CARACTERISTICI BIOMECANICE ALE STRUCTURILOR DURE DENTARE I IMPLICAII CLINICE PRIVIND DINII TRATAI ENDODONTIC

AUTORI: Bogdan DIMITRIU Constantin VRLAN

Au colaborat: Ioana SUCIU Virginia VRLAN Dana BODNAR Anca DUMITRIU

2009

CUPRINS

1. INTRODUCERE 2. PROBLEMATIC OBIECTIVE 3. ASPECTE MORFOSTRUCTURALE, CARACTERISTICI BIOMECANICE I IMPLICAII CLINICE PENTRU DINII TRATAI ENDODONTIC 3.1. Particulariti morfostructurale i biomecanice ale esuturilor dure dentare 3.1.1. Aspecte caracteristice ale proprietilor smalului dentar 3.1.2. Aspecte morfostructurale la dentina vital vs. cea devital 3.1.3. Rezistena dentinei la solicitri mecanice i influena sa asupra comportamentului dintelui 3.2. Implicaii clinice privind dinii tratai endodontic 4. CONSIDERAII FINALE 5. BIBLIOGRAFIE

2

1. INTRODUCERE Medicul practician are la dispoziie o multitudine de variante terapeutice n abordarea dinilor care necesit tratament endodontic. Obiectivul final al terapiei endodontice este legat de viitoarea reluare a funciilor dintelui devital n ansamblul aparatului dento-maxilar. ndeplinirea acestui deziderat este condiionat de situaia clinic iniial. Opiunile terapeutice sunt corelate cu atenta selecie a materialelor i tehnicilor de restaurare morfo-funcional a dinilor tratai endodontic. Practicianul stomatolog i poate pune pe drept problema care materiale i tehnici sunt cele mai adecvate pentu obinerea rezultatelor optime de restaurare n fiecare caz clinic. Aa cum se ntmpl i n alte specialiti medicale, nu exist un singur algoritm general valabil pentru a rezolva multitudinea situaiilor clinice specifice dinilor devitali. n plus, la ora actual, n faa medicului dentist se ridic i problema aa-numitului management al riscului pentru fiecare situaie clinic la oricare pacient n cauz. Rezolvarea terapeutic optim pentru fiecare caz clinic n parte este legat de cunoaterea i nelegerea avantajelor i dezavantajelor, a posibilitilor i limitelor proprii structurilor dure dentare ale dinilor care sunt devitali n urma unui tratament endodontic adecvat. Conceptele terapeutice standardizate nedifereniate nu vor putea oferi rezultatele scontate. Cunoaterea proprietilor biomecanice ale componentelor microstructurale ale esuturilor dure dentare este important pentru calcularea dispersiei i compensrii solicitrii la nivelul dintelui, utilizarea unor materiale restauratoare biomimetice i executarea preparaiilor coronare / corono-radiculare specifice fiecrei situaii clinice. n consecin, lucrarea de fa ncearc s contureze un cadru al orientrilor actuale privind cunoaterea caracteristicilor biomecanice ale structurilor dure dentare vitale, precum i a modificrilor produse la dinii tratai endodontic, lund n considerare criterii de determinare i de evaluare care s in cont de necesitatea relevrii implicaiilor clinice ale acestor caracteristici, pentru a contribui la realizarea n condiii optime a refacerii morfo-funcionale de durat.

3

Orict de riguros i de corect, tratamentul endodontic nu poate constitui n sine obiectivul terapeutic final. n absena restaurrii coronare adecvate a dintelui n cauz, prognosticul nu poate fi cel dorit i ateptat pe termen mediu i lung. 2. PROBLEMATIC OBIECTIVE Problema restaurrii coronare a dinilor tratai endodontic este foarte bine reprezentat n literatura de specialitate. De-a lungul anilor au fost concepute i dezvoltate numeroase sisteme de restaurare (cu i fr agregare radicular) pentru realizarea acestui scop. Mult vreme, principiul terapeutic de baz acceptat de majoritatea covritoare a autorilor a fost urmtorul: se ndeprteaz partea restant a coroanei clinice i se substituie printr-o coroan de nveli aplicat pe o reconstrucie coronar ancorat intraradicular. Motivul principal care a stat la baza justificrii teoretice a acestui principiu a fost acela c existena pivotului radicular contribuie la creterea rezistenei ansamblului dinte / restaurare La ora actual, tehnicile de restaurare bazate pe adeziune pun sub semnul ntrebrii acest postulat i orienteaz diferit conceptele terapeutice. Indicaiile stricte i rigide fac loc unor modaliti de abordare care permit conservarea n parte a structurilor dure dentare coronare restante neafectate. Se deschide astfel calea unor modaliti diferite de restaurare coronar. n aceste condiii, intr n discuie mijloace de tratament conservator endodontic al unor afeciuni aflate la limita indicaiilor terapeutice pentru meninerea dinilor pe arcad, care necesit s fie monitorizate n medie timp de 6-12 luni. Se argumenteaz astfel diminuarea riscului apariiei complicaiilor tardive post-tratament endodontic. Pe de alt parte, ns, crete riscul pentru dintele n cauz din perspectiva restaurrii coronare temporare (interimare) care este meninut pentru acest interval de timp relativ lung. O alt problem o constituie aprecierea valorii protetice a unui dinte tratat endodontic. De foarte mult timp se perpetueaz opinia conform creia dinii tratai endodontic sunt n mai mare msur predispui la fractur fa de dinii vitali. Aceast evaluare negativ privind riscul meninerii pe arcad poate conduce la renunarea de a utiliza dinii tratai endodontic ca stlpi de punte, n cazul necesitii nlocuirii dinilor

4

abseni, n zone cu solicitare crescut. Rezultatul const n ndeprtarea acestor dini prin extracie i nlocuirea lor prin protezare ancorat convenional sau pe implante. De aceea, se ridic problema dac i ce fel de abordare terapeutic este indicat pentru dinii tratai endodontic, care sunt considerai a fi predispui unui risc de fractur ridicat. Cunoaterea caracteristicilor biomecanice ale structurilor dure dentare i a particularitilor clinice pe care le implic pentru dinii n cauz poate contribui decisiv la rezultatul final corespunztor al tratamentului. 3. ASPECTE MORFOSTRUCTURALE, CARACTERISTICI BIOMECANICE I IMPLICAII CLINICE PENTRU DINII TRATAI ENDODONTIC n cele ce urmeaz, vor fi expuse i analizate, pe baza unei recapitulri a datelor din literatur, aspectele morfostructurale i caracteristicile biomecanice ale esuturilor dure dentare, precum i implicaiile clinice relevante privind dinii tratai endodontic. Cunoaterea exact a acestor particulariti este necesar pentru fundamentarea conceptelor terapeutice de restaurare coronar pe baze tiinifice i pentru alegerea corect a modalitii adecvate de tratament restaurator, difereniat n raport cu condiiile concrete ale fiecrei situaii clinice. 3.1. Particulariti morfostructurale i biomecanice ale esuturilor dure dentare Dinii tratai endodontic necesit o finalizare a respectivului tratament cu o obturaie a canalului radicular riguros efectuat conform cerinelor concepiei actuale, pentru a beneficia de un prognostic optim pe termen mediu i lung. Descrierea particularitilor mai-sus amintite i a implicaiilor clinice privind dinii devitali se refer la situaia acestora dup un tratament endodontic ce a fost evaluat ca fiind corect realizat. 3.1.1. Aspecte caracteristice ale proprietilor smalului dentar Cunoaterea proprietilor mecanice ale componentelor microstructurale ale smalului este important pentru calcularea dispersiei solicitrii la nivelul dintelui, realizarea unor materiale restaurative biomimetice i executarea preparaiilor clinice. 5

[1] Caracterul unic al microstructurii histologice adamantine const n prisme aliniate, care sunt distribuite aproximativ perpendicular pe JSD, dinspre aceasta spre suprafaa dentar. Seciunea cea mai frecvent ntlnit a acestor prisme este similar gurii de cheie, cu o lime medie de circa 5 m. Fiecare prism const din cristale strns unite de hidroxiapatit, acoperite cu un strat n grosime de 1 nanometru de enamelin (protein existent n smalul dentar uman n cursul dezvoltrii sale, etap n care circa 30% din smal const n proteine, dintre care enamelina reprezint < 1%; ea nu este o enzim proteolitic i nu degradeaz alte proteine amelare) i orientate de-a lungul axului prismei de smal. Zona de interfa dintre prisme este denumit substan interprismatic, care este mult mai bogat n compui proteici i reprezint cu precdere rezultatul incoerenei combinrii cristalitelor cu orientri diferite n aceast zon. Dei substanele proteice i apa reprezint doar un procent foarte limitat din compoziia chimic a smalului, de 4 - 5 % din greutate, rolul jucat de acestea este esenial n dezvoltarea smalului i sunt cruciale pentru organizarea structural i proprietile fizice ale acestuia. Proteinele sunt reprezentate de amelogenin, ameloblastin, enamelin i tuftelin. [2] Organizarea supramolecular a macromoleculelor extracelulare reprezint o etap esenial n mineralizarea smalului.[3] Matricea organic extracelular bogat n amelogenin este secretat, structurat, procesat i mineralizat n mod continuu n cursul dezvoltrii smalului. Hidroxiapatita, ca form special a fosfatului de calciu, se formeaz n aceast matrice.

Fig. 1. Structura hidroxiapatitei cristalul de fosfat de calciu

6

n absena amelogeninei, hidroxiapatita ar cristaliza pe substratul dentinar i ar putea evolua omogen, deci fr orientare spaial. Aceast cretere a hidroxiapatitei are ns loc n prezena amelogeninei, ceea ce i confer un aspect specific, total diferit: nanoparticulele de amelogenin acioneaz ca un eafodaj ce ghideaz depunerea de hidroxiapatit ca parte integrant a smalului, sub forma de cristale lungi, separate, dispuse dinspre JSD spre exterior. Auto-structurarea amelogeninei reprezint factorul cheie n dirijarea creterii orientate i elongate a cristalelor de hidroxiapatit n cadrul prismelor adamantine. Numeroase studii au abordat modalitile de formare i orientare a cristalitelor i a cristalelor de hidroxiapatit sub aciunea amelogeninei, n scopul sintetizrii in vitro a nanoprismelor de hidroxiapatit similare celor din smal.[4,5] n absena amelogeninei, aceste cristale ar fuziona. Pe msur ce cristalele i mresc dimensiunile axiale i transversale, amelogenina este lizat de ctre enzime, ocupnd progresiv un spaiu tot mai redus n cadrul esutului adamantin aflat n curs de dezvoltare. Se poate deci conchide c amelogenina joac un rol esenial n determinarea arhitecturii cristalelor de hidroxiapatit.[6,7]

7

Fig. 2. Imagine schematic a formrii smalului sub aciunea amelogeninei

Dup ncheierea etapei de maturizare, enamelina i tuftelina rmn la nivelul smalului, acionnd ca un adeziv ntre cristalite i ca o teac ce nvelete prisma de smal. Alturi de acestea, la nivelul smalului matur mai sunt identificate pri aminoterminale ale amelogeninei, aa numitele peptide amelogenice bogate n tirozin (TRAP tyrosine rich amelogenin peptide), care contribuie la definirea proprietilor fizice ale cristalitelor.[8] Enamelina este o glicoprotein acid i hidrofil, care rmne ataat la cristalele de hidroxiapatit ale smalului matur, dei probabil doar sub o form fragmentat. Enamelina acioneaz ca un nucleu n jurul cruia se organizeaz procesul de mineralizare, aciune similar n acest sens fosfoproteinelor acide din esuturile osos i dentinar.[8] Componenta organic a smalului matur conine scurte fragmente peptidice, bogate n prolin, glicin i acid glutamic,[9] care sunt presupuse a fi produi provenii prin scindarea principalei proteine amelare a matricei proteice - amelogenina. [10]

