Summary
Afin de comprendre le développement spatial de stress polymérisation en retrait dans les restaurations en résine composite dentaire, Corrélation de l'image a été utilisée pour fournir plein champ mesure déplacement / déformation de restaurées modèle cavités de verre en corrélant les images de la restauration prises avant et après polymérisation.
Abstract
Retrait de polymérisation des résines composites dentaires peut conduire à un décollement de la restauration ou des tissus de la dent fissurée en dents composites restauré. Afin de comprendre où la souche et le stress et comment retrait développer dans ces dents restaurées, Digital Image Correlation (DIC) a été utilisé pour fournir une vue d'ensemble des déplacements et des déformations des distributions dans les restaurations des modèles qui avaient subi le retrait de polymérisation.
Les échantillons présentant des cavités de modèle ont été faites de tiges cylindriques en verre avec le diamètre et la longueur étant de 10 mm. Les dimensions de la cavité mésio-distale occlusale-(MOD) préparé dans chaque échantillon mesuré 3 mm et 2 mm de largeur et de profondeur, respectivement. Après remplissage de la cavité avec un composite de résine, la surface sous observation a été pulvérisé avec d'abord une fine couche de peinture blanche et fine poudre de charbon de bois noir pour créer des taches à contraste élevé. Photos de cette surface ont ensuite été prises avant le durcissement et 5 min après. FiEnfin, les deux images ont été corrélés en utilisant le logiciel DIC pour calculer les déplacements et des déformations des distributions.
Composite de résine rétrécie verticalement vers le fond de la cavité, avec la partie de la restauration ayant le plus grand déplacement vers le bas de la partie centrale supérieure. Dans le même temps, il rétrécit horizontalement en direction de son axe médian vertical. Le retrait du composite étiré du matériau au voisinage de l'interface "dent-restauration", ce qui entraîne des déviations de cuspides et les déformations de traction élevées près de la restauration. Matériel à proximité des murs ou le plancher cavité avait souches directs principalement dans les directions perpendiculaires aux interfaces. Sommation des deux composantes directes de contrainte a montré une distribution relativement uniforme autour de la restauration et son amplitude égale approximativement à la souche de retrait volumique de la matière.
Introduction
résines composites sont largement utilisés en dentisterie restauratrice en raison de leur esthétique supérieure et des propriétés de manipulation. Cependant, en dépit d'être lié aux tissus dentaires, la rétraction de polymérisation des résines composites demeure une préoccupation clinique comme la contrainte de retrait au point peut provoquer un décollement à l'interface dent-restauration 1 -2. Par conséquent, les bactéries peuvent envahir et de séjourner dans les domaines défaillants et entraîner des caries secondaires. D'autre part, si la restauration est bien collée sur la dent, la contrainte de retrait peut provoquer des fissures dans les tissus dentaires. Chacune de ces pannes se mettre en péril la vie de service de la restauration dentaire, qui sera soumis à un grand nombre de cycles de charge thermique et mécanique.
