Experimental analysis of crack resistance indicators of demineralized tooth enamel after combined infiltration treatment

Abstract

Objective. To study the indicators of crack resistance of the demineralized enamel treated with combined infiltration method using the method of scratch testing.

Materials and methods. To study the elastic-strength properties of the enamel in vitro, 24 intact teeth removed by orthodontic indications were used, on the vestibular surface of the crown of which, there was modelled an artificial caries of the enamel by the patented technology. A number of multilevel studies confirmed the formation of caries. Scratch testing was performed on the sections of the intact enamel; demineralized enamel infiltrated by light composite using the modified method with a four-minute regime of conditioning; enamel laminated with bioactive hybrid glass ionomer.

Results. The developed model of artificial caries corresponded to the enamel in vivo. The critical load of the start of formation of the intact enamel microcracks (Lc1) was 9.82 ± 0.81 N; demineralized enamel – 6.34 ± 0.92 N; infiltrated by modified method – 8.23 ± 0.61 N; bioactive glass ionomer – 0.82 ± 0.17 N. The critical load of formation of the chevron cracks (Lc2) of the intact enamel was 18.21 ± 0.68 N; demineralized – 14.21 ± 1.35 N; after infiltration – 10.1 ± 0.30 N; in bioactive glass ionomer, no parameters were registered on all the tested samples. The critical load of formation of the intact enamel chips (Lc3) was 15.73 ± 0.73 N; demineralized enamel – 5.02 ± 0.64 N; after infiltration – 22.43 ± 0.44 N; bioactive covering – 2.21 ± 0.12 N.

Conclusions. A comparative analysis of the results of scratch testing of the enamel permitted to characterize the biomaterial from the position of physical material science, determine the critical loads of the start of forming microcracks, double-helical cracks, chips.

Keywords

enamel / focal enamel demineralization / caries infiltration / combined treatment

References

[1] Leus P.A., Kisel'nikova L.P., Ermuhanova G.T., Boyarkina E.S. Mnogoletnij monitoring i vozmozhnosti dal'nejshego uluchsheniya profilaktiki kariesa zubov u detej Belarusi, Kazahstana i Rossii. Stomatologiya detskogo vozrasta i profilaktika 2019; 19, 3 (71): 3–8 (in Russian).

[2] Леус П.А., Кисельникова Л.П., Ермуханова Г.Т., Бояркина Е.С. Многолетний мониторинг и возможности дальнейшего улучшения профилактики кариеса зубов у детей Беларуси, Казахстана и России. Стоматология детского возраста и профилактика. 2019; 19, 3 (71): 3–8.

[3] Kuz'mina E.M., YAnushevich O.O., Kuz'mina I.N., Lapatina A.V. Tendencii rasprostranennosti i intensivnosti kariesa zubov sredi naseleniya Rossii za 20-letnij period. Dental Forum 2020; 3 (78): 2–8 (in Russian).

[4] Кузьмина Э.М., Янушевич О.О., Кузьмина И.Н., Лапатина А.В. Тенденции распространенности и интенсивности кариеса зубов среди населения России за 20-летний период. Dental Forum. 2020; 3 (78): 2–8.

[5] Gileva O.S. Konservativno-profilakti¬cheskaya stomatologiya: sovremennye trendy razvitiya. Permskij medicinskij zhurnal 2018; 35 (6): 61–72 (in Russian).

[6] Гилева О.С. Консервативно-профи¬лактическая стоматология: современные тренды развития. Пермский медицинский журнал 2018; 35 (6): 61–72.

[7] Kuz'mina I.N., Filler T.V., Said D.Sh. Klinicheskoe primenenie metoda infil'tracii dlya lecheniya kariesa proksimal'nyh poverhnostej zubov. Rossijskaya stomatologiya 2017; 1: 50 (in Russian).

[8] Кузьмина И.Н., Филлер Т.В., Саид Д.Ш. Клиническое применение метода инфильтрации для лечения кариеса проксимальных поверхностей зубов. Российская стоматология 2017; 1: 50.

