再生根管用硅酸钙基骨水泥的空洞特征和弯曲:微计算机断层扫描分析

背景

材料内部空隙是微生物的枢纽，影响密封能力。本研究旨在评估硅酸钙基骨水泥在未成熟牙根管治疗后的封闭性能。

方法

采用再生根管治疗方法制备20个未成熟恒前磨牙的单根管。将根管随机分为两组，分别用三氧化二矿骨料(MTA)和生物牙丁(BD)封闭根管。将牙齿置于潮湿环境下保存7天，并进行显微ct扫描。利用图像处理技术，结合改进的Otsu算法，对骨水泥中的空隙进行分割和可视化。每个样品的孔隙度也被计算为孔隙体素数与胶结物体积之间的比率。采用a -星算法计算弯曲度。

结果

胶结物的顶部和界面主要存在大于70 μm的孔洞。其他的则均匀分布。MTA和BD在界面处表现出相同的孔隙度和弯曲度。在内表面，MTA比BD (p< 0.05)。

结论

MTA与BD的密封性能无差异。

未成熟恒牙的解剖特征是根管宽，根尖开放，牙本质壁薄。因此，坏死未成熟恒牙的根管治疗具有挑战性，因为其独特的解剖结构[1］．最近，再生根管治疗(REPs)被认为是一种治疗坏死未成熟恒牙的替代方法。rep的临床方案包括消毒、引起出血和冠状封闭[2］．REPs的理想情况是牙釉质结(CEJ)下方有血凝块，并用生物相容性材料密封[3.］．所使用的材料应能对微生物提供严密的密封，并诱导矿物形成[3.，4］．硅酸钙水泥，例如矿物三氧化物聚集体（MTA）和生物烯（BD），用于此目的是合适的密封材料[5］．

临床上，无空隙封闭是很难做到的。残留的微生物可以在空隙中重新生长。在这个主题中，材料内部的空隙不是很关键，因为它们被困在一个孤立的环境中。然而，材料与牙本质壁界面处的空隙可能成为微生物的枢纽，导致微渗漏[6］．冠状面微渗漏被认为是根管治疗后治疗失败的潜在原因。先前的体内研究表明冠状微渗漏可导致根尖周炎症[7］．这些空洞可能是再次感染的原因，因为它们与潜在感染的管壁接触[8］．此外，这些空隙作为结构缺陷，可作为潜在的应力集中点，导致强度降低[6，9］．因此，孔隙的形成会影响材料的密封能力。

为了评估密封能力，使用染料或细菌、扫描电子显微镜(SEM)和动物模型进行泄漏研究[10，11］．近年来，微计算机断层扫描(micro-CT)技术在不损伤样品的前提下，有效地揭示了样品内部的孔隙结构。利用微ct的研究已经成功地证明了材料的特性，特别是孔隙结构，以及它们对密封能力的影响[12，13，14］．一些研究评估了硅酸钙水泥在各种临床情况下的密封能力。因此，本研究旨在评价MTA和BD的孔隙结构，这是决定水泥基材料密封性能的主要因素。此外，对表征渗流特性的参数弯曲度进行了测试，并讨论了弯曲度与密封性能的关系。本研究的错误假设是MTA的密封性能优于BD。

样品制备

本研究提案经庆熙大学牙科医院伦理委员会审核通过(KH-D20-038)。这项研究遵循了CRIS体外研究指南，正如2014年概念说明中所讨论的[15］．样本量计算使用G* Power 3.1.9.4程序(Heinrich Heine, University Düsseldorf, Düsseldorf, Germany)。α值为0.05，β值为0.95。有效规模是根据先前的一项研究计算的[16］．所需样本量为每组10个。

收集20颗未成熟的单根管前磨牙。排除牙根表面有任何损伤的牙齿，如牙根骨折或裂纹。用4%的次氯酸钠(NaOCl)浸泡牙齿24 h，然后用0.1%的百里酚(4°C)浸泡牙齿。这些牙齿被随机分为两组(n= 10);一组用ProRoot MTA (Dentsply, Tulsa Dental, JC, USA)封闭，另一组用BD (septodon, Saint-Maur-des-fossés, France)封闭。REPs的临床操作是按照欧洲牙髓学会(European Society of endodonology)的再生程序指南进行的，除了牙髓摘除和诱导血凝块，因为在储存期间，4% NaOCl和0.1% Thymol已经去除了牙髓[17］．准备一个根管治疗通路。用2% NaOCl (20 mL, 5 min)和无菌生理盐水(5 mL)冲洗根管，纸点干燥。随后，将CollaCote (Integra LifeSciences Corp, Plainsboro, NJ, USA)放置在CEJ下方约4 mm处。通过手塞(S-Kondenser;美国斯巴达Obtura公司)。这些材料是按照制造商的说明混合的。用空腔封闭(GC，东京，日本)。最后，如前所述，牙齿在37°C的密封容器中保存汉克的平衡盐溶液7天[6，12］．所有实验程序均由一名儿科牙科专家完成。

