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Methodenartikel

Quasistatische mechanische Prüfung für computergestütztes Design und Herstellung von okklusalen Veneers, die auf gefrästes Dentin-Analogmaterial zementiert sind

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DOI:

10.3791/67511

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20. Dezember 2024

 ,  , 
1Center for Oral Bioengineering, Institute of Dentistry, Queen Mary University of London, 2School of Engineering and Materials Science, Queen Mary University of London

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Es wurde ein quasistatischer Belastungstest mit einer nicht fixierten Edelstahlkugel entwickelt, um die Bruchfestigkeit von minimalinvasiven posterioren computergestützten Design- und Fertigungsrestaurationen zu bestimmen, die auf dentinanaloge Materialien zementiert sind. Dieser Test modelliert das typische Belastungsregime, das für den Bruch von Zahnrestaurationen verantwortlich ist.

Zusammenfassung

Bei den derzeitigen minimal-invasiven Behandlungsschemata werden kleinere Zahnpräparationen und dünnere biomimetische Keramikrestaurationen verwendet, um die Vitalität, Ästhetik und Funktion des restaurierten Zahns zu erhalten. Neue keramische Materialien für computergestütztes Design und computergestützte Fertigung (CAD/CAM) sind jetzt verfügbar. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, muss ein Zahnarzt die mechanische Festigkeit dieses neu eingeführten Produkts im Vergleich zur relativ spröden Glasmatrixkeramik kennen. Darüber hinaus wurde ein Zahnersatz für Laboruntersuchungen, insbesondere nach der Pandemie, beworben, und für seine Anwendung sind mehr Beweise erforderlich.

In dieser Studie wurde ein Laborprotokoll für einen monotonen Belastungstest zur Bestimmung der Bruchfestigkeit von 1 mm dicken CAD/CAM-Okklusionsveneers entwickelt. Die Master-Matrizen wurden aus Hochdruck-Glasfaserlaminat gefräst, das einen ähnlichen Elastizitätsmodul und eine ähnliche Haftfestigkeit wie hydratisiertes Dentin aufweist. Sie wurden in Endkappen aus Polyvinylchlorid (PVC) mit kalthärtendem Epoxidharz eingebaut. Okklusale Veneers, auch Tischrestaurationen genannt, wurden aus Lithiumdisilikat- (LD) und Harz-Nanokeramikblöcken (RNC) gefräst und mit doppelt ausgehärtetem Adhäsivharzzement auf vorbereitete Matrizen zementiert. Sie wurden vollständig aushärten gelassen, indem sie 48 Stunden lang bei 37 °C in destilliertem Wasser gelagert wurden.

Alle Proben wurden dann in eine Universalprüfmaschine gelegt und über eine nicht fixierte 5,5-mm-Edelstahlkugel geladen, die eine seitliche Bewegung ermöglicht, wie sie gegen die Antagonistenzähne auftreten würde. Die Kompression wurde mit einer Rate von 1 mm/min aufgebracht, und das Last-Verschiebungs-Diagramm wurde erstellt. Die durchschnittliche maximale Belastbarkeit von Restaurationen war in der RNC-Gruppe (3.212,80 ± 558,67 N) signifikant höher als in der LD-Gruppe (2727,10 ± 472,41 N) (p < 0,05). Während des Tests wurde kein Debonding festgestellt. Beide CAD/CAM-Materialien können eine ähnliche Fehlerverteilung aufweisen. An der Belastungsstelle wurde ein Hertzscher Kegelriss gefunden, während radiale Risse, die sich von der Zementationsoberfläche aus ausbreiten, in beiden Gruppen nahe dem Rand gefunden wurden.

