Mikrohärtemessungen an Zahn- und Alveolarknochen in Modellen für orale Erkrankungen von Nagetieren
Summary
Die Mikrohärte ist eine mechanische Eigenschaft und ein informativer Parameter zur Beurteilung der Pathophysiologie des Hartgewebes. Hier demonstrieren wir ein standardisiertes Protokoll (Probenvorbereitung, Polieren, flache Oberfläche und Eindruckstellen) für die Mikrohärteanalyse von Zahn- und Alveolarknochen in Modellen für orale Erkrankungen von Nagetieren, nämlich Zahnfluorose und Ligatur-induzierte parodontale Knochenresorption.
Abstract
Die mechanische Eigenschaft, die Mikrohärte, wird in Zahnschmelz, Dentin und Knochen in oralen Krankheitsmodellen, einschließlich Zahnfluorose und Parodontitis, bewertet. Die Mikro-CT (μCT) liefert 3D-Bildinformationen (Volumen und Mineraldichte) und die Rasterelektronenmikroskopie (REM) erzeugt Mikrostrukturbilder (Schmelzprisma und Knochenlakuna-Kanalikulär). Ergänzend zur Strukturanalyse mittels μCT und REM ist die Mikrohärte einer der informativen Parameter, um zu beurteilen, wie strukturelle Veränderungen die mechanischen Eigenschaften verändern. Obwohl es sich um einen nützlichen Parameter handelt, sind die Untersuchungen zur Mikrohärte des Alveolarknochens bei oralen Erkrankungen begrenzt. Bisher wurde über unterschiedliche Messmethoden zur Messung der Mikrohärte berichtet. Da die Mikrohärtewerte je nach Probenvorbereitung (Polieren und flache Oberfläche) und Eindringstellen variieren, können unterschiedliche Protokolle zu Diskrepanzen zwischen den Studien führen. Die Standardisierung des Mikrohärteprotokolls ist für eine konsistente und genaue Bewertung in oralen Krankheitsmodellen unerlässlich. In der vorliegenden Studie demonstrieren wir ein standardisiertes Protokoll für die Mikrohärteanalyse im Zahn- und Alveolarknochen. Die verwendeten Proben sind wie folgt: Für das Zahnfluorosemodell wurden Schneidezähne von Mäusen entnommen, die 6 Wochen lang mit/ohne fluoridhaltiges Wasser behandelt wurden; Für das Modell der ligaturinduzierten parodontalen Knochenresorption (L-PBR) wurden Alveolarknochen mit parodontaler Knochenresorption von Mäusen entnommen, die am 2. Molaren des Oberkiefers ligiert waren. 2 Wochen nach der Ligatur wurde der Oberkiefer entnommen. Die Vickers-Härte wurde in diesen Proben nach dem standardisierten Protokoll analysiert. Das Protokoll enthält detaillierte Materialien und Methoden für die Einbettung von Kunststoffen, das serielle Polieren und die Eindringstellen für Schneidezähne und Alveolen. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste standardisierte Mikrohärteprotokoll zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Zahn- und Alveolarknochen in Modellen für orale Erkrankungen von Nagetieren.
Introduction
Die Härte ist eine der mechanischen Eigenschaften (z. B. Elastizität, Härte, Viskoelastizität und Bruchverhalten) und wird häufig verwendet, um die Fähigkeit zu charakterisieren, der Druckverformung und dem Bruch eines lokalen Bereichs eines Materials zu widerstehen. Die statische Eindringhärteprüfung ist die am häufigsten verwendete Methode, einschließlich der Vickers-Härte und der Knoop-Härte1. Die Vickers-Härteprüfung wird durchgeführt, indem ein Diamanteindringkörper unter einer festen Prüfkraft in die Oberfläche gedrückt wird. Der Eindringkörper ist pyramidenförmig, mit einer quadratischen Basis und einem Winkel von 136° zwischen gegenüberliegenden Flächen. Es wird die Länge der beiden auf der Prüfoberfläche gebildeten Diagonalen gemessen, und der Mittelwert wird zur Berechnung der Härte verwendet, die durch das Verhältnis F/A bestimmt wird (wobei F die Kraft und A die Oberfläche des Eindrucks ist). Die Vickers-Mikrohärtezahl (HV=F/A) wird normalerweise in Kilogramm-Kraft (kgf) pro mm2 Eindruck, mit 1 HV ≈ 0,1891 F/d2 (N/mm2) ausgedrückt. Die Knoop-Härte besteht ebenfalls aus einem quadratischen Diamant-Pyramiden-Eindringkörper, der aus zwei ungleichen gegensätzlichen Winkeln besteht. Die Knoop-Härtezahl (HK) entspricht dem Verhältnis der aufgebrachten Last zur projizierten Kontaktfläche. Härteprüfungen werden in Abhängigkeit von der auf das Prüfmaterial ausgeübten Kraft in Mikroeindruckprüfungen (Mikrohärte) und Makroeindruckprüfungen eingeteilt. Mikroeindringprüfungen verwenden typischerweise Lasten im Bereich von 0,01-2 N (ca. 1-203 gf); Bei Makro-Eindringtests werden über 10 N (10119 gf)1 verwendet.
