Теплопроводность твѐрдых тканей зуба. Изменения температуры в полости пульпы в процессе препарирования.
Часть 1

Выделение тепла в процессе препарирования кариозной полости является существенным повреждающим фактором для пульпы зуба. Его количество зависит от скорости вращения, размера и формы режущего инструмента, качества его заточки, продолжительности его контакта с твердыми тканями зуба, давления, оказываемого на инструмент и, конечно, от эффективности охлаждения. Тепло во время препарирования возникает в результате трения режущих элементов инструмента о твердые ткани зуба. Теплопроводность дентина относительно низкая, она существенно меньше, чем теплопроводность материала, из которого изготавливается бор, поэтому большая часть тепла переходит на инструмент, часть его поглощается воздухом, и только 10-30% тепла переходит на твердые ткани зуба. Но и этого количества, при нарушении режима препарирования, достаточно, чтобы вызвать в пульпе необратимые изменения. Как уже было отмечено, дентин является хорошим теплоизолятором, поэтому маловероятно, что при обработке поверхностно расположенной полости образующееся тепло будет повреждать пульпу. Однако, когда толщина дентина, отделяющая полость пульпы от препарируемой поверхности, невелика, а время препарирования длительно, возникает опасность термического повреждения пульпы. По данным литературы [3] наибольшая вероятность повреждения пульпы возникает в том случае, если толщина оставшегося дентина не превышает 1-2мм.

Известно, что критическим является повышение температуры в пульповой камере на 5,5°С. В экспериментальных исследованиях установлено, что оптимальный температурный режим препарирования заключен в диапазоне 37 - 42°C, в пределах которого не возникает серьѐзных повреждений пульпы. Превышение верхней границы данного температурного диапазона даже на 0,5°C, чревато тяжѐлыми, в ряде случаев, необратимыми изменениями в пульпе [6]. Исследованиями Zach, Cohen и других, показано, что повышение температуры на 5,5°C вызывает некроз пульпы в 15% случаев, на 8,3°C – в 20% случаев, а на 16,7°C – в 100% случаев [7].

Гипертермия пульпы после внешнего воздействия тепла вызывает в ней определенные морфологические изменения. Повышение температуры пульпы выше чем на 5,5°C приводит к появлению в пульпе ограниченных очагов некроза и к стазу крови в субодонтобластическом капиллярном сплетении. Увеличение же температуры на 11°C вызывает более серьѐзные повреждения, причем только менее половины всех элементов пульпы способно затем к восстановлению, в другой же еѐ части развиваются такие патологические изменения, как абсцессы, некрозы, тромбозы сосудов пульпы, наблюдаемые уже через два дня после нагревания.

Резкое повышение температуры в полости пульпы, возникающее во время препарирования тканей зуба, снижает еѐ реактивную способность, вызывает коагуляцию протоплазмы одонтобластов, способствует диффузии плазмы крови через стенки капилляров пульпы, обусловливает смещение ядер одонтобластов в дентинные канальцы и причиняет резкую боль пациенту. По мнению Brännström [2], причиной перемещения ядер одонтобластов является усиленное испарение жидкости из дентинных канальцев вследствие нагревания. Кроме того, показано, что чрезвычайно чувствительны к термическому раздражению и нервные волокна пульпы [4]. При обширном поражении пульпы и разрушении богатой клетками зоны, формирования репаративного дентина не происходит.

Существенные изменения в тканях пульпы при нагревании происходят и на молекулярном уровне. Так, при повышении температуры снижается поглощение кислорода клетками пульпы, что сильно отражается на еѐ способности к регенерации. Помимо этого, тепловое воздействие лабилизирует лизосомальные мембраны, в результате чего из лизосомального компартмента в цитозоль выходят кислые гликозидазы. При этом их активность резко повышается, что приводит к нарушению структуры и функции ряда гликопротеидов, протеогликанов и других углеводсодержащих соединений, выполняющих важную роль в жизнедеятельности клетки [1].

Описанные гистологические и биохимические изменения обусловливают в пульпе развитие острого воспалительного процесса. Развивающийся, как результат термического воздействия, пульпит может приобрести также хроническое течение [5].

Необходимость использования водно-воздушного охлаждения во время подготовки полости является сегодня общепринятой. Zach в 1965 году [7] показал, что при высокоскоростной обработке с адекватным охлаждением температура в полости пульпы опускалась ниже температуры окружающей среды. Без охлаждения температура поднималась до критического уровня. То же самое происходило и при обработке на низкой скорости (11000 об/мин). В ходе исследования реакцию пульпы на препарирование полости с водно-воздушным охлаждением и без него изучали гистологически. При использовании водно-воздушного охлаждения изменения в пульпе были незначительны, при условии, что толщина оставшегося после препарирования дентина была более 1мм. При препарировании без применения водно-воздушного охлаждения в пульпе наблюдались выраженные гистологические изменения, аналогичные описанным выше.

