ANÁLISE ELEMENTAR DE AMOSTRAS DENTÁRIAS HUMANAS USANDO SRXRF

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1 ANÁLISE ELEMENTAR DE AMOSTRAS DENTÁRIAS HUMANAS USANDO SRXRF Marcelino J. Anjos 1,2), Regina C. Barroso 2), Carlos A. Pérez 3), Delson Braz 1), Silvana Moreira 4), Katia R. Dias 5) e Ricardo T. Lopes 1) 1 Laboratório de Instrumentação Nuclear/COPPE/UFRJ Caixa Postal 68509, , Rio de janeiro, Brasil - e mail: marcelin@lin.ufrj.br 2 Instituto de Física/UERJ 3 Laboratório Nacional de Luz Síncrotron-LNLS/CNPq/MCT 4 Faculdade de Engenharia Civil/UNICAMP 5 Faculdade de Odontologia/UERJ RESUMO Amostras de dentes humanos foram examinadas usando-se µsrxrf. Esta técnica é útil para a análise simultânea de múltiplos elementos em pequenas áreas de dentes da raiz até o esmalte. O objetivo deste trabalho foi estudar as variações elementares locais nas diferentes regiões de amostras dentárias, esmalte, dentina e polpa, a partir de perfis de intensidades relativas. A distribuição dos elementos Ca, Zn e Sr foi estuda para cada região. Os dentes selecionados (caninos, premolares e molares ) pertencem a indivíduos de diferentes idades e sexo, moradores da cidade do Rio de Janeiro. As amostras foram longitudinalmente cortadas e polidas de modo a obter uma superfície plana de aproximadamente 1 mm de espessura. Para obter a distribuição elementar nas amostras dentárias, uma área de interesse foi dividida em "pixels" de 300 µm x 300 µm e, em cada pixel, um espectro de fluorescência de raios X foi obtido durante 7 segundos, na linha de Fluorescência de Raios X do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron em Campinas, São Paulo. O comportamento da distribuição de Ca foi semelhante para todas as amostras analisadas, independente do tipo de dente e do indivíduo. As distribuições de Ca e Sr apresentam um comportamento semelhante. Observa-se um aumento da concentração de Zn na região da polpa e nas áreas afetadas por cáries. Keywords: X-ray fluorescence, human teeth, elementary analysis I. INTRODUÇÃO O dente humano pode ser considerado como uma estrutura heterogênea formado basicamente por quatro materiais diferentes: esmalte, dentina, cimento e polpa. Cada dente também pode ser dividido em duas regiões bem distintas: a coroa, projetada acima da gengiva e a raiz, que é localizada abaixo da gengiva (Fig. 1). A parte externa da coroa do dente é coberta de esmalte e a raiz é revestida por uma camada fina de um material chamado cimento. Logo abaixo do esmalte e do cimento fica a dentina que é uma substância semelhante ao osso. No interior da dentina existe uma cavidade central que é preenchida pela polpa, tecido mole que contém os nervos e os vasos sanguíneos [1]. A variação da concentração elementar dentro do dente pode fornecer informações importantes sobre a fisiologia dos elementos, estimar a influência ambiental, os hábitos alimentares do indivíduo e a contaminação por amálgamas usadas em restauração dentárias [2]. A composição química e as variações na concentração elementar também estão relacionadas com as características mecânicas do esmalte do dente. O conhecimento desta relação possibilita o estudo do desenvolvimento de dentifrícios, tratamentos orais e de materiais restauradores mais adequados [3]. Figura 1 Corte Longitudinal Mostrando as Diferentes Regiões que Compõem o Dente.

