Механизм сцепления адгезивных систем

Сперва нужно отметить, что виды адгезии, осуществляемые в стоматологической деятельности, включают 2 вида: химическая адгезия и механическая адгезия.

Механическая адгезия осуществляется за счет микромеханического сцепления материала с тканями зуба. Химическая адгезия осуществляется за счет образования химической связи материала с дентином и эмалью.

Химической адгезией обладают только СИЦ. Все остальные материалы, используемые в стоматологии, обладают механической и микромеханической адгезией.

Механическая адгезия - соединение материалов с твердыми тканями зуба за счет механической ретенции с участием микромеханических пор и шероховатостей на их поверхности.

В 1955 г. Буонкоре обнаружил, что поверхность эмали зуба становится шероховатой после протравливания фосфорной кислотой и при этом усиливается адгезия метакрилового пломбировочного материала к поверхности зуба. Рождённая таким образом 40 лет тому назад техника травления эмали кислотой лежит в основе современных адгезивных методик реставрации зубов. Невыполнение этого этапа работы приводит к нарушению сцепления композиционного материала с твердыми тканями зуба, что проявляется возникновением краевой щели, микробной инвазией, окрашиванием краев пломбы, пост операционной чувствительностью и др. Необходимо отметить, что сила адгезии к эмали и дентину существенно отличается. Таким образом, главная проблема обеспечения эффективной адгезии к твердым тканям зуба заключается в различном анатомическом строении эмали и дентина. Следовательно, было бы уместно разделить механизмы механической адгезии на 2 группы: механизм сцепления с поверхностью эмали и механизм сцепления с поверхностью дентина соответственно.

 

Механизмы сцепления композитов с поверхностью эмали.

Эмаль является самой минерализованной тканью в организме человека, что важно учитывать при адгезивной подготовке. Химический состав эмали, по данным D. H. Pashly, B. Ciucchi, отражен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав эмали

Состав

Содержание, %

по объему по объему Неорганические вещества 95 86 Органические вещества 1 2 Вода 4 12

Под воздействием кислот происходит селективное растворение периферических и центральных зон эмалевых призм и преобразование поверхности эмали, которая становится под электронным микроскопом похожа на пчелиные соты или на форму подковы, или же на сочетание обеих форм. В результате механического скашивания эмалевых призм и обработки эмали кислотой увеличивается активная поверхность сцепления с композиционными материалами и улучшается возможность обволакивания поверхностного слоя эмали гидрофобными и вязкими адгезивами. В качестве эмалевых адгезивов применяются ненаполненные или умеренно наполненные смеси диакрилатов, входящие в состав основного вещества композита. Они проникают из-за высокой вязкости медленно на всю глубину протравленной эмали. После полимеризации адгезива образуются в межпризменных участках отростки, сцепляющиеся механически с поверхностью эмали и способствующие, таким образом, микроретенционному сцеплению композита с поверхностью эмали.

Концентрация протравливающего геля с ортофосфорной кислотой, используемого в технике тотального протравливания, колеблется от 20 до 40 %. Чаще всего используют 37%-ный гель ортофосфорной кислоты, рН которого составляет 0,5–0,8 единиц. Использование протравки с большей, чем 40%-ной концентрацией приводит к полному растворению поверхностного слоя эмали без образования микрорельефа (рис. 1), а протравки с меньшей, чем 20%-ной концентрацией — к недостаточному растворению поверхностного слоя эмали.

