Istnieją różne metody, służące badaniu właściwości materiałów stosowanych w stomatologii. Wraz z upływem czasu metody wybierane przez badaczy stają się coraz bardziej precyzyjne. Pozwalają na badanie struktur biologicznych w ich naturalnym środowisku [1, 2, 3]. Jednym z takich urządzeń jest mikroskop sił atomowych (AFM). Kiedy w 1982 roku Binnig i Rohrer skonstruowali pierwszy na świecie skaningowy mikroskop tunelowy (STM), rozpoczęła się nowa era mikroskopii – skaningowa mikroskopia bliskich oddziaływań. Za swój wynalazek obaj naukowcy w roku 1986 otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W tym samym roku Binning, Quate i Gerber na bazie konstrukcji mikroskopu STM skonstruowali mikroskop sił atomowych (AFM).

Mikroskop sił atomowych należy do grupy mikroskopów nieoptycznych, które pozwalają uzyskiwać powiększone obrazy, omijając problem fizycznego ograniczenia mikroskopów optycznych, tj. zdolności rozdzielczej, na którą ma wpływ zjawisko dyfrakcji fali świetlnej. AFM charakteryzuje się praktyczną rozdzielczością na poziomie nanometrów, łatwo osiągalną wysoką rozdzielczością, łatwością przygotowania próbek badawczych, trójwymiarowym obrazowaniem badanych obiektów z możliwością pomiarów wielkości w każdym wymiarze oraz obserwacją struktur biologicznych in situ. Wadą badania AFM może być zniszczenie badanej próbki biologicznej podczas skanowania, gdyż struktury, takie jak białka są strukturami wysoce dynamicznymi i niewielka siła nacisku może spowodować ich uszkodzenie. Mikroskop sił atomowych umożliwił po raz pierwszy obserwację m.in. błony komórkowej w dużym powiększeniu i w warunkach fizjologicznych (Butt i wsp. – 1990), a także toksynę cholery (Yang i wsp. – 1993), gap junctions (Hoh – 1993) oraz strukturalne zmiany molekuł bakteryjnej rodopsyny (Müller i wsp. – 1995) [3]. Obecnie mikroskop sił atomowych jest uznawany za najbardziej wiarygodne urządzenie do badania powierzchni różnych struktur [5].

Mikroskop sił atomowych pracuje w taki sam sposób jak ludzkie palce, które dotykają i badają środowisko, w przypadku kiedy nie można posłużyć się narządem wzroku. Aby wyobrazić sobie to, czego nie widać, nasz mózg bada zmysłem dotyku topografię danej powierzchni. W mikroskopie sił atomowych zamiast zmysłu dotyku nad powierzchnią badaną znajduje się ostrze, które umieszczone jest na końcu sprężystej dźwigienki. Oddziaływania między atomami ostrza a atomami próbki badanej są rzędu sił columbowskich (odpychanie) oraz sił van der Waalsa (przyciąganie). Pozycja dźwigienki jest rejestrowana dzięki układowi optycznemu, gdyż wiązka lasera odbita od powierzchni dźwgienki trafia na fotodiody, a z nich sygnał elektryczny oraz napięcie przyłożone do skanera są rejestrowane przez odpowiedni program komputerowy (ryc. 1). O wystąpieniu powyższych oddziaływań świadczy sygnał elektryczny z fotodiody [1, 4]. Mikroskop sił atomowych pracuje w trzech trybach obrazowania: kontaktowym, bezkontaktowym oraz z kontaktem przerywanym.

W przypadku trybu kontaktowego wykorzystuje się krótkozasięgowe siły oddziaływania międzyatomowego – mikroskop działa podobnie do profilometru, ale z większą dokładnością. Siły krótkozasięgowe powodują bezpośrednie interakcje pomiędzy sferami elektronowymi atomów badanej próbki i atomów końca ostrza dźwigienki. W trybie bezkontaktowym wykorzystuje się długozasięgowe siły, takie jak: siły elektrostatyczne, magnetyczne oraz siły van der Waalsa.
W trybie kontaktu przerywanego ostrze dźwigienki wprowadzane jest w drgania i w pewnej odległości od próbki działają siły długozasięgowe, a podczas zderzenia dźwigni z badaną próbką działają krótkozasięgowe siły [1, 4]. Dzięki komputerowemu oprogramowaniu, które zostało opracowane specjalnie do badań z użyciem AFM, możliwe jest uzyskanie wielu danych, określających badaną powierzchnię, np.: parametr szorstkości powierzchni (Ra), pole powierzchni płaskiej, pole powierzchni rzeczywistej [1].