Zur Beurteilung von Merkmalen von Zahnhartgewebe bei oralen Erkrankungen, einschließlich Zahn- und Alveolarknochen, werden Mikro-CT (μCT) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) für die Strukturanalyse eingesetzt. μCT liefert 3D-Bildgebungsinformationen (Volumen und Mineraldichte)2, und REM erzeugt Mikrostrukturbilder (Schmelzprisma und Knochenlakuna-Kanalikulär)3. Ergänzend zur Strukturanalyse mittels μCT und REM ist die Mikrohärte einer der informativen Parameter, um zu beurteilen, wie strukturelle Veränderungen die mechanischen Eigenschaften von Zahn- und Alveolarknochen bei oralen Erkrankungen verändern, z. B. bei Schmelzfehlbildungen und parodontaler Knochenresorption. Der Vickers-Mikrohärtewert des menschlichen Zahnschmelzes (HV = 283-374) ist etwa 4- bis 5-mal höher als der von Dentin (HV = 53-63)4,5. In Zahnfluorosemodellen von Nagetieren nimmt die Mikrohärte des Zahnschmelzes bei Mausschneidezähnen, die mit Fluorid behandelt wurden (HV = 136), im Vergleich zum Kontrollzahnschmelz (HV = 334)6,7 signifikant ab. Dies deutet darauf hin, dass fluorosierter Zahnschmelz weicher und schwächer ist, mit geringerem Mineralgehalt und höherem Proteingehalt als bei nicht fluorosiertem Zahnschmelz. Die Mikrohärte wird verwendet, um die mechanischen Eigenschaften des Knochens zu bewerten. Mehrere frühere Studien haben das mechanische Verhalten des menschlichen Knochens an verschiedenen anatomischen Stellen untersucht, einschließlich der Mikrohärte des langen Knochens 8,9,10. Die mittlere Mikrohärte von fluorosierten Femuren des Menschen zeigte eine signifikante Abnahme (HV = 222,4) im Vergleich zu nicht fluorosierten Femuren (HV = 294,4)11. Obwohl es sich um einen nützlichen Parameter handelt, gibt es einen Mangel an Literatur, die die Mikrohärte (entweder Vickers12 oder Knoop 13,14) des Alveolarknochens bei oralen Erkrankungen beschreibt.
Bisher wurde über unterschiedliche Messmethoden zur Messung der Mikrohärte berichtet. Da die Mikrohärtewerte je nach Probenvorbereitung (Polieren und flache Oberfläche) und Eindringstelle um15 variieren, können unterschiedliche Protokolle zu Diskrepanzen zwischen den Studien führen. Die Standardisierung des Mikrohärte-Prüfprotokolls ist für eine konsistente und genaue Bewertung in oralen Krankheitsmodellen unerlässlich. In der vorliegenden Studie demonstrieren wir ein standardisiertes Protokoll für die Mikrohärteanalyse in Zahn- und Alveolarknochen im Zahnfluorosemodell der Maus und im parodontalen Knochenresorptionsmodell.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Mikrohärte wird durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften von Hartgeweben wie Zähnen und Knochen zu bewerten. Bisher wurde über unterschiedliche Messmethoden zur Messung der Mikrohärte berichtet. Die meisten Messinformationen, insbesondere die Probenvorbereitungen und die Eindringstellen, dürften unzureichend sein. Diese Studie konzentrierte sich auf das Mikrohärteprotokoll für Zahnschmelz und Alveolarknochen in Modellen für Zahnfluorose und Parodontalerkrankungen. Um konsistente und genaue Ergebnisse …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die in dieser Veröffentlichung berichtete Forschung wurde von JSPS KAKENHI JP21K09915 (MO) und dem National Institute of General Medical Sciences unterstützt; T34GM145509 (MM) und dem Nationalen Institut für zahnärztliche und kraniofaziale Forschung; R01DE025255 und R21DE032156 (XH); R01DE029709, R21DE028715 und R15DE027851 (TK); R01DE027648 und 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 |
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