Обоснование актуальности проводимых исследований
Несмотря на большое количество публикаций касающихся повреждающего влияния высокой температуры на ткани пульпы зуба, представляется недостаточно изученным аспект, касающийся динамики температурных изменений в полости пульпы, происходящих во время препарирования, а так же взаимосвязи динамического изменения температуры с режимом препарирования, скоростью вращения инструмента, применяемым инструментом и наличием водно-воздушного охлаждения. Что касается температурных изменений в случае препарирования кариозно изменѐнного дентина, в том числе и с помощью полимерных боров, то такие данные в доступной литературе отсутствуют. Также представляется необходимым уточнение данных касающихся теплопроводности дентина, как здорового, так и кариозно изменѐнного, поскольку литературные данные немногочисленны и вызывают сомнения.

Цель экспериментального исследования.
Цель эксперимента – определить динамику изменения температуры в полости пульпы в процессе препарирования интактных и кариозно изменѐнных тканей зуба с применением различных типов наконечников и боров, в условиях наличия или отсутствия водно-воздушного охлаждения, и определить теплопроводность кариозно изменѐнного и здорового дентина, с помощью физико-математического анализа полученных в эксперименте данных.

В части первой данной статьи рассмотрена методика эксперимента, данные температурных измерений в полости пульпы в процессе препарирования и их качественный анализ. Физико-математический анализ и результаты оценки теплопроводности здорового и кариозно изменѐнного дентина подробно изложены в части второй.

Материалы и методы.
Исследования проводились на 10 молярах верхней челюсти, удалѐнных по пародонтологическим показаниям у пациентов обоих полов в возрасте от 35 до 55 лет, имеющих глубокие кариозные поражения первого и второго класса по Блеку (Рис.1). Зубы отбирались в эксперимент не позднее 15 минут после их удаления из полости рта, очищались и сохранялись в дистиллированной воде при температуре не выше +4°C в течение не более 10 дней.

Непосредственно перед экспериментом, у зуба-образца проводилась частичная секция корней, канал одного из которых ретроградно препарировался вплоть до коронковой части полости пульпы (Рис.2). Полость очищали сначала механически, а затем химически с помощью растворов гипохлорита натрия (3%) и ЭДТА (17%). Затем полость промывали дистиллированной водой, сушили и заполняли термопроводящей пастой "Радиал" (Россия). Внутрь коронковой части полости пульпы через препарированный канал в среде термопроводящей пасты помещалась термопара К-типа никель-хром/никель-алюминий, имеющая размер датчика 0.5мм (Рис.3, 4).

Термопара, подключѐнная к электронному измерителю температуры "Center 300", позволяла проводить прямой отсчѐт температуры в градусах Цельсия (Рис.5).

Подготовленный зуб-образец закреплялся в держателе так, чтобы исключить поток тепла на держатель и избежать, таким образом, методической погрешности измерения. Данные измерений фиксировались компьютером с помощью специализированной программы Termolink для Windows XP (Рис.6).

Для препарирования использовали полимерные, стандартные алмазные и твердосплавные шаровидные боры по размеру соответствующие 3 типам полимерных боров. В каждом конкретном случае препарирования инструменты выбирали в зависимости от размеров и объѐма кариозного поражения (Рис.7).

Полимерные боры предназначены для удаления исключительно кариозно изменѐнного, размягчѐнного дентина и представляют собой инструменты RA типа трѐх размеров (RA#2,RA#4, RA#6) с рабочей частью, изготовленной из полимерного соединения – полиэтил-кетон-кетона. По данным фирмы-производителя, применѐнный для изготовления головки полимер имеет твѐрдость 50KHN, что позволяет избежать излишнего удаления тканей зуба. Бор одноразовый, рекомендуемая рабочая скорость вращения 500-800об/мин, без водно-воздушного охлаждения. Режущая часть имеет своеобразный дизайн – шаровидная головка с четырьмя округлыми, не агрессивными гранями (Рис.8).

Для препарирования алмазными борами использовался турбинный наконечник W&H Trend HS TC-95RM, с одной апертурой для водно-воздушного охлаждения. Для препарирования твердосплавными борами использовался механический наконечник W&H Synea LS WA-56L с электрическим микро-мотором. Для препарирования полимерными борами использовался наконечник Anthogyr Micro NiTi с редукцией скорости 1:64 для электрического микро-мотора.