Według wielu badaczy mikroskop sił atomowych jest najbardziej wiarygodnym urządzeniem, pozwalającym zbadać w sposób bardzo dokładny powierzchnię materiału kompozytowego [5-9]. Parametry obecnie stosowanych materiałów kompozytowych – wielkość cząsteczek wypełniaczy oraz nanoklastrów – pozwalają na dokładną analizę powierzchni materiałów kompozytowych (ryc. 2) [10, 11]. Z drugiej strony mikroskop sił atomowych jest tak dokładnym urządzeniem, że powierzchnie wewnętrzne zbyt grubych rys na badanych próbkach mogą zostać potraktowane jak odrębne powierzchnie, a nie jako fragment powierzchni badanej, który jest rysą [7].

Nie jest także możliwe badanie szczelności pomiędzy wypełnieniem każdego typu a tkanką szkliwną z uwagi na rozmiar przestrzeni między nimi. Wniosek ten – w związku z intensywnym rozwojem systemów wiążących oraz wprowadzeniem do powszechnego użytku siloranów – może jednak wkrótce ulec zmianie [4].

Kontrowersyjną jest kwestia badania szkliwa w AFM – jest ono możliwe, ale należałoby pozyskać próbki szkliwa nieuszkodzonego, co w warunkach fizjologicznych jest bardzo trudne. Podczas ekstrakcji zębów ze względów ortodontycznych można uszkodzić szkliwo narzędziami chirurgicznymi, a pozyskiwanie szkliwa do badań od dawców jest etycznie wątpliwe. Lippert i wsp. zastosowali mikroskop sił atomowych w celu zbadania powierzchni szkliwa w aspekcie problemu erozji zębów [9]. Z kolei Pugach i wsp. zastosowali AFM do badania poszczególnych warstw plamy próchnicowej [12].

Zastosowanie mikroskopu sił atomowych do badania powierzchni metali pozwoliło na dokładną analizę powierzchni implantów w aspekcie procesu przyspieszenia osteointegracji [13, 14]. Badania powierzchni narzędzi endodontycznych pozwoliły natomiast wyciągnąć wnioski co do jej uszkodzeń, wywołanych przez niezbędne podczas leczenia endodontycznego płukanie NaOCl [15]. Mikroskop sił atomowych pozwolił również zbadać realne działanie lasera Nd-YAG na otwarte kanaliki zębinowe [16].

Według wielu badaczy mikroskop sił atomowych jest urządzeniem wiarygodniejszym w badaniu powierzchni materiałów kompozytowych niż skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), albo 3-D profilometr [1, 3, 6, 8, 9, 11]. Badanie powierzchni przy pomocy SEM jest ograniczone, gdyż kontrast zależy od zmiennej emisji elektronów, a ta nie może dać wyraźnego kontrastu podczas badania powierzchni homogennej materiału [8, 11]. Przewagę AFM nad SEM dobitnie przedstawia obraz chrząstki stawowej, której badanie w warunkach fizjologicznych pozwala na dokładną obserwację jej ultrastruktury. Dzięki AFM możliwa jest obserwacja świeżo wyciętych fragmentów chrząstki stawowej na poziomie powiększenia do 60 nm, a to pozwala wyciągać wnioski, np. co do zmian patologicznych toczących się na powierzchni stawowej chrząstki. Rozwinięcie metodologii badań nad chrząstką stawową w mikroskopie sił atomowych może wpłynąć na pogłębienie diagnostyki, np. schorzeń stawu skroniowo-żuchwowego.

..............................................................................................................................................................

PIŚMIENNICTWO

1.    Müller D.J., Aebi U., Engel A.: Imaging, measuring and manipulating native biomolecular systems with the atomic force microscope. Institute for Microscopy, Basel, Szwajcaria1996 (http://www.mih.unibas.ch/Booklet/Booklet96/Chapter3/Chapter3.html).