[9] Solov'yova Zh.V., Adamchik A.A. Effektiv¬nost' primeneniya glubokogo ftorirovaniya v profilaktike kariesa emali. Kubanskij nauchnyj medicinskij vestnik 2018; 25 (2): 135–139 (in Russian).

[10] Соловьёва Ж.В., Адамчик А.А. Эффективность применения глубокого фторирования в профилактике кариеса эмали. Кубанский научный медицинский вестник 2018; 25 (2): 135–139.

[11] Mandra Yu.V., Vlasova M.I., Ermishina E.Yu., Kiseleva D.V. Eksperimental'naya ocenka effektivnosti remineralizuyushchih preparatov. Ural'skij medicinskij zhurnal 2015; 6 (129): 52–56 (in Russian).

[12] Мандра Ю.В., Власова М.И., Ермишина Е.Ю., Киселева Д.В. Экспериментальная оценка эффективности реминерализующих препаратов. Уральский медицинский журнал. 2015; 6 (129): 52–56.

[13] Kreth J., Merritt J., Pfeifer C.S., Khajotia S., Ferracane J.L. Interaction between the Oral Microbiome and Dental Composite Biomaterials: Where We Are and Where We Should Go. J Dent Res 2020; 99 (10): 1140–1149 .

[14] Kreth J., Merritt J., Pfeifer C.S., Khajotia S., Ferracane J.L. Interaction between the Oral Microbiome and Dental Composite Biomaterials: Where We Are and Where We Should Go. J Dent Res 2020; 99 (10): 1140–1149.

[15] Gileva O.S., Murav'eva M.A., Simakina N.I., Sokolov A.K., Terpugov V.N. Vychislitel'noe modelirovanie nachal'noj stadii kariesa zubov: geometricheskoe modelirovanie zuba. Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Matematika. Mekhanika. Informatika 2012; 2 (10): 20–25 (in Russian).

[16] Гилева О.С., Муравьева М.А., Сима¬кина Н.И., Соколов А.К., Терпугов В.Н. Вычислительное моделирование начальной стадии кариеса зубов: геометрическое моделирование зуба. Вестник Пермского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика 2012; 2 (10): 20–25.

[17] Morozov I.A., Belyaev A.Yu., Izyumov R.I., Erofeeva E.S., Gileva O.S. Vliyanie otbelivaniya na mikrostrukturu poverhnosti emali chelovecheskih zubov. Materialovedenie. 2012; 7: 50–55 (in Russian).

[18] Морозов И.А., Беляев А.Ю., Изюмов Р.И., Ерофеева Е.С., Гилева О.С. Влияние отбели¬вания на микроструктуру поверхности эмали человеческих зубов. Материаловедение 2012; 7: 50–55.

[19] Gileva O.S., Murav'eva M.A., Svistkov A.L., Izyumov R.I., Levickaya A.D. Eksperimental'noe issledovanie poverhnosti emali zuba pri razlichnyh lechebno-profilakticheskih vozdejst¬viyah. Vestnik Permskogo nauchnogo centra UrO RAN 2017; 3: 15–21 (in Russian).

[20] Гилева О.С., Муравьева М.А., Свистков А.Л., Изюмов Р.И., Левицкая А.Д. Экспериментальное исследование поверхности эмали зуба при различных лечебно-профилактических воздействиях. Вестник Пермского научного центра УрО РАН 2017; 3: 15–21.

[21] Morozov I.A., Svistkov A.L., Gilyova O.S., Erofeeva E.S. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya klinicheskogo otbelivaniya na mikro-strukturu poverhnosti emali zubov. Rossijsij zhurnal biomekhaniki 2010; 14 (1): 56–64 (in Russian).

[22] Морозов И.А., Свистков А.Л., Гилёва О.С., Ерофеева Е.С. Экспериментальное исследование влияния клинического отбеливания на микроструктуру поверхности эмали зубов. Российсий журнал биомеханики. 2010; 14 (1): 56–64.