Einleitung

Metallfreie Restaurationen werden heute im Front- und Seitenzahngebiss aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften und Biokompatibilität stark bevorzugt1. Der größte Nachteil solcher Materialien ist jedoch ihre Anfälligkeit für Bruch2. Die meisten Keramiken sind anfällig für Risse, die durch Zugspannungen entstehen, selbst bei geringer Dehnung3. Frakturen von zahnkeramischen Prothesen entstehen in der Regel durch langsames radiales Risswachstum, das auf die langfristigen Zugbelastungen beim Kauen zurückzuführenist 4. Ihre Schwächen eskalieren mit intrinsischen Fehlern oder Defekten in den Materialien und extrinsischen Fehlern aus der Fertigung und Nachbearbeitung5. Die Biegefestigkeit, d. h. die Fähigkeit, Zugbelastungen standzuhalten, von dentalen CAD/CAM-Materialien kann durch Standardtests wie einachsige (3-Punkt- oder 4-Punkt-Biegen) und biaxiale Biegetests (Kugel-auf-Ring-, Ring-auf-Ring- und Kolben-auf-Drei-Kugeln) erreicht und verglichen werden. In der Zwischenzeit kann die Bruchzähigkeit, die Fähigkeit eines Materials, Risswachstum zu widerstehen, aus einem einschneidigen Kerbbalken und einem Eindringversuch abgeleitet werden. Diese Tests können jedoch das Verhalten der zementierten Prothesen mit unterschiedlichen anatomischen Konfigurationen nicht vollständig vorhersagen und darstellen6. Andere monotone oder dynamisch-mechanische Tests wurden eingeführt, um ihre Leistung unter verschiedenen klinischen Aspekten zu rechtfertigen 7,8.

Der Belastungstest zum Frakturieren oder "Knirschen der Krone" wird in der Zahnmedizin häufig eingesetzt, um die Festigkeiten von keramischen Restaurationen mit komplexen Geometrien zu untersuchen und zu vergleichen 9,10. Die monotone einachsige Kompression wird quasistatisch in vertikaler oder lateraler Richtung auf die Restaurationen ausgeübt, bis es zu einem katastrophalen Bruch kommt. Aus der maximalen Belastungskraft kann die Bruchfestigkeit des Werkstoffes bestimmt werden, wobei die Brucharten einschließlich der Lage und Richtung des Risses mikroskopisch untersucht werden können. Eine gute Restauration sollte in der Lage sein, sowohl der Druck- als auch der Zugbelastung durch die willkürliche maximale Bisskraft, die höchste Kaukraft, die von den Kieferhebemuskeln unter dem Einfluss der craniomandibulären Biomechanik erzeugt wird, und der Reflexbahn11,12 standzuhalten, die in den Seitenzähnen bis zu 900 N betragen kann3. Darüber hinaus kann Bruxismus die Kraft im gleichen Bereich unwillkürlich auf 1.200 N erhöhen13. Neben den Materialeigenschaften (d. h. dem Elastizitätsmodul) beeinflussen Geometrien, Dicken, Adhäsivzement und Defektverteilungen die Festigkeit einer Prothese14. Es wurden jedoch Argumente für die klinische Relevanz solcher Tests vorgebracht, da die nichtklinischen hohen Kräfte und die Versagensmechanismen den klinischen Situationen unähnlich sind 6,14. Ein Ermüdungsfestigkeitstest, der eine Stufenspannungsanalyse und einen intraoralen Zustand umfasst, kann ein realistischerer Ansatz sein, um die Langlebigkeit von Zahnrestaurationen vorherzusagen7. Nichtsdestotrotz ist die Bruchlast immer noch ein schneller, einfacher und wiederholbarer In-vitro-Test, um die Stärken neuer CAD/CAM-Keramikmaterialien zu vergleichen, die auf den Markt gebracht wurden und bei denen die Angaben des Herstellers möglicherweise nicht zuverlässig sind 15,16,17. Das Ergebnis kann die Toleranz der Prothese gegenüber extremen Kräften durch parafunktionelle Aktivitäten und unerwartete klinische Situationen wie das Beißen auf harte Samen oder Kies widerspiegeln, was auch bei Zahnprothesen zum Versagen führt 18,19,20,21.