8

Cea mai mare parte a cantitii de ap din smal se gsete la nivelul tecii proteice i influeneaz compresibilitatea, permeabilitatea i conductivitatea ionic. Smalul este un material biocompozit, cu o tenacitate mult mai mare dect cea a elementelor sale anorganice luat n considerare separat.[11] Din punct de vedere fizic (n tiina materialelor i metalurgie), termenul de tenacitate nseamn rezistena la fractur a unui material supus solicitrii. Este definit drept cantitatea de energie raportat la volum pe care o poate absorbi materialul respectiv pn la rupere. n acest sens, tenacitatea mai poate fi considerat capacitatea materialului n cauz de a absorbi energie mecanic (sau cinetic) pn n momentul n care cedeaz. Din punct de vedere matematic, tenacitatea poate fi exprimat prin aria situat dedesubtul curbei grafice solicitare-deformare. Formula matematic explicit este:

energie volum unde: - reprezint deformarea

=

f0

d

- f reprezint deformarea pn la cedare - reprezint solicitarea. Unul dintre studiile recente care a luat n considerare proprietile micromecanice ale smalului a constatat c ndeprtarea componentei organice a determinat o diminuare substanial i semnificativ statistic a rezistenei la fractur apreciat att n plan medio-sagital, ct i transversal. ndeprtarea apei (deshidratarea) a determinat de asemenea o reducere a valorilor rezistenei la fractur a smalului, cuprinse 10% i 22% pentru planul medio-sagital. Analiza microscopic, att optic, ct i electronic, a demonstrat c ndeprtarea matricei organice a dus la apariia unor fisuri mai numeroase i mai lungi.[12] Aceste aspecte demonstreaz c proteinele prezente n matricea organic a smalului nu sunt eseniale doar pe parcursul perioadei de amelogenez, ci joac un important rol funcional i n smalul matur.[9] Unele studii au sugerat c influena apei asupra proprietilor smalului se explic prin mecanisme ce pot fi foarte diferite.[13] Apa formeaz puni la nivelul

9

atomilor de hidrogen ntre lanuri peptidice adiacente, meninnd aspectul funcional al resturilor proteice i a fibrelor de colagen.[14] Pe de alt parte, prezena apei este esenial n explicarea gradului de rezisten la ncrcare a smalului: anumite modele, dintre care clasic este cel prezentat de ctre FOX n anul 1980, consider comportamentul smalului similar unui burete rigid, apa fiind exprimat n momentul compresiunii i reabsorbit la ncetarea acesteia;[15] recent, se propune pentru smal modelul deformrii prin curgere lent (creep), care consider comportamentul stratului proteic prezent ntre cristalele de apatit ca fiind similar unui lichid vscos.[16] Aceast abordare permite identificarea planurilor de curgere din cadrul structurii anizotropice a smalului i influena fraciunii volumetrice a cristalelor de apatit. n general, apa joac un rol mai puin marcant dect componenta organic n privina proprietilor smalului, dar modul n care o face este dependent de prezena matricei organice. Studiile realizate cu ajutorul microscopiei electronice cu baleiaj au evideniat existena unor diferene specifice ntre rezultatale obinute n cazul probelor la care s-a realizat eliminarea complet a componentei organice dup tratarea lor prin metoda ce utilizeaz dispozitivul SPI Plasma-Prep II (plasma etcher, cleaner and asher) i, respectiv, cele la care acest tratament nu a fost utilizat. Dispozitivul amintit mai sus utilizeaz o metod de ndeprtare complet a componentelor organice din probele asupra crora acioneaz, permind astfel examinarea n exclusivitate a componentei anorganice din esuturile dure examinate. La probele netratate, deshidratarea contribuie la o scdere a tenacitii smalului;[9,17] se poate n consecin considera c deshidratarea determin o rigidizare a proteinelor amelare, afectnd capacitatea acestora de a absorbi i de a disipa energia de impact. La probele tratate, n schimb, exist diferene n sensul existenei unei tenaciti mai reduse la probele hidratate n raport cu cele uscate. Acest fenomen se poate datora diferenelor privind disiparea energiei n mediul apos prin comparaie cu cel gazos (aer). Pe de alt parte, la nivelul probelor tratate (la care componentele organice au fost complet ndeprtate) fisurile care i au originea la nivelul smalului traverseaz JSD. Se poate astfel considera c la acest nivel coninutul organic (n special fibrilele de colagen), mpiedic propagarea fisurilor de la nivelul adamantin la cel dentinar.[9,18,19]

10

Exfolierea smalului i a dentinei la probele tratate demonstreaz i importana pe care componenta organic o are n meninerea integritii interfeei dintre cele dou esuturi.[9,19] Toate aceste elemente subliniaz rolul jucat de ctre ap i componenta organic, prezente la nivel adamantin, n privina proprietilor micromecanice ale smalului. Smalul constituie practic o bioceramic ce prezint cel puin dou aspecte caracteristice care l difereniaz de alte esuturi mineralizate: - nu sufer un proces de remodelare continu n cursul vieii (cum se ntmpl la nivelul esutului osos), iar matricea extracelular este aproape complet ndeprtat concomitent cu procesul de mineralizare; - organizarea fazei minerale se face sub forma pachetelor de cristalite de hidroxiapatit cu un nalt grad de ordonare, organizate sub forma unor substructuri discrete (prismele de smal).[7] Caracterul nalt orientat al microstructurii amelare are ca rezultat anizotropia proprietilor sale mecanice. n studiul elasticitii, rezistenei i soliditii esuturilor dentare s-au utilizat metode macroscopice, cum sunt impedana acustic i determinri ale elongaiei i ncovoierii. Cercetrile efectuate prin tehnica de reflexie a unui fascicul de ultrasunete au evideniat c deformarea elastic a smalului este anizotropic: modulul de elasticitate msurat n direcie axial i transversal a prezentat valori de 125 i respectiv 115 GPa. Studiile privind comportamentul dintelui la fractur au artat c att smalul, ct i dentina au caracter friabil, dar numai smalul prezint o modalitate marcat anizotropic de fractur. n acord cu observaiile bazate pe teoria materialelor compozite, fisurile au tendina de propagare la nivelul inerfeelor slabe. n consecin, propagarea fisurilor n smal apare preferenial de-a lungul spaiilor interprismatice, paralel cu axele prismelor (fenomen cunoscut sub numele de clivaj). Evidenierea proprietilor mecanice legate de microstructura dinilor implic teste de microduritate efectuate prin indentare dup metoda Vickers i/sau Knoop. Dac primele studii nu au putut s demonstreze efectele orientrii microstructurii dentare asupra duritii, cele recente au combinat metoda Vickers cu microscopia electronic cu baleiaj, demonstrnd anizotropia proprietilor mecanice ale smalului. Alturi de alte proprieti, duritatea i modulul de elasticitate au prezentat valori mai mari pe seciuni transversale n raport cu cele axiale: duritate de 3,7 GPa, respectiv 3,11GPa i modul de elasticitate de 98 Gpa, respectiv 86 Gpa. 11

Dei asemenea macro- i microdeterminri au luat n considerare dependena direcional a proprietilor, ele nu au permis evidenierea proprietilor mecanice la nivelul unei prisme de smal ca unitate individual morfofuncional a smalului. Pentru a putea studia proprietile individuale ale prismelor adamantine este necesar o metod n care dimensiunea indentrii s fie cu un ordin de mrime mai mic dect zona de interes - 5 m. Nanoindentarea constituie o metod ideal n acest scop: aceast tehnic de examinare n profunzime permite aprecierea modulului Young de elasticitate i a duritii n detalii chiar mai mici de 1 m. Microscopia de for atomic combinat cu nanoindentarea ofer posibilitatea utilizrii aceluiai component att pentru indentare, ct i ca sond de scanare.[20] Astfel, prin intermediul piezoelementelor care permit ajustarea nanodeplasrilor vrfului sondei n direcia z, topografia probei examinate este nregistrat i poate fi vizualizat. Prin urmare, acelai dispozitiv realizeaz simultan reprezentarea grafic a distribuiei spaiale a proprietilor mecanice a probei i vizualizarea la o rezoluie mai bun de 500 nm. Pentru a studia comportamentul anizotropic al unei prisme de smal, indentaiile se plaseaz paralel i perpendicular pe axul prismei. Pot fi totodat studiate proprietile mecanice raportate la diferitele regiuni ale aceleiai prisme, care pot varia n concordan cu orientarea cristalelor de la acele nivele. Analiza rezultatelor privind raportul dintre ncrcare i deplasare permit determinarea duritii H i a modulului de elasticitate E.

12

Fig. 3. Nanoindentare difereniat: la aceeai for, apar indentaii de profunzimi diferite datorit duritii diferite a smalului i dentinei

Duritatea unui material reprezint msura rezistenei la indentarea permanent. [21] Metoda obinuit utilizat pentru determinarea duritii se bazeaz pe aplicarea unei fore standard, exercitate asupra suprafeei unui material prin intermediul unui indentor, n scopul obinerii unei indentaii cu o form simetric (impresiune rezidual). Dimensiunile n suprafa i adncime ale indentaiei sunt msurate la nivel microscopic i introduse n formula duritii specific tipului de testare aplicat. Valorile duritii sunt n consecin diferite n funcie de metoda utilizat, cele mai frecvente fiind: Brinell, Knoop, Vickers i testul de nanoindentare.[8] Duritatea este definit ca raport ntre ncrcarea maxim Pmax i aria de contact a indentaiei A: 13

P max H = A Modulul de elasticitate se calculeaz conform urmtoarei ecuaii: 1 = Er unde: - Er = modulul redus - Es = modulul de elasticitate al specimenului (probei) - Ei = modulul de elasticitate al vrfului dispozitivului de indentare - s = coeficientul Poisson al specimenului (probei) - i = coeficientul Poisson al vrfului dispozitivului de indentare Coeficientul Poisson (Raportul Poisson) reprezint raportul dintre deformarea prin contracie transversal i deformarea prin elongaie longitudinal pe direcia forei de elongaie. Conform legii lui Hooke, n domeniul deformrilor elastice exist un raport de direct proporionalitate ntre deformare i solicitare. Din acest punct de vedere, modulul de elasticitate reprezint gradul de rigiditate interatomic a unui material la aplicarea unor fore de elongaie sau de comprimare n limita deformrilor elastice. Acesta reprezint totodat cantitatea deformrii reversibile care are loc la nivelul structurii n cursul aplicrii unei ncrcri. Lund n considerare modalitatea n care sunt definite solicitarea i deformarea, modulul de elasticitate E poate fi prezentat prin urmtoarea relaie: E = = L / L F/A = LA FL Es 1 2s + Ei 1 2i

Modulul de elasticitate reprezint un parametru esenial pentru descrierea unui material, acesta fiind important n realizarea i selecia unor materiale de restaurare 14

cu proprieti mecanice - n special cu privire la deformare - similare esuturilor dentare pe care le nlocuiesc. Evaluarea unui material se bazeaz n primul rnd pe relaia solicitaredeformare. Solicitarea reprezint presiunea exercitat n orice punct asupra unui corp supus unei ncrcri i este exprimat ca: F = A unde: - F reprezint fora exercitat - A constituie aria pe care se exercit fora Deoarece fora F se exercit pe o anumit direcie, solicitarea trebuie definit att n termeni de mrime, ct i de direcie. Solicitarea se poate astfel manifesta n trei moduri diferite: solicitare la traciune, comprimare i forfecare. Sub aciunea unei solicitri materialul va suporta o deformare. Msura geometric a deformrii cuantific rspunsul la solicitare a unui corp, fiind definit de raportul dintre deformarea total pe o direcie a unui eantion i lungimea eantionului pe aceeai direcie. Aceast msur geomeric a deformrii reprezint practic deplasarea relativ dintre particulele dintr-un corp. Notnd lungimea iniial cu L, creterea incremental a lungimii cu L i msura geomeric a deformrii cu :

