Dental care process characterization. Spectroscopic methods for a robust determination of remineralization and dental sensitivity

Abstract

En la presente disertación han sido tratados el problema de la hipersensibilidad dental y los procesos remin/demin. También han sido desarrolladas nuevas herramientas científicas para la evaluación de la eficacia de los productos dirigidos a la hipresensibilidad y a la prevención de la creación de caries dentales. Además, se han diseñado y llevado a cabo varios experimentos para investigar el estado del tejido dental mediante espectroscopia FTIR sin y con la fuente de sincrotrón. Con el objetivo de desarrollar el material oclusivo adecuado y determinar su eficacia; la porosidad de la dentina debe ser determinada. En la presente tesis doctoral ha sido desarrollada una nueva metodología para la evaluación de la eficacia del tratamiento de la hipersensibilidad dental. Este estudio se ha presentado en la primera parte del trabajo y se basa en la metodología de los discos dentinarios (dentin disc model). Los especímenes tratados con los agentes desensibilizantes han sido observados mediante la Espectroscopia Electrónica de Barrido (SEM). Las imágenes obtenidas han sido analizadas por un algoritmo automático de segmentación, desarrollado para ser usado mediante el software de MATLAB, el cual calcula el número y el área de los túbulos abiertos. Dicho método es una herramienta adecuada para que tanto científicos, como compañías privadas puedan llevar a cabo la supervisión y asistencia de los procesos remineralizantes de los tejidos dentales, o bien para el desarrollo de los nuevos productos focalizados en el problema de la hipersensibilidad dental. Las siguientes partes de la disertación se han enfocado en el problema de los procesos desmineralizantes del tejido dental. En la segunda parte de la tesis doctoral se presenta la implementación de una nueva técnica, la de Hyper Spectral Imaging (HSI) para la evaluación de la eficacia del tratamiento remineralizante. Para el análisis de los dientes humanos antes y después de la remineralización, se ha utilizado principalmente el Hyper Spectral Imaging que implementa dos tipos de cámaras de Infrarrojo Cercano (NIR) (161 y 256 canales); y como método complementario la Microscopía Confocal de Raman (CRM). Los resultados obtenidos han sido detalladamente analizados mediante una rutina de MATLAB desarrollada especialmente para analizar ese tipo de imágenes. El coeficiente de correlación y la técnica de MCR (Multivariate Curve Resolution) han sido utilizados para recabar la información necesaria de los espectros adquiridos. Gracias a su simplicidad, el método puede convertirse en una poderosa herramienta para obtener información sobre los efectos del tratamiento remineralizante aplicado sobre el tejido dental. Durante el proceso de evaluación del nuevo producto dental, ese tipo de información puede ayudar a decidir si el producto es eficaz y compararlo con otros agentes del mismo tipo. En la tercera parte de la presente tesis doctoral la Elipsometría de Infrarrojo (IRSE) y la Elipsometría con la radiación de Sincrotrón han sido escogidos para la determinación de las constantes ópticas del tejido dental humano. Los especímenes dentales han sido tratados con el producto remineralizante y analizados mediante la Elipsometría IR con la radiación de Sincrotrón. Posteriormente, una serie de experimentos y simulaciones han sido llevados a cabo para obtener una muestra de referencia adecuada para la interpretación de los datos obtenidos en el sincrotrón. En la última parte, se han estudiado los cambios de la estructura del esmalte humano y de la dentina producidos por el proceso de la remineralización. Los espectros de varios puntos de los especímenes dentales han sido comparados mediante la técnica FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Los datos obtenidos han sido interpretados aplicando el Análisis de Componentes Principales (PCA) y la deconvolución de los espectros (curve-fitting). Los resultados han sido comparados con las muestras de referencia de hidroxiapatita, fluorapatita y las consideradas en la bibliografía científica.

In presented dissertation a problem of hypersensitivity and remineralization/demineralization problem is treated. A novel, scientific tools for the evaluation of the efficacy of products targeting the hypersensitivity or caries creation were proposed. Moreover, experiments implementing FTIR spectroscopy as well as synchrotron techniques for the dental tissue investigation were performed. In order to design a proper sealing material and to investigate its efficacy, the porosity of the dentine has to be determined. In the present dissertation a novel methodology for the evaluation of the efficacy of the hypersensitivity treatment has been developed. It is presented in the first part of the work and is based on the dentin disc model methodology. Specimens treated with a desensitizing agent were observed under Scanning Electron Microscope (SEM) and the resulting images were analyzed by the MATLAB automatic segmentation algorithm developed to calculate the number and area of the open tubuli. The present method is a suitable scientific tool that will allow scientists and private companies the in vivo monitoring and assistance on the development of new remineralising agents. The comparison of three commercial toothpastes presented in this work showed a successful application of the developed methodology and proved it to be suitable for that kind of comparative studies. The proceeding parts of the presented dissertation were focused on the problem of the demineralization and opposite-remineralisation processes of teeth. In the second part of presented PhD thesis a novel approach implementing the Hyper Spectral Imaging (HSI) technique for the evaluation of the efficacy of the remineralising treatment is presented. Hyper Spectral Imaging (HSI) with two types of NIR cameras (161 and 256 channels) and confocal Raman microscopy (CRM) as a complementary technique were applied for analysis of teeth before and after application of different remineralizing agents. Obtained results were carefully analyzed and compared by the implementation of a MATLAB routine that used the correlation coefficient and MCR data analysis in order to obtain necessary information from the acquired spectra of dental samples. Taking into consideration the simplicity of the presented method it can be a powerful tool to obtain basic information about the performed treatment. In the process of the evaluation of a new dental product, this kind of information can lead to the decision whether to continue the development of the product or to proceed with another, more promising approach. In the third part of the presented dissertation the Infrared Spectroscopic Ellipsometry (IRSE) and synchrotron ellipsometry is proposed for the determination of the optical constants of human dental tissues. Human teeth were treated with the remineralising agent and analyzed with the synchrotron IR ellipsometer. Furtherly, a series of experiments and simulations were performed in order to obtain the most suitable reference sample for the interpretation of the obtained synchrotron data. In the last – fourth part, structural changes in the human enamel and dentin induced by the remineralization process were investigated. The spectra from various points proceeding from different locations of the tooth were compared and studied by the FTIR technique. Obtained data were interpreted applying Principal Component Analysis (PCA) and curve-fitting procedures. Obtained results were compared to the reference hydroxyl and fluorapatite powders and scientific literature.