Mikrohårdhedsmålinger på tand og alveolær knogle i modeller for oral sygdom hos gnavere
Summary
Mikrohardhed er en mekanisk egenskab og en informativ parameter til evaluering af hårdt vævspatofysiologi. Her demonstrerer vi en standardiseret protokol (prøveforberedelse, polering, flad overflade og indrykningssteder) til mikrohårdhedsanalyse i tand- og alveolær knogle i modeller for oral sygdom hos gnavere, nemlig dental fluorose og ligatur-induceret periodontal knogleresorption.
Abstract
Den mekaniske egenskab, mikrohardhed, evalueres i tandemalje, dentin og knogle i orale sygdomsmodeller, herunder dental fluorose og parodontitis. Micro-CT (μCT) giver 3D-billeddannelsesinformation (volumen og mineraltæthed), og scanningelektronmikroskopi (SEM) producerer mikrostrukturbilleder (emaljeprisme og knoglelakune-kanalformet). Som supplement til strukturel analyse af μCT og SEM er mikrohårdhed en af de informative parametre til evaluering af, hvordan strukturelle ændringer ændrer mekaniske egenskaber. På trods af at det er en nyttig parameter, er undersøgelser af mikrohardhed af alveolær knogle i orale sygdomme begrænsede. Til dato er der rapporteret om divergerende mikrohårdhedsmålemetoder. Da mikrohårdhedsværdier varierer afhængigt af prøveforberedelsen (polering og flad overflade) og indrykningssteder, kan forskellige protokoller forårsage uoverensstemmelser mellem undersøgelser. Standardisering af mikrohårdhedsprotokollen er afgørende for konsekvent og nøjagtig evaluering i orale sygdomsmodeller. I denne undersøgelse demonstrerer vi en standardiseret protokol til mikrohårdhedsanalyse i tand- og alveolær knogle. De anvendte prøver er som følger: til dental fluorosemodellen blev fortænder indsamlet fra mus behandlet med / uden fluorholdigt vand i 6 uger; til ligatur-induceret periodontal knogleresorption (L-PBR) model blev alveolære knogler med periodontal knogleresorption indsamlet fra mus ligeret på den maksillære 2. molar. Ved 2 uger efter ligeringen blev maxillaen opsamlet. Vickers hårdhed blev analyseret i disse prøver i henhold til den standardiserede protokol. Protokollen indeholder detaljerede materialer og metoder til harpiksindlejring, seriel polering og indrykningssteder for fortænder og alveolære. Så vidt vi ved, er dette den første standardiserede mikrohardhedsprotokol, der evaluerer de mekaniske egenskaber af tand og alveolær knogle i modeller for oral sygdom hos gnavere.
Introduction
Hårdhed er en af de mekaniske egenskaber (fx elasticitet, hårdhed, viskoelasticitet og brudadfærd) og bruges almindeligvis til at karakterisere evnen til at modstå kompressionsdeformation og brud på et lokalt område af et materiale. Den statiske indrykningshårdhedstest er den mest anvendte metode, herunder Vickers hårdhed og Knoop hårdhed1. Vickers hårdhedstest implementeres ved at trykke en diamantindenter i overfladen under en fast testbelastning. Indenteren er pyramideformet med en firkantet base og en vinkel på 136 ° mellem modsatte flader. Længden af begge diagonaler dannet på testoverfladen måles, og gennemsnittet bruges til at beregne hårdheden, som bestemmes af forholdet F / A (hvor F er kraften og A er indrykningens overfladeareal). Vickers mikrohardhedstal (HV = F / A) udtrykkes normalt i kilogramkraft (kgf) pr. mm2 indrykning, med 1 HV ≈ 0,1891 F / d2 (N / mm2). Knoop-hårdheden består også af en diamantfirkantet pyramideindenter dannet af to ulige modsatte vinkler. Knoop-hårdhedstallet (HK) er lig med forholdet mellem påført belastning og det projicerede kontaktområde. Hårdhedstest klassificeres i mikroindrykningstest (mikrohårdhed) og makroindrykningstest afhængigt af den kraft, der påføres testmaterialet. Mikroindrykningstest bruger typisk belastninger i området 0,01-2 N (ca. 1-203 gf); I mellemtiden bruger makroindrykningstest over 10 N (10119 gf)1.