[23] Erofeeva E.S., Gileva O.S., Morozov I.A., Plenkina Yu.A., Svistkov A.L. Eksperimental'noe issledovanie mikrostruktury emali na etapah professional'nogo otbelivaniya zubov. Problemy stomatologii 2011; 5: 4–9 (in Russian).

[24] Ерофеева Е.С., Гилева О.С., Морозов И.А., Пленкина Ю.А., Свистков А.Л. Экспериментальное исследование микроструктуры эмали на этапах профессионального отбеливания зубов. Проблемы стоматологии 2011; 5: 4–9.

[25] Erofeeva E.S., Lyapunova E.A., Oborin V.A., Gileva O.S., Najmark O.B. Strukturno-funkcional'¬nyj analiz tverdyh tkanej zubov v ocenke kachestva tekhnologij otbelivaniya. Rossijskij zhurnal biomekhaniki 2010; 14 (2): 47–55 (in Russian).

[26] Ерофеева Е.С., Ляпунова Е.А., Оборин В.А., Гилева О.С., Наймарк О.Б. Структурно-функциональный анализ твердых тканей зубов в оценке качества технологий отбеливания. Российский журнал биомеханики 2010; 14 (2): 47–55.

[27] Rusakov S.V., Izyumov R.I., Svistkov A.L., Gileva O.S., Murav'eva M.A. Matematicheskoe modelirovanie karioznyh processov, protekayushchih v zubnoj emali, i processa lecheniya nachal'nogo kariesa po tekhnologii Icon. Rossijskij zhurnal biomekhaniki 2013; 17 (2): 93–106 (in Russian).

[28] Русаков С.В., Изюмов Р.И., Свистков А.Л., Гилева О.С., Муравьева М.А. Математическое моделирование кариозных процессов, протекающих в зубной эмали, и процесса лечения начального кариеса по технологии Icon. Российский журнал биомеханики 2013; 17 (2): 93–106.

[29] Izyumov R.I., Zuev A.L., Rusakov S.V., Gileva O.S., Muraveva M.A. Mathematical modeling of caries initiation and progression occurring in dental enamel. Key Engineering Materials 2014; 592–593: 362–365 .

[30] Izyumov R.I., Zuev A.L., Rusakov S.V., Gileva O.S., Muraveva M.A. Mathematical modeling of caries initiation and progression occurring in dental enamel. Key Engineering Materials 2014; 592–593: 362–365.

[31] Morozov I.A., Belyaev A.Y., Izyumov R.I., Erofeeva E.S., Gileva O.S. Impact of whitening on the microstructure of human tooth enamel. Inorganic Materials: Applied Research 2013; 4 (1): 71–76.

[32] Belyaev A.Yu., Gileva O.S., Murav'eva M.A., Svistkov A.L., Skachkov A.P. Issledovanie mikromekhanicheskih svojstv zdorovoj i povrezhdennoj kariesom zubnoj emali s pomoshch'yu mikroindentirovaniya. Rossijskij zhurnal biomekhaniki 2012; 16 (3): 2 (in Russian).

[33] Беляев А.Ю., Гилева О.С., Муравьева М.А., Свистков А.Л., Скачков А.П. Исследование микромеханических свойств здоровой и поврежденной кариесом зубной эмали с помощью микроиндентирования. Российский журнал биомеханики 2012; 16 (3): 2.

[34] Belyaev A.Y., Zuev A.L., Gileva O.S., Muraveva M.A. Experimental studies of elastic properties of dental enamel and photopolymer used for early caries treatment. Key Engineering Materials 2014; 592–593: 358–361.

[35] Belyaev A.Y., Zuev A.L., Gileva O.S., Muraveva M.A. Experimental studies of elastic properties of dental enamel and photopolymer used for early caries treatment. Key Engineering Materials 2014; 592-593: 358–361.

[36] Levitskaya A.D., Syutkina E.S., Gileva O.S., Galkin S.V., Efimov A.A., Savitskiy Ya.V. The evaluation of microstructure and mineral density of the focus of artificial enamel caries using X-Ray computer microtomography. Russian Journal of Biomechanics 2018; 22 (4): 485–502 (in Russian).