2 A micro fluorescência de raios X (µxrf) é uma técnica analítica multielementar bastante aplicada em várias áreas da ciência e tecnologia [4, 5]. Além disso, o uso da radiação síncrotron na análise de elementos com concentrações bastante baixas (traços) por fluorescência de raios X permite reduzir os limites de detecção devido às suas características: alta intensidade, polarização e a possibilidade de obter feixes bastante colimados. Um tipo de aplicação especial da µsrxrf é na análise de amostras biológicas, tais como dentes humanos [6-8]. O objetivo deste trabalho foi estudar as variações elementares locais nas diferentes regiões de amostras dentárias, esmalte, dentina e polpa, a partir de perfis de concentrações relativas usando a técnica de µsrxrf. procedimento, cada amostra foi lavada em água destilada, seca a temperatura ambiente e guardada em recipientes individuais. Colimador do detector Amostra II. METODOLOGIA Instrumentação. O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, LNLS/CNPq, é um centro de referência em pesquisas com luz síncrotron para aplicação em várias áreas da ciência e tecnologia. É a única fonte de luz síncrotron do hemisfério Sul. A energia dos elétrons dentro do anel de armazenamento é de 1,37 GeV com um campo de dipolo magnético de 1,65 T. A emitância natural é 100 nm rad e a freqüência de revolução é 3,2 MHz. A fonte de radiação síncrotron para a linha XRF está no imã defletor D09B (15 o ) com um fluxo na amostra de 4,0 x 10 9 fótons/s a 8 kev [9]. As amostras de dentes foram posicionadas, em uma mesa de posicionamento remoto de três eixos (x, y, z) com uma precisão de µm usando uma estação de mapeamento 2D para microfluorescência de raios X. Uma câmera vídeo-microscópio é utilizada para posicionamento preciso do feixe de luz síncrotron na amostra. As medidas foram realizadas usando um sistema convencional de colimação composto por fendas ortogonais de 300µm X 300µm e um feixe branco com energia máxima de 20 kev em uma geometria de 45 o. A Fig. 2 mostra o arranjo experimental utilizado na análise das amostras de dentes. O espectro fluorescente foi registrado por um detector Si(Li) com resolução de 165 ev na energia de 5,9 kev. Para a identificação das linhas K e L de cada elemento e para a determinação das intensidades da radiação fluorescente e da radiação de fundo foi empregado o software Quantitative X-Ray Analysis Software (QXAS) [10]. Preparação de amostras. As amostras utilizadas para análise foram quatro dentes humanos fornecidos pela Faculdade de Odontologia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. A TABELA 1 mostra as informações referentes a cada uma das amostras. Os dentes foram coletados logo após ao processo de extração devido à doenças periodontais, lavados em água destilada e colocados em um recipiente com soro fisiológico. No laboratório, as amostras foram longitudinalmente cortadas e polidas de modo a obter uma lâmina fina e plana com uma espessura de aproximadamente 1 mm. Depois desse Vídeo-microcópio Feixe de luz síncrotron Figura 2. O Arranjo Experimental Utilizado na Análise das Amostras de Dente Utilizando µsrxrf. TABELA 1. Características das Amostras Dentárias Analisadas. Amostra Identificação Idade (anos) Sexo 1 canino inferior esquerdo F 2 premolar inferior esquerdo F 3 premolar superior direito F 4 1 o molar inferior esquerdo M Uma área de interesse foi definida em cada dente e analisada través de uma varredura bidimensional. O tempo de aquisição para cada "pixel" foi em média de 7 segundos/passo e o tamanho do passo foi de 300 µm em ambas as direções. III. ANÁLISE DOS RESULTADOS A variação elementar de Ca, Zn e Sr foi avaliada em função da posição (x,y) de cada pixel na amostra, conforme mostra a Fig. 3. A Tabela 2 mostra o número de pixels analisados para cada amostra. O tamanho das matrizes geradas varia em função das limitações mecânicas impostas pelo sistema de mapeamento em relação às dimensões das amostras. As áreas analisadas nas amostras 1, 2, 3 e 4 são mostradas nas Figuras 4, 8, 12 e 16, respectivamente. Para cada amostra foram calculadas as intensidades relativas, normalizadas pelo valor máximo de cada elemento. A distribuição em função da posição (x, y) de Ca é mostrada

3 nas Figuras 5, 9, 13 e 17, de Zn nas Figuras 6, 10, 14 e 18 e de Sr nas Figuras 7, 11, 15 e 19). y x Figura 5. Variação Elementar de Ca em Função da Posição (x,y) para a Amostra 1. Figura 3. Sistema de Coordenadas Usado para Localização de Cada "Pixel" na Amostra. TABELA 2. Características das Matrizes Obtidas. Amostra Tamanho da Matriz N o de Pixels 1 33X X X X Figura 6. Variação Elementar de Zn em Função da Posição (x,y) para a Amostra 1. Figura 4. Amostra 1: Canino 33. Figura 7. Variação Elementar de Sr em Função da Posição (x,y) para a Amostra 1.

