PRACE ORYGINALNE
Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 53 57 © Copyright by Silesian Piasts University of Medicine in WrocÅ‚aw
and Polish Stomatological Association
ISSN 1644-387X
PIOTR WYCHOWAC
SKI2, JOANNA KOLMAS1, EMIL KALINOWSKI2, DARIUSZ KRZYWICKI2,
PAWEA
CHOMICKI2, MARTA G
SIOROWSKA1, ANDRZEJ WOJTOWICZ2, WACA
AW KOA
ODZIEJSKI1
Analiza porównawcza szkliwa i zębiny
ludzkich zębów prawidłowych oraz nadliczbowych
metodÄ… mikrospektroskopii
w zakresie średniej podczerwieni
Comparative Analysis of Enamel and Dentin from Regular
and Supranumerary Human Teeth by Means
of the Middle-Range Infrared Microspectroscopy
1
Katedra i Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Wydział Farmaceutyczny AM w Warszawie
2
Zakład Chirurgii Stomatologicznej IS AM w Warszawie
Streszczenie
Wprowadzenie. Spektroskopię w podczerwieni od wielu lat wykorzystuje się do badań materiałów biologicznych.
W badaniach fazy stałej, oprócz tradycyjnej techniki transmisyjnej, można zastosować technikę odbiciową. Wid-
ma otrzymane techniką odbicia zwierciadlanego przypominają widma transmisyjne, wówczas gdy grubość próbki
jest równa długości promieniowania, które na nią pada. Otrzymane widma poddaje się transformacji matematycz-
nej, a w przypadku odbicia zwierciadlanego najczęściej stosuje się transformację Kramersa-Kroniga. Występo-
wanie zęba nadliczbowego jest zaliczane do zaburzeń dotyczących zwiększonej liczby zębów o nieprawidłowej
budowie. Anomalia ta jest uwarunkowana genetycznie.
Cel pracy. Porównanie widm tkanek twardych zębów prawidłowych i nadliczbowych zarejestrowanych techniką
odbiciową w średniej podczerwieni, a także ocena przydatności tej techniki do badania różnic w składzie chemicz-
nym tych tkanek.
Materiał i metody. Badano tkanki zmineralizowane (zębinę i szkliwo) zębów prawidłowych oraz nadliczbowych
metodą mikrospektroskopii w średniej podczerwieni. Zastosowano technikę odbicia zwierciadlanego. Zarejestro-
wane widma przypisano, a następnie analizowano pod kątem różnic w budowie chemicznej tych tkanek.
Wyniki. Wyniki przedstawiono w formie graficznej.
Wnioski. Mikrospektroskopia w zakresie średniej podczerwieni daje możliwość wiarygodnego analizowania tka-
nek twardych ze szlifów, bez niszczenia ich struktury (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 53 57).
Słowa kluczowe: mikrospektroskopia w podczerwieni, zęby prawidłowe, zęby nadliczbowe.
Abstract
Background. Spectroscopy in infrared has been used for study of biological materials for ages. In study in con-
stant phase, beside traditional transmission technique, the reflection technique may be used. Spectra received by
means of mirror-reflection resemble transmission spectra if width of the specimen is equal to wavelength incident
on it. Received spectra are submitted to transformation, in mirror-reflection the most common is Kramers-Kronig
transformation. Supernumerary teeth are disturbance concerning increased number of teeth of irregular building.
This anomaly is genetically conditioned.
Objectives. The comparison of spectra of regular and supernumerary teeth mineral tissues received by means of
the mirror-reflection middle-range infrared microspectroscopy, and evaluation this technique for study differences
of chemical constitution of these tissues.
Material and Methods. Mineralised tissues (enamel and dentin) from regular and supernumerary human teeth
Praca zrealizowana w ramach tematu statutowego FW-23/N/2005.
54 P. WYCHOWAC
SKI et al.
have been studied by means of the middle-range infrared microspectroscopy. Specular reflection mode has been
used. Recorded spectra have been assigned and then analysed with respect to chemical composition of the tissues.
Results. Results were showed in pictures.
Conclusions. The middle-range infrared microspectroscopy appears to be a valuable method for the analysis of the
tooth hard tissues received from specimen, without destroying their structure (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 53 57).
