Spektrofotometria w podczerwieni jako metoda pomocnicza w identyfikacji materiałów stomatologicznych

Transkrypt

1 PROTET. STOMATOL., 2007, LVII, 2, Spektrofotometria w podczerwieni jako metoda pomocnicza w identyfikacji materiałów stomatologicznych The infrared spectroscopy as supportive method of identification of dental materials Wiesław Hędzelek 1, Roman Wachowiak 2, Agnieszka Marcinkowska 1 Z Katedry Protetyki Stomatologicznej i Kliniki Protetyki AM im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu 1 Kierownik: prof. dr hab. n. med. W. Hędzelek Z Katedry i Zakładu Medycyny Sądowej, Pracowni Analizy Chemicznej Związków Toksycznych i Dopingowych AM im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu 2 Kierownik: prof. dr hab. farm. R. Wachowiak HASŁA INDEKSOWE: spektrofotometria w podczerwieni, materiały stomatologiczne, identyfikacja KEY WORDS: infrared spectroscopy, dental materials, identification Streszczenie Cel pracy: celem badań było przygotowanie katalogu widm w podczerwieni wybranych materiałów stomatologicznych, stosowanych w praktyce dentystycznej i tym samym spotykanych w jamie ustnej, pozwalającego na ich szybką identyfikację. Materiał i metoda: materiał do badań stanowiła grupa materiałów stomatologicznych o charakterze związków organicznych z wypełniaczami nieorganicznymi jak kompozyty, kompomery, glasjonomery oraz uszczelniacze bruzd i szczelin. Przeprowadzone badania spektrofotometryczne wykonano w fazie stałej (tabletka substancji badanej w bromku potasu KBr). Pomiary uzyskano przy pomocy aparatu spektrofotometr JR Bruker IFS 113 (Ettlingen, Germany) w zakresie podstawowym cm -1 oraz rozszerzonym dla charakterystycznych zakresów liczby falowej. Wyniki: wykonany katalog widm w podczerwieni powszechnie używanych materiałów stomatologicznych, stworzył systemowy układ identyfikacyjny, przydatny także w roszczeniowych kwestiach interpretacyjnych. Wnioski: struktura chemiczna syntetycznych materiałów stosowanych do wypełnień stomatologicznych charakteryzuje się intensywnym bogatym widmem w podczerwieni, które pozwala na identyfikację typowych grup funkcyjnych. Stąd użycie spektrofotometrii w podczerwieni pozwala dokonać szybkiej ich identyfikacji. Sunmary Aim of the study: The aim of the study was to prepare the database of infrared spectra of chosen dental materials facilitating their appropriate quick identification. Material and method: The studies were conducted on the group of dental materials used in the dental practice i.e. solid substances of organic character filled with inorganic fillers (composite materials, compomers, glass ionomers and fissure sealants). The measurements were performed in a solid phase (KBr technique disk) using JR Bruker JFS 113 spectrophotometer (Ettlingen, Germany) in the basic spectral range of cm -1 and extended spectral range for characteristic bands. Results: The database of infrared transmission spectra included the frequently employed dental materials was prepared to provide a systemic reference system, useful in controversial interpretation cases. Conclusions: Chemical structures of synthetic dental materials exhibit a specific intense infrared spectrum which permits to identify typical functional groups. Hence the application of infrared spectroscopy allows for a quick differential identification of typical dental materials. 132