4 Figura 8. Amostra 2: Premolar 34. Figura 12. Amostra 3: Premolar 24. 9,3 Figura 9. Variação Elementar de Ca em Função da Posição (x,y) para a Amostra 2. Figura 13. Variação Elementar de Ca em Função da Posição (x,y) para a Amostra 3. 9,3 Figura 10. Variação Elementar de Zn em Função da Posição (x,y) para a Amostra 2. Figura 14. Variação elementar de Zn em Função da Posição (x,y) para a Amostra 3. 9,3 Figura 11. Variação elementar de Sr em Função da Posição (x,y) para a Amostra 2. Figura 15. Variação Elementar de Sr em Função da Posição (x,y) para a Amostra 3.

5 Figura 16. Amostra 4: Molar 36. 2,4 4,5 6,6 8, Figura 17. Variação Elementar de Ca em Função da Posição (x,y) para a Amostra 4. 2,4 4,5 6,6 8, Figura 18. Variação Elementar de Zn em Função da Posição (x,y) para a Amostra 4. 2,4 4,5 6,6 8, Figura 19. Variação Elementar de Sr em Função da Posição (x,y) para a Amostra 4. Os primeiros perfis mostrados nas Figuras 5-7, 9-11 e mostram a contribuição elementar na primeira varreduras a 1,5 mm do início da coroa, os perfis seguintes foram obtidos em posições consecutivas intercaladas de 1,5 mm. Nas Figuras 17-19, o primeiro perfil foi obtido a mm do início da coroa e os seguintes em intervalos consecutivos de mm. As diferenças nas larguras e posições destes perfis estão associadas aos formatos dos dentes analisados. O comportamento da distribuição de Ca indica uma maior concentração no esmalte que na dentina e não apresenta grandes variações na região da dentina (Figuras 5, 9, 13 e 17). Este comportamento foi semelhante para todos as amostras analisadas, independente das características dos dentes e dos indivíduos (TABELA 1). Pode-se observar nas Figuras 6, 10, 14 e 18 que a concentração de Zn apresenta uma tendência de aumento na região da polpa (sentido crescente do eixo y). A concentração de Zn na camada externa do esmalte é maior que na camada interna para todas as amostras analisadas. Na Fig. 18 verifica-se uma alta concentração de Zn no terceiro perfil (2,4 mm do início da coroa) na região do esmalte. Observa-se que este ponto está associado à presença de formação de cárie na amostra, conforme a região indicada na Fig. 16. As Figuras 7, 11, 15 e 19 mostram a distribuição de Sr nas amostras dentárias. Pode-se observar uma tendência preferencial deste elemento se distribuir na camada externa do esmalte as amostras dentárias. Na dentina não é observada uma variação significativa da concentração de Sr. As distribuições de Ca e Sr apresentam um comportamento semelhante. Isto pode ser explicado por suas afinidades químicas. Os resultados obtidos para as distribuições elementares de Ca, Zn e Sr concordam com os apresentados na literatura [2, 6, 8]. IV. CONCLUSÕES A distribuição elementar de Ca, Zn e Sr em dentes permanentes caninos, molares e premolares, maxilares e mandibulares de indivíduos adultos foi avaliada. Os perfis resultantes das intensidades elementares relativas em função da posição (x,y) dentro do dente mostram as variações nas concentrações de Ca, Zn e Sr em relação aos diferentes materiais constituintes do dente: esmalte, dentina e polpa. A absorção de Zn através dos ligamentos periodontais e do cimento para a dentina é um mecanismo possível que explica a concentração mais elevada de Zn na região da polpa. Um aumento na concentração de Zn nas regiões adjacentes à cáries não tratadas foi verificado. Variações nas concentrações de Zn estão relacionadas às vizinhanças das áreas afetadas. A técnica de µsrxrf mostrou-se uma poderosa ferramenta para a análise da distribuição elementar em microregiões do esmalte, dentina e polpa de dentes humanos.