Mesure de la souche polymérisation en retrait et le stress est ainsi devenu indispensable dans le développement et l'évaluation des résines composites dentaires 3-4 5-11 dans le but principal de fournir une configuration simple pour mesurer le comportement de retrait de matériaux composites de résine de manière fiable. Alors que les mesures qu'ils fournissent peuvent être suffisantes pour comparer les comportements de retrait de matériaux différents, ils ne contribuent pas à la compréhension de comment et où contrainte de retrait se développe dans les dents restaurées réels. Plus précisément, une question de grand intérêt est de savoir comment les parois de la cavité limitent le retrait de matériaux composites et conduit à la création d'une contrainte de retrait dans les restaurations dentaires 12. On notera que, pour créer contrainte de retrait, une partie de la déformation de retrait de la résine composite qui doit être converti en déformation élastique à la traction. Il serait donc utile si cette composante de la contrainte dans la restauration peut être mesurée. Récemment, le plein champ souche mesure technique optique, corrélation d'image numérique (DIC), a été appliquée à la mesure de shrinka librege des résines composites ainsi que des flux de matières dans les restaurations dentaires 13-15. L'idée de base de la DIC est de suivre et de corréler les motifs visibles à la surface de l'échantillon à partir des images séquentielles prises lors de sa déformation et par lequel le déplacement de champs de contraintes au cours de cette surface peut être déterminé. Mesure plein champ est l'un des principaux avantages du procédé DIC, ce qui est particulièrement utile dans l'observation de la déformation non uniforme et les modèles de contrainte 13. Dans cette étude, DIC a été utilisé pour découvrir les modèles de contrainte dans dentaires restaurations en composite de résine, dans le but de comprendre le développement de contrainte de retrait et l'identification de sites potentiels pour décollement. Cette information n'est pas directement disponible dans les travaux cités ci-dessus 14 à 15, qui ne mesurent le déplacement de la restauration due à la rétraction de polymérisation. La mesure a été effectuée à l'aide de modèles qui simulent les dents avec mésio-occlusale-distales (MOD) caries comme une tentative de répliqueTE la contrainte ou de déformation en véritables restaurations dentaires. Bien que l'utilisation de biens dents est plus anatomique représentant, l'inconvénient de cette est les différences inhérentes significatives entre les dents de l'anatomie, les propriétés mécaniques, degré d'hydratation ainsi que les défauts internes invisibles 14 qui entraînent de grandes variations dans les résultats. Pour surmonter cet inconvénient, certaines études ont essayé de normaliser les échantillons de dents en les regroupant en fonction de la taille 16 buccale ou remplacé les dents tout à fait avec les modèles d'un matériau de substitution 17. Par exemple, des modèles d'aluminium qui ont un module de Young de l'émail similaire (69 et 83 GPa, respectivement) ont été utilisées dans la mesure de la contrainte de retrait, avec le niveau de contrainte de retrait étant indiqué par la flèche 17 de la cuspide. Dans cette étude, les modèles de verre de silice (cavités) ont été utilisés à la place parce que le matériau présente également un module de semblable Young (63 GPa) à l'émail humain et, comme il est transparentent, tout décollement ou de fissuration dans les échantillons peut être facilement observée.
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Protocol
Note: Trois résines composites dentaires ont été étudiés en utilisant les cavités de verre: Z100, Z250 et LS, comme indiqué dans la liste des matériaux. Parmi eux, LS est connu pour être un composite à base de résine à faible retrait d'un retrait volumique de l'ordre de 1,0%, beaucoup plus bas que ceux de Z250 et Z100 (~ 2% et ~ 2,5%, respectivement) 18-19. Le matériel et les autres matériaux utilisés dans cette étude sont également donnés dans la liste des matériaux.
1. Cavité Modèle Préparation
- Couper une tige de verre cylindrique de longueur, 10 mm de diamètre, en longues tiges courtes de 10 mm en utilisant une scie à diamant basse vitesse.
- Coupez un (MOD) cavité occlusale-distale mésiale (figure 1) mesure 3 mm (largeur) x 2 mm (profondeur) dans chaque échantillon en utilisant une scie au diamant à faible vitesse adaptée.
- Polir cylindriques vers le bas chaque spécimen pour créer une surface plane perpendiculaire à la longueur de la cavité, avec des dimensions conformément à la figure 1. L'surface plane permet précise fomiter et de l'image d'étalonnage sur la restauration. Désormais, elle sera appelée la surface d'observation.
- Préparer trois échantillons pour chacun des trois matériaux testés: Z100, Z250 et LS; voir le tableau des matériaux.
2. Cavité de remplissage avec une résine composite
- Appliquez une fine couche de céramique Primer avec une brosse à silaniser toutes les surfaces de la cavité en verre. Ceci permet la liaison entre les surfaces de verre et les composites de résine.
- Après environ 1 minute, appliquer une mince couche d'adhésif. Utiliser le système LS adhésif pour LS composites et Adper Single Bond Plus pour composite Z100 et Z250.
- Durcir l'adhésif avec une lumière de durcissement et de la durée (10-20 s) sur la base des instructions du fabricant (de table Matériaux).