 

Рис. 1. Вид поверхностного слоя эмали после протравливания 36%-ной ортофосфорной кислотой в течение 20 с (E. Swift, J. Perdigao, 1995)

Fig 1. View of the surface layer of enamel after etching with 36% phosphoric acid for 20 s (E. Swift, J. Perdigao, 1995)

В обоих случаях площадь контакта и сила сцепления адгезивной системы с эмалью будут значительно меньше, что может сказаться на долговечности реставрации. Долгое время стандартом считалась обработка эмали кислотой в течение 40–60 с, однако на сегодняшний день доказано, что для получения необходимого микрорельефа эмали достаточным является время протравливания в 15–30 с. Исключением являются пациенты с флюорозом зубов и после применения фторпрепаратов. Консистенция (гель, раствор) и цвет протравки определяют удобство в работе, контроль зоны протравливания и качество удаления протравливающего агента. Предпочтительнее применять протравку в виде геля с красителем. После смывания протравливающего агента эмаль высушивают. Следует избегать пересушивания эмали, проявляющегося явным побелением, т. к. это значительно повышает хрупкость поверхностных структур протравленной эмали. При нанесении бонда апликатором на такую поверхность микрорельеф эмали частично или полностью разрушается, что может значительно снизить силу сцепления. Эмаль после протравливания должна быть матовой без излишков влаги. Гидрофобные мономеры, входящие в состав бонда, легко заполняют пространства микрорельефа эмали. После полимеризации бонда в поверхностном слое эмали образуется прочно с нею связанный, благодаря микроретенции, гибридный слой. (рис. 2)

 

 

 

Рис 2. Схема образования гибридного слоя в эмали
Fig 2. Scheme of the formation of a hybrid layer in enamel

При использовании самопротравливающих адгезивных систем деминерализация эмали проходит по иному механизму, т. к. отсутствует этап смывания протравки и высушивания эмали. Для этих целей используют водные растворы кислотных мономеров, которые сами обладают определенной кислотностью или содержат присоединенные молекулы фосфорного эфира, например, PYRO-EMA. В водной среде происходит диссоциация мономеров с образованием кислоты и радикалов метакрилатов с ненасыщенными связями:

R-COOH + H₂O = R-COO^-+ H₃O⁺и RO-PO₃H₂ + 2 = RO-PO₃^2- + 2 H₃O⁺

Протравливающий агент может быть отдельным компонентом самопротравливающей системы (NRC, Tyrian), в комбинации с праймером(AdheSE, Crearfil SE Bond) или в комбинации с праймером и бондом (iBond, Xeno IV, G-bond). Самым важным для этих адгезивных систем является значение рН их протравливающих компонентов, способных обеспечить поверхностную деминерализацию эмали подобную технике тотального протравливания. Рядом исследований показано, что для получениянеобходимого эффекта значение рН должно быть менее 1,5 единиц. По данным разных производителей, продолжительность экспозиции самопротравливающих адгезивных систем составляет от 15 до 30 с, этап смывания отсутствует. Реакция нейтрализации происходит за счет связывания молекул кислотного компонента с ионами кальция, высвободившимися из кристаллов гидроксиапатита:

4 H₃O⁺ + H₂O + Ca₅OH(PO₄)₃ = 5 Ca²⁺ + 6 H₂O + 3 HPO₄^2-

Для облегчения визуального контроля нанесения материала некоторые производители включают в состав адгезивной системы краситель, который обесцвечивается после полимеризации материала. Данные литературы свидетельствуют о том, что для достижения необходимого уровня деминерализации эмали перед нанесением самопротравливающей системы эмаль необходимо отпрепарировать, убрать беспризменный слой. Основная причина — недостаточная кислотность мономеров (рН > 1,5). Исследования in vitro показали, что при использовании самых последних версий самопротравливающих систем даже при значении рН < 1 для получения необходимого микрорельефа эмали требуется, как правило, несколько аппликаций материала. Сцепление на уровне эмали остается актуальным вопросом для самопротравливающих систем еще и по причине недостаточной изученности отдаленных клинических результатов их применения.

Механизмы сцепления композитов с поверхностью дентина.

Получение прочной связи адгезивной системы с дентином является более сложной задачей, что обусловлено особенностями морфологии, физиологии и состава дентина:

1. Поверхность дентина всегда влажная и отсутствует возможность ее тщательного высушивания, т. к. дентинная жидкость в канальцах находится под небольшим, но постоянным давлением в 20–40 мм рт. ст.

