Protocolo estandarizado para evaluar el efecto de los tratamientos superficiales, el enlucido de cementos y el termociclamiento sobre la resistencia de unión entre PEEK y compuestos

Summary

Este protocolo tiene como objetivo evaluar los efectos de los protocolos de tratamiento superficial, la selección de cemento con luto y el termociclo sobre la resistencia a la unión cortante entre PEEK y una resina compuesta indirecta.

Abstract

La polietercetona (PEEK) ha ganado cada vez más atención como biomaterial en la prótesis; Sin embargo, lograr una adhesión duradera a materiales compuestos de revestimiento sigue siendo un gran desafío debido a su estructura químicamente inerte. Este estudio presenta y valida un protocolo estandarizado y reproducible para evaluar la resistencia a la unión cortante (SBS) entre PEEK y una resina compuesta indirecta bajo diferentes tratamientos superficiales, cementos de lutuación y condiciones de termociclo. Un total de 240 discos PEEK se dividieron en cuatro grupos según el tratamiento superficial: sin tratamiento superficial, arenado, grabado con ácido sulfúrico e irradiación láser. La morfología superficial se analizó mediante microscopía de fuerza atómica. Cada grupo se subdividía entonces según el cemento de lugrado utilizado (cemento no eugenol de óxido de zinc o cemento de resina autoadhesiva; n = 30), y se subdividía en grupos termociclados y no termociclados (n = 15). La SBS se midió utilizando una máquina de prueba universal y los modos de fallo se analizaron bajo un estereomicroscopio. Entre todos los grupos experimentales, las muestras lutuadas con cemento resinoso autoadhesivo y no sometidas a termociclamiento mostraron los valores más altos de SBS (25,134 ± 1,665 MPa), mientras que las muestras luestradas con cemento no eugenol de óxido de zinc y sometidas a termociclamiento presentaron los valores SBS más bajos (1,958 ± 0,345 MPa). Para todos los protocolos de tratamiento superficial, los valores de SBS fueron significativamente más altos en muestras lujadas con cemento resinoso autoadhesivo en comparación con cemento no eugenol de óxido de zinc (p < 0,001). El termociclo redujo significativamente los valores de SBS en todos los grupos (p < 0,001). Este protocolo destaca pasos procedurales críticos, incluyendo la selección del tratamiento superficial y el tipo de cemento, que influyen significativamente en los resultados de la adhesión. El flujo de trabajo estandarizado y la demostración visual de los pasos clave proporcionan un marco reproducible para evaluar la unión PEEK–compuesto.

Introduction

La polietercetona (PEEK) ha emergido como un polímero prometedor de alto rendimiento en prostodoncia debido a sus favorables propiedades mecánicas, estabilidad química, baja densidad y apariencia del color del^{diente 1,2,3}. En comparación con materiales convencionales como el titanio, el PEEK ofrece ventajas como la facilidad de modificación en la silla y un compromiso estético^{reducido 4}. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, su aplicación clínica está limitada por su estructura químicamente inerte y baja energía superficial, lo que resulta en una mala adhesión a materiales basados en^{resina 5,6}.

Estudios previos han demostrado que las superficies de PEEK sin tratar presentan una unión insuficiente a resinas compuestas, por lo que la modificación superficial es un paso crítico para lograr una resistencia de unión clínicamente^{aceptable 6,7}. Se han propuesto diversas estrategias de tratamiento superficial para superar esta limitación, incluyendo el grabado con ácido^sulfúrico 8,9,10,11,12,13,14, la abrasión de partículas en suspensión aérea con óxido ^{de aluminio} 6,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16, recubrimiento triboquímico de sílice 8,15,16,17,18,19, tratamientos con plasma ^9,20,21,22 e irradiación láser 6,23,24,25 ^,26,27. Sin embargo, la efectividad de estos enfoques varía considerablemente según los parámetros del protocolo y los materiales utilizados, lo que resulta en resultados de unión inconsistentes en^{los 17} estudios.

Además del tratamiento superficial, el tipo de cemento para lujar desempeña un papel crucial en la determinación de la resistencia de la unión. Los cementos temporales, como las formulaciones no eugenol de óxido de zinc, se utilizan comúnmente para restauraciones provisionales, mientras que los cementos de resina autoadhesiva proporcionan una adhesión más fuerte mediante interacciones micromecánicas y potenciales^{químicas 24}. Además, el termociclo se utiliza ampliamente para simular fluctuaciones de temperatura intraorales y evaluar la durabilidad de la interfaz unida a lo largo del tiempo ^6,17,25. Estas variables—tratamiento superficial, tipo de cemento y envejecimiento térmico—se han investigado individualmente; sin embargo, sus efectos combinados suelen evaluarse mediante metodologías^{heterogéneas 11}.