Key words: infrared microspectroscopy, regular teeth, supernumerary teeth.
SpektroskopiÄ™ w podczerwieni od wielu lat odbicia zwierciadlanego przypominajÄ… widma
wykorzystuje się do badań materiałów biologicz- transmisyjne, wówczas gdy grubość próbki jest
nych, w tym do analizy tkanek wchodzących równa długości promieniowania, które na nią pa-
w skład zęba. Stosowano ją w badaniach składu da. W innych przypadkach, aby  sprowadzić
chemicznego tkanek twardych, zarówno zdrowych otrzymane widmo odbiciowe do postaci widma
[1 6], jak i patologicznych [7 9] oraz śledzono pro- transmisyjnego poddaje się je odpowiedniej trans-
cesy, jakim tkanki ulegają w ciągu życia [10, 11]. formacji matematycznej, wykonywanej przez
W badaniach w fazie stałej, oprócz tradycyjnej komputer kontrolujący spektrometr IR. W przy-
techniki transmisyjnej, która wymaga przygoto- padku odbicia zwierciadlanego najczęściej stosuje
wania materiału w postaci pastylek z bromkiem się transformację Kramersa-Kroniga.
potasu lub jego suspensji w Nujolu, można zasto- Występowanie zęba nadliczbowego zalicza się
sować technikę odbiciową. Jest to technika umoż- do zaburzeń dotyczących zwiększonej liczby zę-
liwiająca wykonanie eksperymentu bez zniszcze- bów o nieprawidłowej budowie. Anomalia ta po-
nia struktury badanego obiektu, np. tkanki. Jest wstaje w wyniku zwiększonej aktywności listewki
jednak rzadziej stosowana, ponieważ wymaga zębowej i jest uwarunkowana genetycznie. Zęby
dodatkowego, specjalnego oprzyrządowania. nadliczbowe częściej można zaobserwować
W technice odbicia zwierciadlanego (specular re- w uzębieniu stałym, szczególnie w szczęce i głów-
flectance) próbkę umieszcza się na powierzchni nie u mężczyzn. Wada ta występuje bardzo często
odbijającej promieniowanie podczerwone (np. symetrycznie. Zęby te najczęściej spotyka się
płytce ze złota). Możliwe są wtedy dwie drogi w okolicy zębów siecznych w szczęce, drugich
optyczne: pierwsza, gdy promieniowanie po dotar- przedtrzonowców w żuchwie i szczęce oraz zębów
ciu do próbki odbija się od niej i dzięki systemowi trzonowych. W okolicy zębów trzonowych wyróż-
zwierciadeł trafia do detektora, druga, gdy promie- nia się dwa rodzaje zębów nadliczbowych  zęby
niowanie pada na próbkę, przechodzi przez nią zatrzonowcowe występujące w postaci szczątko-
i odbija się na złotej płytce, następnie przechodzi wej za trzecim zębem trzonowym najczęściej
z powrotem przez próbkę i w końcu trafia do de- w szczęce oraz zęby przytrzonowcowe zlokalizo-
tektora. Jakość widm rejestrowanych techniką wane policzkowo między pierwszym a drugim,
odbiciową silnie zależy od rodzaju powierzchni lub drugim a trzecim zębem trzonowym [12, 13].
próbki, grubości warstwy i jej transparencji dla Anomalia ta towarzyszy często niektórym zespo-
promieniowania podczerwonego. W szczególno- łom chorobowym uwarunkowanym genetycznie,
ści w przypadku próbki proszkowej liczy się wiel- jak np. zespół Gardnera, zespół Leoparda, zespół
kość ziaren (kryształów), a w przypadku materiału Hallermanna-Streiffa, dysostosis cleidocranialis,
w większych kawałkach duży wpływ na widmo w rozszczepkach warg i podniebienia. Jedną z cha-
ma faktura jego powierzchni. TechnikÄ™ odbiciowÄ… rakterystycznych postaci tej wady jest mezjodens,
stosuje się między innymi w pomiarach wykony- czyli ząb środkowy nadliczbowy [13].