Mit ihrem zunehmenden Einsatz zur Rehabilitation von Seitenzähnen wurde die mechanische Leistungsfähigkeit von okklusalen Veneers aus gefrästen und gedruckten CAD/CAM-Materialien unter verschiedenen Aspekten untersucht, darunter Materialtypen, prothetische Designs, Design der Zahnaufsatzvorbereitung, Dicken, Oberflächenbehandlungen, Adhäsivverbindungen und Befestigungszementsystem22,23. Allerdings sind die Daten noch begrenzt, und die Prüfmaterialien stammen aus Glasmatrixkeramik und konventionellen CAD/CAM-Verbundwerkstoffen. Ein alternatives Hybridmaterial, Harz-Nanokeramik, ist jetzt verfügbar. Es wird behauptet, die Festigkeit nanokeramischer Füllstoffe und die Elastizität der Harzmatrix zu integrieren, die für dünne, minimalinvasive Restaurationen geeignet sein kann. Seine mechanische Leistung, insbesondere im molaren Bereich, erfordert jedoch mehr unterstützende Beweise für klinische Implikationen.

Bisher standen den Forschern in Labortests keine Materialien zur Verfügung, die natürliche Zähne ersetzen können. Hochdruck-Glasfaserlaminat (National Electrical Manufacturers Association; Seit 2010 wird die NEMA-Klasse G10) mit dem Handelsnamen Garolith als Dentin-Analogmaterial für die mechanische Prüfung von Dentalkeramik angeboten14. Es handelt sich um ein duroplastisches Verbundmaterial, das aus mehreren Schichten Glasfaser besteht, die unter hohem Druck in Epoxidharz getränkt sind. Es kann hohen Beanspruchungsbedingungen standhalten und verfügt über ähnliche elastische Eigenschaften, Ermüdungsverhalten und adhäsive Haftfestigkeiten wie hydratisiertes Dentin14,24. Es bietet Vorteile gegenüber natürlichen Zähnen in Bezug auf die Probenvorbereitung, Standardisierung und ethische Zulassung, mit Zeitersparnis aufgrund geringerer Bedenken hinsichtlich der Biosicherheit24. Die Oberflächenbehandlung kann durch Ätzen mit 5 % oder 10 % Flusssäure von 60 s bis 90 s und Auftragen eines Silan-Haftvermittlers14,24 durchgeführt werden. Dennoch gibt es nur wenige Studien zu zementierten Prothesen mit diesem Material, und die Zuverlässigkeit der vorhandenen Evidenz ist nach wie vor fragwürdig24,25.

In dieser Studie wurde ein Laborprotokoll für einen monotonen Belastungstest von 1 mm dicken okklusalen Veneers entwickelt, die auf die aus Dentinanalogmaterial gefrästen Master-Matrizen gegen eine nicht fixierte Edelstahlkugel gefräst wurden. Die maximalen Belastbarkeiten von zwei dentalen CAD/CAM-Materialien: Lithiumdisilikat (LD) - IPS e.max CAD und Harz-Nanokeramik (RNC) - Lava Ultimate, mit n = 15 pro Gruppe, wurden quantifiziert und statistisch durch einen unabhängigen t-Test mit zwei Stichproben und eine statistische Weibull-Analyse verglichen. Die Bruchmuster wurden auch unter optischer Stereomikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Hypothese der Studie war, dass dies eine geeignete Methode ist, um das Versagen von okklusalen Veneers in der klinischen Anwendung zu modellieren. Die statistische Nullhypothese lautete, dass es keinen Unterschied in der maximalen Belastbarkeit zwischen den aus den beiden Materialien hergestellten okklusalen Veneers geben sollte.

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Protokoll

1. Herstellung von Zahnanalogien

  1. Die Kaufläche des ersten Molaren des Unterkiefers (mit gegabelter Wurzel) anatomisch um 1 mm verkleinern und den Rand mit groben und feinen Diamantbohrern abschrägen.
  2. Scannen Sie den präparierten Typodont mit einem Dentallabor-Scanner.
  3. Öffnen Sie die gescannte Datei mit dem OrthoAnalyzer in der CAD-Software. Klicken Sie im Fenster des Sculpt-Toolkits auf das Wachsmesser-Werkzeug und stellen Sie dessen Durchmesser und Wasserwaage auf 2,6 mm bzw. 63 μm ein. Ziehen Sie nach und nach jede Wurzeloberfläche zueinander, um die gegabelten Wurzeln zu einer einzigen Wurzel zusammenzuführen, um den Fräsvorgang zu erleichtern (Abbildung 1).
  4. Fräsen Sie die Zahnanalogmatrizen aus einem Hochdruck-Glasfaserlaminat (n = 30) (Garolite, National Electrical Manufacturers Association [NEMA] Klasse G10) mit einer Fünf-Achs-Fräsmaschine (Abbildung 2).