2 Materiały stomatologiczne identyfikacja Możliwość wykruszenia materiału stomatologicznego, względnie fragmentu zęba zarówno podczas prawidłowej funkcji żucia jak i występującej parafunkcji, wymaga niekiedy wiarygodnej identyfikacji, potwierdzającej jego pochodzenie. Dotyczyć to może różnych sytuacji jak np. rozwiązywania problemów roszczeniowych. Wtenczas rozróżnienie struktury fragmentu materiału stomatologicznego, odłamka zęba od obecności innych, przypadkowych ciał stałych jest konieczne. Znaczącym problemem ostatnich lat są ukierunkowane skargi roszczeniowe pacjentów z powodu błędów w stomatologicznej sztuce lekarskiej, które często wymagają również odpowiednich badań identyfikacyjnych i jakościowych zastosowanych materiałów. Następstwa odkształceń mechanicznych czy narażenia na uszkodzenia struktury zębów podczas żucia może być także przedmiotem skarg używających gumę do żucia w stosunku do producenta tego materiału. Również identyfikacja materiałów stomatologicznych może stać się pomocna w badaniach sądowo-lekarskich w celu ustalenia tożsamości ofiar morderstw, działań militarnych, czy masowych katastrof. Stąd też znane są metody znakowania ruchomych protez zębowych również przydatne w identyfikacji osób (1). Dla szybkiej identyfikacji materiałów stomatologicznych proponowane są różne sposoby, jednak najbardziej skuteczną może być jedna z prostszych metod fizykochemicznej analizy jakościowej związków zarówno organicznych jak i nieorganicznych tj. spektrofotometria w podczerwieni (spektrofotometria IR). Metoda ta opiera się na absorpcji promieniowania podczerwonego przez pobudzone, oscylujące cząsteczki badanych związków. Wiele grup funkcyjnych czy innych charakterystycznych ugrupowań strukturalnych absorbuje promieniowanie podczerwone w bardzo wąskim, określonym zakresie promieniowania elektromagnetycznego, który staje się charakterystyczny dla identyfikacji poszczególnych związków chemicznych. Każdej grupie związków odpowiada kilka charakterystycznych liczb falowych, determinowanych zróżnicowaną strukturą chemiczną. Pomiary wymagają zaledwie kilku miligramów drobno sproszkowanej substancji, np. materiału stomatologicznego, dla przeprowadzenia jego analizy. W piśmiennictwie spotyka się szereg badań z użyciem spektrofotometrii IR, a zwłaszcza spektroskopii Ramanowskiej, pozwalających na ocenę właściwości fizyko-chemicznych materiałów stomatologicznych (2-19). Poszczególne zastosowanie obu metod znajduje się w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym oraz spożywczym. Wielu autorów (10, 14, 15, 18, 20, 21) w badaniach materiałów naturalnych i syntetycznych, a także tkanek i organizmów żywych, wykorzystuje technikę spektroskopii Ramanowskiej opartej na zjawisku rozpraszania monochromatycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego przez badaną substancję. Metoda ta pozwala również na analizę śladowych ilości substancji, jednak wymaga jak większość metod spektroskopowych unikalnej, a zarazem drogiej aparatury pomiarowej (16, 22). Aktualnie obie metody, zarówno spektrofotometria IR, jak i spektroskopia Ramanowska uważane są za przydatne w identyfikacji ciał stałych i wzajemnie się uzupełniające. W pracy Kalasinsky i wsp. (22) wskazali na możliwość wykorzystania metod spektroskopii FTIR oraz Ramanowskiej w analizie próbek tkanek z minimalną ilością ciał obcych. Z kolei inni autorzy (23) dyskutują możliwość zastosowania spektrofotometrii IR, jako metody nieinwazyjnej, dla celów diagnostyki chorób in vivo odsłoniętych powierzchni ciała, jak skóra, zęby czy paznokcie. Cel pracy Celem badań było przygotowanie katalogu widm w podczerwieni wybranych materiałów stomatologicznych, stosowanych obecnie w praktyce dentystycznej i tym samym spotykanych w jamie ustnej, pozwalającego na ich szybką identyfikację. Materiał i metoda Materiał do badań stanowiła grupa materiałów stomatologicznych o charakterze związków organicznych z wypełniaczami nieorganicznymi: kompozyty Charisma, Venus (Heraeus Kulzer, Hanau, Germany), Filtek (3M ESPE, Seefeld, Germany), XRV Herculite Prodigy (Kerr, Orange, USA), Pertac II (ESPE, Seefeld, Germany), Tetric Ceram, Tetric Flow (Ivoclar Vivadent, Schaan, PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2007, LVII, 2 133