wanych mikroskopem IR (mikrospektroskopia IR), Celem pracy było porównanie widm tkanek
który jest w stanie zarejestrować widma z bardzo twardych zębów prawidłowych i nadliczbowych
małych pikseli o wymiarach rzędu 0,1 mm. Moż- zarejestrowanych techniką odbiciową w średniej
liwe jest również  mapowanie powierzchni podczerwieni, a także ocena przydatności tej tech-
próbek. niki do badania różnic w składzie chemicznym
Ze względu na złożoność zjawisk absorpcji tych tkanek.
i odbicia promieniowania IR widma odbiciowe
różnią się od typowych widm otrzymanych techni-
ką transmisyjną. Różnice te nie dotyczą położenia Materiał i metody
pasm, lecz ich kształtu i względnej intensywności.
Przykładowo pasma mogą być odwrócone, gdy Materiał do badań stanowiły tkanki twarde
dochodzi do całkowitej absorpcji promieniowania (szkliwo oraz zębina) ludzkich, zdrowych zębów
przez badaną próbkę. Widma otrzymane techniką prawidłowych i nadliczbowych, usuniętych ze
Analiza porównawcza szkliwa i zębiny ludzkich zębów prawidłowych oraz nadliczbowych
55
wskazań ortodontycznych. Pobrano dwanaście zę-
bów przedtrzonowych prawidłowych szczęki
i dziesięć zębów nadliczbowych z przedniego od-
cinka szczęki. Następnie, za pomocą wierteł i se-
paratorów diamentowych, wykonano szlify o gru-
szkliwo zęba prawidłowego
enamel of regular tooth
bości około 1 2 mm. Tak przygotowany materiał
badano technikÄ… odbiciowÄ… w zakresie 4000 700
cm 1 za pomocÄ… aparatury firmy Perkin Elmer,
z użyciem mikroskopu AutoImage sprzężonego ze
spektrometrem Spectrum 1000.
szkliwo zęba nadliczbowego
System AutoImage umożliwia najpierw wy-
enamel of supernumerary tooth
bór zakresu widzialnego (podgląd próbki), a na-
stępnie rejestrację widma IR. Każdą z próbek
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400
umieszczano na powierzchni złotej płytki. Mikro-
liczba falowa cm 1
wave number
skop jest wyposażony w kamerę, dzięki której
można obserwować próbkę w świetle widzialnym Ryc. 1. Widma szkliwa zęba prawidłowego oraz nad-
liczbowego wykonane techniką odbiciową w średniej
na monitorze komputera. W ten sposób wybierano
podczerwieni. Widma poddano transformacji Kramer-
odpowiedni obszar, z którego następnie zbierano
sa-Kroniga w zakresie 4000 400 cm 1
widmo. Z każdego szlifu zęba wykonywano trzy
Fig. 1. Reflection infrared spectra of enamel from re-
pomiary w obszarze szkliwa oraz trzy w obszarze
gular and supranumerary teeth. The spectra were ob-
zębiny, wybierając przy tym miejsca różnie odda-
tained by Kramers-Kronig transformation
lone od granicy szkliwno-zębinowej. Pomiary
każdorazowo przeprowadzano przy szerokości
szczeliny 100 µm/100 µm, stosujÄ…c 1000 przebie-
gów (skanów) i automatycznie odejmując uprzed-
nio zarejestrowane tło. Każde widmo poddawano
transformacji Kramersa-Kroniga i przedstawiano
zębina zęba prawidłowego
dentin of regular tooth
jako zależność absorbancji od liczby falowej.