L = L Aceast relaie descrie msura geometric nominal (sau de inginerie) a deformrii i nu ia n considerare schimbarea axelor de referin. Adevrata msur geometric a deformrii ia n considerare schimbarea lungimii L de la valoarea iniial L0 la valoarea L1 la fiecare etap a deformrii:

15

L1 dL = L0 L1 = ln

L L

La o anumit for, implicat de o solicitare , exercitat asupra unui material, i corespunde o deformaie exprimat prin msura geometric a deformrii . Graficul solicitare - deformare constituie unul dintre principalii parametri n evaluarea unui material. Se cunoate de mult timp faptul c cele dou structuri principale existente la nivelul smalului, prisma i teaca bogat n componente organice care o nvelete, prezint proprieti mecanice diferite. n consecin, proprietile mecanice ale smalului sunt dependente de suprafeele de contact dintre prisme: acolo unde diametrul suprafeei de contact este mic n raport cu diametrul prismei, rspunsul elastic va fi dominat de proprietile elastice ale prismei; acolo unde diametrul suprafeei de contact este mare n raport cu diametrul prismei, att prisma, ct i structura de nveli a acesteia joac un rol n privina rspunsului la o ncrcare uniaxial. n cazul smalului, modulul de elasticitate este deci funcie de suprafaa de contact i de volumul efectiv al cmpului de solicitare la contactul din care este determinat, indiferent de tipul de instrument utilizat pentru nanoindentare. Studiul privind modulul de elasticitate i rspunsul conform curbei solicitare defomare demonstreaz c nanoduritatea i modulul de elasticitate al tecilor prismelor de smal sunt cu aproximativ 73% i respectiv 52% mai reduse dect cele ale prismelor.[12] O valoare att de sczut a modulului de elasticitate a tecii prismei va determina diminuarea valorii modulului pentru ntregul sistem atunci cnd aria de contact a dispozitivului de nanoindentare cuprinde mai multe prisme. n cazul extrem n care suprafaa de contact este mai mic dect diametrul de 5 m al prismei i solicitarea se exercit pe regiunea central a acesteia, teaca prismei va juca un rol minim i modulul de elasticitate determinat va fi n realitate egal cu cel al prismei, deci de o valoare ridicat. Odat cu mrirea suprafeei de contact, cmpul de solicitare se mrete i teaca prismei va juca un rol mai important n deflectarea rezultant a zonei de contact. n cele din urm, rigiditatea ntregului sistem se reduce datorit modulului de elasticitate mai mic al tecii prismei. Este deci evident c rezultatele experimentelor la scar macroscopic constau n valori mai mici ale modulului de elasticitate dect cele obinute prin testarea la scar micro- i mai ales nanometric. 16

Fig. 4. a. Reprezentare schematic a deformrii unei microstructuri constnd n prisme incluse ntr-o matrice cu interfee slabe b. deformare sub contacte Hertziene ale unui eantion din fibr de sticl infiltrate cu rin epoxidic [Adaptat i modificat dup: Lawn BR, Lee JJ-W, Constantino PJ, Lucas PW. Predicting failure in mammalian enamel. J Mech Behav Biomed Mater, 2009; 2(1): 33-34. Copyright 2009 Elsevier Ltd License Number: 2173740479984]

Studiul impresiunii de contact aprut prin nanoindentare arat existena a dou tipuri de fisuri dispuse radiar. Primul tip este cel mai frecvent i const n fisuri interprismatice dispuse de-a lungul tecilor i care se propag printre prisme. Al doilea tip este reprezentat de fisuri intraprismatice, care se propag prin interiorul prismei. Primul tip arat c linia de fractur tinde s urmeze calea interfeelor slabe. A doua form de fisur poate fi rezultatul demineralizrii acide utilizate n cursul manoperelor clinice de restaurare morfofuncional. Dup cicluri repetate de ncrcare, se acumuleaz tensiuni reziduale n structura adamantin, n special la nivelul prismelor. n cursul demineralizrii acide, suprafaa pe care acioneaz nanoindentarea este afectat i echilibrul tensiunilor reziduale aumulate n struturile smalului este alterat, rezultatul fiind o fisur ce se poate propaga prin interiorul prismei. Prismele i cristalele sunt dispuse perpendicular 17

pe direcia de aplicare a forei, deformarea din aceast direcie fiind similar ncovoierii unor grinzi. n urma demineralizrii acide a smalului, nanoindentarea provoac o distrucie aproape dubl la nivelul impactului, aprnd i fisuri inelare n interiorul prismei. Aceste constatri demonstreaz c mecanismele de fractur la nivelul smalului sunt influenate de ctre unitatea structural prism - teaca prismei. [12] Proprietile anizotropice ale smalului, datorate structurii specifice prism - teac prismatic, sunt evidente i n curba solicitare - deformare: zona de suprafa a smalului este mai rigid i rspunde la o valoare mai ridicat, determinat la nivelul curbei solicitare - deformare, dect o seciune transversal adiacent, datorit influenei mai pronunate pe care tecile prismelor le au la acest nivel. Studii realizate cu ajutorul microscopiei de for atomic [7] permit constatarea c, la nivelul suprafeei sale externe, smalul prezint o suprafa rugoas de aspect granular, putndu-se evidenia n special dou tipuri de granule: - unele de mici dimensiuni, cu diametrul mediu cuprins ntre 0,2 i 0.5 m; - altele de dimensiuni mai mari, cu diametrul mediu de 2 - 4 m, ce incorporeaz / asociaz rugozitile mai mici. Nu se poate discerne nici un grad de ordonare al rugozitilor amintite. Se poate ns constata existena unui contact intim ntre acestea. Gradul de rugozitate al suprafeei, exprimat prin rdcina ptrat a rugozitii medii RMS (Rq) = root-meansquare roughness, este estimat la 116,5 nm.

unde: - n reprezint numrul de granule luate n considerare; - y reprezint nlimea fiecreia dintre cele n granule. Caracteristicile de suprafa ale smalului, ca i duritatea sa la acest nivel, joac un rol important n comportamentul pe care acesta l are la diferitele solicitri la care este supus. Sunt de menionat n acest sens elementele de ordin tribologic, ca i modalitile n care sunt preluate i transmise n profunzime, la nivel micro- i macroscopic, forele care acioneaz la acest nivel. 18

Tribologia este tiina care studiaz suprafeele aflate n interaciune prin micarea relativ dintre ele. Rspunsul tribologic, constituind un sistem dependent de un cuplu de corpuri ale cror suprafee vin n contact, este determinat de proprietile mecanice ale ambelor corpuri: modul de elasticitate, duritate i tenacitate. Solicitarea i deformarea care apar la nivelul zonelor de contact ale suprafeelor adamantine n cursul ciclului masticator, prin existena rapoartelor de ocluzie dento-dentare, sunt preluate i transmise dinspre suprafaa extern a smalului spre JSD i dentin prin modaliti dependente de micro- i chiar nanostructura acestor esuturi dure dentare. Anizotropia proprie dintelui uman, prin distribuia difereniat a componentelor minerale i variaia proprietilor mecanice la nivel adamantin i respectiv dentinar, are o influen important asupra rspunsului su de tip tribologic.[22] O serie de studii au luat n considerare aceste aspecte i au urmrit s determine influena pe care proprietile tribologice le au asupra caracteristicilor mecanice i comportamentului esuturilor dure dentare.[22,23,24,25] Aceste teste sau realizat att n mediu uscat, ct i umed (saliv artificial), pentru a putea simula diferitele condiii n care se petrec solicitrile structurilor dure dentare n mediul oral. Condiiile tribologice specifice acestui mediu, evidente n cursul masticaiei, determin apariia unui tip special de uzur (fretting). Acesta este definit ca un proces de uzur aprut n situaia existenei la zona de contact dintre dou corpuri, a unei ncrcri i n prezena unor micri relative mici i repetate ale acestora, care la nivelul suprafeelor aflate n contact determin apariia vibraiilor sau a altor fore. Amplitudinea micrilor relative de alunecare este n general cuprins pe un interval ce se ntinde de la dimensiuni milimetrice la micronice, dar poate fi i de doar 3-4 nanometri. Procesul duce la pierderea de substan, dar poate provoca, prin fenomenul de oboseal la uzur i apariia timpurie de mici fisuri, care se propag ulterior n profunzime. Din analiza suprafeelor implicate rezult c acest fenomen este principalul responsabil de afectarea esutului adamantin ca urmare a contactelor dento-dentare repetate. Fisurile aprute se propag printre prismele de smal; urmrind traseul acestora, se pot urmri rapoartele dintre prisme, constatndu-se prismele adamantine sunt mpletite una n jurul celeilalte. Fisurile aprute prin aceste mecanisme tribologice nu depesc JSD, ceea ce, alturi de caracterul rezilient al dentinei, ajut la meninerea integritii smalului i mpiedic fracturarea acestuia n timpul solicitrilor ocluzale.[22] 19

Determinarea experimental a coeficientului de friciune indic o cretere brusc a acestuia dup primele cicluri de testare a uzurii, aspect probabil datorat ndeprtrii rapide prin abrazine a asperitilor prezente sub aspectul granular amintit mai sus i mrirea suprafeei de friciune. Acest coeficient este puin mai mic n condiiile testrii n prezena salivei artificiale (0,2) n raport cu testarea uscat ( 0,3). Comportamentul din punct de vedere tribologic al dintelui este foarte sensibil la orientarea microstructrii i sufer modificri n funcie de localizare la nivelul aceluiai dinte.[23,24] S-a constatat totodat c duritatea este maxim la suprafaa smalului - circa 3,5 GPa - i scade progresiv odat cu profunzimea. Pe o interval cuprins ntre 100 i 600 m distan de JSD, duritatea smalului este aproape constant, cu mici fluctuaii cuprinse ntre 2 i 2,5 GPa. Duritatea scade la valori < 1Gpa n imediata vecintate a JSD. Anumite studii constat o scdere a duritii Knoop la nivelul smalului, odat cu creterea distanei fa de suprafa conform unei progresii liniare de aproximativ 0,023 HK m-1 i o cretere a duritii dentinare odat cu distana de la JSD.[23,26] Valorile duritii difer nu doar ntre smal i dentin, ci i ntre diferitele nivele ale smalului: duritatea scade cu 17% ntre stratul superficial de smal i JSD i cu nc 77% de la nivelul acesteia la cel dentinar. Diferenele de compoziie chimic dintre esuturile dure dentare nu constituie o explicaie suficient pentru variaiile nregistrate n privina duritii. Caracteristicile microstructurale localizate, ca de exemplu orientarea prismelor n smal i, respectiv, densitatea i orientarea canaliculelor n dentin, joac de asemenea un rol important n determinarea duritii ala aceste nivele. Anizotropia proprietilor mecanice ale smalului poate fi de asemenea atribuit anizotropiei i alinierii cristalelor de hidroxiapatit n cadrul prismelor adamantine i arhitecturii compozite a smalului. Modulul de elasticitate i duritatea sunt mai reduse n coada fiecrei prisme n raport cu valorile de la nivelul capului prismei, aspect datorat schimbrilor n ceea ce privete orientarea cristalelor la nivelul cozii. Studiile care au utilizat nanoindentarea au artat c fisurile aprute n planul axial al dintelui sunt mai lungi pe aceast direcie, aproximativ paralel cu axul prismelor. Fisurile aprute pe o direcie perpendicular pe axul prismelor sufer o ncovoiere, aliniindu-se i ele cu axul lung al acestora. S-au putut determina valori ale rezistenei la fractur de 0,520,06 MPa/m 2 asociate fisurilor aproximativ perpendiculare pe axul prismatic i respectiv de 0,520,06 Mpa/m2 pentru fisurile orientate aproape paralel cu acesta. 20