For at evaluere træk ved tandhårdt væv i orale sygdomme, herunder tand- og alveolær knogle, anvendes mikro-CT (μCT) og scanningelektronmikroskopi (SEM) til strukturel analyse. μCT giver 3D-billeddannelsesinformation (volumen og mineraltæthed)2, og SEM producerer mikrostrukturbilleder (emaljeprisme og knoglelakune-kanalformet)3. Som supplement til strukturel analyse af μCT og SEM er mikrohårdhed en af de informative parametre til evaluering af, hvordan strukturelle ændringer ændrer de mekaniske egenskaber af tand og alveolær knogle i orale sygdomme, fx emaljemisdannelse og periodontal knogleresorption. Vickers mikrohårdhedsværdi af menneskelig emalje (HV = 283-374) er ca. 4 til 5 gange højere end dentin (HV = 53-63)4,5. I gnaver-dental fluorosemodeller falder emaljemikrohårdheden signifikant i musefortænder behandlet med fluor (HV = 136) sammenlignet med kontrolemalje (HV = 334)6,7. Dette tyder på, at fluoreret emalje er blødere og svagere med lavere mineralindhold og højere proteinindhold end fundet i ikke-fluoreret emalje. Mikrohardhed bruges til at evaluere knoglemekaniske egenskaber. Flere tidligere undersøgelser har undersøgt den mekaniske opførsel af menneskelig knogle fra forskellige anatomiske steder, herunder lang knoglemikrohardhed 8,9,10. Den gennemsnitlige mikrohårdhed af humane fluorerede lårben viste et signifikant fald (HV = 222,4) sammenlignet med ikke-fluorerede lårben (HV = 294,4)11. På trods af at det er en nyttig parameter, er der mangel på litteratur, der beskriver mikrohardhed (enten Vickers12 eller Knoop 13,14) af alveolær knogle i orale sygdomme.
Til dato er der rapporteret om divergerende mikrohårdhedsmålemetoder. Da mikrohårdhedsværdier varierer15 afhængigt af prøveforberedelse (polering og flad overflade) og indrykningssted, kan forskellige protokoller forårsage uoverensstemmelser mellem undersøgelser. Standardisering af mikrohårdhedstestprotokollen er afgørende for konsekvent og nøjagtig evaluering i orale sygdomsmodeller. I denne undersøgelse demonstrerer vi en standardiseret protokol for mikrohårdhedsanalyse i tand- og alveolær knogle i muse-dental fluorosemodel og periodontal knogleresorptionsmodel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrohardhed udføres for at evaluere mekaniske egenskaber af hårdt væv som tand og knogler. Til dato er der rapporteret om divergerende mikrohårdhedsmålemetoder. De fleste måleoplysninger, især prøvepræparater og indrykningssteder, vil sandsynligvis være utilstrækkelige. Denne undersøgelse fokuserede på mikrohårdhedsprotokollen for emalje og alveolær knogle i modeller for dental fluorose og periodontale sygdomme. For at opnå konsistente og nøjagtige resultater er de kritiske trin i denne protokol oriente…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af JSPS KAKENHI JP21K09915 (MO) og National Institute of General Medical Sciences; T34GM145509 (MM) og National Institute of Dental and Craniofacial Research; R01DE025255 og R21DE032156 (XH) R01DE029709, R21DE028715 og R15DE027851 (TK) R01DE027648 og K02DE029531 (MS).
Materials
| Braided Silk Suture 6-0 | Teleflex | ||
| Canica Small Animal Surgery System | Kent Scientific Corporation | SURGI 5001 | |
| CarbiMet PSA 120/P120 | Buehler | 30080120 | |
| CarbiMet PSA 60/P60 | Buehler | 36080060 | |
| CarbiMet PSA 600/P1200 | Buehler | 36080600 | |
| Castroviejo Micro Needle hilder | F.S.T | 12060-01 | |
| Epofix cold setting embeding Resin | Electron Microscopey Science | CAT-1237 | |
| Fisherbrand 112xx Series Advanced Ultrasonic Cleaner | Fisher Brand | FB11201 | |
| Fluoride-free Rodent diet | Bio Serv | F1515 | AIN-76A, 1/2" Pellets |
| in-vivo microCT Skyscan 1176 | Bruker | ||
| Isomet 1000 Precison saw | Buehler | MA112180 | |
| Lapping film 0.3µm | Maruto instrument co, LTD. Japan | 26-4203 | Alternative A3-0.3 SHT, 3M USA |
| Lapping film 1µm | Maruto instrument co, LTD. Japan | 26-4206 | Alternative A3-1 SHT, 3M USA |
| Lapping film 12µm | Maruto instrument co, LTD. Japan | 26-4211 | Alternative A3-12 SHT, 3M USA |
| Lapping film 3µm | Maruto instrument co, LTD. Japan | 26-4204 | Alternative A3-3 SHT, 3M USA |
| Lapping film 9µm | Maruto instrument co, LTD. Japan | 26-4201 | Alternative A3-9 SHT, 3M USA |
| Leica wild microscope | Leica | LEIC M690 | |
| Metaserv 2000 Variable speed Grinder polisher | Buehler | No: 557-MG1-1160 | |
| MicroCut PSA 1200/P2500 | Buehler | 36081200 | |
| MicroCut PSA P4000 | Buehler | 36084000 | |
| Microhardness tester, ALPHA-MHT-1000Z | PACE Technologies | ||
| SamplKups 1 inch | Buehler | No: 209178 | |
| Sodium Fluoride | Fisher Scientific | S299-100 | |
| West cott Stitch Scissor | JEDMED | Cat. #25-1180 | |
| ZooMed Repti Thern Undertank heater (U.T.H) | Zoo Med Laboratories, Inc. | RH-4 |
References
- Broitman, E. Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: A critical overview. Tribol Lett. 65 (1), 23 (2017).