2. Дентин содержит до 20 % воды по объему, а многие смолы являются гидрофобными. В дентине, по данным D. H. Pashly, B. Ciucchi, значительно меньше неорганических веществ, чем в эмали (табл. 2)

Таблица 2

Химический состав дентина

Состав

Содержание, %

по объему по объему Неорганические вещества 70 45 Органические вещества 20 30 Вода 10 25

 

3. Дентин и пульпа тесно связаны и образуют пульпо-дентинный комплекс.

4. Дентин сильно отличается по своему строению на разных уровнях. Количество дентинных трубочек и их диаметр значительно увеличиваются от эмалево-дентинной границы к пульпе. В околопульпарном дентине между дентинными трубочками существует сложная сеть анастомозов.

5. Проницаемость дентина зависит не только от глубины, но и от локализации. Дентин более проницаем в проекции рогов пульпы, чем в средней части окклюзионной поверхности, а также более проницаем на апроксимальных поверхностях, чем на окклюзионной. В целом дентин коронковой части зуба более проницаем по сравнению с дентином корня зуба.

6. Поверхность дентина после препарирования всегда покрыта смазанным слоем, который представляет собой пленку толщиной 2–10 мкм и препятствует проникновению компонентов адгезивной системы в структуры дентина.

7. При медленном течении кариеса и большинстве некариозных поражений образуется склерозированный (прозрачный) дентин, в котором больше минеральных веществ, а дентинные канальцы сужены или вовсе закрыты. Такой дентин менее проницаем для смол, что значительно снижает силу сцепления. Перед адгезивной подготовкой рекомендуется удалять поверхностный слой склерозированного дентина для улучшения проникновения смолы вглубь.

Добиться адгезии к дентину изначально предполагалось через смазанный слой, имеющий когезивную связь с дентином, но большое количество исследований свидетельствуют, что сила сцепления в таких случаях не превышает 5 МПа и часто происходила разгерметизация. Позднее предлагалось модифицировать смазанный слой путем его частичного растворения, но сила связи увеличилась незначительно — до 8–10 МПа. Тактика обработки дентина кардинальным образом изменилась в середине 80-х гг. XX в. Вначале Nakabayashi c коллегами описал изменения морфологии дентина после протравливания кислотой и после пропитывания дентина смолой, ввел термин «гибридный слой», а затем Fusayama предложил одномоментное протравливание кислотой эмали и дентина, позднее названное тотальным протравливанием. Многие стоматологи с опасением относились к идее кислотного протравливания дентина, т. к. считали, что это вызовет раздражение и гибель пульпы. Научно было доказано, что полное удаление смазанного слоя путем протравливания значительно увеличивает силу сцепления материалов с дентином, в среднем более чем на 20 МПа, не вызывая необратимых изменений пульпы в ближайшие и отдаленные сроки. Долгое время рекомендовалось высушивать дентин после протравливания, как и эмаль. Однако такой подход приводил к ухудшению проникновения смолы в структуры дентина, снижению силы сцепления и частому возникновению постоперативной чувствительности. В начале 90-х гг. XX в. John Kanca предложил технику влажного бондинга, которая в последствии получила признание и широкое распространение.