Wyniki
zębina zęba nadliczbowego
dentin of supernumerary tooth
Ryciny 1 i 2 przedstawiajÄ… wybrane, reprezen-
tatywne widma szkliwa i zębiny zębów prawidło-
wych i nadliczbowych zarejestrowane w zakresie
średniej podczerwieni, a następnie poddane trans-
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400
 1
formacji Kramersa-Kroniga. Rycina 1 przedstawia
liczba falowa cm
wave number
widma szkliwa zęba nadliczbowego i prawidłowe-
go. Rycina 2 przedstawia widma zębiny zęba pra-
Ryc. 2. Widma zębiny zęba prawidłowego oraz nad-
widłowego i nadliczbowego. liczbowego wykonane techniką odbiciową w średniej
podczerwieni. Widma poddano transformacji Kramer-
sa-Kroniga w zakresie 4000 400 cm 1
Fig. 2. Reflection infrared spectra of dentin from regu-
Omówienie
lar and supranumerary teeth. The spectra were obtai-
Pasma fosforanów w zakresie 1200 1000 cm 1 ned by Kramers-Kronig transformation
są najlepiej rozdzielone dla szkliwa zęba prawidło-
wego (ryc. 1). Występują dwa, wyraz
nie zaznaczo-
ne pasma przy około 1095 i 1070 cm 1, przy czym tych zębów (ryc. 1 i 2). Świadczy to o większej
pierwsze jest zdecydowanie wyższe. W widmie krystaliczności szkliwa obu rodzajów badanych
szkliwa zęba nadliczbowego pasma te są nieco zębów. Dla zębiny zęba prawidłowego (ryc. 2)
przesunięte, gdyż występują odpowiednio przy bardziej intensywne jest pasmo fosforanowe o niż-
około 1110 i 1075 cm 1. Ich gorsze rozdzielenie mo- szej częstości (1060 cm 1), pasmo o wyższej czę-
że świadczyć o mniejszej krystaliczności apatytu stości (około 1100 cm 1) przejawia się jedynie ja-
frakcji mineralnej szkliwa zębów nadliczbowych. ko poszerzenie jego lewego zbocza. W przypadku
Pasma grup fosforanowych (1200 1000 cm 1) widma zębiny zęba nadliczbowego jest analogicz-
zębiny zęba prawidłowego i nadliczbowego są nie, ale rozdzielenie tych pasm jest jeszcze gorsze.
znacznie gorzej rozdzielone niż widma szkliwa Można więc przypuszczać, że zębina zębów nad-
56 P. WYCHOWAC
SKI et al.
liczbowych zawiera minerał o mniejszej krysta- różnienie tych dwóch typów substytucji na podsta-
liczności niż zębina zębów prawidłowych. wie różnic w położeniach pasm grup węglanowych
Nie jest Å‚atwa interpretacja pasma pojawiajÄ…- (tab. 1). Z przedstawionych widm (ryc. 1 i 2) wyni-
cego się we wszystkich badanych tkankach przy ka, że w szkliwie oraz zębinie zębów prawidłowych
około 1230 cm 1. Dla tkanek zębów nadliczbo- oraz nadliczbowych występują obydwa typy wę-
wych ma ono mniejszą intensywność względną glanów. Pasma 1540 i 1420 cm 1 zarejestrowanych
niż dla tkanek zębów prawidłowych. Znacznie widm odpowiadają odpowiednio pasmom 1545
wyższe jest w zębinie niż w szkliwie. Wobec tego i 1412 cm 1 z tabeli 1. Pasmo 1450 cm 1 natomiast
można by je interpretować jako pasmo macierzy nakłada się w opisanych widmach z pasmem
organicznej (pasmo amidowe III), której zębina 1465 cm 1, a pasmo 880 cm 1 nakłada się z pa-
zawiera znacznie więcej niż szkliwo. W szkliwie smem 873 cm 1. W widmach szkliwa pasma węgla-
jednak nie ma innych pasm amidowych (pasmo nowe sÄ… wyraz
nie mniej intensywne niż w widmach
amidowe I w zakresie 1680 1630 cm 1 oraz pasmo zębiny. Porównując szkliwo zęba prawidłowego ze
amidowe II w zakresie 1570 1515 cm 1), których szkliwem zęba nadliczbowego, można stwierdzić,
intensywność względem pasma amidowego III po- że raczej zawiera ono mniej grup węglanowych,
winna być większa. a względna intensywność pasm węglanów w tkan-
Na podstawie położenia, przez porównanie kach zębiny obu typów zębów jest zbliżona.
