计算机辅助设计和制造粘合到铣削牙本质模拟材料的咬合贴面的准静态力学测试
2024年12月20日
开发了一种使用非固定不锈钢球的准静态断裂载荷测试，以确定粘合到牙本质模拟材料的微创后路计算机辅助设计和制造修复体的断裂强度。该测试模拟了导致牙科修复体断裂的典型加载机制。
我们想开发一种机械测试技术来研究微创修复体或任何固定牙齿修复体粘合到牙齿模拟材料上的事实抵抗力和行为，而不是使用天然牙齿和使用通用标准测试，例如单轴和双轴弯曲测试。用 CAD/CAM 在纳米陶瓷中铣削的 1 毫米厚的咬合贴面具有较低的有效应变，比传统的二硅酸锂具有优异的抗事实性。尽管如此，两者都表现出足够的事实压力，再次，自愿和非自愿，最大咬合力，并且是在微创方案下恢复后牙的有前途的材料。
对于有兴趣测试新奇开发的修复材料的新牙科研究人员来说，这是一种简单且可重复的方法。首先，使用粗毛刺和金刚石毛刺在解剖学上先将 Typodont 下颌骨的咬合表面缩小 1 毫米，然后对边缘进行斜切。接下来，使用牙科实验室扫描仪扫描准备好的 Typodont。
在 CAD 软件中使用 OrthoAnalyzer 打开扫描文件。在雕刻工具包窗口中，选择蜡刀工具，然后将直径设置为 2.6 毫米，将水平设置为 63 微米。逐渐将每个根表面彼此拉动，以将分叉的根合并为单个根，以便于铣削过程。
接下来，使用五轴铣床从高压玻璃纤维层压材料中铣削齿状类似物染料。在 Autodesk Inventor Professional 2025 中，设计一个夹具以适合模型齿的根部，并将其与聚氯乙烯端盖内的空间对齐。接下来，使用 3D 打印机用聚甲基丙烯酸甲酯或具有相似模量的材料为每个测试齿打印一个夹具。
将根部和染料与聚氯乙烯端盖混合。混合冷固化的低粘度环氧树脂，并将其倒入模型牙的牙骨质-牙釉质交界区域，注意避免污染咬合表面。将环氧树脂在室温下完全凝固至少 24 小时。
将齿模拟物的扫描文件导入 CAD 软件。在 Directions （方向） 菜单中，确定咬合贴面的插入方向。在 Interfaces 下，选择 margin line 并标记扫描齿模拟的 margin 线。
然后，选择 dye interface。从高级设置中，将水泥间隙调整为 0.025 毫米，将额外的水泥间隙调整为 0.050 毫米。接下来，在 Anatomy Design 下，使用 Smile Library 中的模板创建一个 1 毫米厚的咬合贴面。
根据需要使用工具和雕刻调整单板。首先，将修复体以 40 牛顿的负载加载到万能试验机的硅填充压缩头下，将修复体放在准备好的母染料上。在正常模式下，使用光强度为每平方厘米 1， 000 至 1， 200 毫瓦的发光二极管固化修复体 1 至 2 秒。
去除多余的水泥，继续固化每个表面 20 秒。固化后，从万能试验机上取出修复体，将其放入 37 摄氏度的蒸馏水中 48 小时，以使水泥完全固化。测试前，使用精细的永久性记号笔在修复体上画出三条不同颜色的内侧参考线和三条前后参考线。
将试样放置在机械试验机下压板的中心，该机械试验机配备一个用于压缩试验的 5 kNewton 载荷传感器。然后，将一个直径为 5.5 毫米的不锈钢球放在修复体的中央窝中，将其对准中央参考线的交点。在试样周围放置一个保护性丙烯酸环，并在试验机前面放置一个碎屑防护罩，以容纳任何潜在的飞溅碎片。
降低横梁，直到它几乎与钢球接触。然后，将 load 和 displacement 都设置为零。接下来，以每分钟 1 毫米的速度施加压缩，直到修复体断裂以负载突然下降为信号。
记录断裂载荷。骨折后，取下碎屑盾和亚克力环。小心收集测试样本及其碎片。
将目镜相机安装在体视显微镜上。使用立体显微镜软件以 20 倍放大倍率捕获样品的鸟瞰和侧视图图像。对于扫描电子显微镜，在牙骨质-牙釉质交界处切割标本，并将其放入超声波清洗机中的丙酮浴中。
风干试样后，在表面涂上一层金涂层。以 250 到 300 倍的放大倍率捕获鸟瞰图和侧视图的图像。来自 LD 和 RNC 的骨折咬合贴面的立体显微镜图像显示，在中央窝的中央参考线交点处有表面环状裂纹。
这个裂缝是赫兹锥裂缝系统的一部分，延伸到更深的修复层中。骨折分析显示，LD 和 RNC 在舌远端始终骨折，除了 1 个 RNC 样本有颊舌骨折。扫描电子显微镜图像显示，由于纳米陶瓷填料浸渍，RNC 的断裂表面呈现粗糙和纤维状，表明塑性变形。
相比之下，LD 裂缝直接传播，形成多个不同的裂缝块。
概览
本研究提出了一种机械测试技术，旨在评估微创牙齿修复物的抗断裂性。该方法专注于粘接到牙本质类似材料上的修复物，与传统方法相比，提供了更相关的测试环境。
关键研究组成部分
科学领域
- 牙科材料
- 机械测试
- 修复性牙科
背景
- 微创修复在牙科中的应用越来越广泛。
- 传统测试方法可能无法准确反映临床条件。
- CAD/CAM技术允许创建精确的牙齿修复物。
- 了解抗断裂性对牙科材料的长寿命至关重要。
研究目的
- 开发一种评估牙齿修复物断裂强度的测试方法。
- 比较不同修复材料的性能。
- 为未来的牙科研究提供一种可重复的方法。
使用的方法
- 使用非固定不锈钢球进行准静态负载至断裂测试。
- 使用牙本质类似材料进行粘接。
- 使用CAD/CAM技术准备咬合面贴面。
- 在模拟加载条件下评估抗断裂性。
主要结果
- 微创修复物显示出比传统材料更优越的抗断裂性。
- 两种测试材料在最大咬合力下表现出足够的应变。
- 开发的方法对研究人员来说简单且可重复。
- 结果支持在后牙修复中使用CAD/CAM材料。
结论
- 新的测试方法有效地模拟了临床加载条件。
- 微创修复在牙科应用中前景广阔。
- 进一步的研究可以在此方法基础上探索新材料。
常见问题
Executive Industry Relevance
Reliable mechanical testing of biomimetic dental materials is critical for translational research and product development in restorative dentistry. This protocol enables standardized, repeatable assessment of fracture resistance for CAD/CAM occlusal veneers cemented to dentin analogs, supporting predictive confidence in material selection and design. The approach addresses the need for clinically relevant, reproducible data to inform early-stage material triage and downstream workflow integration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven evaluation of new restorative material performance under simulated clinical loads.