3 W. Hędzelek i inni Liechtenstein), kompomery Dyract extra (Densply DeTrey, Konstanz, Germany), Hytac (ESPE, Seefeld, Germany), Twinky Star (VOCO, Cuxhaven, Germany), glasjonomery GC Fuji IX (GC Europe N.V., Leuven, Belgium), Ketac- Molar (ESPE, Seefeld, Germany), Vitremer (3M, St.Paul, MN, USA), uszczelniacze bruzd i szczelin Conseal f (SDI, Victoria, Australia), Helioseal F (Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein). Przeprowadzone badania spektrofotometryczne wykonano w fazie stałej (tabletka substancji badanej w bromku potasu KBr). Zmieszano około 6-9 mg analizowanej sproszkowanej substancji z około 250 mg KBr. Następnie mieszaninę poddano pastylkowaniu (Ø14 mm) pod ciśnieniem. Pomiary uzyskano przy pomocy aparatu spektrofotometr JR Bruker IFS 113 (Ettlingen, Germany) w zakresie podstawowym cm -1 oraz rozszerzonym dla charakterystycznych zakresów liczby falowej. Wyniki i ich omówienie Opracowany katalog widm w podczerwieni (widm IR) wybranych 15-tu materiałów stomatologicznych, stworzył systemowy układ identyfikacyjny, przydatny do ich rozróżniania także w roszczeniowych kwestiach interpretacyjnych. Widma IR organicznych materiałów stomatologicznych z grupy kompomerów z znaczącym udziałem typowej polimerowej matrycy, zawierającej aromatyczne lub uretanowe dioksylowe oligomery jak np. bisfenylo-glicydylo metakrylan (Bis-GMA) z dodatkiem nieorganicznych wypełniaczy (szkło glinowo-krzemowe i inne środki pomocnicze) przedstawia ryc. 1. Widmo IR typowych kompomerów wyróżnia się obecnością pasma absorpcji dla ugrupowania estrowego (-COOCH 3 ) w zakresie cm -1 oraz oddziaływaniem komponentów wypełnień nieorganicznych 466 cm -1, 1084 cm -1 (intensywne pasmo SiO 2 ) i 3420 cm -1 (OH - ). Podobna zależność występuje podczas analizy porównawczej widm IR trwałych wypełnień z grupy kompozytów oraz uszczelniaczy bruzd i szczelin, zawierających dominującą część polimetakrylanu metylu z wypełniaczem nieorganicznym. Widma wybranych laków uszczelniających obok kompozytów przedstawia ryc. 2. Widma IR typowych materiałów używanych często do odbudowy i wypełnień, zawierających obok polimetylometakrylanu wywodzącego się z monomeru Bis-GMA i szkła monomerowego, glinokrzemianów sodu i wapnia przedstawia ryc. 3. Charakterystyczne pasma absorpcji dla tej grupy materiałów potwierdza obecność ugrupowania estrowego w strukturze polimetyloksylanu 1725 cm -1 (wyraźne pasmo absorpcji dla glasjonomeru (a, b) 1721 cm -1 ), cm -1 glasjonomer (c). Równocześnie w zakresie pasm absorpcji 3435 cm -1, 3445 cm -1, 3439 cm -1 można wskazać na pasmo związane z obecnością grupy Si-OH. W zapisie widma IR można wyróżnić dodatkowo charakterystyczne pasma absorpcji związane ze strukturą glinokrzemianu 1055 cm -1, 657 cm -1, 452 cm -1 (glasjonomer (c)), 1065 cm -1, 668 cm -1, 452 cm -1 (glasjonomer (b)), 1067 cm -1, 747 cm -1, 454 cm -1 (glasjonomer (a)). Ryc. 1. Widma IR kompomerów: (a) Dyract extra, (b) Hytac, (c) Twinky Star. Ryc. 2. Widma IR uszczelniaczy bruzd i szczelin oraz materiałów kompozytowych: (a) Helioseal F, (b) Conseal f, (c) Venus, (d) XRV Herculite Prodigy. 134 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2007, LVII, 2

4 Materiały stomatologiczne identyfikacja Ryc. 3. Widma IR glasjonomerów: (a) Vitremer, (b) GC Fuji IX, (c) Ketac-Molar. Ryc. 4. Widma IR materiałów kompozytowych: (a) Charisma, (b) Tetric Ceram, (c) Tetric Flow, (d) Filtek, (e) Pertac II. Ostatnia grupa widm IR (ryc. 4) dotyczy często używanych wypełnień stomatologicznych (kompozytów) zawierających obok struktury polimetakrylanu nieorganiczne wypełniacze. W zapisie widm IR badanej grupy wypełnień wyróżnia się charakterystyczne pasmo przy cm -1 typowe dla ugrupowania estrowego COOCH 3 potwierdzające obecność polimetakrylanu we wszystkich materiałach. Obecność komponentów nieorganicznych wynika z obecności w zapisie widma pasm absorpcji przy 474 cm -1 i cm -1. Dyskusja W przypadkach skarg użytkowników gumy do żucia problem dotyczy rozróżnienia struktury fragmentu