- Couvrir toutes les surfaces de verre entourant la restauration avec du ruban adhésif noir, sauf la surface d'observation, comme le montre la figure 2. L'objectif est d'éviter la lumière de durcissement atteindre lerésine composite à travers le verre transparent qui entoure, ce qui n'arrive pas dans de vraies dents.
- Bulk-remplir la cavité avec un composite de résine et racler l'excédent à aplatir toutes les surfaces.
3. Peinture de surface
- Vaporiser une fine couche de peinture blanche sur la surface d'observation, qui comprend maintenant une partie de la résine composite.
- Saupoudrer immédiatement un beau poudre de fusain noir sur la peinture pour créer des taches à contraste élevé. Les formes irrégulières des taches aideront le logiciel DIC de les identifier et de suivre leurs mouvements.
4. Montage de l'échantillon, de durcissement, et une photo
- En se référant à la figure 2, de placer un échantillon (E) dans le support (C) et le serrer avec une vis (D). Ensuite, placer l'ensemble de l'unité à la fin d'une grande poutre horizontale.
- Fixer une caméra CCD et une lumière d'éclairage LED jaune sur le même faisceau de telle sorte qu'ils font face à la observation surface.
- L'utilisation d'un support avec des pinces réglables, positionner la lumière de durcissement telle que sa pointe est d'environ 1 mm au-dessus de l'échantillon.
- Prenez une photo de l'échantillon à fournir l'image de référence avant le durcissement.
- Durcir le composite de résine pendant 20 s.
- Prenez une autre photo à 5 min après durcissement.
- Placez un bloc d'étalonnage à la même position que la surface d'observation et prendre une photo. Le bloc d'étalonnage contient un tableau de points circulaires ayant la taille et de l'espacement connu avec précision.
5. Analyse d'image avec DIC Software
- Importer les deux photos prises pour chaque échantillon, l'un avant et l'autre après le durcissement, dans le logiciel DIC.
- Calibrer les dimensions des images et pour corriger la distorsion de l'image en utilisant l'image du bloc d'étalonnage. .
- Définir la zone d'intérêt à l'intérieur de la surface d'observation pour l'analyse.
- Définir la taille des fenêtres de sous-ensembles carrés comme 64 x 64 pixels pour l'première itération et 32 x 32 pixels pour la deuxième itération 20. Définir le chevauchement de 50%.
- Corréler l'image prise après durcissement avec l'image de référence prise avant le durcissement de calculer les déplacements et des déformations des distributions.
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Representative Results
Trois échantillons ont été testés pour chaque matériau. Après chaque essai, l'échantillon a été examiné par les yeux ou, si nécessaire, à l'aide d'un microscope. Pas de décollement apparente à la "dent-restauration" interface ou la fissuration a été trouvé.
La résolution des images était de 1600 x 1180 pixels avec une taille de pixel de 5,8 mm. Avec une taille de fenêtre de sous-ensemble de 32 pixels, la résolution spatiale de la répartition de déplacement était d'environ 186 mm.
La figure 3 montre un graphique typique de vecteurs de déplacement d'une restauration durci préparé avec Z250. Les échantillons avec les autres composites de résine produites parcelles de déplacement similaires. On voit que le composite de résine rétréci vers le fond de la cavité et la partie de la restauration de la partie centrale supérieure du plus grand déplacement dû à la baisse. Ce déplacement vers le bas réduit progressivement avec la profondeur dans la restauration. Dans le même temps, le matériau composite de résine contractéd La horizontalement vers la ligne médiane verticale de la restauration où le déplacement horizontal a été nulle.
L'intrigue de la souche horizontale, la figure 4A, montre déformation des concentrations élevées de traction le long des deux «dent-restauration" interfaces verticales. De même, une concentration de contrainte à la traction verticale peut être vue à l'interface inférieure de la figure 4B. Dans la restauration, la souche n'a pas été uniforme. Souche de contraction supérieur horizontal a été trouvée à proximité des deux parois latérales verticales, ainsi que dans la partie supérieure de la restauration (figure 4A), alors que la souche de contraction verticale augmente progressivement le long de la profondeur de la cavité (figure 4B). Cependant, lorsque les deux composants directes de contrainte ont été additionnées, qui est nommé dans le plan souche directe totale ici, une distribution relativement uniforme de la contrainte de contraction au sein de la restauration peut être vu; voir la figure 4C. Similarly, une bande de concentration de contrainte à la traction relativement uniforme peut être vu entourant la restauration.