A pesar del creciente cuerpo de literatura sobre el enlace^{PEEK 11}, actualmente no existe un protocolo experimental estandarizado y reproducible que integre el tratamiento de superficies, la cementación y el termociclado en un flujo de trabajo unificado. Las diferencias en la preparación de la muestra, los parámetros de modificación superficial, los procedimientos de aplicación del cemento y los protocolos de envejecimiento limitan la comparabilidad de los resultados y reducen la reproducibilidad entre estudios. Además, la falta de demostración visual de los pasos procedimentales críticos contribuye aún más a la variabilidad en los resultados experimentales. Por ello, el objetivo de este estudio es presentar y validar un protocolo experimental estandarizado para evaluar la unión PEEK–compuesto bajo condiciones controladas de tratamiento superficial, cementación y termociclo. La hipótesis nula de este estudio es que los métodos de tratamiento superficial, los tipos de cemento de luto y los procedimientos de termociclo no afectan significativamente a la resistencia al enlace cortante entre materiales compuestos PEEK e indirectos.

Protocol

Este protocolo in vitro sigue las directrices institucionales para la investigación dental en laboratorio. No se requería aprobación ética porque no había participantes humanos ni tejidos animales implicados. Todos los materiales utilizados en este estudio se describen en la Tabla de Materiales.

1. Preparación de muestras PEEK

1. Fabricar 240 especímenes de polietercetónica (PEEK) en forma de disco con un diámetro de 8 mm y un grosor de 3 mm a partir de varillas PEEK disponibles comercialmente utilizando un dispositivo de corte de precisión bajo condiciones de laboratorio estandarizadas (Figura 1A–C).
2. Marca una superficie de cada muestra con un rotulador permanente para distinguir el lado que no se adhiere. Designa la superficie sin marcar como superficie de unión para todos los procedimientos posteriores.
3. Pulir la superficie de unión de cada muestra utilizando papel abrasivo de carburo de silicio de grano 600 bajo refrigeración continua por agua.
4. Limpia todas las muestras por ultrasonidos en agua destilada durante 10 minutos.
5. Seca al aire todos los ejemplares a fondo antes del tratamiento superficial.

2. Tratamiento superficial de PEEK

PRECAUCIÓN: Manipular ácido sulfúrico en una campana extractora química mientras se lleva el equipo de protección personal adecuado²⁸.

1. Dividir aleatoriamente las muestras en cuatro grupos según el protocolo de tratamiento superficial: control sin tratar, arenado, grabado con ácido sulfúrico e irradiación láser (Figura 2A–D).
2. Para el grupo de control, enjuaga las muestras con agua desionizada durante 1 minuto y seca al aire durante 10 segundos.
3. Para el grupo de arena, abrasar la superficie de unión usando partículas de óxido de aluminio de 110 μm a 2 bar de presión durante 10 s, manteniendo una distancia de 10 mm y un ángulo de aplicación de 45°. Asegurar la aplicación consistente manteniendo la misma distancia y angulación para todos los^{ejemplares 15,16}.
4. Para el grupo de grabado ácido, aplicar ácido sulfúrico al 98% sobre la superficie de unión durante 60 s¹³.
5. Para el grupo láser, irradiar la superficie usando un láser granate de aluminio dopado con erbio (Er:YAG) con una longitud de onda de 2.940 nm, energía de pulso de 150 mJ, tasa de repetición de 10 Hz y potencia media de 1,5 W en modo QSP²³.
6. Utiliza una pieza de mano sin contacto con un tamaño de punto de 0,9 mm y coloca el haz láser perpendicular a la superficie de la muestra a una distancia de 10 mm. Aplicar el láser en un movimiento de barrido a lo largo de la superficie y realizar una sola pasada por muestra para asegurar una distribución uniforme de la energía.
7. Enjuaga todas las muestras con agua desionizada durante 1 minuto para eliminar los residuos superficiales.
8. Seca al aire todos los ejemplares durante 10 segundos.

3. Análisis de superficies por microscopía de fuerza atómica

1. Selecciona aleatoriamente 60 muestras de PEEK (n = 15 por grupo de tratamiento superficial) para el análisis superficial.
2. Realizar microscopía de fuerza atómica (AFM) en modo de tapping bajo condiciones secas para evaluar la topografía superficial (Figura 3A–D).
3. Utiliza una punta de sonda de silicio (Si) para todas las mediciones y opera el dispositivo según el procedimiento estándar de calibración del fabricante.
4. Coloca cada muestra bajo el voladizo y adquiere imágenes superficiales tridimensionales en un área de escaneo de 10 μm × 10 μm.
5. Realiza tres mediciones en diferentes ubicaciones de cada muestra para minimizar la variabilidad local de la superficie y calcular valores medios de rugosidad.
6. Registrar los valores medios de rugosidad cuadrática (Sq) y rugosidad media (Sa) de la raíz para cada muestra.