[37] Levitskaya A.D., Syutkina E.S., Gileva O.S., Galkin S.V., Efimov A.A., Savitskiy Ya.V. The evaluation of microstructure and mineral density of the focus of artificial enamel caries using X-Ray computer microtomography. Russian Journal of Biomechanics 2018; 22 (4): 485–502.

[38] Murav'eva M.A., Syutkina E.S., Redinova T.L., Gileva O.S. Analiz mikrostruktury ochaga iskusstvennoj postortodonticheskoj demineralizacii emali. Stomatologiya 2018; 97 (6–2): 12 (in Russian).

[39] Муравьева М.А., Сюткина Е.С., Рединова Т.Л., Гилева О.С. Анализ микроструктуры очага искусственной постортодонтической деминерализации эмали. Стоматология 2018; 97 (6–2): 12.

[40] Galkin S., Levitskaya A., Gileva O., Libik T., Lomiashvili L. The combined approach to evaluation of mechanical behavior of tooth enamel in artificially induced caries lesions. BIO Web of Conferences 2020; 22 (02027): 2–9.

[41] Galkin S, Levitskaya A, Gileva O, Libik T, Lomiashvili L. The combined approach to evaluation of mechanical behavior of tooth enamel in artificially induced caries lesions. BIO Web of Conferences 2020; 22 (02027): 2–9.

[42] Gileva O.S., Murav'eva M.A., Val'cifer V.A., Nechaev A.I., Gileva E.S. Sposob modelirovaniya ochaga demineralizacii emali zuba. Patent na izobretenie № 2503067 ot 27.12.2013 (in Russian).

[43] Гилева О.С., Муравьева М.А., Вальцифер В.А., Нечаев А.И., Гилева Е.С. Способ моделирования очага деминерализации эмали зуба: патент на изобретение № 2503067 от 27.12.13.

[44] Gileva O.S., Levickaya A.D. Ustrojstvo dlya modelirovaniya eksperimental'nogo kariesa v stadii pyatna metodom emalevogo okna. Patent na poleznuyu model' № 172561 ot 17.07.2017 (in Russian).

[45] Гилева О.С., Левицкая А.Д. Устройство для моделирования экспериментального кариеса в стадии пятна методом эмалевого окна. Патент на полезную модель № 172561 от 17.07.17.

[46] Gileva O.S., Levickaya A.D. Separator dlya hraneniya biopreparatov zubov s cel'yu modelirovaniya iskusstvennogo kariesa. Patent na poleznuyu model' № 171409 ot 30.05.2017 (in Russian).

[47] Гилева О.С., Левицкая А.Д. Сепаратор для хранения биопрепаратов зубов с целью моделирования искусственного кариеса. Патент на полезную модель № 171409 от 30.05.17.

[48] Gileva O.S., Erofeeva E.S., Izyumov R.I., Murav'eva M.A., Svistkov A.L. Issledovanie i modelirovanie processa vozniknoveniya i razvitiya kariesa. Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Matematika. Mekhanika. Informatika 2011; 5 (9): 51–54 (in Russian).

[49] Гилева О.С., Ерофеева Е.С., Изюмов Р.И., Муравьева М.А., Свистков А.Л. Исследование и моделирование процесса возникновения и развития кариеса. Вестник Пермского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика 2011; 5 (9): 51–54.

[50] Gileva O.S., Murav'eva M.A., Syutkina E.S., Levickaya A.D. Postortodonticheskaya demine¬ralizaciya emali: klinicheskie osobennosti i effektivnost' lecheniya. Maestro stomatologii 2015; 4: 38 (in Russian).

[51] Гилева О.С., Муравьева М.А., Сюткина Е.С., Левицкая А.Д. Постортодонтическая деминерализация эмали: клинические особенности и эффективность лечения. Маэстро стоматологии 2015; 4: 38.

[52] Admakin O., Khakimova D. Prevalence white spot lesions (WSL) in patients with fixed orthodontic appliences. Indo Am JP Sci 2018; 05 (05).