Pour évaluer la concentration de contrainte en plus de détails, des valeurs de déplacement et de déformation ont été extraits en outre à partir des résultats DIC d'un Z250 spécimen le long d'une ligne horizontale à mi profondeur de la restauration, comme illustré sur la figure 5. L'bleu anti-symétrique en pointillés la courbe montre le déplacement horizontal, dont les valeurs maximales et minimales de l'ordre de 2 mm et 1 mm, respectivement, représentent les déviations des points de rebroussement de la gauche et de droite. Les valeurs positives représentent les déplacements vers la droite et vers la gauche des valeurs négatives déplacements. Ainsi, le point gauche vers la droite et la droite aube vers la gauche. Il y avait une forte augmentation des déplacements aux interfaces des deux côtés de la cavité, qui a culminé à une courte distance dans la restauration. Avec autre augmentation de la distance, l'amplitude des déplacements diminue fortement etatteint la valeur zéro à environ mi largeur de la cavité, où le plan de l'anti-symétrie jeter. La courbe rouge montre solide la souche horizontale le long de la même ligne horizontale. On peut voir que la tension sur la majeure partie de la surface du verre était proche de zéro. Correspondant aux déplacements avec des amplitudes des pics au niveau des interfaces sont deux pics de contrainte de traction, avec des valeurs d'environ 1,7% et 1,5% sur la gauche et la droite, respectivement. Au sein de la restauration, une souche de contraction relativement constante d'environ 0,5% peut être vu.
La figure 6 représente la moyenne dans le plan souche directe totale des trois composites de résine le long de la même ligne horizontale. LS produit la plus faible déformation dans le plan de la contraction totale d'environ 1% dans la restauration, suivie Z250 avec une valeur de l'ordre de 2%, puis Z100 avec une valeur de l'ordre de 2,5%. Ces souches de contraction totaux dans le plan des trois résines composites étaient approximativement égales à leurs souches de retrait volumétrique 18-19. Les trois matériaux testés ont montré des concentrations de contrainte de traction au niveau des interfaces similaires, ceux-ci étant de l'ordre de 1%.
Figure 1. Dimensions du modèle en verre avec une cavité MOD et la surface d'observation.
. Figure 2 Dispositif de retrait mesure de déformation consistant en: A) titulaire caméra CCD, B) éclairage LED jaune clair, C) spécimen, D) serrant la vis, et E) spécimen de la cavité en verre.
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Figure 3. Des vecteurs déplacement d'un spécimen typique remplis Z250 composite. Les lignes en pointillés indiquent les limites de la cavité.
Figure 4 Égouttez les distributions sur la surface d'observation montrant souche de contraction dans la restauration et la concentration de contrainte de traction le long de la «dent-restauration" Interface:. A) souche horizontale (Exx); B) souche verticale (Eyy), et C) dans le plan souche directe totale (Exx + Eyy). Les lignes pointillées indiquent les limites de la cavité. S'il vous plaît cliquer ici pour view une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Déplacement horizontal et souche long de la ligne horizontale au milieu de la profondeur de la cavité obtenue à partir d'un échantillon Z250. La zone ombrée indique la position de la cavité.
Figure 6. Souche directe Dans le plan total pour les trois composites testés le long de la ligne horizontale au milieu de la profondeur de la cavité.