2. Montage

  1. Verwenden Sie eine geeignete CAD-Software (z. B. Autodesk Inventor Professional 2025), um eine Vorrichtung zu entwerfen, die in den Fußbereich des Modellzahns und den Raum in den PVC-Endkappen passt, um eine standardisierte Position und Ausrichtung des Prüflings zu gewährleisten.
  2. Drucken Sie mit einem 3D-Drucker eine Vorrichtung pro Teststück aus PMMA oder ähnlichem Modulmaterial.
  3. Kombinieren Sie die Wurzelteile und Matrizen mit der PVC-Endkappe, typischerweise 25 mm im Innendurchmesser, 21,5 mm hoch und 5,5 mm in der Wandstärke.
  4. Mischen Sie das kalthärtende, niedrigviskose Epoxidharz und gießen Sie es bis zum Zementschmelz-Übergangsbereich der Modellzähne. Achten Sie darauf, die Kaufläche der Modellzähne nicht mit dem fließenden Harz zu verunreinigen. Mindestens 24 Stunden bei Raumtemperatur vollständig aushärten lassen (Abbildung 3).

3. Herstellung von okklusalen Veneers

  1. Importieren Sie die gescannte Datei des Zahnanalogons in die CAD-Software.
  2. Bestimmen Sie unter Anweisungen die Einstichrichtung des Aufschlussveneers.
  3. Wählen Sie unter Schnittstellen die Option Randlinie und markieren Sie die Randlinie des gescannten Zahnanalogons. Wählen Sie dann Die Schnittstelle | Stellen Sie die Einstellungen vor und stellen Sie den Zementspalt auf 0,025 mm und den zusätzlichen Zementspalt auf 0,050 mm ein.
  4. Entwerfen Sie unter Anatomie-Design ein 1 mm dickes okklusales Veneer mit einer Schablone aus der Smile Library und passen Sie es mit den Werkzeugen in Sculpt an.
  5. Fräsen Sie die Blöcke aus Lithium-Disilikat (IPS e.max CAD) und Harz-Nanokeramik (Lava Ultimate) (n=15 pro Gruppe) mit einer Fünf-Achs-Fräsmaschine und befolgen Sie die Herstellerangaben (Abbildung 4).

4. Verklebung und Befestigung

  1. Reinigen Sie alle Master-Dies 90 s lang in einer Ultraschallmaschine und trocknen Sie sie an der Luft. Tragen Sie dann 5%ige Flusssäure für 60 s auf die Kauoberfläche auf, spülen Sie sie gründlich mit Wasser ab und trocknen Sie sie an der Luft.
  2. Für die LD-Gruppe die Innenfläche 20 s lang mit 5%iger Flusssäure ätzen, gründlich mit Wasser abspülen und an der Luft trocknen.
  3. Für die RNC-Gruppe mit Aluminiumoxidpulverkorn der Korngröße 50 μm bei 2 bar (200 kPa, 30 psi) für 10 s luftabschleifen. Überschüssigen Sand mit Alkohol entfernen und an der Luft trocknen lassen.
  4. Tragen Sie Silan, einen universellen Haftvermittler, auf und laden Sie den doppelt aushärtenden Adhäsivzement auf das Tiefdruck der Restauration. Legen Sie die Restauration auf die vorbereiteten Master-Matrizen, indem Sie sie unter einem silikongefüllten Kompressionskopf in eine Universalprüfmaschine mit einer Belastung von 40 N laden.
  5. Aushärtung mit einer Leuchtdiode (LED) bei einer Lichtintensität im Normalmodus von 1.000-1.200 mW/cm2 für 1-2 s. Entfernen Sie überschüssigen Zement, lassen Sie das Polymerisationslicht auf jeder Oberfläche 20 s lang bestehen und lassen Sie es 5 Minuten in der Universalprüfmaschine.
  6. Aus der Universalprüfmaschine nehmen und 48 h in destilliertem Wasser bei 37 °C ruhen lassen, damit der Zement vollständig aushärten kann.
  7. Zeichnen Sie vor dem Test mit feinen Permanentmarkern mit feinen Permanentmarkern drei medial-laterale Referenzlinien (sinistral, zentral und dextral) und drei anterior-posteriore Referenzlinien (oben, mittig und unten) in unterschiedlichen Farben mit feinen Permanentmarkern.

