Messung mechanischer Eigenschaften von Hartgeweben ist nicht

Messung mechanischer Eigenschaften von Hartgeweben
ist nicht nur eine Frage von Nass oder Trocken
Fränzel1, Wolfgang; Gerlach2, Reinhard
1
Martin-Luther-Universität Halle, Institut für Physik
2
Martin-Luther-Universität, Universitätsklinikum, Klinik für Strahlentherapie, Abteilung für Klinische
Strahlenphysik
Zusammenfassung
Eine etablierte Methode zur Messung lokaler mechanischer Eigenschaften von Hartgeweben ist die
Nanoindenter-Technik. Die Proben werden aber meist in trockenem Zustand gemessen. Dabei wird für eine
vermeintliche Reproduzierbarkeit billigend in Kauf genommen, dass die mechanischen Kennwerte deutlich
höher als in der Realität gemessen werden. Für eine reelle – in vitro – Beurteilung ist dies aber völlig
unzureichend und führt zu falschen Schlussfolgerungen, wie es am Beispiel der Wirkung therapeutischer
Tumorbestrahlung auf Zahnhartgewebe gezeigt wird.
Einleitung
Patienten mit malignen Tumoren im Kopf-Hals-Bereich werden häufig mit ionisierender Strahlung therapiert,
üblicherweise mit ultraharter Röntgenstrahlung bis zu Gesamtdosen von 60...70 Gy [1]. Dabei ist nicht zu
vermeiden, dass gesunde Nachbargewebe mit geschädigt werden. U. a. sind schon kurz nach den ersten
Bestrahlungsdosen Defekte an der Zahnsubstanz feststellbar [2], die bis zum vollständigen Zahnverlust führen.
Ursache für diese Zahnschädigung ist zunächst die radiogen bedingte Veränderung der Zahnsubstanz selbst,
verbunden mit einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, dem Auftreten von Rissen und der
Zunahme der Oberflächenrauheit [3]. Die Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Zahn- bzw.
Hartgeweben erfolgt mit der inzwischen etablierten Nanoindenter-Technik, aber meist an dehydrierten Proben,
die zudem in Epoxydharz eingebettet sind. Nachteilig hierbei sind die nicht unwesentlich erhöhten mechanischen
Kennwerte [4]. Aufwendiger sind in vitro – Untersuchungen. Sie erfordern die Lagerung der Gewebe in
speziellen Lösungen, die zudem eine Demineralisation der Probenoberfläche vermeiden sollen. Anderenfalls
würde mit zunehmender Lagerzeit eine Verringerung der mechanischen Eigenschaftswerte gemessen [5]. Wurde
die Nanoindentierung hauptsächlich zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Strukturelemente, die der
konventionellen Prüftechnik nicht zugänglich sind, eingesetzt, wird die Nanoindentertechnik vermehrt zur
Charakterisierung von Gewebeveränderungen infolge äußerer Einflüsse benutzt. Am Beispiel der
therapeutischen Bestrahlung von Zahngewebe wird untersucht, welchen Einfluss die Probenvorbereitung auf die
Beurteilung der Strahlungswirkung hat.
Material und Methoden
Für die Studie wurden 10 frisch extrahierte, retinierte dritte Molare präpariert (Sägen , Schleifen, Polieren) und
im Dentin und Schmelz ein Bereich von 2 x 2 mm² markiert, in dem alle Messungen vorgenommen wurden. In
Gruppe 1 wurden Zähne eingeteilt, die nach Extraktion und zwischen den einzelnen Bearbeitungsstufen bzw.
Messungen in physiologischer Lösung bei 6°C lagerten. Gruppe 2 bildeten Zähne, die ausschließlich in Luft
getrocknet und gelagert wurden.