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Discussion
L'utilisation de cavités de verre avec la même forme et les dimensions pour la mesure de la déformation de retrait a été de réduire au minimum la variation des résultats en raison de différences dans la taille, anatomie et les propriétés des matériaux de dents humaines naturelles. En outre, le verre de silice fondue utilisé dans cette étude a un module de Young d'un analogue de l'émail, ce qui en fait un matériau simulant approprié pour les dents naturelles dans la mesure du comportement mécanique est concernée 21-22. Bien que dans de véritables restaurations de dents, le composite à base de résine est essentiellement lié à la dentine, plutôt que l'émail, et il existe une différence de rigidité entre les deux tissus dentaires, on ne s'attend pas la distribution des déformations obtenues avec un modèle de dent plus mou pour être très différent en termes de son modèle, même si les valeurs peuvent être différentes. Avec l'application d'un apprêt céramique et d'un adhésif approprié, une forte liaison entre le composite de résine et les parois de la cavité de verre a été assurée, ce qui permet contrainte de retrait de développer pleinement dans la spécihommes sans décollement de la restauration. En fait, la force de liaison entre le verre et la résine composite était censé être plus élevée que la résistance à la rupture de la vitre, car des fissures ont été trouvées dans certains échantillons de verre, principalement remplis d'Z100, lorsque de plus grandes cavités ont été utilisées. La même observation a été faite par d'autres chercheurs 12.
La fine couche de peinture pulvérisée sur la surface du composite de résine pourrait entraver la circulation et le retrait de la matière du fait de sa raideur finie. Par conséquent, une attention particulière a été prise pour éviter de peindre la surface de la résine composite. La peinture a été pulvérisée doucement à une certaine distance au-dessus pour permettre au brouillard de fines tombent sur la surface de l'échantillon, formant dispersé, en morceaux, plutôt que de mouchetures. La fine poudre de charbon qui a été plus tard saupoudré sur comprenait également des particules lâches qui avaient peu de chances d'entraver le mouvement de la résine composite.
La taille des taches sur la surface d'observation, en même temps que la taille de la fenêtre du sous-ensemble, est important pour la précision du résultat DIC. Certaines études ont conclu que la taille de la granularité devrait être de quelques pixels de sorte que l'erreur de corrélation est faible 23. Dans cette étude, avec une résolution d'image de 5,8 pm, la taille de speckle devrait donc être ~ 30 um. Ceci a été réalisé avec la fine couche de peinture blanche et une fine poudre de carbone, comme décrit ci-dessus. La sélection d'une taille de fenêtre de sous-ensemble approprié dans la présente étude a été effectuée selon les références 23 à 24, et quelques essais ont été effectués avant que la taille de 32 x 32 pixels a été sélectionné. Les grandes fenêtres de sous-ensembles permettent de réduire les erreurs aléatoires, car ils contiennent plusieurs motifs pour correspondance entre images et réduit ainsi les incertitudes dans le processus 23,25. Cependant, le coût de l'utilisation de plus grandes fenêtres de sous-ensemble est la perte de détails les plus fins à l'intérieur de l'm. Par conséquent, aussi longtemps que l'erreur de corrélation est acceptable, une petite taille de la fenêtre est toujours souhaitée, en particulier lorsque la carte de déplacement / effort est fortement non uniforme et la déformation locale présente un intérêt. La sélection d'une taille optimale de la fenêtre de sous-ensemble est généralement déterminée par l'expérience ou par des essais et des erreurs. Le logiciel Davis 7.2 permet l'utilisation d'un maximum de deux interrogations pour une corrélation unique, ce qui signifie qu'un sous-ensemble de plus grande taille de la fenêtre peut être utilisée pour d'abord obtenir un champ de déplacement grossier mais moins bruyant et ensuite un sous-ensemble de taille de fenêtre réduite peut être utilisé pour donner un champ plus détaillée, mais plus bruyant déplacement.