Таким образом, современная концепция адгезивной подготовки дентина сформировалась только в начале 90-х гг. XX в. Согласно ее принципам, адгезия к влажному предварительно деминерализованному дентину основана на микроретенции компонентов адгезивной системы к структурам дентина. Эффект любой из методик предварительной обработки дентина сводится к удалению пленки смазанного слоя, деминерализации поверхностного слоя дентина. Самопротравливание дентина отличается от других методик отсутствием раскрытия дентинных трубочек и этапа смывания протравливающего агента, что значительно снижает риск возникновения постоперативной чувствительности. Для адекватной обработки дентина достаточным является воздействие протравливающего агента с рН 0,5–1,5 в течение 10–20 с. Нейтрализация кислоты проходит по тому же механизму, что и в эмали. После деминерализации поверхностный слой дентина теряет минеральные вещества в среднем на глубину 0,5–5 мкм, при этом обнажается основной структурный элемент дентина — коллагеновые волокна. Трехмерная система коллагеновых волокон удерживается в исходном состоянии дентинной жидкостью, присутствующей между волокнами, и образует микрорельеф дентина. Эта система волокон имеет большую площадь контакта, благодаря свободным пространствам в виде туннелей между волокнами, и прочно связана с подлежащим интактным дентином (рис. 3). Высушивание дентина в течение длительного времени (более 5 с) или применение сильной струи воздуха вызывают дегидратацию (десикацию) дентина и коллапс системы коллагеновых волокон, что сильно снижает силу адгезии и способствует появлению постоперативной чувствительности.

 

 

 

 

Рис 3. Сеть коллагеновых волокон, обнаженная после протравливания дентина
Fig.3. Collagen fiber network exposed after dentin etching

После протравливания, смывания кислоты и просушивания кариозной полости на дентин наносятся отдельно праймер или смесь праймербонд, гидрофильные мономеры которых при помощи растворителя проникают в микропространства сети коллагеновых волокон и в просвет дентинных канальцев. Процесс пропитывания поверхностного слоя дентина называется праймингом и занимает в среднем 15–30 с. При самопротравливании процессы деминерализации и прайминга протекают одномоментно в течение 20–30 с.

После полимеризации образуется гибридный слой, надежно связанный с подлежащим дентином, благодаря микромеханической и химической связи компонентов адгезивной системы со структурами дентина (рис. 4).

 

 

Рис 4. Схема гибридного слоя в дентине
Fig 4. Schematic of the hybrid layer in dentin

Он блокирует циркуляцию дентинной жидкости по всему периметру кариозной полости, защищая пульпу от любых химических, термических и механических воздействий. Толщина и морфология гибридного слоя достаточно вариабельны и зависят как от особенностей самого дентина, так и от техники его обработки. После самопротравливания толщина гибридного слоя составляет в среднем 0,5–2 мкм, а после тотального протравливания — в среднем 2–5 мкм. Проникновение компонентов адгезивной системы в дентинные трубочки может составлять от 1 до 100 мкм, что зависит от глубины и локализации кариозной полости, состояния дентина,методики его обработки и др. При рассмотрении под микроскопом с увеличением в 100 раз и более гибридный слой выглядит как тонкая полоска на поверхности дентина с отростками в дентинных трубочках (рис. 5).При незначительной и средней глубине кариозной полости основная сила сцепления обеспечивается структурами интертубулярного дентина, а в глубоких кариозных полостях сцепление с дентином обеспечивается отростками (тяжами) смолы в дентинных трубочках, связанных друг с другом большим количеством анастомозов. Площадь дентинных трубочек в околопульпарном дентине составляет 22–35 % всей поверхности дентина.

 

Рис 5. Видгибридногослоя
Fig 5. View of the hybrid layer

Халлер (1992 г), анализируя различные системы дентиновых адгезивов и их механизмы сцепления, принципиально различает два подхода: при первом достигается сцепление композита с поверхностью дентина путём сохранения и включения смазочного слоя, а при втором – путём растворения смазочного слоя и поверхностной декальцинации дентина.

В первом случае смазочный слой полностью сохраняется на поверхности дентина и пропитывается гидрофильными маловязкими мономерами. Смазочный слой при этом укрепляется и непосредственно используется как связующий слой между дентином и композитом. Дентиновое сцепление возникает за счёт сцепления смазочного слоя со структурными единицами дентина и за счёт мономеров, пропитывающих смазочный слой и соединяющихся с мономерами бонда или композита. По этому принципу действуют следующие дентиновые адгезивные системы: Prisma Universalbond (de Trey) и XR Bonding (Kerr).

