Impedance spectroscopy for the assessment of demineralised tooth lesions

Lo scopo del presente lavoro è l'analisi del processo di demineralizzazione dei denti tramite misure di spettroscopia d’impedenza elettrochimica, al fine di valutare il possibile utilizzo di questa tecnica per la diagnosi non invasiva di carie. Infatti, secondo quanto riportato dal Global Burden of Disease Study del 2019, le malattie del cavo orale colpiscono quasi 3,5 miliardi di persone nel mondo. La carie è una malattia a carattere cronico-degenerativo, caratterizzata da un iniziale processo di demineralizzazione dei tessuti duri, smalto e dentina, per azione dei batteri presenti all’interno del cavo orale. Ad oggi, l’esame visivo combinato con la radiografia rimane la scelta più comune per l’individuazione di carie, però sarebbe preferibile utilizzare una tecnica non invasiva e che non comporti l’utilizzo di radiazioni ionizzanti. Nello studio sono state svolte misure di spettroscopia d’impedenza ex-vivo su un set di 50 denti umani, prima e dopo immersione in una soluzione demineralizzante. Il processo di demineralizzazione è stato valutato anche tramite spettroscopia Raman e tramite caratterizzazione della morfologia superficiale con microscopia elettronica. In questo modo, sono state ricavate informazioni sia sulle proprietà dielettriche dei tessuti dentali sia sulla loro composizione chimica. Le misure di spettroscopia d’impedenza sono state realizzate tramite una cella a due elettrodi, in modo da poter utilizzare un setup analogo anche in future misure in-vivo. Analizzando i risultati delle misure elettrochimiche, è stato osservato un diverso spettro d’impedenza tra prima e dopo il processo di demineralizzazione. In particolare, ad alte frequenze sono stati riscontrati valori del modulo d’impedenza inferiori nel caso dei denti demineralizzati rispetto al caso dei denti sani, mentre i valori della fase nel caso dei denti sani rimangono intorno a 0° per un intervallo di frequenze maggiori e tendono a valori prossimi ai -60° al di sotto di 1 Hz. Una differenza significativa tra denti demineralizzati e sani è legata quindi alla frequenza a cui la fase raggiunge un valore pari a -45°: per i denti demineralizzati ciò avviene ad una frequenza superiore a 3 Hz, mentre per i denti sani ad una frequenza inferiore a 2 Hz. Gli spettri, modellizzati tramite un circuito elettrico equivalente, mostrano un comportamento capacitivo alle basse frequenze (associato alla capacità di doppio strato) ed un comportamento resistivo alle alte frequenze (associato all’interfaccia del dente). La tecnica di spettroscopia d’impedenza rappresenta quindi un'alternativa sicura alle tecniche radiografiche comunemente utilizzate per rilevare la carie, è di facile applicazione per lo sviluppo di misure in vivo, e può quindi essere proposta per il monitoraggio dello stato di salute dei denti umani. Nei futuri sviluppi di questa ricerca potranno essere studiati algoritmi di elaborazione dei dati più complessi, ad esempio analisi statistica multivariata o strumenti di machine learning, al fine di discriminare in modo automatico tra denti demineralizzati e non.