Smalul deine o rezisten surprinztor de mic la iniierea i propagarea fisurilor. Pe suprafaa coronar exist n mod obinuit mici fisuri determinate de forele ocluzale, variaiile de temperatur i manoperele de restaurare.[27] Dei de cele mai multe ori aceste fisuri nu evolueaz spre fracturi, meninerea i propagarea lor n timp le poate transforma n locuri de iniiere a demineralizrii i pot determina degradarea mecanic suplimentar n profunzime a smalului.[28] Condiiile asociate iniierii fisurilor la nivelul smalului, ca i procesul de extindere ciclic a fisurilor prezint un interes att tiinific, ct i clinic. Studii recente [29] au examinat din punct de vedere cantitativ comportamentul la oboseal al smalului, prin analiza chimic, stabilirea unor tipare prin difractometrie cu radiaii X, comparaia cu pulberea de hidroxiapatit cristalizat i ncrcarea ciclic. Orientarea probelor pe direcia planului prismelor de smal a permis urmrirea efectelor solicitrilor n planul de propagare al fisurilor, ceea ce respect situaia in vivo privind apariia i propagarea fisurilor la nivel adamantin.[30] Prin utilizarea microscopiei digitale se poate determina gradul de extindere a fisurii a raportat la creterea incremental a oboselii la fisurare N, ca i rata de cretere a oboselii la fisurare da / dN.[31] Poriunea rectilinie a curbei care descrie rspunsul la creterea oboselii la fisurare este cuantificat utliznd legea Paris [32] conform creia da C(K)m dN unde: - K reprezint intervalul n care sunt cuprinse valorile pe care le ia intensitatea solicitrii; - m reprezint exponentul de cretere a oboselii la fisurare (invers proporional cu rezistena smalului la propagarea fisurilor); - C reprezint coeficientul de cretere a oboselii la fisurare. Pentru probele incluse n aceste studii K se calculeaz prin utilizarea unui model numeric al extinderii fisurii n funcie de geometria probei i ncrcarea ciclic, conform relaiei: P K = B W 21 (0.87 3.97 +7,04 2)

unde: - P (Pmax Pmin) reprezint intervalul de ncrcri ciclice; - reprezint raportul dintre a i W; - B reprezint grosimea ligamentului (n sensul explicat mai sus de regiuni lipsite de fisuri). Pragul de intensitate a solicitrii Kth este definit ca intensitatea de solicitare critic sub nivelul creia se presupune c propagarea fisurilor la oboseal nu are loc sau are loc cu un ritm foarte redus.

Fig. 5. Aspect tipic de propagare a fisurilor induse de oboseala smalului cu cele trei regiuni de propagare a fisurii i parametrii Legii Paris

Prin raportare la hidroxiapatita sinterizat, cu densitate, proprieti chimice i cristaline similare cu cele ale smalului, acesta prezint caracteristici diferite privind fisurarea la nivelul suprafeii i propagarea fisurilor n profunzime: - fora necesar iniierii fisurii n mediu uscat este de circa trei ori mai mare pentru smal; aceast diferen crete n cazul conducerii experimentelor n mediu umed: prezena apei este important n meninerea integritii structurale a matricei proteice

22

adamantine i n consecin n susinerea proprietilor mecanice ale smalului; [33,34,35] - exponentul mediu de cretere al oboselii la fractur este similar pentru smal i hidroxiapatita sinterizat, dar n schimb coeficientul mediu de propagare a fisurii C este de trei ori mai mic n cazul smalului, ceea ce se traduce printr-un un interval K al intensitii solicitrii de trei ori mai mare; aceasta nseamn c smalul deine o rezisten superioar la propagarea fisurilor, prin absorbia energiei necesare dezvoltrii procesului de fisurare; - rezistena la fractur KC a unui material n condiii de ncrcare monoton, cvasistatic, este caracterizat de o valoare critic a factorului de intensitate a solicitrii; n raport cu cele prezentate mai sus, rezistena calculat la fractur a smalului este apreciat ca fiind de aproximativ trei ori superioar celei a hidroxiapatitei sinterizate: 0,9 MPa/m2 fa de ~ 0,3 MPa/m2. Se constat totodat existena unei serii de modificri de direcie i bifurcri ale traiectelor fisurale, care cresc n amplitudine i frecven odat cu apropierea de JSD. Aceste deflectri periodice apar la traversarea unor mnunchiuri de prisme intim mpletite, care par astfel a juca un rolul principal n rezistena la propagare a fisurilor n smal. Fisurile pornite de la nivelul superficial al smalului se propag printre aceste complexe structuri mpletite pe calea granielor dintre prisme, oprindu-se apoi sau pierznd energie ntr-un mod semnificativ. Oprirea extinderii unei fisuri are loc de obicei la traversarea de la o regiune cu o dispoziie prismatic mai puin nclinat (parazonia) la una cu oblicitate mai mare (diazonia).[29] O reluare a propagrii fisurii are loc atunci cnd aceasta gsete o cale interprismatic mai favorabil sau mai puin consumatoare de energie printre prismele adiacente. Fisurile se opresc n general la nivelul JSD, smalul prezentnd o amplificare a mecanismelor ce limiteaz propagarea acestora: apariia ligamentelor i are originea n microfisurile dezvoltate n cadrul i n jurul fazei organice. Matricea organic prezent n spaiile interprismatice acioneaz astfel ca un ghid mecanic ce ofer calea de minim rezisten n faa extinderii fisurii. Meandrele fisurii prin labirintul complex al prismelor de smal au ca rezultat disiparea energiei prin friciune, apariia de fore ce acioneaz n direcia detarii prismelor din intima mbinare pe care o prezint i chiar fractura acestora. Aceste mecanisme sunt i mai complicate la scar nanometric, unde propagarea fisurii determin un transfer efectiv al solicitrii

23

de la nanoparticulele rigide la componenta organic prezent ntre nanocristalele adiacente.[29] Zonele de ncruciare a prismelor de smal sunt considerate a reprezenta o armare structural a dintelui, un mijloc de protecie n calea propagrii fisurilor i chiar o consecin i o adaptare evolutiv la modificrile dietei alimentare. Studiile prin metoda elementului finit privind un model al smalului cuprinznd mnunchiuri de prisme ncruciate au permis obinerea unor serii de date privind rspunsurile la solicitare corelate cu organizarea micro- i nanostructural adamantin.[36] Microstructura adamantin prezint n treimea extern a smalului prisme paralele uor ncurbate n sens apical; n apropierea JSD exist straturi de prisme cu orientare sinusoidal, ceea ce determin o defazare a straturilor prismatice consecutive.[37] Apar astfel n apropierea JSD straturi de prisme ncruciate, la nivelul crora pot exista microfisuri, acestea prezentnd ns un efect foarte limitat n privina rezistenei smalului. La nivelul treimii externe a smalului, att dispunerea relativ rectilinie i paralel a prismelor, ct i valorile ridicate ale modulului de elasticitate, contribuie la rezistena mecanic i la contracararea abraziunii.[38] Propagarea fisurilor i posibila fractur consecutiv reprezint problemele eseniale pentru meninerea structurii esuturilor dure dentare, fiind deci important cunoaterea pragului dincolo de care apare propagarea unei fisuri reprezentnd. S-au aplicat n consecin conceptele proprii mecanicii fracturilor pentru a defini criteriile dup care se desfoar procesul de propagare a fisurilor n materiale de tip bioceramic. Rezistena unui material casant a se afl n urmtoarea relaie cu factorul de intensitate critic a solicitrii Kc la nivelul captului fisurii: K = Yac unde: - c este raza fisurii - Y este un factor geometric. IRWIN a analizat modalitile de propagare ale fisurilor lund n considerare valoarea solicitrii critice i a demonstrat c valoarea de propagare a fisurii la captul acesteia - intensitatea cmpului de solicitare K - trebuie s depeasc o anumit

24

valoare Kc . Aceast valoare reprezint nivelul intensitii critice a solicitrii la care o fisur dat ncepe s se propage. n cadrul modului I - de fisurare prin tensiuni uniaxiale - aceast valoare limit este totodat numit tenacitate la fractur KIc i indic capacitatea unui material de a rezista la propagarea fisurii i la cedarea consecutiv prin fractur. IndiceleIc

exprim

modelul de fisurare I prezent n condiiile unei solicitri la elongaie perpendicular pe fisur, deoarece materialul poate avea o grosime suficient pentru a putea rezista la forfecare (modul II) sau rupere (modul III). Tenacitatea la fractur se exprim n MPa/m2. Definiia tenacitii la fractur n ASTM E-24 este: rezistena la propagarea fisurii n condiiile meninerii constante a mrimii geometrice a deformrii la nivelul captului fisurii n timpul propagrii acesteia. Tenacitatea la fractur reprezint una dintre cele mai importante proprieti mecanice care descriu comportamentul la fractur al unui material, determinarea acesteia permind evaluarea capacitii unui material ceramic de a rezista la propagarea fisurilor. Tenacitatea la fractur reprezint un mod cantitativ de a exprima rezistena unui material la fractur de tip casant. La o valoare ridicat a tenacitii la fractur, materialul va prezenta probabil o fractur de tip ductil, n timp ce o fractur de tip casant caracterizeaz materialele cu valoare sczut a tenacitii la fractur. n domeniul biomaterialelor, valorile tenacitii la fractur permit evaluarea fiabilitii, succesului clinic pe termen lung i comportamentului materialelor casante. Este demonstrat c materialele cu valori ridicate de tenacitate la fractur prezint un comportament clinic ameliorat i sunt mai fiabile dect cele cu valori sczute.[39] WHITE i colab. au descoperit c smalul prezint o tenacitate la fractur de aproximativ trei ori mai mare dect cea a hidroxiapatitei geologice, care este de doar ~ 0,45 MPa/m2, evideniind astfel importana arhitecturii structurale adamantine, care face ca smalul s constituie un material ceramic compozit, cu cristalele de hidroxiapatit orientate sub forma unui continuum tridimensional complex.[30] Exist n acest sens o serie de tipare privind valorile tenacitii la fractur: - o cretere a valorilor tenacitii la fractur dinspre muchia incizal spre treimea cervical a incisivilor; - un caracter mai casant al smalului molarilor dect al caninilor i incisivilor; - fisurile care pornesc de la nivelul colurilor impresiunii unei indentri se propag de-a lungul unor direcii prefereniale, cea cervico-incizal fiind cea a 25