[53] Gileva O.S., Levickaya A.D., Syutkina E.S., Korotin S.V., Gibadullina N.V., Svistkov A.L. Eksperi¬mental'no-klinicheskaya ocenka effektivnosti prime¬neniya razlichnyh metodov lecheniya ochagovoj demineralizacii emali. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya 2018; 6: 99 (in Russian).

[54] Гилева О.С., Левицкая А.Д., Сюткина Е.С., Коротин С.В., Гибадуллина Н.В., Свистков А.Л. Экспериментально-клиническая оценка эффективности применения различных методов лечения очаговой деминерализации эмали. Современные проблемы науки и образования 2018; 6: 99.

[55] Meyer-Lueckel H., Paris S., Schult A. Kariesinfiltration – Update 2017. Zahnmedizin up2date 2017; 11 (03): 267–290.

[56] Paris S., Meyer-Lueckel H., Kielbassa A.M. Resin infiltration of natural caries lesions. J Dent Res 2007; 86 (7): 662–666.

[57] Kielbassa A.M., Ulrich I., Treven L., Mueller J. An updated review on the resin infiltration technique of incipient proximal enamel lesions. Medicine in evolution 2010; 15 (4): 3–15.

[58] Gileva O.S., Murav'eva M.A., Sereb¬rennikova E.V. Kompleksnyj podhod k ocenke estetiko-funkcional'nyh rezul'tatov karies-infil'tracii pri lechenii kariesa emali. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya 2013; 2: 61 (in Russian).

[59] Гилева О.С., Муравьева М.А., Серебренникова Е.В. Комплексный подход к оценке эстетико-функциональных результатов кариес-инфильтрации при лечении кариеса эмали. Современные проблемы науки и образования 2013; 2: 61.

[60] Makeeva I.M., Skatova E.A., SHakar'¬yanc A.A., Makeeva M.K. Opredelenie effektivnosti lecheniya kariesa metodom infil'tracii po rezul'tatam issledovaniya in vitro. Stomatologiya 2010; 4: 39–43 (in Russian).

[61] Макеева И.М., Скатова Е.А., Шакарьянц А.А., Макеева М.К. Определение эффективности лечения кариеса методом инфильтрации по результатам исследования in vitro. Стоматология 2010; 4: 39–43.

[62] Gileva O.S., SHakulya M.A., Levickaya A.D., Syutkina E.S., Serebrennikova E.V. Sposob lecheniya ochagovoj demineralizacii emali zuba. Patent na izobretenie № 2571334 ot 23.11.2015 (in Russian).

[63] Гилева О.С., Шакуля М.А., Левицкая А.Д., Сюткина Е.С., Серебренникова Е.В. Способ лечения очаговой деминерализации эмали зуба. Патент на изобретение № 2571334 от 23.11.15.

[64] Levickaya A.D., Gileva O.S., Stepanova L.V., Korotin S.V. Effektivnost' kombinirovannogo metoda pri lechenii kariesa emali putem infil'tracii u lic molodogo vozrasta. Dental Forum 2019; 4 (75): 57–58.

[65] Левицкая А.Д., Гилева О.С., Степанова Л.В., Коротин С.В. Эффективность комбинированного метода при лечении кариеса эмали путем инфильтрации у лиц молодого возраста. Dental Forum 2019; 4 (75): 57–58.

[66] Gileva O.S., Levickaya A.D., Zuev A.L. Issledovanie fiziko-mekhanicheskih svojstv emali zubov metodom kineticheskogo mikroindenti-rovaniya. Vestnik Permskogo federal'nogo issledovatel'skogo centr 2021; 1: 37–46 (in Russian).

[67] Гилева О.С., Левицкая А.Д., Зуев А.Л. Исследование физико-механических свойств эмали зубов методом кинетического микроиндентирования. Вестник Пермского федерального исследовательского центр 2021; 1: 37–46.

RIGHTS & PERMISSIONS

Gileva O.S., Levitskaya A.D.