5. Quasistatische mechanische Prüfung

  1. Positionieren Sie den Prüfling in der Mitte der unteren Platte einer mechanischen Prüfmaschine mit einer 5 kN Wägezelle, die für die Druckprüfung eingerichtet ist.
  2. Platzieren Sie eine Edelstahlkugel mit einem Durchmesser von 5,5 mm in der zentralen Fossa der Restauration am Schnittpunkt der zentralen Referenzlinien (Abbildung 5).
  3. Platzieren Sie einen schützenden Acrylring um die Probe und einen Schmutzschutz vor der Prüfmaschine, um umherfliegende Trümmer zu begrenzen.
  4. Bringen Sie die Traverse nach unten, bis sie fast mit der Stahlkugel in Berührung kommt und keine Last und Verschiebung hat.
  5. Wenden Sie eine Kompression mit 1 mm/min an, bis die Restauration fraktiert, was sich durch einen plötzlichen Abfall der Belastung anzeigt. Zeichnen Sie diese Last auf (Abbildung 5).
  6. Entfernen Sie nach dem Bruch das Schild und den Acrylring und sammeln Sie vorsichtig den Prüfling und seine Fragmente. Die farbigen Linien helfen dabei, die Keramikfragmente für die spätere Analyse in ihre ursprüngliche Position zu bringen (Abbildung 5).
  7. Platzieren Sie den nächsten Prüfling und befolgen Sie die Schritte 5.2-5.6, bis die Gruppen vollständig sind.

6. Statistische Analyse

  1. Füllen Sie die Minitab-Arbeitsblätter mit den Materialcodes und den maximalen Belastungswerten (N) aus, die Sie in der ersten bzw. zweiten Spalte aus dem Experiment abgerufen haben.
  2. Führen Sie einen unabhängigen t-Test für zwei Stichproben durch, indem Sie Statistik | Grundlegende Statistiken | 2 Proben t. Legen Sie das Konfidenzniveau auf 95 % fest, und gehen Sie von gleichen Varianzen aus.
  3. Erstellen Sie das Weibull-Verteilungsdiagramm, indem Sie Statistik | Zuverlässigkeit/Überleben | Verteilungsanalyse (Rechtszensur) | Diagramm der Verteilungs-ID. Wählen Sie im Feld Variable die maximalen Belastungswerte, aktivieren Sie das Kontrollkästchen und wählen Sie Materialnamen im Feld Nach Variable, geben Sie die Verteilung als Weibull an, und klicken Sie auf OK.
  4. Führen Sie die statistische Weibull-Analyse durch, indem Sie Statistik | Zuverlässigkeit/Überleben | Verteilungsanalyse (Rechtszensur) | Parametrische Verteilungsanalyse | Weibull | Grafiken. Wählen Sie das Wahrscheinlichkeitsnetz | Zeigen Sie die Konfidenzintervalle in den obigen Diagrammen an, und klicken Sie auf OK.

7. Fraktographische Analyse

  1. Für die Stereomikroskopie montieren Sie die Okularkamera und nehmen mit der Stereomikroskopie-Software Bilder (20x) der Luft- und Seitenansichten der Proben auf.
  2. Für die Rasterelektronenmikroskopie schneiden Sie die Probe bis zum Zementschmelzübergang (CEJ) ab, legen sie in ein Acetonbad in einem Ultraschallreiniger und trocknen sie anschließend an der Luft. Vergoldung und Aufnahme von Bildern (250-300-fache Vergrößerung) der Luft- und Seitenansichten der Proben.

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Ergebnisse

Die Berechnung des Stichprobenumfangs wurde mit der referenzierten Software durchgeführt, die eine Effektstärke von 0,39 erzeugte und eine minimale Stichprobengröße von n = 13 pro Gruppe nahelegte. In dieser Studie wurde jedoch eine Stichprobengröße von n = 15 gewählt, um die Differenz von 5% zu erkennen. Die Nullhypothese wurde verworfen. Die Mittelwerte der maximalen Belastungskraft der 1 mm dicken okklusalen Veneers (n = 15 pro Gruppe) aus der LD-Gruppe (Lithiumdisilikat: 2.727,10 ± 472,41 N) waren trotz höherer Biege...