materiału stomatologicznego, odłamka zęba od obecności przypadkowych zanieczyszczeń tego materiału, powstałych w procesie jej produkcji. W sprawach roszczeniowych rocznie, od 2001 roku zleconych przez Wrigley Poland Ltd Katedrze i Zakładowi Medycyny Sądowej, Pracowni Analizy Chemicznej Związków Toksycznych i Dopingowych w Poznaniu, w większości przypadków potwierdzono obecność materiałów dentystycznych obok rzadziej zidentyfikowanych naturalnych struktur zęba. Widma IR materiałów stomatologicznych o charakterze organicznym wykazują obecność typowych grup funkcyjnych, jak estrowe, aminowe, pierwszo i drugorzędowe ugrupowania amidowe i inne. Charakterystyka widm IR materiałów z typową matrycą organiczną z grupy kompozytów, kompomerów czy uszczelniaczy bruzd i szczelin może być przydatna w ocenie zawartości poszczególnych żywic, jak bis-gma, UDMA, TEGDMA oraz bis-ema, ich konwersji oraz wpływie na właściwości fizyczne materiałów dentystycznych (5, 6, 7, 12, 13). Identyfikacja pasma przy 1537 cm -1 odpowiadającego drugorzędowym amidom jest wartościowym wyznacznikiem oceny przemiany w materiałach z polimerową matrycą zawierającą monomer w postaci dimetakrylanu uretanowego (UDMA) (7). W przypadku syntetycznych materiałów na bazie polimerów duży stopień polimeryzacji ma istotne znaczenie dla ich właściwości fizyko-mechanicznych, a dalej użytkowych. Wynikiem stopniowej polimeryzacji może być większa zawartość monomeru resztkowego w materiale, a stąd mniejsza wytrzymałość mechaniczna tworzywa, a także uwalnianie monomeru i drażnienie otaczających tkanek. Dlatego też analiza chemiczna i mechaniczna materiałów przyczyniają się do rozwoju i produkcji tworzyw z wykorzystaniem nowych monomerów jak np. POSS-MA, a techniki spektroskopowe pozwalają na ocenę ich przydatności (6). W przypadku glasjonomerów modyfikowanych żywicą jednym ze składników płynu jest metakrylan hydroksyetylowy (HEMA). W związku z potencjalnym cytotoksycznym działaniem HEMA na miazgę zęba poprzez jego uwalnianie podczas wiązania materiału, podjęto próbę wykorzystania innych akrylowych i metakrylowych pochodnych aminokwasów w światłoutwardzalnych glasjonomerach, co pozwoliłoby na eliminację cytotoksyczności i wpłynęło na poprawę PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2007, LVII, 2 135

5 W. Hędzelek i inni właściwości mechanicznych. Pozytywne wyniki dałyby możliwość wykorzystania nowych związków w produkcji glasjonomerów wzmacnianych żywicą. Również w tego typu badaniach wykorzystano metodę spektroskopową FTIR, a w spektrach wszystkich poszczególnych związków chemicznych wyróżniono silne pasma 1720 cm -1, 1620 cm -1, 1540 cm -1 i 1655 cm -1 przypisane kolejno grupie karbonylowej (C=O), pierwszo i drugorzędowemu ugrupowaniu amidowemu oraz wiązaniu C=C (17). Za pomocą FTIR przeprowadzono również analizę wpływu roztworów kwasów na wybrane kompomery, kompozyty i glasjonomery. Wykazano różnice w widmach materiałów przed i po zanurzeniu w roztworach kwasów. Po 6 miesiącach doświadczenia zidentyfikowano szerokie pasmo cm -1 charakterystyczne dla karboksylanów metalu różniące widmo tego samego materiału przed i po badaniu (9). Badania sądowo-lekarskie związane z występowaniem substancji stałych w jamie ustnej wskazują na przydatność tworzenia katalogu widm IR materiałów stomatologicznych celem późniejszej szybkiej i poprawnej ich identyfikacji. Wnioski 1. Struktura chemiczna syntetycznych materiałów stosowanych do wypełnień stomatologicznych charakteryzuje się intensywnym bogatym widmem w podczerwieni, które pozwala na identyfikację typowych grup funkcyjnych w układzie polimeru. 