z widmem bruszytu CaHPO4 · H2O, pasmo 1230 cm 1
Tabela 1. Typowe położenia pasm grup węglanowych
można by także przypisać grupom wodorofosfora-
2 apatytów typu A i B w widmach transmisyjnych IR [1]
nowym HPO4 . Inne pasmo, które mogłoby po-
Table 1. Typical localizations of strands of carbonate
twierdzić obecność kwaśnych grup fosforanowych
apatites type A and B in transmission strands IR [1]
powinno pojawić się przy około 870 cm 1. W przy-
Węglany typu A Węglany typu B
padku szkliwa i zębiny interpretacja tego pasma nie
(Carbonates type A) (Carbonates type B)
jest jednak jednoznaczna, gdyż w tym samym ob-
cm 1 cm 1
szarze występują także pasma jonów węglanowych
v1 1545 1465
z sieci apatytu. Następną z możliwości jest przypi-
v4 1450 1412
sanie pasma 1230 cm 1 drganiom grupy > P =
v6 880 873
O występującej na granicy frakcji organicznej i mi-
neralnej [14]. Grupa taka może być  wolna lub
brać udział w wiązaniach wodorowych. Biorąc pod uwagę budowę komórki elemen-
Interesujące wydaje się również pasmo przy tarnej hydroksyapatytu można stwierdzić, że pod-
około 1650 cm 1. Jest ono znacznie większe w wid- stawienie grupami węglanowymi grup hydroksy-
mie zębiny (ryc. 2) niż szkliwa (ryc. 1), gdzie za- lowych i grup fosforanowych zaburza strukturę
równo dla zęba prawidłowego, jak i nadliczbowego krystaliczną apatytu. Minerał zębiny zawiera oko-
występuje w postaci szczątkowej. Można przypisać ło 2 razy więcej grup węglanowych niż minerał
je drganiom molekuł wody, co byłoby zgodne z da- szkliwa [15] i jest to jeden z powodów, dla których
nymi literaturowymi o większej zawartości wody apatyt zębiny ma gorszą krystaliczność.
w zębinie (około 10%) niż w szkliwie (< 2%). Pa-
smo to mogłoby również pochodzić od macierzy
organicznej (wcześniej wspomniane pasmo amido- Wnioski
we I), zaskakujący jest jednak wówczas brak inten-
sywnego pasma przy około 1740 cm 1 (pasmo Analiza widm IR wykazała, że minerał tkanek
drgań grupy karbonylowej C = O) występującego zębów prawidłowych jest bardziej krystaliczny niż
na przykład dla tkanki kostnej [14]. Należy również minerał zębów nadliczbowych. Zarejestrowane
zauważyć brak pasma drgań libracyjnych molekuł widma niezbicie dowodzą, że zawartość macierzy
wody przy około 630 cm 1 we wszystkich widmach. organicznej jest dużo większa w zębinie niż w szkli-
Z powyższej dyskusji wynika, że przypisanie wie. Apatyt obu rodzajów zębów zawiera grupy
pasm 1230 i 1650 cm 1 pozostaje na razie nieroz- węglanowe (zarówno typu A, jak i typu B), co
strzygnięte. wpływa na pogorszenie jego krystaliczności. Przed-
W widmach tkanek zębów prawidłowych i nad- stawione widma potwierdzają, że zębina zawiera
liczbowych są obecne pasma pochodzące od grup znacznie więcej jonów węglanowych niż szkliwo.
węglanowych z frakcji nieorganicznej. Grupy wę- Metoda mikrospektroskopii w zakresie śred-
glanowe mają zdolność wbudowywania się w sieć niej podczerwieni daje możliwość analizowania
krystaliczną apatytów w dwojaki sposób. Mogą twardych tkanek zęba z cienkich szlifów, a więc
podstawiać strukturalne grupy hydroksylowe hy- bez konieczności separowania tkanek i niszczenia
droksyapatytu (węglany typu A) lub grupy fosfora- ich struktury. Z tego względu planuje się dalsze
nowe w sieci krystalicznej (węglany typu B). prace wykorzystujące zalety tej techniki i badanie
W spektroskopii w podczerwieni jest możliwe roz- granic szkliwno-zębinowych.