Эксперимент проводили в замкнутом помещении, температура в помещении колебалась в пределах 19-22°C.

С целью определения теплопроводности как кариозно изменѐнного дентина, так и здорового, препарирование зубов проводилось по схеме, представленной на рисунке 9. Коронковую часть зуба условно делили на четыре сектора. Область сохранившихся здоровых тканей выделяли в секторы 1 и 2. В секторе 1 проводили препарирование алмазными и твердосплавными борами без охлаждения. В секторе 2 алмазными и твердосплавными борами с охлаждением. Область кариозного поражения выделяли в секторы 3 и 4, где сначала препарировались нависающие края эмали с помощью алмазных боров с охлаждением, а затем кариозно изменѐнный дентин удалялся в равных долях с помощью твердосплавных боров с охлаждением и полимерных без охлаждения. С целью получения дополнительных данных для анализа, уже препарированную поверхность здорового дентина в секторе 2, повторно обрабатывали полимерными борами.

Препарирование проводилось в обычном прерывистом режиме и на стандартных скоростях вращения боров (150000-200000 об/мин для алмазных, 25000-30000 об/мин для твердосплавных, 600-800 об/мин для полимерных боров). Объѐм водно-воздушного охлаждения составлял 40 мл/мин. После препарирования участка тканей в каждом из секторов,ждали, пока температура зуба сравняется с температурой окружающей среды.

Время препарирования варьировало в каждом конкретном случае в зависимости от размера зуба и объѐма кариозного поражения. Однако для проведения оценок и анализа выделялся временной интервал не превышающий 80 сек. Показания прибора фиксировались на всѐм протяжении препарирования с дискретностью в пять секунд.

В результате проведѐнных препарирований были получены десять последовательностей измерений (по количеству зубов), каждая из которых, в свою очередь, была разделенафрагментами на четыре группы (по секторам):

В первую группу выделили 10 измерений процесса препарирования алмазными и твердосплавными борами без использования водно-воздушного охлаждения (сектор 1 на рис.9).

Во вторую группу выделили 10 измерений процесса препарирования алмазными и твердосплавными борами с использования водно-воздушного охлаждения (сектор 2 на рис.9).

В третью группу выделили 10 измерений процесса препарирования глубоких кариозных полостей, которые были препарированы алмазными и твердосплавными борами с использованием водно-воздушного охлаждения (сектор 3 на рис.9).

В четвѐртую группу были включены по 10 измерений процессов препарирования глубоких кариозных полостей (сектор 4 на рис.9) и чистого дентина (сектор 2 на рис.9) с помощью полимерных боров, которые во всех случаях использовали без охлаждения в соответствии с рекомендациями производителя.

Таким образом, было получено такое количество измерений, которое позволило компенсировать возможные методические ошибки, особенности каждого из экспериментальных образцов и провести объективный физико-математический анализ.

На Рис. 10 приведена наиболее характерная зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании эмали зубов алмазными борами без охлаждения. Несмотря на то, что происходило только препарирование эмали, и толщина дентина была велика, прирост температуры был достаточно значительным и составил 3-4,5°C в течение 80 секунд. Процесс имеет экспоненциальный характер, поскольку нагревание зуба начинается сразу, как только начинается препарирование.

На Рис.11 представлена зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании эмали зубов алмазными инструментами с охлаждением. Видно, что по истечении 80 секунд процесс нагревания еще продолжается, и тенденции к насыщению (как на Рис.12) к этому моменту времени не видно. Процесс нагревания имеет волнообразный характер, что видимо, обусловливается неравномерностью охлаждения различных участков зуба, причем вначале процесса препарирования имеется тенденция к охлаждению.

На Рис.12 представлена зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании с помощью алмазных боров эмали карозно изменѐнных участков зубов. Видно, что процесс нарастания температуры заканчивается полностью через 40–50 секунд после начала препарирования, однако начинается очень резко. Это, видимо, связано с малой толщиной дентина в случае глубокого кариозного процесса и, соответственно, близостью источника тепла к приемнику (термопаре).

Качественный анализ зависимостей показывает, что амплитуда приращения температуры, по-видимому, слабо связана с интенсивностью принудительного охлаждения. Максимальное значение прироста температуры во всех случаях, составило примерно 4ºC. Это свидетельствует о недостаточной эффективности отвода тепла с тканей зуба и интенсивным тепловыделением при препарировании с помощью турбинного наконечника за счѐт высокой скорости вращения инструмента. Такой режим препарирования является опасным и может быстро привести к возникновению патологического процесса в пульпе.