2. Użycie spektrofotometrii w podczerwieni w zakresie cm -1 pozwala dokonać szybkiej identyfikacji typowych materiałów stomatologicznych. Przeprowadzone badania wsparła firma Wrigley Poland Ltd. Piśmiennictwo 1. Ling B. C., Nambiar P., Low K. S., Lee C. K.: Copper vapour laser ID labelling on metal dentures and restorations. J. Forensic Odont., 2003, 21, 1, Ana I. D., Matsuya S., Ohta M., Ishikawa K.: Effects of added bioactive glass on the setting and mechanical properties of resin-modified glass ionomer cement. Biomat., 2003, 24, 18, De Maeyer E. A. P., Verbeeck R. M. H., Vercruysse C. W. J.: Infrared spectrometric study of acid-degradable glasses. J. Dent. Res., 2002, 81, 8, Diaz-Arnold A. M., Arnold M. A., Williams V. D.: Measurement of water sorption by resin composite adhesives with near-infrared spectroscopy. J. Dent. Res., 1992, 71, 3, Feilzer A. J., Dauvillier B. S.: Effect of TEGDMA/BisGMA ratio on stress development and viscoelastic properties of experimental two-paste composites. J. Dent. Res., 2003, 82, 10, Fong H., Dickens S. H., Flaim G. M.: Evaluation of dental restorative composites containing polyhedral oligomeric silsesquioxane methacrylate. Dent. Mater., 2005, 21, 6, Guerra R. M., Duran I., Ortiz P.: FTIR monomer conversion analysis of UDMA-based dental resins. J. Oral Rehabil., 1996, 23, 9, Nagarajan V. S., Jahanmir S., Thompson V. P.: In vitro contact wear of dental composites. Dent. Mater., 2004, 20, 1, Nicholson J. W., Gjorgievska E., Bajraktarova B.: Changes in properties of polyacid-modified composite resins (compomers) following storage in acidic solutions. J. Oral Rehabil., 2003, 30, 6, Pezzotti G.: Raman piezo-spectroscopic analysis of natural and synthetic biomaterials. Anal. Bioanal. Chem., 2005, 381, 3, Sarkar N. K.: Metal-matrix interface in reinforced glass ionomers. Dent. Mater., 1999, 15, 6, Sideridou I., Tserki V., Papanastasiou G.: Effect of chemical structure on degree of conversion in light-cured dimethacrylate-based dental resins. Biomaterials., 2002, 23, 8, Stansbury J. W., Dickens S. H.: Determination of double bond conversion in dental resins by near infrared spectroscopy. Dent. Mater., 2001, 17, 1, Suzuki M., Kato H., Wakumoto S.: Vibrational analysis by Raman Spectroscopy of the interface between dental adhesive resin and dentin. J. Dent. Res., 1991, 70, 7, Suzuki M., Fujishima A., Miyazaki T., Hisamitsu H., Kojima K., Kadoma Y.: A study on the adsorption structure of an adhesive monomer for precious metals by surface-enhanced Raman scattering spectroscopy. Biomat., 1999, 20, 9, Weiss P., Bohic S., Lapkowski M., Daculsi G.: Application of FT-IR microspectroscopy to the study of an injectable composite for bone and dental surgery. J. Biomed. Mater. Res., 1998, 41, 1, Xie D., Chung I-D., Wu W., Mays J.: Synthesis and evaluation of HEMA-free glass-ionomer cements for dental applications. Dent. Mater., 2004, 20, 5, Xu J., Butler I. S., Gibson D. F. R., Stangel 136 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2007, LVII, 2

6 Materiały stomatologiczne identyfikacja I.: High-pressure infrared and FT-Raman investigation of a dental composite. Biomat., 1997, 18, 24, Yip H. K., To W. M.: An FTIR study of the effects of artificial saliva on the physical characteristics of the glass ionomer cements used for art. Dent. Mater., 2005, 21, 8, Schrader B., Dippel B., Erb I., Keller S., Löchte T., Schulz H., Tatsch E., Wessel S.: NIR Raman spectroscopy in medicine and biology: results and aspects. J. Mol. Struct., 1999, , Tsuda H., Arends J.: Raman spectroscopy in dental research: a short review of recent studies. Adv. Dent. Res., 1997, 11, 4, Kalasinsky K. S., Kalasinsky V. F.: Infrared and Raman microspectroscopy of foreign materials in tissue specimens. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2005, 61, 7, Mantsch H., Jackson M.: Molecular spectroscopy in biodiagnostics (From Hippocrates to Herschel and Beyond). J. Mol. Struct., 1995, 347, Zaakceptowano do druku: 16.XI.2006 r. Adres autorów: Poznań, ul. Bukowska 70. Zarząd Główny PTS PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2007, LVII, 2 137