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2Dおよび3Dでの歯の化学的マッピング：蛍光X線は、詰め物を取り囲む歯質の隠れた詳細を明らかにします
Chemical mapping of teeth in 2D and 3D: X-ray fluorescence reveals hidden details in dentine surrounding fillings.
PMID: 32294552 DOI: 10.1016/j.actbio.2020.04.008.
抄録
X線は、歯の組織と歯科材料の特性を評価するために頻繁に使用されています。レントゲン写真やトモグラフィーでは吸収コントラストを利用して詳細な情報を得るのに対し、ケミカルマッピングは通常、電子顕微鏡で真空下で刺激するエネルギー分散型X線（EDX）分析によって達成されます。しかし、歯の鉱物組成が比較的密であることや、詰め物に含まれる様々な元素が頻繁に含まれていることから、蛍光X線（XRF）分光法のような他のX線ベースの技術が、多種多様な歯科構造の調査に強く貢献する可能性が高まっている。ミクロンサイズのX線（μXRF）によって励起される蛍光を利用することで、アルミニウムからウランまでの広範囲の元素を微量にマッピングすることが可能となり、複数の異なる元素からの信号を含むスペクトルを非破壊的に同時に分解することが可能となります。X線の透過深度が高いため、XRFは試料表面のはるか下に位置する歯の組織から情報が得られ、組成の変化を検出するのに非常に効果的です。この方法は、最小限のサンプル前処理をサポートし、電子顕微鏡とは異なり、水和した歯科材料の調査を容易にします。μXRFおよび共焦点μXRF（CμXRF）とSEM-EDXを直接比較すると、根管充填物の複雑な3D構造における化学的不均一性の微小ゾーンが明らかになります。これらの方法は、新鮮な詰め物だけでなく、繰り返し治療された歴史の浅い古い歯においても、生体材料の相互配置を再現的に明らかにした。この結果は、歯科材料研究におけるX線と電子元素マッピングの相補性の高さを示している。意義の意義：歯牙質のような鉱物化した組織の化学的特徴付けは、走査型電子顕微鏡（SEM）によるエネルギー分散型X線分光法（EDS/EDX）分析を用いて行われることが多い。電子顕微鏡の普及とシンプルな検出器設計により、この形式の化学的・構造的分析が非常に普及しています。しかし、電子による励起は組織の上部ミクロンに限られており、これらはバルクの化学組成をよく表していない可能性があります。特に重い元素が注目される場合や、歯科充填材が歯の中に拡散している場合には、その空間分布についてはほとんど知られていません。ここでは、電子励起とX線励起による相補的な蛍光X線データが、例えば根管治療のために、歯を介した重元素の分布と含浸の可視化にどのように役立つかを示しています。
X-rays are frequently used for characterizing both tooth tissues and dental materials. Whereas radiographs and tomography utilize absorption contrast for retrieving details, chemical mapping is usually achieved by energy dispersive X-ray (EDX) analysis that is stimulated under vacuum in electron microscopes. However, the relatively dense mineralized composition of teeth, and the frequent inclusion of a large range of elements in filling materials raise the possibility that other X-ray based techniques such as X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy may strongly contribute to investigations of a large variety of dental structures. By exploiting the fluorescence excited by micron sized X-rays (µXRF) it is possible to map minute quantities of a large range of elements (from aluminum to uranium), where spectra containing signals from multiple different elements can be resolved non-destructively and concomitantly. The high penetration depth of X-rays makes XRF highly effective at detecting variable compositions with information emerging from tooth tissues situated well beneath the sample surface. The method supports minimal sample preparation and, different from electron microscopy, it facilitates investigation of hydrated dental materials. Direct comparison of µXRF and confocal µXRF (CµXRF) with SEM-EDX reveals micro zones of chemical heterogeneity in the complex 3D architecture of root canal fillings. These methods reproducibly clarify the mutual arrangement of biomaterials in both fresh fillings as well as in repeatedly treated old teeth of unknown history. The results showcase the complementarity of X-ray and electron based elemental mapping for dental materials research. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Chemical characterization of mineralized tissues such as tooth dentine is often performed using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS/EDX) analysis by scanning electron microscopy (SEM). The widespread use of electron microscopes and simplified detector designs have made this form of chemical and structural analysis extremely popular. However, excitation by electrons is limited to the upper microns of the tissue, and these may not well represent the chemical composition of the bulk. Especially when heavier elements are of interest and when dental filling materials exhibit diffusion into the tooth, little is known about the spatial distribution. Here we show how complementary X-ray fluorescence data originating by electron and X-ray excitation can help visualize the distribution and impregnation of heavy elements through teeth, e.g. for root canal treatment.
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