Analiza porównawcza szkliwa i zębiny ludzkich zębów prawidłowych oraz nadliczbowych
57
Piśmiennictwo
[1] ELLIOTT J. C., HOLOCOMB D. W., YOUNG R. A.: Infrared determination of the degree of substitution of hydroxyl
by carbonate ions in human dental enamel. Calcif. Tissue Int. 1985, 37, 372 375.
[2] FEATHERSTONE J. D. B., MAYER I., DRIESSENS F. C. M., VERBEECK R. M. H., HEIJLIGERS H. J. M.: Synthetic apati-
tes containing Na, Mg and CO3 and their comparison with tooth enamel mineral. Calcif. Tissue Int. 1983, 35,
169 171.
[3] GREENE E., TAUCH S., WEBB E., AMARASIRIWARDENA D.: Application of diffuse reflectance infrared Fourier trans-
form spectroscopy (DRIFTS) for the identification of potential diagenesis and crystallinity changes in teeth. Mi-
crochem. J. 2004, 76, 141 149.
[4] SOWA M. G., MANTSCH H. H.: FT-IR Photoacoustic depth profiling spectroscopy of enamel. Calcif. Tissue Int.
1994, 54, 481 485.
[5] MAGNE D., PILET P., WEISS P., DACULSI G.: Fourier transform infrared microspectroscopic lnvestigation of the ma-
turation of nonstoichiometric apatites in mineralized tissues: a horse dentine study. Bone 2001, 29, 547 552.
[6] WYCHOWAC
SKI P., KALINOWSKI E., KOZIERADZKI K., KOLMAS J., KOA
ODZIEJSKI W., WOJTOWICZ A.: Analiza porów-
nawcza szkliwa, zębiny i cementu w zakresie średniej podczerwieni. Dent. Med. Prob. 2004, 41, 413 416.
[7] WOLOŻIN A. I., GRJECZISZNIKOW W. I.: Infrakrasnyje spektry dentina zubow czełowieka w normie i pri patologii.
Stomatologija 1987, 66, 5, 10 13.
[8] NIKOLISHIN A. K., KISLOVSKIJ L. D.: Infrakrasnaja spektroskopia emali pri fljuorozie zubow. Stomatologija 1991,
70, 2, 24 26.
[9] GRJECZISZNIKOW W. I.: Charaktier i osobiennosti walientnych koliebanij funkcjonalnych grupp w organoczeskoj
strukturie dentina zubow w noermie i pri patologii. Stomatologija 1989, 68, 5, 10 13.
[10] DI RENZO M., ELLIS T.H., SACHER E., STANGEL I.: A photoacoustic FTIRS study of the chemical modifications of
human dentin surfaces: Demineralization. Biomaterials 2001, 22, 787 792.
[11] DI RENZO M., ELLIS T.H., SACHER E., STANGEL I.: A photoacoustic FTIRS study of the chemical modifications of
human dentin surfaces: deproteination. Biomaterials 2001, 22, 793 797.
[12] BOHDANOWICZ F.: Chirurgia stomatologiczna. PZWL, Warszawa 1977, 61.
[13] WYCHOWAC
SKI P., WOJTOWICZ A., STAWICKA-WYCHOWAC
SKA R., ROSZKOWSKI W., KALINOWSKI E.: Analiza mor-
fologiczna zębiny zębów nadliczbowych i dodatkowych. Nowa Stomat. 2004, 27, 1, 3 6.
[14] KAFLAK-HACHULSKA A., KOLODZIEJSKI W.: Preliminary results on infrared microscopy of human bone. J. Mol.
Struc. 1999, 511, 217 221.
[15] PASTERIS J. D., WOPENKA B.: Lack of OH in nanocrystalline apatite as a function of degree of atomic order: im-
plication for bone and biomaterials. Biomaterials 2004, 25, 229 238.
Adres do korespondencji:
Emil Kalinowski
Zakład Chirurgii Stomatologicznej IS AM
ul. Nowogrodzka 59 paw. XI
02-006 Warszawa
tel.: [phone]
e-mail: [e-mail]
Praca wpłynęła do Redakcji: 4.01.2006 r.
Po recenzji: 16.01.2006 r.
Zaakceptowano do druku: 27.02.2006 r.
Received: 4.01.2006
Revised: 16.01.2006
Accepted: 27.02.2006