minimei rezistene privind propagarea unei fisuri; - exist o anizotropie a fracturii la nivelul smalului cu privire la orientarea prismelor, cu un lucru mecanic de 13 J/m2 al fracturii paralele cu prismele i respectiv de 200J/m2 al fracturii perpendiculare pe acestea.[8] S-a constatat inexistena la nivelul smaului a unei valori constante a tenacitii la fractur, aceasta putnd varia cu un ordin de mrime de pn la trei ori n funcie de orientarea prismelor adamantine.[40] Gradul de mineralizare a smalului are valori diferite n funcie de nivelul la care se face determinarea, de la suprafaa adamantin extern spre jonciune amelodentinar.[17,41] Smalul prezint o duritate considerabil mai ridicat la nivelul suprafeei sale n raport cu nivelul profund, din vecintatea JSD, ceea ce influeneaz concentrarea solicitrilor la nivelul acesteia din urm i poate de asemenea s determine, alturi de orientarea prismelor, gradul de rezisten la uzur al suprafeei externe adamantine. [42] Cu toate acestea, orientarea cvasi-paralel a prismelor n treimea extern a smalului determin i urmtoarele consecine: - permite unei fisuri s se propage cu mai mult uurin printre prisme, n cazul unei solicitri n axul lung al acestora; - valorile solicitrii la rupere cresc n special la un unghi de ncrcare negativ i, n proporie mai redus, la valori pozitive mai mari (20 - 40). Rezult deci c, dei solicitrile exercitate la att la angulaii pozitive oblice, ct i la angulaii negative sunt nefiziologice, acestea din urm sunt mai periculoase din punctul de vedere al posibilitii de provocare a unor fisuri i chiar fracturi. Solicitrile la valori nalte exercitate n zona nefiziologic i n particular la angulaii negative, pot explica frecvena relativ ridicat de producere a fracturilor adamantine la interpunerea interocluzal neateptat a unor particule foarte dure n timpul masticaiei.[43] Acest interval de valori ale ncrcrii se afl n concordan cu rezultatele obinute n studii experimentale asupra parametrilor cinematici.[44,45] i cu cele obinute n urma analizei prin aceeai abordare a elementului finit a organului dentar examinat ca ntreg.[46] Apariia deformrii plastice i nu a fracturii este n general determinat de existena unor formaiuni structurale cu o rezisten slab, care delimiteaz ntre ele 26

elementele de rezisten crescut prezente n cadrul unui material; ca rspuns la solicitri determinate de fore de forfecare, la aceste nivele pot avea loc deplasri prin alunecare. n cazul smalului, cea mai mare parte a deformrii se produce n interiorul tecilor organo-proteice aflate ntre prismele adamantine.[47] Studiile bazate pe nanoindentare indic prezena unei importante componente vscoase n deformarea fazei organice.[35,48] Anumii autori, interpretnd datele obinute prin nanoindentare la nivelul smalului, vorbesc de plierea i deplierea lanurilor peptidice, cu implicarea unei importante componente viscoelastice.[12,49] Dac deformarea nu este foarte mare, lanurile se ntind, dar nu se rup, fiind astfel posibil revenirea ntr-o anumit msur la geometria iniial a esutului. Comportamentul elastic al smalului n cadrul reprezentrii grafice a relaiei solicitare-deformare ( - ) poate fi descris ca: = Ee unde: Ee = [(cos2 sin2)2 / sin4)]E + 4(cos2 / sin2)G i = unghiul de orientare al cristalului de apatit Comportamentul neelastic al smalului n cadrul reprezentrii grafice a relaiei solicitare-deformare ( - ) poate fi descris ca: = Eine + 2(cos / sin)c unde: Eine = [(cos2 - sin2)2 / sin4]E i reprezint solicitarea la forfecare a straturilor proteice. Solicitarea la forfecare a matricei proteice crete odat cu deformarea prin comprimare . Atunci cnd crete peste o valoare critic c , stratul proteic prezent ntre cristalele de apatit se deformeaz cu o rat constant.[50] S-a presupus c modalitatea de dispunere a cristalelor de apatit se face la o angulaie apropiat de 45, care s permit facilitarea forfecrii straturilor de proteine i s reduc concentrarea tensiunilor care pot determina apariia fracturii smalului prin sfrmare. Aplicarea modelului mecanic al comportamentului smalului prin relaia solicitare - deformare ( - ) abordat mai sus la situaia real relev existena unei superpoziii a datelor reale cu cele experimentale atunci cnd angulaia cristalelor este 27

de 33. Prin comparaie cu valoarea de 45, care corespunde unghiului optim de forfecare a straturilor proteice la nivelul structurii adamantine, angulaia demonstrat a fi de 33 reprezint un compromis ntre necesitile de rigiditate (asigurat de un unghi mic) i ductilitate (unghi de 45) ale structurii smalului.[51] Investigaii recente asupra efectului orientrii prismelor asupra proprietilor mecanice ale smalului demonstreaz c exist puine diferene att n privina duritii, ct i a modulului de elasticitate ale smalului, ntre dou situaii extreme de orientare a prismelor: perpendicular i respectiv paralel n raport cu testarea realizat experimental.[41] Orientarea real conform angulaiei descrise mai sus ar putea deci reprezenta o proprietate intrinsec constant a smalului ca rspuns la condiiile complexe de ncrcare real a acestuia n cursul solicitrilor funcionale.[51] Analiza propagrii fisurilor demonstreaz apariia preferenial a fracturilor de-a lungul direciei de minim rezisten, deci n jurul i de-a lungul prismelor, care se comport ca uniti structurale cu posibiliti reduse de clivaj la solicitri. ncrcri de valori semnificativ mai reduse sunt suficiente pentru a fractura smalul dac direcia pe care are loc ncrcarea este cea perpendicular pe orientarea prismelor.[52,53] Substana interprismatic este de asemenea aliniat perpendicular pe direcia ncrcrii i permite propagarea rapid a tensiunilor. n acest caz survine separarea prismelor adamantine de-a lungul substanei interprismatice, foarte puine prisme suferind fisuri oblice. La solicitarea paralel cu direcia de orientare a prismelor, tensiunile se concentreaz la nivelul acestora, iar fractura nu poate surveni dect odat cu fisurarea tuturor prismelor. Comportamentul smalului la solicitri mecanice are o deosebit relevan n raport cu procedurile clinice necesare realizrii restaurrilor adezive directe.[52] Dependent de localizarea cavitii i modalitile de abordare ale marginilor acesteia, anumii factori, cum sunt prezena unui bizou, valoarea tensiunilor determinate de contracia de polimerizare a materialului de restaurare, momentul finisrii i lustruirii, pot determina fisuri adamantine i compromiterea n cele din urm a succesului clinic al restaurrii.[53] Jonciunile dento-restauratorii de tip cap la cap, situate att la nivel ocluzal ct i cervical, prezint o susceptibilitate mai mare la tensiuni provocate de procedurile de restaurare, existnd i abordri ce iau n considerare realizarea la aceste nivele a unor preparaii cu bizou.

28

Pentru a putea determina contribuia microstructurii optime a smalului la rezistena acestuia, s-a comparat comportamentul su n cadrul reprezentrii grafice a relaiei solicitare-deformare ( - ) cu cel al hidroxiapatitei pure, considerat ca fiind un analog ceramic al esutului adamantin. n situaia hidroxiapatitei exist o cretere semnificativ a rezistenei la deformare. Odat ns cu absena deformrii hidroxiapatitei, se constat amplificarea tendinei de apariie la nivelul acesteia a fracturii de tip casant.[54] Aceste studii pun n eviden rolul critic jucat de existena i grosimea straturilor proteice n modelarea comportamentului mecanic al smalului. S-a observat n acest sens caracterul mai translucid i mai casant al esutului adamantin aprut odat cu naintarea n vrst, aspecte probabil asociate unei diminuri a concentraiei normale de proteine, avnd drept rezultat o structur mineral mai dens, dar i mai casant dect n mod normal.[51] n cursul perioadei de existen a dinilor pe arcad smaul este supus la mai multe tipuri de solicitare, prin contacte directe dento-dentare sau prin medierea acestora de interpoziia bolului alimentar. Forele acioneaz de-a lungul diferitelor planuri impuse de o serie de factori reprezentai de morfologia coronar, relaiile ocluzale statice i dinamice, tipul masticator, obiceiurile alimentare, etc. Apar astfel n timp suprafee de uzur att la nivelul contactelor ocluzale, ct i la al celor aproximale. Pierderea de esut adamantin este ireversibil, acesta neprezentnd fenomene reparatorii similare celor existente la nivelul esutului osos.[8] Rezistena smalului se dovedete a fi ns remarcabil, dei magnitudinea solicitrilor este important prin valorile atinse - ce pot depi 1200 N - i prin numrul lor - de ordinul milioanelor de cicli.[55,56] Toate studiile amintite prezint anumite concluzii comune: - microstructura ierarhizat a smalului determin comportamentul anizotropic la fractur; suprafaa ocluzal, care este suprafaa funcional a smalului n condiiile cavitii orale, are o valoare a tenacitii la fractur mai ridicat dect suprafeele obinute prin secionare; - jonciunea dintre prism i spaiul interprismatic poate constitui calea minimei rezistene n propagarea fisurii; - matricea organic crete semnificativ capacitatea de opoziie la propagarea fisurilor n situaia materialelor biocompozite.

29

Dei mult vreme privit ca un material caracterizat de duritate i prezentnd un caracter casant, smalul este n prezent considerat un biocompozit cu dou faze, o structur ierarhic bine determinat i elemente proteice remanente care i confer anumite proprieti plastice. n prezent se consider c existena legturilor de sacrificiu dintre subdomeniile individuale ale moleculelor proteice poate constitui mecanismul explicativ pentru comportamentul matricei organice a esuturilor mineralizate.[57] Aceste legturi mediate de calciu exist ntre dou regiuni ale aceluiai lan polimeric, ntre dou lanuri dieferite, ntre un lan polimeric i suprafaa unei componente minerale sau o combinaie ntre acestea.[58] n momentul elongrii moleculei proteice, aceste legturi se rup primele pentru a proteja lanul molecular principal i a disipa energia; la ncetarea solicitrii, aceste legturi se refac automat i readuc materialul deformat la forma iniial.[59] Fluajul, definit ca deformarea dependent de timp sub ncrcare constant, reprezint unul dintre rspunsurile plastice de importan major a materialelor prezentnd vscozitate. n cazul materialelor metalice i a polimerilor, pentru a determina fluajul se utilizeaz n mod tradiional testele de deformare la elongare i comprimare. Pentru materialele naturale cum este smalul exist dou principale probleme care limiteaz utilizarea acestor metode: necesitatea mai multor probe identice - ceea ce este dificil de realizat dat fiind orientarea diferit a structurilor ierarhice pentru fiecare prob - i absena acurateii n condiiile unor dimensiuni prea mici ale probei i a unui fluaj limitat. Datorit dificultilor ridicate de experimentele de fluaj macroscopic aplicate la nivelul unor probe de mici dimensiuni, au fost introduse testele de nanoindentare, privind fluajul ca tehnic de studiere a proprietilor reologice i de dinamic a relaxrii diferitelor materiale.[60] Experimentele privind deformarea gradual a smalului au artat o rezisten superioar la deformarea prin penetrare i un modul de elasticitate mai mare la rate ale deformrii mai ridicate.[49] Originea acestei deformri graduale a fost considerat a fi deformarea la scar nanometric prin forfecare i modulul de forfecare a matricei proteice ce nconjoar fiecare prism, funcie de rata deformrii date de relaia Gp = 0,213 + 0,021 ln. Acest raport arat c matricea organic aflat ntr-o proporie limitat la nivelul smalului influeneaz n mod semnificativ comportamentul mecanic al acestuia.