6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Dr. Mauro Sayão de Miranda por sua participação na confecção das amostras. Este trabalho foi parcialmente financiado pelo Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS/CNPq, Brasil. REFERÊNCIAS [1] Jones, F.H., Teeth and Bones: Application of Surface Science to Dental Materials and Related Biomaterials, Surface Science Reports, vol. 42, p , [2] Pinheiro, T. et al, Microprobe Analysis of Teeth by Synchrotron Radiation: Environmental Contamination, Nuclear Instruments and Methods B, vol. 158, p ,1999. [3] Cuy, J.L. et al, Nanoindentation Mapping of the Mechanical Properties of Human Molar Tooth Enamel, Archives of Oral Biology, vol. 47, p , [4] Huang, Y.Y. et al, Study of Human Bone Tumor Slice by SRXRF Microprobe, Nuclear Instruments and Methods A, vol , p , ABSTRACT Human teeth were analysed by µsrxrf. The measurements were carried out in small areas of the teeth from enamel to root. The aim of this work was to evaluated the local elemental variations in the dental regions, enamel, dentine and pulp from patterns of relative intensities. The distributions of the elements Ca, Zn and Sr were studied. The samples (canine, premolars and molar teeth) were cross-sectioned along the vertical median plane, by polishing the whole tooth in order to obtain a smooth and plane surface, of about 1 mm thick. The measurements were carried out in the XRF beamline of the Synchrotron Light National Laboratory, Campinas, Brazil using a conventional collimation system (orthogonal slits 300 µm x 300 µm). The Ca concentration is quite constant and it is independent of the tooth type and individual characteristics. Ca and Sr distributions show a similar behavior. An increase of the Zn concentration was found for the pulp region and for untreated carious areas. [5] Bohic, S. et al, Synchrotron-Induced X-Ray Microfluorescence on Single Cells, Nuclear Instruments and Methods B, vol. 181, p , [6] Carvalho, M.L. et al Human Teeth profiles Measured by Synchrotron X-Ray Fluorescence: Dietary habits and Environmental Influence, X-ray Spectrometry, vol. 30, p , [7] Sánches, H.J., Pérez, C.A. and Grenón, M., SRXRF Analysis with Spatial Resolution of Dental Calculus, Nuclear Instruments and Methods A, vol. 170, p , [8] Zaichick, V, Ovchjarenko, N. and Zaichick, S. In Vivo Energy Dispersive X-Ray Fluorescence for Measuring the Content of Essential and Toxic Trace Elements in Teeth, Applied Radiation and Isotopes, vol. 50, p , [9] Pérez, C.A, Radtke, M., Sánchez, H.J., Tolentino, H., Neuenshwander, R., Barg, W., Rubio, M., Bueno, M.I.S., Raimundo, I.M. and Rohwedder, J.R., Synchrotron Radiation X-Ray Fluorescence at the LNLS: Beamline Instrumentation and Experiments, X-Ray Spectrometry, vol. 28. p , [10] Bernasconi, G. and Tajani, A, Quantitative X-Ray Analysis System (QXAS) Software, Package: Documentation Version 1.2. Vienna: International Atomic Energy Agency, 228 p., 1996.