). Setiap mahkosa dibelah menjadi dua setengah dan disematkan dalam resin epoksi (EpoFix, Struers). Setengah satu mengalami nanoindentation; setengah lainnya disimpan untuk pengujian nanoscratch. Untuk bahan restorasi—IPS e.max CAD, PICN, Lava™ ultimate, dan Fltek™ Z350XT—lima spesimen (4 mm × 4 mm × 2 mm) dipoles secara berurutan dari kertas SiC #800 hingga #4000, kemudian dengan larutan pengikis 3 μm dan 0,04 μm (OP-S NonDry, Struers), dan akhirnya dibersihkan ultrasonik. Lapisan enamel didefinisikan sebagai: luar (≤100 μm dari permukaan mengunyah), tengah (jarak tengah ke EDJ), dan dalam (≤100 μm dari EDJ) [25].

Uji Nanoindentation

Indentasi dilakukan dengan Triboindenter TI950 (Hysitron) menggunakan ujung berlian Berkovich (~150 nm radius). Mikroskop probe terpadu mengidentifikasi wilayah target. Beban: 2000 μN, waktu tahan: 30 s, kecepatan muatan/pengosongan: 400 μN/s. Lima puluh indens per lapisan memastikan keandalan statistik, dengan jarak antar indens >5 μm. Modulus elastis tereduksi dan kekerasan nano diekstraksi melalui metode Oliver–Pharr [26, 27]. Perpindahan kontak sebelum dan setelah periode tahan dicatat, dan selisihnya (perpindahan yang berubah) mengkuantifikasi perilaku creep.

Uji Nanoscratch

Eksperimen nanoscratch menggunakan Triboindenter TI950 dengan ujung kerucut berlian (~1 μm radius). Gerasakan diterapkan di bawah 1000 μN pada 0,5 μm/s selama 10 μm. Lima puluh gerasakan per lapisan dan bahan dieksekusi, berjarak >5 μm. Sistem mencatat koefisien geser, kedalaman, dan lebar gerasakan.

Analisis Statistik

Data dianalisis dengan SPSS 18.0. Uji one-way ANOVA dan uji t-Student mengevaluasi perbedaan grup; p < 0,05 menunjukkan signifikansi.

Observasi SEM

SEM busir medan (INSPECT F, Republik Ceko) memeriksa mikrostruktur semua lapisan enamel.

Hasil dan Pembahasan

Mikrostruktur dan Perilaku Nanomekanik Gradien Enamel Fluorosis Gigi

Gambar 2 menunjukkan mikroskop SEM dari tiga lapisan enamel untuk setiap jenis gigi. Batang enamel normal seragam dan tegak di lapisan luar dan tengah, sementara lapisan dalam menunjukkan pola bergelombang. Enamel fluorosis ringan menunjukkan beberapa pori di lapisan luar; lapisan tengah dan dalam tetap serupa dengan enamel normal. Enamel fluorosis berat: batang luar memiliki celah antar-batang yang meluas dan banyak pori, dengan kristal yang longgar dan mikroporositas yang meningkat. Lapisan dalam enamel fluorosis berat menyerupai enamel normal. Perbedaan morfologis ini berasal dari (1) fluorida berlebih mengganggu retensi protein matriks enamel dan menyebabkan hipomineralisasi batang [28–31] dan (2) substitusi kimia hidroksi oleh fluorida dalam hidroksiapatit, membentuk floroapatit [31].

Citra SEM enamel gigi normal (a–c), enamel fluorosis ringan (d–f), dan enamel fluorosis berat (g–i). Lapisan diets dengan asam fosfat 37 % (30 s) dan dicitrakan pada ×5000. Panah hijau menunjukkan celah yang meluas; lingkaran putih, pori; panah merah, kristal yang longgar.

Dalam enamel normal, kekerasan nano dan modulus elastis menurun dari luar ke dalam (Gambar 3), sementara perpindahan creep meningkat (Gambar 4). Gradien ini mencerminkan transisi dari batang yang padat ke enamel antar-batang yang kaya protein dan peredaman mekanik yang terkait [32–34]. Dalam enamel fluorosis ringan, kekerasan dan modulus meningkat dari luar ke tengah, kemudian menurun menuju dalam (Gambar 3). Lapisan luar menunjukkan perpindahan creep yang signifikansi lebih tinggi (7,70 ± 2,71 nm) dibandingkan enamel normal (p < 0,05). Dalam enamel fluorosis berat, baik kekerasan maupun modulus meningkat secara stetid dari luar ke dalam, dengan lapisan dalam mencapai nilai tertinggi (kekERASAN nano 2,04 ± 0,89 GPa; modulus 46,63 ± 11,19 GPa). Perpindahan creep menurun dari luar ke dalam, dengan lapisan luar menunjukkan perpindahan terbesar (11,50 ± 3,77 nm) (Gambar 4). Tren yang berbeda ini menekankan kapasitas penahan beban yang diubah dari enamel fluoris.

Properti nanomekanik lapisan enamel. a Kekerasan nano; b Modulus elastis. Simbol yang sama menunjukkan tidak ada perbedaan signifikansi di antara lapisan yang sesuai di seluruh grup.

Perilaku creep lapisan enamel. Simbol yang sama menunjukkan tidak ada perbedaan signifikansi di antara lapisan yang sesuai.

Koefisien geser meningkat dari luar ke dalam dalam enamel normal. Dalam fluorosis ringan, koefisien menurun dari luar ke tengah, kemudian naik menuju dalam. Enamel fluorosis berat menunjukkan geser yang lebih tinggi di luar (0,25 ± 0,044) dan tengah (0,18 ± 0,025) dibandingkan fluorosis ringan dan enamel normal (p < 0,05). Namun, koefisien menurun dari luar ke dalam dalam fluorosis berat (p < 0,05) (Gambar 5).