На Рис.13 приведена наиболее характерная зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании дентина зубов твердосплавными борами без охлаждения.Несмотря на то, что толщина дентина была достаточно велика, прирост температуры был значительным и
составил 3-3,5°C в течение 80 секунд. Процесс имеет экспоненциальный характер: видно, что нагревание зуба начинается сразу в начале препарирования.

На Рис.14 приведена зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании дентина твердосплавными борами в присутствии охлаждения. Сначала отмечается относительно быстрый рост температуры, а потом возникает период насыщения, в котором подъѐм происходит очень медленно. Быстрый рост температуры, по сравнению с ранее проанализированными случаями, можно объяснить, по-видимому, утончением дентинной стенки в процессе препарирования и, таким образом, меньшей величиной теплового сопротивления.

На Рис.15 приведена характерная зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании твердосплавными борами дентина кариозно изменѐнных участков зубов. Видно, что график практически не отличается от представленного на Рис.14. Это позволяет предположить, что процессы препарирования в отношении роста температуры являются также сходными. Виден быстрый рост, и затем переход к насыщению.

Качественный анализ зависимостей показывает, что максимальное значение прироста температуры имеет тот же порядок величины, что и при препарировании алмазными инструментами - примерно 3,5-4ºC. Несмотря на значительное снижение скорости препарирования (по отношению к скорости препарирования алмазными борами) высокий рост температуры во всех случаях, видимо, связан с утончением стенки дентина и также свидетельствует о невысокой эффективности отвода тепла с помощью водно-воздушного охлаждения. Такой режим препарирования является опасным и может привести к патологическим изменениям в пульпе.

Интересно отметить, что при препарировании полимерными инструментами участков чистого, здорового дентина (сектор 2 рис.9) развивается невысокая температура в точке соприкосновения инструмента с тканью (Рис.16). Процесс нарастания длинный, потому что в этом случае нет резкого подъѐма температуры в точке соприкосновения инструмента с тканью, нагревание здесь происходит медленно по мере трения.

На Рис.17 представлена зависимость температуры (T°C) от времени (t∙5сек) при препарировании полимерными инструментами дентина кариозно изменѐнных участков зубов. Поскольку, как уже отмечалось выше, при препарировании полимерными борами нет резкого нарастания температуры, и переходного процесса не происходит, то и уменьшения теплового сопротивления дентинной стенки увидеть нельзя, хотя оно, несомненно, имеет место. Скорость нарастания температуры определяется скоростью еѐ нарастания в точке соприкосновения инструмента с тканью, а не скоростью передачи тепла через тепловое сопротивление стенки дентина, поэтому характеристики стенки (еѐ теплопроводности) не видно.

Качественный анализ зависимостей показывает, что величина приращения температуры ниже, чем во всех рассмотренных ранее случаях препарирования. Такой невысокий рост температуры, по-видимому, связан с очень низкой скоростью вращения, применяемой при использовании полимерных боров, и с особым характером взаимодействия инструмента с кариозным дентином, которое больше напоминает скалывание, чем резание.

Наблюдающийся спад температуры на 1−1.5 градуса вначале процесса препарирования может быть связан с испарением жидкости со стенки зуба при соприкосновении инструмента с влажной поверхностью. В случаях препарирования алмазными или твердосплавными борами этого испарения нет, так как срезается весь слой сразу вместе с жидкими фракциями.

Во всех случаях препарирования полимерными инструментами рост температуры находился в пределах 1 °C, что является очень малой величиной в сравнении с другими типами инструментов. Процесс препарирования является исключительно щадящим и безопасным. Термическая травма пульпы маловероятна.

В работе получены оригинальные результаты исследования процесса генерации тепла при препарировании твѐрдых тканей зуба несколькими типами боров при различных режимах их использования.

1. Показано, что препарирование алмазными борами с помощью турбины и твердосплавными с помощью микромотора является опасным с точки зрения термической травмы пульпы. Препарирование этими инструментами должно проводится осторожно и непродолжительно по времени.

2. Показано, что эффективность водно-воздушного охлаждения в отношении профилактики термической травмы пульпы в некоторых случаях не очень высока, особенно в случае препарирования кариозно изменѐнного дентина.

3. Показано, что препарирование дентина полимерными инструментами сопровождается очень медленным ростом температуры, и скорость передачи тепла через стенку дентина в этом случае не сильно зависит от теплопроводности ткани. Этот вид препарирования кариозно изменѐнного дентина является наиболее безопасным.

4. Полученные результаты позволяют оценить перспективы дальнейших исследований, целью которых явилось бы точное определение температуры в точке генерации тепла при различных режимах препарирования.