Mikrohardhetsmålinger på tann og alveolær bein i orale sykdomsmodeller hos gnagere
Summary
Mikrohardhet er en mekanisk egenskap og en informativ parameter for evaluering av patofysiologi i hardt vev. Her demonstrerer vi en standardisert protokoll (prøvepreparering, polering, flat overflate og innrykkssteder) for mikrohardhetsanalyse i tann- og alveolarbein i orale sykdomsmodeller hos gnagere, nemlig dental fluorose og ligaturindusert periodontal benresorpsjon.
Abstract
Den mekaniske egenskapen, mikrohardhet, evalueres i tannemalje, dentin og bein i orale sykdomsmodeller, inkludert dental fluorose og periodontitt. Micro-CT (μCT) gir 3D-bildeinformasjon (volum og mineraltetthet) og skanning elektronmikroskopi (SEM) produserer mikrostrukturbilder (emalje prisme og bein lacuna-canalicular). I tillegg til strukturell analyse av μCT og SEM er mikrohardhet en av de informative parametrene for å evaluere hvordan strukturelle endringer endrer mekaniske egenskaper. Til tross for at det er en nyttig parameter, er studier på mikrohardhet av alveolar bein i orale sykdommer begrenset. Hittil har divergerende målemetoder for mikrohardhet blitt rapportert. Siden mikrohardhetsverdiene varierer avhengig av prøvepreparering (polering og flat overflate) og innrykkssteder, kan forskjellige protokoller forårsake avvik mellom studier. Standardisering av mikrohardhetsprotokollen er avgjørende for konsistent og nøyaktig evaluering i orale sykdomsmodeller. I denne studien demonstrerer vi en standardisert protokoll for mikrohardhetsanalyse i tann og alveolær bein. Prøver som brukes er som følger: for dental fluorosemodellen ble fortenner samlet fra mus behandlet med / uten fluorholdig vann i 6 uker; for ligaturindusert periodontal benresorpsjon (L-PBR) modell, ble alveolære ben med periodontal benresorpsjon samlet fra mus ligert på den maksillære 2. molar. På 2 uker etter ligeringen ble maxillaen samlet. Vickers hardhet ble analysert i disse prøvene i henhold til den standardiserte protokollen. Protokollen gir detaljerte materialer og metoder for harpiksinnebygging, seriell polering og innrykkssteder for fortenner og alveolar. Så vidt vi vet, er dette den første standardiserte mikrohardhetsprotokollen for å evaluere de mekaniske egenskapene til tann og alveolær bein i orale sykdomsmodeller hos gnagere.
Introduction
Hardhet er en av de mekaniske egenskapene (f.eks. Elastisitet, hardhet, viskoelastisitet og bruddoppførsel) og brukes ofte til å karakterisere evnen til å motstå kompresjonsdeformasjon og brudd på et lokalt område av et materiale. Den statiske innrykkshardhetstesten er den mest brukte metoden, inkludert Vickers hardhet og Knoop hardhet1. Vickers hardhetstest implementeres ved å presse en diamantinder inn i overflaten under en fast testbelastning. Innrykket er pyramideformet, med en firkantet base og en vinkel på 136° mellom motsatte flater. Lengden på begge diagonalene dannet på testflaten måles, og gjennomsnittet brukes til å beregne hardheten, som bestemmes av forholdet F / A (hvor F er kraften og A er overflaten av innrykket). Vickers mikrohardhetstall (HV = F / A) uttrykkes vanligvis i kilogram-kraft (kgf) per mm2 innrykk, med 1 HV ≈ 0,1891 F / d2 (N / mm2). Knoop-hardheten består også av en diamantkvadratisk pyramideinnrykk dannet av to ulik motsatte vinkler. Knoop-hardhetstallet (HK) er lik forholdet mellom påført belastning og det projiserte kontaktområdet. Hardhetstester klassifiseres i mikroinnrykk (mikrohardhet) tester og makroinnrykkstester, avhengig av kraften som påføres testmaterialet. Mikroinnrykkstester bruker vanligvis belastninger i området 0,01-2 N (ca. 1-203 gf); I mellomtiden bruker makroinnrykkstester over 10 N (10119 gf)1.
For å evaluere egenskaper av dental hardt vev i orale sykdommer, inkludert tann og alveolær bein, mikro-CT (μCT) og skanning elektronmikroskopi (SEM) brukes til strukturell analyse. μCT gir 3D-bildeinformasjon (volum og mineraltetthet)2, og SEM produserer mikrostrukturbilder (emaljeprisme og beinlacuna-canalicular)3. I tillegg til strukturell analyse ved μCT og SEM er mikrohardhet en av de informative parametrene for å evaluere hvordan strukturelle endringer endrer de mekaniske egenskapene til tann og alveolær bein i orale sykdommer, for eksempel emaljemisdannelse og periodontal benresorpsjon. Vickers mikrohardhetsverdi av human emalje (HV = 283-374) er omtrent 4 til 5 ganger høyere enn dentin (HV = 53-63) 4,5. I tannfluorosemodeller hos gnagere reduseres emaljemikrohardheten signifikant i musefortenner behandlet med fluor (HV = 136) sammenlignet med kontrollemaljen (HV = 334) 6,7. Dette tyder på at fluorosert emalje er mykere og svakere med lavere mineralinnhold og høyere proteininnhold enn det som finnes i ikke-fluorosert emalje. Mikrohardhet brukes til å evaluere beinmekaniske egenskaper. Flere tidligere studier har undersøkt den mekaniske oppførselen til menneskelig bein fra forskjellige anatomiske steder, inkludert lang beinmikrohardhet 8,9,10. Gjennomsnittlig mikrohardhet hos humane fluoroserte femurer viste en signifikant reduksjon (HV = 222,4) sammenlignet med ikke-fluoroserte lårben (HV = 294,4)11. Til tross for at det er en nyttig parameter, er det mangel på litteratur som beskriver mikrohardhet (enten Vickers12 eller Knoop 13,14) av alveolar bein i orale sykdommer.
Hittil har divergerende målemetoder for mikrohardhet blitt rapportert. Siden mikrohardhetsverdiene varierer15 avhengig av prøvepreparering (polering og flat overflate) og innrykkssted, kan forskjellige protokoller forårsake avvik mellom studier. Standardisering av mikrohardhetstestprotokollen er avgjørende for konsistent og nøyaktig evaluering i orale sykdomsmodeller. I denne studien demonstrerer vi en standardisert protokoll for mikrohardhetsanalyse i tann og alveolær bein i musedental fluorosemodell og periodontal benresorpsjonsmodell.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrohardhet utføres for å evaluere mekaniske egenskaper av hardt vev som tann og bein. Hittil har divergerende målemetoder for mikrohardhet blitt rapportert. Det meste av måleinformasjonen, spesielt prøvepreparater og innrykksstedene, vil sannsynligvis være utilstrekkelig. Denne studien fokuserte på mikrohardhetsprotokollen for emalje og alveolær bein i dental fluorose og periodontale sykdomsmodeller. For å oppnå konsistente og nøyaktige resultater, er de kritiske trinnene i denne protokollen orientering av p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av 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).