Die Bestrahlung erfolgte analog der Therapie mit einem Beschleuniger (SIEMENS MXE-2 (U = 6 MV))
fraktioniert bis zu einer Gesamtdosis von 60 Gy. Die Proben der Gruppe 1 befanden sich während der
Bestrahlung in physiologischer Lösung [6], die Proben der Gruppe 2 formschlüssig und trocken in einem
PMMA-Phantom. Die mechanischen Veränderungen infolge der Strahlungseinwirkung wurden nach jeder
Dosisapplikation gemessen.
Die Messung von Härte und Elastizitätsmodul für Dentin und Schmelz erfolgte mit dem NanoindenterII
(MTS-Systems, Knoxville, TN, USA) unter Verwendung eines Berkovich-Indenters im „load control mode“ mit
konstanter Lastrate bei Raumtemperatur (~ 21°C). Die Belastung erfolgte bis zur Maximallast von 1 mN, gefolgt
von einem Haltesegment von 10 s. In jedem markierten Bereich wurden 12 Eindrücke erzeugt und nach Oliver
und Pharr [7] ausgewertet.
Ergebnisse und Diskussion
Die Bestrahlung der in physiologischer Lösung gelagerten Zahngewebe führt zu einer
bedeutendenVerringerung der mechanischen Eigenschaften (Abb. 1 und 2). Bereits nach etwa 5 Gy ist im
Schmelz nur noch eine Resthärte bzw. Elastizität von 5 % im Vergleich zum Ausgangswert vorhanden. Für
Dentin vermindern sich die entsprechenden Werte ab 10 Gy auf etwa 30%. Ein Einfluss der Lagerung in
physiologischer Lösung auf die mechanischen Eigenschaften konnte nicht festgestellt werden [8].
Völlig andere Ergebnisse werden an trockenen Zahngeweben erhalten (Abb. 3 und 4). Unter Einbeziehung der
Messunsicherheit scheint im Mittel keine Veränderung der mechanischen Parameter durch Bestrahlung
feststellbar.
1,2
Elastizitätsmodul EOP in rel. Einheiten
1,0
Härte in rel. Einheiten
1,2
Dentin
Schmelz
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Dentin
Schmelz
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
10
20
30
40
50
60
Dosis in Gy
0
10
20
30
40
50
60
Dosis in Gy
Abb. 1: Härteänderung der in physiologischer Lösung
gelagerten Zähne in Abhängigkeit von der Dosis
Abb. 2: Änderung der Elastiziätsmoduln EOP der in
physiologischer Lösung gelagerten Zähne in Abhängigkeit
von der Dosis (Eop- E-Modul nach Oliver/Pharr)
1,4
Härte in rel. Einheiten
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Dentin
Schmelz
10d trocken0,5 Gy
1 Gy
2 Gy
5 Gy
10 Gy
20 Gy
60 Gy
Probenzustand
Abb. 3: Härteänderung dehydrierter Zahngewebe in
Abhängigkeit von der Dosis
Abb. 4: Änderung der Elastiziätsmoduln EOP dehydrierter
Zahngewebe in Abhängigkeit von der Dosis (Eop- E-Modul
nach Oliver/Pharr)
Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Untersuchung der Strahlenwirkung auf Gewebe die Verwendung
dehydrierter Proben zu einer völlig falschen Beurteilung führt. Im vorgestellten Beispiel zur sicherlich falschen
Aussage, dass das Zahngewebe durch die Bestrahlung mechanisch nicht beeinträchtigt wird. Zur Bestimmung
reeller mechanischer Werte sollte, bei aller experimentellen Schwierigkeit, der in vitro – Messung der Vorzug
gegeben werden.
[1] Folwaczny M, Hickel R: Aspekte der zahnärztlichen Betreuung immunsupprimierter Patienten. Dtsch
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[2] Grötz KA, Duschner H, Kutzner J, Thelen M, Wagner W: Neue Erkenntnisse zur Ätiologie der sogenannten
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[6] Eckardt I, Henning S, Syrowatka F, Gerlach R, Hein H-J: Mechanische Veränderungen des Knochens nach
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[8] Fränzel W, Gerlach R, Hein H-J, Schaller H-G: Effect of tumor therapeutic irradiation on the mechanical
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