30

Studiile privind fluajul smalului la ncrcarea prin nanoindentare demonstreaz existena unor diferene determinate i de mediul n care se afl proba i se desfoar experimentul: n mediu umed, valorile sunt mai ridicate dect n mediu uscat i mult mai ridicate dect n situaia deshidratrii prin tratarea probei cu alcool. Relaxarea n urma eliminrii ncrcrii prezint de asemenea valori mai ridicate n situaia smalului hidratat. Cristalele de hidroxiapatit fiind stabile la fluctuaiile de umiditate i temperatur aplicate n aceste studii, rezult c valorile diferite nregistrate n privina fluajului smalului sunt de asemenea datorate existenei matricei organice.[34] Influena pe care componentele organice ale smalului o au asupra proprietilor mecanice ale acestuia pot fi interpretate din punctul de vedere al caracteristicilor biopolimerice [61] i, respectiv, al existenei legturilor de sacrificiu la nivelul acestui complex proteino-peptidic [62] i chiar a prezenei colagenului de tip I identificat la nivelul smalului.[63] Pe de o parte, matricea organic adamantin se comport ca o reea biopolimeric cu legturi ncruciate, cu proprieti viscoelastice datorate aranjamentului, dispoziiei i interaciunilor dintre macromolecule, att pe distane scure, ct i la distan. La ncrcarea prin indentare, exist un rspuns rapid n privina redistribuiei locale a structurii i altul lent privind interaciunea la distan, datorit dependenei rearanjamentului molecular de factorul timp. La ncetarea ncrcrii, moleculele prezint tendina de revenire la forma i poziiile lor iniiale, datorit efectelor de memorie asociate reelei cu legturi ncruciate.[61] Pe de alt parte, aceeai matrice organic a smalului prezint rspunsuri difereniate la solicitrile mecanice datorit existenei legturilor de sacrificiu amintite mai sus. Moleculele ce conin aceste legturi demonstreaz n cursul ncrcrii cu elongare tipare ale graficului ce descrie relaia for - deplasare cu un aspect caracteristic, n dini de fierstru.[64] S-a evideniat c fiecare vrf al acestei curbe corespunde unui domeniu structural de depliere unic, domeniu ce i revine la ncetarea ncrcrii prin repliere a structurii. Cu ct crete intervalul de timp dintre dou momente de aplicare a forei, cu att se reface mai mult legtura n cursul perioadei de relaxare. Dei componentele individuale din cadrul acestui tip de legturi pot fi slabe (puni de hidrogen, interaciuni hidrofobe, etc), ele contribuie semnificativ la rezistena la fluaj a structurilor care le conin datorit numrului lor de la nivelul fiecrei molecule. 31

Fig. 6. Modelul decalat ilustreaz funcionarea matricei proteice ntre cristalitele de hidroxiapatit [Adaptat i modificat dup: He LH, Swain MV. Influence of environment on the mechanical behaviour of mature human enamel. Biomaterials, 2007; 28(30): 4512-4520. Copyright 2009 Elsevier Ltd License Number: 2173660803020]

Modelul propus de ctre Ji i Gao combin modelul dinilor de fierstru cu teoria legturilor de sacrificiu, propunnd astfel o modalitate simpl de a explica rolul componentelor organice aflate ntre cristalite. Fluajul smalului poate fi astfel descris n felul urmtor: la ncrcarea prin indentare, deplasarea vrfului indentorului determin o micare de forfecare a cristalitelor de hidroxiapatit adiacente, ceea ce d natere unei fore de elongare exercitate asupra lanului peptidic al proteinelor care le unesc. Rezultatul aciunii acestei fore l constituie deplierea legturilor de sacrificiu n cursul perioadei de meninere a ncrcrii maxime i conduce la o depliere suplimentar dependent de factorul timp ce constituie nsui comportamentul de fluaj al smalului. La eliminarea ncrcrii, replierea lanurilor peptidice i prezena deformrilor elastice reziduale ce nconjoar impresiunea rezidual a indentrii permit materialului deformat s prezinte o revenire cu un caracter non-elastic. Mai mult, teaca de componente organice de la nivelul prismelor de smal are un modul de elasticitate i o

32

duritate mult mai reduse dect cele specifice prismelor (cu peste 50%).[65] Aceasta poate de asemenea s amortizeze solicitarea i s limiteze transferul de solicitare de forfecare de la o prism la alta. Rezultatul l constituie deci faptul c aceast pelicul subire de proteine dintre cristalitele de hidroxiapatit i teaca bogat n proteine regleaz pe scar larg distribuia solicitrii prin comportamentul su non-elastic. Modulul de forfecare G al peliculei proteice se poate determina din relaia descris de ZHOU i HSIUNG:[49] 4(1- Vh)EhEe Gp = (VhEh - Ee)Vh2 unde: - Gp este modulul de elasticitate transversal a filmului proteic; - Vh reprezint fraciunea n volum a hidroxiapatitei; - Eh este modulul de elasticitate al smalului; - reprezint anvergura (dimensiunea) relativ a cristalelor de hidroxiapatit. Aceste rezultate prezint implicaii clinice, deoarece exist o gam larg de materiale i substane chimice care sunt aplicate n contact direct cu suprafaa adamantin, de la substane cu rol dezinfectant la materiale pentru gravarea acid i de la sisteme adezive la produse utilizate pentru albirea dinilor. Difuzia acestor substane chimice n smal poate avea efecte periculoase asupra componentelor proteice, compromind proprietile mecanice ale esutului adamantin i determinnd o reducere a rezistenei la ncrcare, o accentuare a posibilitii de uzur a suprafeelor i o diminuare a duratei de via a smalului. Un exemplu tipic l constituie etanolul. Molecula de etanol are o raz de ~0,17nm, ceea ce i permite s ptrund prin majoritatea porilor smalului. Etanolul determin o deshidratare accentuat i poate modifica conformaia unui lan peptidic din alctuirea proteinelor.[66] Proprietile etanolului i permit s fie atras att spre inte hidrofobe, ct i hidrofile, s creeze legturi prefereniale cu anumite inte i s dizloce apa, determinnd modificri de conformaie a lanurilor peptidice ale proteinelor. Acest mecanism se ntlnete atunci cnd etanolul substituie apa ce leag la nivelul atomilor de hidrogen gruprile carboxil de cele NH din cadrul lanurilor peptidice, afectnd astfel proprietile 33

biomecanice ale proteinelor prin modificarea conformaiei acestora: la acest nivel, gruparea hidroxil aparinnd apei este atras de gruparea carboxil a lanului peptidic, iar atomul de oxigen al moleculei de ap este atras de ctre gruparea NH a aceluiai lan; etanolul care substituie molecula de ap nu se poate lega simultan de cele dou grupri, deoarece deine doar o grupare hidroxil, care se leag de gruparea NH i astfel configuraia proteinei este modificat. Efectul asupra glicoproteinelor prezente n cadrul matricii proteice a smalului este unul similar, etanolul determinnd deshidratarea acestora, ceea ce, tiut fiind faptul c glicoproteinele atrag cantiti mari de ap, face imposibil meninerea funciilor biologice ale acestora. Efectul etanolului prin deshidratare se face simit i prin modificri semnificative ale modulului de elasticitate, duritii i tenacitii la fractur a dentinei; se consider c acest efect este asociat creterii frecvenei legturilor ncruciate a moleculelor de colagen la care apa este substituit de legturi de hidrogen mai slabe realizate prin intermediul etanolului.[67] Investigaiile realizate prin metoda microscopiei electronice cu baleiaj evideniaz modificrile aprute la nivelul smalului n situaia pierderii matricii proteice. Structurile prismatice sunt nc identificabile, dar cristalitele de hidroxiapatit sunt, n absena adezivului reprezentat de proteine, mai libere n cadrul aranjamentului lor. Absena filmului proteic care redistribuie solicitarea aplicat asupra smalului, determin astfel condiii de apariie a caracterului casant i de fragilizare a structurii adamantine, cu apariia de fisuri.[8] Complexitatea caracterului ierarhic al structurii adamantine a determinat ncercarea de modelare matematic a smalului, cele mai cunoscute modele fiind: - modelarea prin metoda elementului finit realizat de SPEARS,[1] care a pornit de la modelul compozit al lui KATZ [68] i a transpus un simplu model de compozit bifazic la nivelul stucturii cristalitelor; - modelul buretelui rigid dezvoltat de FOX [15] care se bazeaz pe fenomenul de histerezis demonstrat ntre comportamentul la ncrcare, respectiv la descrcare, produs la nivelul smalului: lichidul este exprimat prin canalele nguste existente ntre cristalele de hidroxiapatit la comprimare i este reabsorbit n cursul fazei de relaxare, dar prin cicluri diferite non-repetitive, deoarece influena cantitii de lichid i a ionilor din mediul nconjurtor se reflect n schimbarea sarcinii de suprafa a pereilor canalelor i vscozitii lichidului prezent n acestea; 34

- modelul n dini de fierstru propus de ctre JGER,[64] i dezvoltat de GAO i JGER, [69] care poate fi considerat un model al lanurilor de elongare - forfecare la nivelul nanostructurii biologice: la aplicarea unei solicitri, elongarea este preluat n cea mai mare parte de ctre cristale, n timp ce matricea proteic transfer ncrcarea ntre acestea prin forfecare; anvergura mare a cristalelor permite ca fora transferat ntre ele s fie distribuit pe o regiune extins de forfecare, cu o solicitare redus la nivelul proteinelor. 3.1.1.1. Aspecte caracteristice ale proprietilor jonciunii smal dentin (JSD) Meninerea integritii i rezistenei smalului i dentinei depind de existena unei legturi durabile realizate ntre dou esuturi cu origini embriologice, structuri i proprieti diferite: jonciunea amelodentinar (sau jonciunea smaldentin: JSD). n general, interfeele dintre materiale diferite concentreaz tensiunile i adeseori permit chiar desprinderi ntre acestea. JSD se comport ns ntr-un mod complet diferit: - permite transmiterea ncrcrii dinspre smal spre dentin n cursul tuturor solicitrilor funcionale i parafuncionale la care este supus dintele n cursul prezenei sale pe arcad; - separarea smalului de substratul dentinar se ntlnete extrem de rar; - fisurile adamantine nu se propag de obicei dincolo de JSD n dentin. Aceste caracteristici favorabile ale JSD vin ntr-un evident contrast cu modul n care se comport interfaa dintre dentin i materialele de restaurare: eecul aprut la acest nivel se datoreaz fie infiltraiei microbiene la acest nivel - avnd drept consecine apariia proceselor carioase sau afectarea pulpar - fie eecului structural brut, concretizat prin desprinderea parial sau total a restaurrii. Cunoaterea caracteristicilor structurale i funcionale care se manifest la nivelul JSD se reflect n abordrile terapeutice ce implic necesitatea aplicrii unor soluii avnd caracter biomimetic pentru realizarea unor interfee optime ntre esutul dentinar i materialele de restaurare direct.[70]

35

Fig. 7. Ramificarea canaliculelor dentinare n apropierea jonciunii amelo-dentinare (smalul se afl n stnga imaginii) [Adaptat i modificat dup: Zaslansky P, Friesem AA, Weiner S. Structure and mechanical properties of the soft zone separating bulk dentin and enamel in crowns of human teeth: Insight into tooth function. J Struct Biol, 2006; 153: 188-199. Copyright 2009 Elsevier Ltd License Number: 2173680317970]