2.    Whitehead S.A., Shearer A.C., Watts D.C., Wilson N.H.: Comparison of methods for measuring surface roughness of ceramic. J Oral Rehabil 1995; 22 (6): 421-427.

3.    Müller D.J., Schoenenberger C.A., Büldt G., Engel A.: Immuno-atomic force microscopy of purple membrane. Biophys J 1996; 70 (4): 1796-1802.

4.    Tanasiewicz M., Żak J., Kupka T., Kołodziej M., Szenowski H., Teodorów F.: Ocena adaptacji brzeżnej oraz stanu powierzchni okolicy połączenia szkliwno-materiałowego w mikroskopii optycznej i AFM (Atomie Force Microscopy). Stomatologia Współczesna 2000; 7 (3): 29-33.

5.    Müller D.J., Baumeister W., Engel A.: Conformational change of the hexagonally packed intermediate layer of Deinococcus radiodurans monitored by atomic force microscopy. J Bacteriol 1996; 178 (11): 3025-3030.

6.    Rabe U., Kopycinska M., Hirsekorn S., Arnold W.: Evaluation of the contact resonance frequencies in atomic force microscopy as a method for surface characterisation (invited). Ultrasonics 2002; 40 (1-8): 49-54.

7.    Teixeira E.C., Thompson J.L., Piascik J.R., Thompson J.Y.: In vitro toothbrush-dentifrice abrasion of two restorative composites. J Esthet Restor Dent 2005; 17 (3): 172-182.

8.    Kakaboura A., Fragouli M., Rahiotis C., Silikas N.: Evaluation of surface characteristics of dental composites using profilometry, scanning electron, atomic force microscopy and gloss-meter.Journal of Materials Science: Materials in Medicinie 2007; 18 (1): 155-163.

9.    Lippert F., Parker D.M., Jandt K.D. Toothbrush abrasion of surface softened enamel studied with tapping mode AFM and AFM nanoindentation. Caries Res 2004; 38 (5): 464-472.

10.    Whitehead S.A., Shearer A.C., Watts D.C., Wilson N.H.: Surface texture changes of a composite brushed with “tooth whitening” dentifrices. Dent Mater 1996; 12 (5): 315-318. 

11.    Jurvelin J.S., Müller D.J., Wong M., Studer D., Engel A., Hunziker E.B.: Surface and subsurface morphology of bovine humeral articular cartilage as assessed by atomic force and transmission electron microscopy. J Struct Biol 1996; 117 (1): 45-54.

12.    Pugach M.K. i wsp.: Dentin caries zones: mineral, structure, and properties. J Dent Res 2009; 88 (1): 71-76.

13.    Nagassa M.E. i wsp.: Optimisation of the hydrogen peroxide pre-treatment of titanium: surfaces characterisation and protein adsorption. Clin Oral Implants Res 2008; 19 (12): 1317-1326.

14.    Marin C., Granato R., Suzuki M., Gil J.N. i wsp.: Removal torque and histomorphometric evaluation of bioceramic grit-blaster/acid-etched and dual acid-etched implant surfaces: an experimental study in dogs. J Periodontol 2008; 79 (10): 1942-1949.

15.    Topuz O. i wsp.: Structural effects of sodium hypochlorite solution on RaCe rotary nickel-titanium instruments: an atmic force microscopy study. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2008; 105 (5): 661-665.

16.    Kubinek R. i wsp.: Sealing of open dentinal tubules by laser irradiation: AFM and SEM observations of dentine surfaces. J Mol Recognit 2007; 20 (6): 476-482.
 
..............................................................................................................................................................

© Lidia Jamróz-Wilkońska, Jerzy Krupiński

..............................................................................................................................................................

*Adres do korespondencji

Lidia Jamróz-Wilkońska
Praktyka Stomatologiczna
ul. Topolowa 14
34-100 Wadowice
e-mail: cieterz@yahoo.com

Pracę nadesłano: 15.04.2009 r.
Przyjęto do druku: 27.05.2009 r.

Praca recenzowana