微型CT成像过程

该研究使用micro-CT (Skyscan 1172, Bruker micro-CT, Kontich, Belgium)分析水泥的三维(3D)微观结构。扫描参数分别为100 kV、100 μA、1180 ms。利用micro-CT设备对牙齿标本进行扫描，获得内部截面的连续二维图像，然后合并转换为三维图像。研究的初始重建图像由尺寸为5.9 μm的像素组成。

简单地说，通过对二值图像的叠加得到试件的三维图像，并对生成的图像进行可视化和二值化，分析空洞的特征(图2)。1)．为了表征孔洞的空间分布特征，通过图像处理分别分析了管壁与水泥界面处以及内部水泥界面处的孔洞特征。首先，使用多otsu阈值算法从牙齿中分离出水泥部分[18]，水泥部分分为两部分：界面和内水泥。对于分类，通过识别目标齿的内部几何形状来概述了水泥的边界，并且将来自管壁的40像素（约236μm）的区域设定为界面水泥;不包括界面区域的水泥部分被定义为内水泥。对所有样品应用相同的程序。

为了更有效地分析，使用二值化微ct图像研究了界面和内部胶结物的孔隙特征。基于灰度微ct图像的直方图对每个样本进行二值化。为此，需要选择一个合适的阈值，低于阈值的像素被认为是空洞(图3)。2)．选取阈值，采用改进的Otsu方法和改进的分水岭算法[19，使用MATLAB R2020b (Mathworks, Inc.， Natick, MA, USA)中的成像工具箱进行图像处理。

无效结构分析

研究了试样中孔洞的大小分布，根据孔洞的大小确定孔洞的空间分布。接下来，将界面和内部部分的孔隙率计算为孔隙体素数与界面/内部水泥区域体积的比较。在本研究中，考虑所用图像的分辨率，仅考虑大于5.9 μm的空洞进行计算。

弯曲度分析

为了研究孔洞的空间分布特征，在MTA和BD的界面和内部胶结处估计了孔洞特征的定量指标——弯曲度。弯曲度可以用来描述和分析材料内部空隙的连通性[20.］．其中，弯曲度可以作为描述渗流特性的参数，与材料的密封性和耐久性有很强的关系[21］．弯曲度定义为路径长度之比，公式如下:

这里，τ指的是弯曲度，\（{l} _ {a} \）表示空隙路径的实际距离，以及\ ({L} _{年代}\)为空区路径上起始点与结束点之间的最短距离。

本研究采用A-star算法进行计算\（{l} _ {a} \），孔隙路径的实际距离(图。3.)．该算法用于寻找从任意起点到终点的最短空路径[22］．用AC(t)和HC(t)两个函数计算最短路径。首先，计算AC(t)函数，表示从选定的起点到空洞内临时点(t)的实际距离。然后将启发式估计(HC(t))从临时点到结束点相加AC(t)，并计算出函数的总和TC(t)。计算AC(t)时，考虑起点到临时点的垂直、水平和对角线距离，并通过考虑每个点上最短的函数值将临时点从起点移动到终点。同时，计算HC(t)只考虑从临时点的水平和垂直距离，这种方法被称为曼哈顿距离。通过移动临时点，考虑函数的最小值，迭代计算函数的和TC(t);将临时点的路径设置为\（{l} _ {a} \）．计算了所有试样的界面和内部胶结的弯曲度，以描述每种材料和各截面孔隙结构的复杂性。

统计分析

数据使用SPSS 20.0版本(SPSS Inc.， Chicago, IL, USA)进行分析。正态性检验采用Shapiro-Wilk检验，数据为正态分布。因此，采用独立t检验对结果进行分析。p -值< 0.05认为有统计学意义。

数字4显示MTA组和BD组空洞的三维分布。在两组中，直径< 28 μm的相对较小的孔洞均匀分布在整个试样中。而在试样上部或界面处则集中了半径为> 35 μm的较大空隙。

通过对MTA和BD之间的空隙进行定量分析，得到各试样界面和内表面的孔隙率如表所示1．MTA与BD之间无显著差异(p> 0.05)。但BD组牙齿内表面孔隙率高于MTA组(p< 0.05)。

曲度分析结果相似(表)2）;只有在内部表面观察到显著差异(p< 0.05)。弯曲度分布如图所示。5．

本研究使用micro-CT分析评估了MTA和BD作为封闭材料时的三维空隙结构。同时，采用弯曲度分析，提出了一种评估牙体骨水泥封闭能力的新方法。

在本研究中，MTA和BD的三维孔洞分布随孔洞大小不同而不同。相对较大的孔洞，特别是大于30 μm的孔洞，主要聚集在试件上部及与管壁界面处，较小的孔洞则均匀分布在试件各处。这些发现与之前的一项研究很好地一致，该研究评估了保温混凝土水泥浆硬化后的空隙[23］．前人研究表明，半径大于50 μm的孔洞主要聚集在试件的上部，这是凝固过程中产生的放血现象[24］．该研究将这一发现归因于水和空隙之间的比重差异，这可能导致这些部分的强度和硬度较弱，因为大空隙影响了水泥基材料的物理性能。Milanovic等人[6报道，冠状空隙可以作为微生物生长的储层。他们证明冠状空隙的效果极为限制，在粘合胶泥/恢复之后，可以在恢复过程中除去空隙。先前的研究记录了MTA在设定后不断诱导无定形磷酸钙的初始沉淀，从而在2个月后在水泥和管壁之间的界面处形成标签状结构[25］．另一项研究表明，MTA和BD都具有类似的诱导生物矿化的潜力[26］．生物矿化在很大程度上促进了MTA和BD的密封能力[27］．然而，在本研究中没有确认标签状结构的影响，可能是因为研究设计。