- Lee, M. J., et al. Sirt6 activation ameliorates inflammatory bone loss in ligature-induced periodontitis in mice. Int J Mol Sci. 24 (13), 10714 (2023).
- Min, J., et al. Investigation on the gradient nanomechanical behavior of dental fluorosis enamel. Nanoscale Res Lett. 13 (1), 347 (2018).
- Craig, R. G., Peyton, F. A. The micro-hardness of enamel and dentin. J Dent Res. 37 (4), 661-668 (1958).
- Chun, K., Choi, H., Lee, J. Comparison of mechanical property and role between enamel and dentin in the human teeth. J Dent Biomech. 5, (2014).
- Suzuki, M., Everett, E. T., Whitford, G. M., Bartlett, J. D. 4-phenylbutyrate mitigates fluoride-induced cytotoxicity in alc cells. Front Physiol. 8, 302 (2017).
- Sharma, R., et al. Assessment of dental fluorosis in mmp20 +/- mice. J Dent Res. 90 (6), 788-792 (2011).
- Wu, W. W., et al. Bone hardness of different anatomical regions of human radius and its impact on the pullout strength of screws. Orthop Surg. 11 (2), 270-276 (2019).
- Li, S., et al. Atlas of human skeleton hardness obtained using the micro-indentation technique. Orthop Surg. 13 (4), 1417-1422 (2021).
- Ibrahim, A., et al. Hardness an important indicator of bone quality, and the role of collagen in bone hardness. J Funct Biomater. 11 (4), 85 (2020).
- Vandana, K. L., Srishti Raj, B., Desai, R. Dental fluorosis and periodontium: An original research report of in vitro and in vivo institutional studies. Biol Trace Elem Res. 199 (10), 3579-3592 (2021).
- Xia, P. F., et al. Microcarriers containing "hypoxia-engine" for simultaneous enhanced osteogenesis and angiogenesis. Chemical Engineering Journal. 456, 141014 (2023).
- Chiu, R., et al. Effects of biglycan on physico-chemical properties of ligament-mineralized tissue attachment sites. Arch Oral Biol. 57 (2), 177-187 (2012).
- Leong, N. L., et al. Age-related adaptation of bone-pdl-tooth complex: Rattus-norvegicus as a model system. PLoS One. 7 (4), e35980 (2012).
- Johnson, W. M., Rapoff, A. J. Microindentation in bone: Hardness variation with five independent variables. J Mater Sci Mater Med. 18 (4), 591-597 (2007).
- Kweon, Y. S., et al. Effects of fam83h overexpression on enamel and dentine formation. Arch Oral Biol. 58 (9), 1148-1154 (2013).
- Boivin, G., et al. The role of mineralization and organic matrix in the microhardness of bone tissue from controls and osteoporotic patients. Bone. 43 (3), 532-538 (2008).
- Okamoto, M., et al. Microstructural evaluation of the mineralized apical barrier induced by a calcium hydroxide paste containing iodoform: A case report. J Endod. 2 (2), 243-251 (2024).
- Wang, Y., et al. B10 cells alleviate periodontal bone loss in experimental periodontitis. Infect Immun. 85 (9), e00335 (2017).
- Chen, Y., et al. Nlrp3 regulates alveolar bone loss in ligature-induced periodontitis by promoting osteoclastic differentiation. Cell Prolif. 54 (2), e12973 (2021).
- Robinson, J. W., et al. Male mice with elevated c-type natriuretic peptide-dependent guanylyl cyclase-b activity have increased osteoblasts, bone mass and bone strength. Bone. 135, 115320 (2020).