A noter que la déformation mesurée dans le composite à base de résine a été la souche net, qui comprend la déformation élastique, la déformation au fluage et la déformation de retrait. Par conséquent, le motif de déformation dans la restauration dentaire durcie fortement dépendu de la contrainte à partir des parois de la cavité ainsi que le retrait et l'écoulement de l'la résine composite. D'autre part, le verre entourant seulement déformée élastiquement. Les souches proches de zéro verre étaient dus à son module d'élasticité élevé. On notera également que la souche est la pente ou taux de variation de déplacement. En raison de la contrainte, le matériau à proximité des interfaces avait mouvement très limité, ce qui entraîne l'évolution rapide des déplacements et, par conséquent, des contraintes élevées, il. En revanche, les grands déplacements de matériels survenus à la surface libre supérieure de la restauration, mais avec de très faibles déformations en raison des gradients de déplacement faibles. Comme le gradient de déplacement fait suite à la direction de la contrainte, la direction de la déformation qui en résulte également de la contrainte. Par exemple, des souches proches de l'étage de la cavité sont plus dans la direction verticale que dans la direction horizontale, comme illustré sur la figure 4B, parce que la contrainte a été la plupart du temps dans la direction verticale. D'autre part, des souches proches des parois latérales sont plus dans la di horizontalrection que dans la direction verticale, comme représenté sur la figure 4A. figure 6 montre que les souches directs dans le plan totaux dans la restauration pour les trois matériaux testés étaient proches de leurs tensions de retrait volumique, ce qui implique que le retrait hors du plan souche était proche de zéro et la déformation élastique était très petite. Comme prévu, LS a produit la plus faible contrainte de contraction totale dans le plan, suivi par Z250 et Z100 (voir le tableau des matériaux).
Souches de traction ont été clairement visibles le long des interfaces "dent-restauration". La raison en est que le retrait du matériau composite à base de résine a tendance à tirer la matière à l'écart des parois de la cavité et le plancher. Parce que le matériau a été limitée, il finit par être étiré, ce qui entraîne une déformation de traction. Toutefois, l'ampleur de l'effort de traction calculée peut ne pas être exacte en raison d'erreurs numériques dans le calcul des souches à partir d'un rapchanger les bras croisés champ de déplacement. Dans l'analyse de corrélation d'images, un seul vecteur de déplacement peut être obtenu dans chaque sous-ensemble de fenêtre. Par conséquent, le déplacement entre deux fenêtres de sous-ensembles adjacents pourrait apparaître comme un grand saut dans la courbe de déplacement. Lorsque la souche a été obtenue à partir de la différenciation de déplacement, ces grands sauts de déplacement pourraient donner lieu à des valeurs anormalement élevées de déformation. En outre, la répartition de contrainte est prévu pour être discontinue à travers les interfaces en raison d'un mésappariement dans des propriétés élastiques. Ceci est également prévu à partir du changement brusque de la pente du déplacement au niveau des interfaces. Cependant, comme les sous-ensembles aux interfaces incluent à la fois le verre et composite de résine, les déplacements et les déformations calculées y ont été en moyenne de valeurs entre les deux régions, et donc semblé être lisse. Interpolation linéaire entre les valeurs aux points d'échantillonnage discrets voisins a donné la continuité apparente. Images haute résolution seront exiRouge pour améliorer la précision des mesures de contrainte.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt financier concurrents.
Acknowledgments
Cette étude a été financée par le Centre de recherches pour le Minnesota dentaire biomatériaux et biomécanique (MDRCBB).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dental composite Z100 | 3M ESPE | N362979 | volume shrinkage ~ 2.5%, Young's modulus ~ 14 GPa |
| Dental composite Z250 | 3M ESPE | N326080 | volume shrinkage ~ 2.0%, Young's modulus ~ 11 GPa |
| Dental composite LS | 3M ESPE | N240313 | volume shrinkage ~ 1%, Young's modulus ~ 10 GPa |
| Ceramic Primer | 3M ESPE | N167818 | Rely X |
| LS System Adhesive | 3M ESPE | N391675 | Adhesive for compoiste LS |
| Adper Single Bond Plus | 3M ESPE | 501757 | Adhesive for compoiste Z100 and Z250 |
| Glass rod | Corning Inc. | Pyrex 7740 borosilicate | |
| Curing light | 3M ESPE | Elipar S10 | |
| White paint | Krylon Product Group | Indoor/Outdoor, Flat white | |
| Charcoal powder | Sigma Aldrich, Co. | BCBH6518V | Fluka activated charcoal |
| CCD camera | Point Grey Research, Inc. | Point Grey Gras-20S4C-C |
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