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Diskussion

In den letzten Jahren haben minimalinvasive okklusale Veneers in der modernen restaurativen Zahnheilkunde zunehmend Aufmerksamkeit erhalten. Diese Restaurationen werden in der Regel aus monolithischen CAD/CAM-Glasmatrixkeramiken, polykristallinen und Hybridmaterialien hergestellt26. Als Vorteile werden die konservative Zahnpräparation, der leichte Zugang und die Sichtbarkeit bei der Zahnpräparation, der Abformung und Befestigung sowie der Erhalt der marginalen Gin...

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Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte anzugeben.

Danksagungen

Diese Studie wurde von der Fakultät für Zahnmedizin der Mahidol University, Bangkok, Thailand, finanziert. Die Autoren danken Dr. Erica Di Federico von der School of Engineering and Materials Science und Dr. Thomas Kelly von der School of Geography an der Queen Mary University of London für ihre fachkundigen technischen Beiträge und Anleitungen in dieser Arbeit.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
3D-Druck (SLA) Formlabs, Somerville, MA, USAForm3+
3Shape CAD-Software für Dentaldesigner 3Shape A/S, Kopenhagen, DänemarkCAD-Software für Zahnanaloga und Veneers
5% Flusssäure Ivoclar Vivadent, Schaan, LiechtensteinIPS Keramik Ätzgel
Tonerde PulverRonvig Dental Mfg. A/S, Daugaard, Dänemark
Bluehill Universal Software für die Materialprüfung Instron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USA
CamLabLite Software Bresser UK Ltd, Kent, UKStereomikroskopie-Software
Kalthärtendes niedrigviskoses EpoxidharzStruers SAS, Champigny-sur-Marne, Frankreich
Dualhärtender Harzzement 3M, Saint Paul, MN, USARely X Ultimate Klebeharz-Zement-Okularkamera
 ToupTek Photonics Co., Ltd., Hangzhou, China
Hochdruck-Fiberglas-Laminatscheiben  (G10)PAR Group Ltd, Lancashire, UK
IPS e.max CADIvoclar Vivadent, Schaan, LiechtensteinYB54G9/605330Geringe Transluzenz, A3, C14
Laborscanner3Shape A/S, Kopenhagen, DänemarkD900L
Lava Ultimate3M ESPE, Saint Paul, MN, USA9541467/3314A3-LTGeringe Lichtdurchlässigkeit, A3, 14L
Leuchtdiode (LED) Polymerisationslicht Woodpecker Medical Instrument, Guilin, China
Fräsmaschine VHF camfacture AG, Amnnerbuch, DeutschlandVHF S2
Minitab 18 Minitab Inc, State College, PA, USA
nQuery Advisor Version 9.2.10 Statistical Solutions Ltd., CA, USAStatistical Software
Endkappe aus Polyvinylchlorid Plastic Pipe Shop Ltd, Stirling, Großbritannien25 mm X 21,5 mm;
Rasterelektronenmikroskop Tescan, Brno, Tschechische RepublikTescan Vega
Silane Haftvermittler 3M, Saint Paul, MN, USARelyX Keramik-Grundierung
Autodesk Inventor Professional 2024Autodesk, San Francisco, CA, USA CAD-Softwarefür Jig-Sputter-Vakuum-Coater
   Quorum, East Sussex, GroßbritannienMiniQS Sputter Coater
Stata18 StataCorp LLC, College Station, TX, USA
Stereomikroskop Carl Zeiss AG, Oberkoche, DeutschlandZeiss Stemi 508
Typodont Unterkiefer erster Molaren Frasaco GmbH, Tettnang, DeutschlandANA-4 Z3RN-36
Universeller zahnärztlicher Haftvermittler  3M, Saint Paul, MN, USAScotch Bond Universalklebstoff
UniversalprüfmaschineInstron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USAIntron 5900-84 

Referenzen

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