Второй механизм сцепления предусматривает предварительную обработку дентина различными растворами, которые полностью или частично растворяют смазочный слой и также полностью или частично раскрывают дентиновые канальцы. При этом происходит деминерализация поверхностного слоя дентина, обнажение коллагеновых волокон органической матрицы и активации ионов и апатитов дентина. Последующая аппликация праймера обеспечивает проникновение гидрофильных мономеров в раскрытые дентиновые канальцы, пропитывание деминерализованного поверхностного слоя дентина и сцепление с его обнажёнными коллагеновыми волокнами. Такой механизм действия используется, например, в дентиновых адгезивах: Gluma (Bayer), Denthesive (Kulzer) и Scotchbond Multi Purpose (3 M). Этот механизм сцепления может быть достигнут также при обработке дентина, так называемыми, самокондиционирующими праймерами, в состав которых входит наряду с гидрофильными мономерами та или иная органическая кислота. Под воздействием этих праймеров частично растворяется смазочный слой дентина, и также частично раскрываются дентиновые канальцы. Поверхностный слой интертубулярного дентина деминерализуется и одновременно пропитывается гидрофильными мономерами. Смазочный слой при этом не смывается, а распыляется, и его осадок выпадает на поверхность дентина. Сцепление композита с дентином достигается за счёт проникновения полимеров в дентинные канальцы и образования полимерных отростков и за счёт импрегнирования поверхностного слоя дентина мономерами, который называют гибридным и которому придают большее значение в механизме сцепления, чем полимерным отросткам. Данный механизм лежит в основе следующих адгезивных систем: A.R.T. – Bond (Coltene), Scotchbond (3 M) и Syntac (Vivadent).

Современные системы дентиновых адгезивов включают обязательную предварительную обработку поверхности дентина так называемыми дентиновыми кондиционерами или праймерами, способствующими проникновению гидрофильных мономеров в поверхностный слой дентина и их химическому сцеплению с гидрофобными мономерами композита. Работы по созданию дентин­ных адгезивов ведутся более 25 лет, но только в последние годы были достигнуты заметные успехи и получены удовлетворительные клинические результаты. Это стало возможным после тщательного изучения свойств дентина как ткани и его отличия от эмали. Результатом этих исследований стало осмысление нескольких ключевых положений.

Во-первых, говоря об особенностях дентина, необходимо отметить, что природа его такова, что поверхность его всегда влажная, высушивание ее в клинических условиях практически неосуществимо. Это объясняется тем, что из-за движения жидкости в дентинных канальцах на поверхности дентина постоянно происходит обновление влаги. В связи с этим гидрофобные эмалевые бонд-агенты и композиты фиксироваться к дентину не будут и как следствие - имеет место дебондинг (рассоединение материала и ден­тина), возникновение послеоперативной чувствительности, развитии других осложнений. Таким образом, важнейшее требование, предъявляемое к дентинным адгезивам – это содержание гидрофильных веществ, способных смачивать поверхность дентина и проникать в дентинные канальцы.

Вторым важным фактором, определяющим механизм сцепления композита с дентином, является смазанный слой (масляный, протертый, аморфный слой, smear layer). Следовательно, дентинный адгезив должен воздействовать тем или иным образом на смазанный слой.

Третьим важнейшим фактором, повлиявшим на развитие учения о дентинной адгезии, явилась концепция полного протравливания («total etch»). Длительное время считалось, что попадание кислоты на поверхность дентина недопустимо, т.к. это приводит к раздражению и некрозу пульпы зуба.

Таким образом, конечным результатом обработки зуба компонентами адгезивной системы является формирование гибридного слоя в эмали и дентине — посредника, который обеспечивает условия надежной и долговременной фиксации разных классов стоматологических материалов к твердым тканям зуба. Важным результатом адгезивной подготовки является полная изоляция пульпы от внешних воздействий, т. е., по сути, выполнение функций изолирующей прокладки.