Proprietile mecanice remarcabile, ca i comportamentul JSD au fost puse n legtur att cu structura anatomic - dimensiunile mari ale suprafaei de contact dintre smal i dentin, coninutul n fibre de colagen,[71] absena uniformitii proprietilor mecanice ale interfeei, contactul intim dintre cristalele din smal i cele dentinare,[72] ct i cu existena unei treceri progresive i nu abrupte de la anumite proprieti mecanice specifice smalului la cele dentinare. O serie de studii demonstreaz totodat c regiunea mai larg ce cuprinde JSD conine zone adiacente interfeei, att la nivel adamantin ct i dentinar, care sunt specializate din punct de vedere mecanic.[73] Dei din studii de microscopie publicate nc din anul 1906 [74,75] se cunotea existena n imediata apropiere a JSD a unei regiuni adamantine cu un nalt grad de mineralizare (numit smal aprismatic) i, respectiv, a unei zone dentinare bogate n canalicule dentinare, aceste elemente nu au fost n mod specific corelate cu proprietile mecanice ale jonciunii. Strategiile aplicate n domeniul structurii i rezistenei materialelor n scopul reducerii propagrii fisurilor sunt similare celor care se regsesc la nivelul regiunilor

36

smalului i dentinei situate n apropierea JSD. Mecanismele care intervin n acest sens (amintite i discutate mai sus) permit localizarea i limitarea efectelor nainte ca acestea s capete prin acumulare o amploare suficient de mare pentru a produce o fractur. JSD formeaz o structur biomecanic complex, cu o microstructur multistratificat unic, insuficient de clar delimitat, constnd din cel puin trei nivele cu un coninut organic mai ridicat i respectiv mineral mai sczut dect esuturile adiacente.[18] Iniial descris ca o interfa ngust, cu o lime de doar civa microni, JSD se dovedete a fi o zon morfologic i funcional lat, aa cum au demonstrat numeroase studii, prin diferite mijloace de investigaie: mecanic a fracturii,[70] profilometrie a microduritii, [73] analiz a franjelor de interferen la ncrcare,[76] autofluorescen,[77] i microradiografie. Studiile bazate pe microscopia de for atomic au demonstrat o ntreptrundere a constituenilor tisulari la nivelul regiunii de interfa.[72] Dei la examinarea prin microscopie optic JSD apare ca o linie bine delimitat (JSD optic), aceasta prezint n realitate o microstructur ierarhic i reprezint n acelai timp o zon de gradient funcional: regiunile din smalul i dentina situate n imediata vecintate, de-o parte i de alta a interfeei, dein elemente de ordin microstructural i proprieti fizico-chimice uor diferite n raport cu cele existente la nivelul acelorai esuturi la distan de jonciune. n mod specific, morfologia colagenului se prezint astfel nct fibre de tip I pornesc de la nivel dentinar i proiecteaz fibrile de circa 100 nm perpendicular pe JSD,[78] pe care o strbat i par a se insera direct n smal. Spre deosebire de acestea, fibrilele de colagen situate n masa dentinei sunt fie paralele cu JSD, fie orientate la unghiuri mai mici de 90 pe planul acesteia.[71] Regiunea dentinar adiacent JSD prezint, pe o lime de aproximativ 200300 m, un grad de rigiditate (modul de elasticitate la comprimare) mult mai mic dect cel din masa esutului dentinar. Aceast zon prezint totodat o organizare structural gradat, diferit de cea caracteristic restului dentinei, ce se modific progresiv tot mai mult odat cu creterea distanei fa de JSD. Aceasta constituie o zon lat de tranziie sau interfaz,[78] ceea ce a determinat mai muli autori s propun includerea n JSD a regiunii dentinare adiacente.[73]

37

Caracterul de unicitate al proprietilor mecanice caracteristice JSD a fost pus n eviden nc din anul 1959, prin studii de profilometrie a microduritii acesteia.[80] Ulterior, investigarea prin ncrcare compresiv a JSD a sugerat c la acest nivel au loc deformri importante n cursul masticaiei,[81] i chiar existena unei asimetrii ntre regiunile subiacente JSD situate vestibular i respectiv lingual.[81,82] Studii recente utiliznd interferometria laser (ESPI - Electronic Speckle Pattern Interferometry) au demonstrat c o ncrcare prin comprimare exercitat la nivelul vrfului cuspidului de sprijin al unui premolar determin deplasarea ntregului strat de smal sub forma unui corp rigid, cu nclinarea sa n direcie vestibular.[79] Cea mai mare parte a acestei deplasri este pus pe seama deformrii ce are loc la nivelul regiunii dentinare subiacente JSD. Caracterul asimetric al rigiditii amintit mai sus poate avea semnificaii deosebite n privina distribuiei solicitrilor n cursul masticaiei i a modului n care stratul adamantin rspunde la ncrcare. Aceeai asimetrie poate contribui la distribuia ncrcrii n momentul n care aceasta nu este aplicat n axul lung al dintelui. Aceeai regiune dentinar subiacent JSD apare i la examinarea prin microscopie electronic cu baleiaj ca fiind caracterizat de o tranziie gradat a structurii, vizibil odat cu creterea distanei de la jonciune: de la caracterele structurale specifice unui biocompozit mai puin dens la caracteristicile unui esut mai rigid i mai dens - dentina circumpulpar. Se observ astfel urmtoarele aspecte: - crete grosimea dentinei peritubulare, cu apariia unor canalicule dentinare mai puin curbe, ce prezint o grosime pereilor de 1m; - crete numrul de canalicule dentinare, cu un volum mai redus de dentin intertubular; - fibrele de colagen din imediata apropiere a JSD sunt orientate n toate direciile n raport cu axul lung al canaliculului dentinar; odat cu creterea distanei fa de JSD, aceste fibre i schimb treptat orientarea, par a deveni mai scurte (sau sunt ntr-o mai mare msur ncorporate n componenta mineral) i devin progresiv, ntr-un umr tot mai mare, aliniate paralel una fa de alta i normal n raport cu direcia canaliculelor dentinare; - depunerea de substane minerale la nivelul matricii dentinei intercanaliculare pare a avea loc att pe fibre, ct i n interiorul fibrelor; odat cu creterea distanei fa de JSD, dentina intercanalicular apare mai dens i mai srac n fibre, dar mai bogat n coninut mineral. 38

Se poate conchide c JSD se continu la nivelul substratului dentinar, sub aspectul unei structuri progresiv mai dense i prezentnd caracteristici ce se modific gradual n profunzime. Modificarea progresiv a proprietilor elastice la traversarea unei interfee formate din mai multe straturi cu proprieti diferite poate ameliora reziliena interfeelor.[83] La nivelul dentinei coronare exist astfel de proprieti structurale,[84] iar profilometria duritii smalului, JSD i dentinei demonstreaz inexistena unei simple tranziii de la un esut la altul. Proprietile JSD care permit stoparea propagrii fisurilor de la nivelul adamantin la cel dentinar au fcut obiectul unui mare numr de studii, exprimndu-se o serie de opinii diferite n privina explicrii acestora: mineralizare mai redus,[81] concomitent cu o prezen n cantitate mai mare a colagenului,[71] reducerea concentraiei tensiunilor,[72] deflectarea fisurilor prin diferenele de microduritate [73] i de modul de elasticitate [18] existente ntre cele dou esuturi dure dentare la nivelul interfeei dintre ele. Studiile recente, bazate pe micro- i nanoindentare, au luat n acest sens n considerare tenacitatea JSD, prin realizarea indentrii din direcia smalului, la o distan n general cuprins ntre 20 i 50 de m. Urmrindu-se fisurile provocate la acest nivel i cunoscnd modulul de elasticitate i tenacitatea celor dou esuturi dure dentare, tenacitatea jonciunii se poate exprima prin utilizarea unei tehnici dezvoltate pentru ceramic,[85] cunoscut sub numele de lovire la nivelul interfeei. La baza acestei metode stau soluiile linear-elastice He - Hutchinson,[86] care determin comportamentul unei fisuri incidente la o interfa dintre dou materiale: deflectare sau ptrundere prin aceasta. Acest eveniment depinde de unghiul de inciden, diferena de modul de elasticitate dintre cele dou materiale (care este funcie a modulului relativ de elasticitate) i raportul dintre tenacitatea la fractur a interfeei i a materialului aflat de partea opus a interfeei, n raport cu direcia de propagare a fisurii (dentina).[19]

39

Fig. 8. Soluiile linear-elastice He - Hutchinson

Tenacitatea JSD se poate astfel calcula pentru situaia fisurilor perpendiculare pe o interfa. Pentru o fisur care se propag dinspre smal (materialul 1) n dentin (materialul 2), se iau n acest scop n considerare tenacitatea dentinei Gc2 i diferena de elasticitate la nivelul interfeei, caracterizat prin aa-numiii parametri Dundurs = (E1- E2) / (E1+ E2), unde E1 i E2 sunt modulele de elasticitate ale smalului i respectiv dentinei. Tenacitatea JSD Gc,interf se obine din graficul care permite exprimarea raportului dintre tenacitatea interfeei i cea dentinar Gc,interf / Gc2, n funcie de diferenele de modul de elasticitate . Acest raport este critic n determinarea posibilitii pe care JSD o are de a opri sau nu propagarea fisurilor de la nivelul smalului la cel al dentinei. La valori ale modulului de elasticitate de 63,6 GPa pentru smal i de 19,7 GPa pentru dentin, raportul Gc,interf / Gc2 este aproximativ 0,75. Aceasta determin o valoare a tenacitii pentru JSD de circa 115 J/m 2, mult mai ridicat dect a smalului (~10-25 J/m2 ), dar de ~ 75% din cea dentinar (154 J / m2). [19]

40

Absena unei cedri a interfeei smal - dentin n sensul unei desprinderi, fie i pariale, a celor dou esuturi, este atribuit complexitii structurale a JSD i capacitii acesteia de a modifica i chiar mpiedica propagarea fisurilor. Trebuie menionat n acest sens c determinarea rezistenei maxime la traciune a JSD este practic mpiedicat de ctre tenacitatea acesteia, valorile obinute n acest sens fiind n realitate cele ale smalului imediat nvecinat jonciunii.[87] Este de altfel bine cunoscut faptul c rezistena maxim la elongare a dentinei, JSD i smalului prezint valori ce variaz foarte mult, att n ceea ce privete rezultatele diferitelor studii, ct i raportat la regiunile din esuturile dure dentare de la nivelul crora s-au prelevat probele asupra crora s-au fcut determinrile. 3.1.1.2. Aspecte ale proprietilor mecanice ale smalului dentar la scar nanometric Componentele organice i anorganice ale smalului sunt organizate ntr-un material nanostructurat care poate disipa foarte eficient forele aplicate asupra dintelui, protejnd-ul de fractur. Dei duritatea smalului se datoreaz proporiei foarte ridicate de substan mineral, modularea rspunsului la solicitare este determinat de dispoziia i organizarea componentelor organice i anorganice, la un nivel micro- i nanostructurat: exist un numr de nivele ierarhice cu o complexitate crescnd, de la cel de cristal pn la cel de tipar al ntregii structuri.[12] Cele mai mici i simple nivele de organizare sunt reprezentate de cristalele de hidroxiapatit, de aspectul unor panglici, aproximativ hexagonale pe seciune transversal, cu o lime de 60 70 nm i o grosime de 25 30 nm. Estimarea lungimii lor difer de la un studiu la altul, cristalele prnd a avea o lungime prea mare pentru a putea fi corect determinat prin interpretarea datelor obinute n urma prelevrii probelor. Exist i autori care consider c lungimea real a acestor cristale se ntinde pe ntreaga grosime a stratului de smal.[88] La un nivel mai mare i mai complex, numeroase prisme adamantine se grupeaz n mnunchiuri i se rsucesc sau i schimb direcia, determinnd o armare a ntregii structuri i apariia benzilor Hunter-Schreger. Anumite studii au evideniat existena unor diferite tipare de rsucire ale prismelor de smal, sugernd c aceasta reprezint o adaptare funcional, ca de exemplu un mecanism de stopare a propagrii fisurilor.[89] Benzile Hunter-Schreger pot fi corelate cu direcia de 41