Koefisien geser lapisan enamel.

Kedalaman dan lebar gerasakan meningkat dari luar ke dalam dalam enamel normal (Gambar 6a). Enamel fluorosis ringan menunjukkan cekungan di lapisan tengah sebelum naik menuju dalam (Gambar 6b). Enamel fluorosis berat menunjukkan penurunan monoton dari luar ke dalam (Gambar 6c). Akibatnya, lapisan luar enamel fluorosis berat memiliki kedalaman dan lebar gerasakan terbesar, menunjukkan daya tahan aus yang dikurangi. Observasi ini selaras dengan studi sebelumnya yang menghubungkan paparan fluorida dengan daya tahan aus enamel yang terkompromi [42–46].

Profil gerasakan lapisan enamel.

Memahami properti gradien ini sangat penting untuk memilih bahan restorasi yang cocok dengan perilaku aus enamel fluoris. Keramik menawarkan biokompatibilitas dan estetika tinggi tetapi dapat mengaus enamel lawan yang berlebihan [47, 48]. Alternatif seperti PICN dan blok resin komposit telah dikembangkan untuk memberikan daya tahan aus yang lebih rendah [48, 49]. Metrik gerasakan PICN selaras dengan lapisan luar enamel normal, membuatnya cocok ketika gigi lawan sehat. Namun, ketika gigi lawan terpengaruh fluorosis—terutama fluorosis ringan—bahan restorasi harus meniru profil tribologis enamel tersebut. Lava™ ultimate (blok resin komposit) menunjukkan kedalaman dan lebar gerasakan yang sebanding dengan lapisan luar enamel fluorosis ringan, yang menyarankan kesesuaiannya untuk restorasi fluoris. Resin komposit konvensional (Z350) menunjukkan metrik gerasakan yang lebih tinggi, yang berpotensi mengakibatkan aus yang dipercepat. Oleh karena itu, kompatibilitas mekanik bahan restorasi dengan enamel fluoris esensial untuk hasil yang tahan lama.

Properti Nanomekanik Batang Enamel Normal dan Abnormal pada Fluorosis Gigi

Analisis enamel fluorosis berat mengungkap dua jenis batang yang berbeda di lapisan luar dan tengah: batang normal dengan kristal yang longgar dan mikropori yang melimpah, dan batang abnormal yang padat dengan pori (Gambar 7). Batang normal menunjukkan kekerasan dan modulus yang lebih rendah tetapi creep yang lebih tinggi dibandingkan batang abnormal (Gambar 8). Variasi mikro ini berkorelasi dengan keparahan fluorosis dan menyoroti kebutuhan akan bahan restorasi yang dapat mengakomodasi heterogenitas tersebut.

Citra SEM batang enamel normal dan abnormal di lapisan luar fluorosis berat (×20.000). Panah hijau: celah yang meluas; lingkaran putih: pori; panah merah: kristal yang longgar.

Properti nanomekanik batang normal vs. abnormal. a Kekerasan nano; b Modulus elastis; c Perilaku creep.

Bahan Gigi yang Tepat untuk Restorasi Klinis Fluorosis Gigi

Analisis gerasakan komparatif (Gambar 9) menunjukkan bahwa IPS e.max CAD memiliki kedalaman/lebar gerasakan terendah, PICN cocok dengan enamel normal, Lava™ ultimate selaras dengan enamel fluorosis ringan, dan Fltek™ Z350XT memiliki metrik tertinggi. Lapisan luar enamel fluorosis berat memiliki kedalaman/lebar gerasakan terbesar. Data ini mengonfirmasi bahwa profil tribologis bahan restorasi harus mencerminkan enamel fluoris lawan untuk mencegah aus yang dipercepat.

Profil gerasakan pada enamel luar normal, fluorosis ringan, berat, dan empat bahan restorasi.

Implikasi klinis: gigi depan yang terpengaruh fluorosis sering memerlukan restorasi estetika, sementara gigi belakang mungkin memerlukan crown atau onlay. Restorasi keramik, meskipun estetika, dapat mengaus enamel lawan yang berlebihan [47, 48]; PICN menawarkan profil aus yang lebih seimbang untuk enamel lawan normal. Untuk fluorosis ringan, Lava™ ultimate memberikan daya tahan aus yang sebanding dengan enamel, mengurangi risiko aus restorasi. Dalam fluorosis berat, aus yang ditingkatkan pada enamel luar memerlukan pilihan bahan yang hati-hati, potensialmente mendukung komposit dengan aus rendah atau strategi alternatif.

Kesimpulan

Temuan utama:

1. Mikrostruktur dan perilaku nanomekanik gradien enamel fluoris sangat berbeda dari enamel sehat, terutama di lapisan luar fluorosis ringan dan lapisan luar/tengah fluorosis berat.

2. Batang enamel normal dan abnormal coexist dalam enamel fluoris; batang abnormal menunjukkan kekerasan lebih rendah, modulus lebih rendah, dan creep lebih tinggi.

3. Blok resin komposit (Lava™ ultimate) cocok dengan daya tahan aus enamel fluorosis ringan dan oleh karena itu lebih disukai dibandingkan keramik dengan aus tinggi untuk restorasi fluorosis.

Singkatan

EDJ:

Junc enamel-dentin

IPS:

IPS e.max CAD

LVU:

Lava™ ultimate

MFE:

Enamel fluorosis gigi ringan

NTE:

Enamel gigi normal

PICN:

Jaringan keramik infiltrasi polimer

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

SFE:

Enamel fluorosis gigi berat

SPM:

Mikroskop probe pemindai

Z350:

Fltek™ Z350XT