- Supports mechanistic de-risking by isolating material-dependent fracture behaviors in a controlled analog system.
- Facilitates functional validation of CAD/CAM ceramics and composites for minimally invasive applications.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, repeatable protocol for quantitative fracture strength measurement.
- Enables reproducible comparison of novel and established dental materials using consistent test conditions.
- Supports assay scalability and platform reuse for high-throughput material screening.
Translational & Preclinical Research
- Aligns laboratory testing with clinically relevant loading scenarios using dentin analog substrates.
- Enables continuity from material discovery through preclinical validation of restorative performance.
- Supports risk-adjusted advancement of candidate materials based on quantitative mechanical outputs.
Pipeline & Workflow Integration
This monotonic load-to-fracture protocol positions mechanical testing at the interface of material discovery, screening, and preclinical validation for dental biomaterials.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on fracture mechanisms and material failure modes.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible fracture load data for comparative material assessment.
- Analytics: Generates load-displacement curves and statistical outputs for robust condition comparison.
- Translational Research: Bridges laboratory findings to clinical relevance using dentin analogs and simulated occlusal forces.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, adaptable protocol for ongoing material innovation and benchmarking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection and design for restorative applications.
- Operational Value: Standardizes mechanical testing workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage risk in dental material portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of candidate materials for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in CAD/CAM design, mechanical testing, and dental material handling.
- Needs access to universal testing machines, 3D milling, and imaging infrastructure.
- Demands cross-team standardization of specimen preparation and test parameters.
- Adaptable to various restorative materials and analog substrates with protocol adjustments.
- Limitations include reliance on analog models and monotonic loading, not cyclic fatigue.