在本研究中，MTA和BD的孔隙率约为14.5-30.3%。这些数值高于其他将MTA和BD放入硅胶模具后比较孔隙度的微ct研究[28，29］．由于采用的施用和压实方法，并且水泥的厚度可能影响孔隙度，因此差异可能归因于不同的实验条件。BD在内表面上显示出比MTA更高的孔隙率，这可能是由于早期水合过程中的不同凝固时间。由于BD允许更短的设置时间，它可以在其内表面上具有更多空隙。此发现表明MTA具有比以前报告的BD的密度结构[30.］．相反，MTA和BD在界面上的孔隙率没有显著差异。这一发现与之前的一项研究结果一致，该研究评估了根端填充材料应用后MTA和BD的3D形态[16］．

为了量化MTA和BD的密封能力，进行了曲折分析。曲折是一种最短路径的指标，其中流体在样品中流动，这代表了材料的渗透和密封能力[20.，31］．弯曲度的最小值为1，表明连接空隙团中任意点所形成的直线几乎是线性的，没有任何曲率。换句话说，弯曲度值越大，说明试件内的空隙以复杂的图形连接，说明水分和流体扩散困难，受外界环境影响的可能性相对较低[32］．有趣的是，在界面表面的MTA和BD之间没有显着差异。这反映了MTA和BD的界面表面显示出类似的空隙连接，并且表示MTA和BD在用于代表时可以存在类似的密封能力。随机临床研究表明，MTA和BD均可采用紧密冠状密封[33］．然而，在以往的研究中，对于MTA和BD之间的密封能力存在争议。Cechella等[34]报道，当他们用于根尖塞时，BD的封闭水平低于MTA。之前的一项渗漏研究报告称，通过评估硝酸银渗透的深度和体积，BD作为根端填充材料的密封能力优于MTA [35］．最近一篇关于根充填材料密封能力的系统综述表明，BD对MTA具有优越的密封能力[36］．

在本研究中，基于微ct图像对空洞结构进行三维分析，有助于更精确、有效地评估MTA和BD的空间特征，但本研究存在一些局限性。首先，进行了相对短期的评价;因此，排除了生物矿化对密封能力的影响。第二，根管空间正常化不足。其次，MTA和BD有不同的辐射不透明剂，影响凝固和水化反应[37，38］．因此，这些差异可能会影响空隙的分布。最后，一些体液如血液、渗出物或唾液的影响没有被考虑，因为实验是在口腔外进行的，用的是拔牙的人。

总之，本研究评估了代表中使用的MTA和BD的3D空隙结构。该研究证实，MTA由密集内部结构组成，而MTA和BD的密封能力没有差异。

本研究产生或分析的所有数据均包含在本文中。

代表:

再生牙髓学的过程

CEJ:

Cementoenamel结

MTA:

三氧化矿物骨料

双相障碍:

Biodentine

扫描电镜:

扫描电子显微镜

ct机:

微计算断层扫描

NaOCl:

次氯酸钠

3 d:

三维

作者声明没有利益冲突。

这项工作得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国（NRF）赠款的国家研究基金（MSIT）（第2020亿号C1006937），由土地，基础设施部资助的基础设施技术进步（KAIA）Grant所资助的运输（授予21nano-B156177-02）。资助机构在设计，收集，分析，解释或写作稿件中没有作用。

作者指出

1. 郑相烨和金允衡作为第一作者对这本书做出了同样的贡献

隶属关系

1. 韩国首尔世宗大学土木与环境工程系

   郑相烨，赵秀成

2. 韩国首尔庆熙大学研究生院牙科学系

   Yun Hyeong金

3. 韩国首尔东大门区庆熙大学牙科学院儿科牙科科，庆熙台路26号，02447

   蔡勇权，崔成哲，南玉炯

贡献

S-YC:概念、方法、监督、资金获取;YHK:资料整理，写作-准备初稿;YKC:可视化;S-SJ:软件;鳞状细胞癌:验证;概念，方法，写作-初稿准备，监督，资金获取。所有作者阅读并批准了最终的手稿。

通讯作者

对应到好的Hyung南．

伦理批准和同意参与

这项研究是根据《赫尔辛基宣言》进行的。本研究方案经庆熙大学牙科医院伦理委员会审核通过(KH-D20-038)。

相互竞争的利益

作者声明他们没有相互竞争的利益需要声明。

出版商的注意

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