deplasare a ameloblastelor, pe msur ce acestea se ndreapt dinspre jonciunea amelodentinar spre exterior, ele putnd influena orientarea matricei proteice i a cristalelor de apatit i a prismelor rezultante.[90] Utiliznd investigaiile microscopice n lumin polarizat, smalul dovedete un comportament de sit molecular, cu pori ce au dimensiuni estimate a fi, n funcie de studiile realizate, ntre 0,15 nm i 6 nm. esutul adamantin este considerat o membran semipermeabil imperfect, apa deplasndu-se sub influena unui gradient osmotic, iar solvatul n direcia opus. Matricea proteic poate influena proprietile porilor prin mai multe mecanisme:[91] - reducerea dimensiunilor porilor; - coninutul n ap al proteinelor poate reduce gradul de mobilitate al apei prin pori; - difuzia soluiilor cu potenial electric poate fi modificat prin interaciunile cu sarcinile electrice negative ale proteinelor: - componentele lipidice pot influena difuzia soluiilor n funcie de caracterul lor hidrofob. Observaiile la nivel de ultrastructur demonstreaz c principalele ci de ptrundere i difuzie pentru ap, ioni, soluii anorganice i organice l constituie zonele de jonciune interprismatice. Datorit existenei unui gradient de densitate i porozitate, permeabilitatea crete la nivelul smalului dinspre suprafaa extern spre JSD. Matricea organic poate de asemenea s influeneze permeabilitatea: proteinele restricioneaz difuzia ionic. Capacitatea de ptrundere a compuilor chimici este diminuat i de presiunea pozitiv pulpar: 15 - 30 cm H2O. Nu este deocamdat extrem de clar n ce msur contribuia tuturor acestor mecanisme micro- i nanometrice la rezistena smalului i la rezistena JSD se face simit n comportamentul smalului: este vorba de un rspuns la oboseal similar esuturilor osos i dentinar sau reacia la propagarea fisurilor se face printr-un mecanism similar sfrmrii prin fragilitatea materialului. Sunt necesare studii suplimentare care s aprofundeze aceste aspecte i s precizeze eventualele contribuii ale proteinelor interprismatice la procesul de propagare a fisurilor adamantine.[29] Toate elementele prezentate mai sus vin n sprijinul concluziei conform creia smalul este un biocompozit nanostructurat, ce prezint o arhitectur optim la nivel micro- i nanometric. Relaia aceastei structuri cu proprietile fizico-chimice i cele 42

funcionale permit esutului adamantin s prezinte o remarcabil rezisten la dinamica solicitrilor funcionale la care este supus, printr-o serie de mecanisme ce permit limitarea apariiei, propagrii i acumulrii fisurilor ce ar putea avea un efect distructiv asupra integritii acestuia.[20] 3.1.2. Aspecte morfostructurale la dentina vital vs. cea devital Dentina este esutul dur mineralizat cel mai bine reprezentat cantitativ la nivelul unui dinte uman. De aceea, cunoaterea proprietilor fizice ale dentinei este esenial pentru a putea prevedea consecinele alterrile sale microstructurale, datorate proceselor patologice sau mbtrnirii, asupra rezistenei dintelui. Din punct de vedere clinic, stpnirea cunotinelor privind proprietile dentinei este important pentru nelegerea efectelor produse de o gam larg de proceduri restauratoare, de la design-ul preparaiilor coronare i / sau radiculare pn la materialele i tehnicile de restaurare morfo-funcional ale dintelui n cauz. Cu toat importana acestei teme, cercetrile efectuate n ultimele decenii nu au oferit rezultate foarte consistente i sigure privind valorile unor proprieti mecanice dentinare, i anume: modulul de elasticitate longitudinal (Young), modulul de elasticitate transversal (de forfecare) i alte constante de elasticitate. Exist nc incertitudini asupra rezistenei maxime la solicitare i sunt puine studii pn acum despre comportamentul la fractur sau despre oboseala dentinar. De aceea, este necesar o prezentare rezumativ privind compoziia i microstructura dentinei, urmat de consideraii despre proprietile sale elastice i comportamentul visco-elastic, precum i despre duritate, rezistena la fractur i oboseal.[92] Trebuie menionat c aceste aspecte privind dentina au fost cercetate i evaluate prin diverse modaliti, dintre care studiul unor modele matematice i / sau micromecanice a cptat tot mai mult amploare n ultima vreme. n acest sens, o atenie deosebit a fost acordat modelrii unor structuri compozite similare dentinei, avnd mai multe faze discontinue care se ntreptrund i diferite poroziti, spre deosebire de modelele convenionale ale unor structuri de gen compozit, n care faza de matrice este continu spaial, iar componenta lichid i porozitile nu sunt implicate.

43

Astfel, dentina a fost considerat un material compozit poros cu faze multiple: fibrile de colagen, cristale de hidroxiapatit i ap, care sunt toate interconectate tridimensional i care realizeaz astfel o reea continu topologic n ntreg interiorul structurii compozite descrise. Este cunoscut i recunoscut faptul c microstructura i proprietile dentinei sunt determinani principali pentru procedurile efectuate n etapa chirurgical de realizare a preparaiilor dentare executate n cadrul manoperelor de medicin dentar preventiv i / sau restauratoare. De aceea, determinarea proprietilor mecanice efective ale dentinei, privit ca o structur compozit multifazic, este de mare interes pentru aplicaiile practice biomedicale, pe lng analiza teoretic.

3.1.2.1. Microstructura dentinei Cunoaterea microstructurii dentinare conduce la o abordare ierarhizat n etape succesive, n ordinea cresctoare a mrimii componentelor structurale respective, pentru nelegerea proprietilor mecanice ale dentinei. La primul nivel, corespunznd unei scale dimensionale reduse, se gsesc elementele constitutive de baz: o faz mineral nanocristalin din apatit carbonatat i o reea spaial geometric neregulat din fibrile de colagen de tip I. Componenta mineral nanocristalin reprezint cca. 50% din volum, iar fibrilele de colagen cca. 30%. Aceste fibrile, cu diametru evaluat aproximativ la 50 100 nm, sunt orientate aleator ntr-un plan perpendicular fa de lumenul canaliculelor dentinare, care sunt dispuse pe direcia de formare i depunere a dentinei. Cristalitele minerale pot avea dou localizri n interiorul scheletului structural oferit de reeaua de colagen: intrafibrilar (n discontinuitile existente din loc n loc n interiorul fibrilelor colagenice) i extrafibrilar (n interstiiile dintre fibrile). Raportul cantitativ dintre aceste localizri nu este sigur cunoscut, dar se estimeaz c 70 75% din componenta mineral ar putea fi extrafibrilar. Cristalitele sunt aciforme n apropierea camerei pulpare, iar forma lor se modific progresiv ctre zonele mai superficiale, devenind aplatizate n apropierea JSC. Grosimea lor, de cca. 5 nm, nu variaz n raport cu localizarea. Nivelul urmtor de organizare structural corespunde unor dimensiuni crescute, la o scal intermediar. La acest nivel, dentina poate fi privit ca o structur 44

continu biocompozit armat cu fibre cilindrice, n care dentina intercanalicular formeaz matricea, iar traseele canaliculelor dentinare mbrcate cu mantaua dentinei pericanaliculare reprezint fibrele de ranforsare. n poriunea coronar canaliculele se ntind de la JSD pn la camera pulpar, respectiv de la JCD pn la canalul / canalele radiculare n zona rdcinii / rdcinilor. Dispunerea regulat, aliniat dup un tipar aproape uniaxial, a canaliculelor dentinare a condus la ideea c ele ar putea juca un rol important n modelarea proprietilor mecanice ale dintelui, n corelaie cu orientarea lor spaial. Este oportun aici s revenim la atenia deosebit care a fost acordat realizrii unor modele matematice i / sau micromecanice de structuri compozite similare dentinei, n vederea determinrii proprietilor sale mecanice efective. Modelarea micromecanic exact a dentinei ca material compozit poros cu faze multiple este foarte laborioas, datorit neregularitii aspectelor microstructurale naturale i datorit geometriei complicate a structurii materialelor poroase reale.[93] Dentina este considerat ca un material compozit care const din incluziuni pericanaliculare, o matrice spaial de legtur i ap. Incluziunile pericanaliculare sunt cilindri subiri, goi pe dinuntru, formai din fibrile de colagen, cristalite de hidroxiapatit i ap. Moleculele de colagen sunt lanuri proteice lungi i sunt aranjate spaial n forme triplu helicoidale, care constituie fibrilele de colagen. Hidroxiapatita este material cristalin mineralizat. Matricea spaial de legtur, sau dentina intercanalicular, este de asemenea format din colagen, substan mineral i ap, dar aceste componente au fraciuni volumetrice diferite fa de dentina pericanalicular. Modelul dentinar cu structur compozit luat n considerare aici este, n consecin, o structur bifazic cu fibre de ranforsare. O faz este reprezentat de incluziunile pericanaliculare, iar cealalt de matricea de legtur. Dentina pericanalicular este constituit din fibrile de colagen i cristalite de hidroxiapatit, n care o faz poroas (lichid sau gazoas) este ncastrat ntr-o faz solid cu care este cuplat, formnd scheletul structurii compozite. Faza solid este linear elastic i izotrop. Faza poroas este saturat cu fluid (lichid sau gaz), care are o presiune determinat. Matricea de legtur are structuri similare cu cele ale fazei de incluziuni pericanaliculare, dar cu alt geometrie i cu proprieti fizice diferite. Ambele sunt considerate izotrope i elastice.

45

Astfel, structurile n cauz (att incluziunile pericanaliculare, ct i matricea de legtur) sunt concepute ca structuri compozite coninnd fibrile de colagen, hidroxiapatit mineralizat i fluid (lichid ap, sau gaz). Este necesar ca proprietile lor individuale efective s fie determinate separat, nainte de evaluarea proprietilor globale ale structurii modelate n ansamblu. n acest sens, lund n considerare cele de mai sus, proprietile efective ale fazei solide pot fi determinate folosind pentru modelare modelul Voigt i modelul Reuss.[68, cit. de 93] De menionat c modelul Voigt ofer o riguroas delimitare superioar i corelare cu modulul de elasticitate efectiv al fazei respective, iar modelul Reuss permite o delimitare inferioar i corelare cu modulul de elasticitate al structurii compozite n ansamblu. Media celor 2 modele constituie astfel o estimare rezonabil. Odat analizat comportamentul mecanic pentru dentina pericanalicular i pentru cea intercanalicular, sunt create premizele pentru a putea calcula proprietile elastice ale materialului compozit conceput ca structur dentinar. Pentru aceasta, sunt utilizate i datele devenite clasice, comunicate de PASHLEY, privind dimensiunile suprafeelor ocupate de lumenele canaliculare, de manoanele pericanaliculare, de dentina intercanalicular, precum i densitatea canaliculelor n diferite localizri topografice n raport cu profunzimea la nivel dentinar (aceast densitate este n corelaie invers cu distana fa de camera pulpar). [94, cit. de 93] Cunoscnd valorile nregistrate ale modulului de elasticitate pentru dentina peri i intercanalicular, precum i dimensiunile componentelor menionate, pot fi determinate proprietile elastice ale materialului compozit poros cu faze multiple, modelat similar dentinei. Rezultatele care pot fi obinute pe baza unui astfel de model micromecanic sunt remarcabil de concordante cu cele provenite din alte surse i determinate prin modaliti de cercetare diferite. De exemplu, valorile modulului de elasticitate (Young), obinute pe baza modelului cu structur comp