4. Preparación de discos de resina compuesta ındirect

1. Fabricar moldes de plexiglás para producir muestras compuestas en forma de disco con un diámetro de 5 mm y un grosor de 5 mm (Figuras 4A–B).
2. Colocar material resinoso compuesto indirecto en las cavidades del molde para obtener muestras en forma de disco con un diámetro de 5 mm y un grosor de 5 mm.
3. Polimeriza las muestras compuestas utilizando una unidad de curado de luz de laboratorio según las instrucciones del fabricante, asegurando una exposición uniforme a la luz desde todas las direcciones.
4. Retira los discos compuestos polimerizados de los moldes y enjuaga con agua desionizada durante 1 minuto.
5. Seca los ejemplares al aire durante 10 segundos.
6. Abrasar la superficie de unión de cada disco compuesto utilizando partículas de óxido de aluminio a 110 μm a una presión de 0,5 MPa durante 15 s, manteniendo una distancia de 10 mm.
7. Estandariza la aplicación manteniendo una distancia y angulación consistentes en todos los ejemplares.
8. Limpia todos los discos compuestos por ultrasonidos en agua destilada durante 10 minutos y déjalos secar al aire.

5. Procedimiento de luto

1. Dividir cada grupo de tratamiento superficial en dos subgrupos (n = 30) según el cemento de luth utilizado: cemento no eugenol de óxido de zinc y cemento resinoso autoadhesivo.
2. Para el cemento no eugenol de óxido de zinc, se dispensan longitudes iguales de pastas base y catalizadoras sobre una base y mezclan durante aproximadamente 20 segundos hasta lograr una consistencia homogénea. Aplica el cemento mezclado sobre la superficie tratada del PEEK usando una espátula, aplicando una presión suave para minimizar el atrapamiento de aire.
3. Para el cemento de resina autoadhesivo, coloca una punta de automezcla en la jeringuilla y dispensa una pequeña cantidad inicial para asegurar la mezcla adecuada. Luego, aplica el cemento directamente sobre la superficie tratada del PEEK, manteniendo la punta en contacto para mantener un flujo continuo y reducir el atrapamiento de aire, y cubrir toda la zona de unión con una capa uniforme.
4. Coloca el disco compuesto en el centro sobre la superficie PEEK cubierta de cemento usando una alineación visual y aplica una carga estandarizada para asegurar un asiento y un grosor de cemento consistentes, evitando movimientos laterales durante el asiento.
5. Aplicar una carga vertical constante de 500 g durante 10 s para estandarizar el espesor del cemento y asegurar una adaptación uniforme (Figura 5).
6. Retira el exceso de cemento de los márgenes usando un microbrush.
7. Para el cemento no eugenol de óxido de zinc, se permite un tiempo de fijación de 6 minutos bajo la carga aplicada.
8. Para cemento resinoso autoadhesivo, polimeriza usando un dispositivo de curado ligero (desde todas las direcciones) durante un total de 80 s a una distancia de 5 mm.
9. Mantener una posición y alineación consistentes de todas las muestras durante todo el procedimiento para minimizar la variabilidad.

6. Termociclo

1. Dividir cada subgrupo de cemento en dos subgrupos adicionales (n = 15) según las condiciones de termociclado: con termociclo y sin termociclo.
2. Sujetar a las muestras del grupo de termociclo a 5.500 ciclos entre 5 °C y 55 °C (±2 °C) utilizando un dispositivo^{termociclador} 20,29,30 (Figuras 6A–B).
3. Ajusta el tiempo de permanencia en cada baño a 30 s y el tiempo de transferencia entre baños a 2 s.
4. Mantener condiciones de ciclo consistentes para todas las muestras durante todo el procedimiento.

7. Prueba de resistencia de unión al corte

1. Incrustar cada muestra cementada (conjunto PEEK–cemento–compuesto) en resina acrílica autocurante utilizando moldes de acero inoxidable con un diámetro de 15 mm y una altura de 15 mm.
2. Montar cada ejemplar en una máquina de prueba universal utilizando una plantilla personalizada para asegurar una posición estable.
3. Alinea la hoja de carga paralela a la interfaz de unión y colócala lo más cerca posible de la interfaz.
4. Aplicar fuerza cortante a una velocidad de cabeza transversal de 1 mm/min hasta que ocurra la falla (Figura 7).
5. Registrar la carga máxima en el momento de la falla (N) para cada muestra.
6. Calcular los valores de resistencia de unión cortante (SBS) en megapascales (MPa) usando la fórmula: SBS (MPa) = Carga (N) / área de unión (mm²)¹⁴.

8. Análisis de modos de fallo

1. Examinar muestras desensambladas bajo un estereomicroscopio a una magnificación de 40x.
2. Clasificar los modos de fallo según criterios previamente descritos como fallos adhesivos, mixtos o cohesivos, según se define en la literatura³¹.
   1. Identificar la falla del adhesivo cuando el despegado ocurre en la interfaz entre el PEEK y el cemento de luúa o entre el cemento y el compuesto indirecto, sin observar restos de cemento en ninguno de los dos sustratos.
   2. Identificar fallos mixtos cuando quedan restos parciales de cemento en la superficie del PEEK mientras otras áreas del sustrato quedan expuestas.
   3. Identificar la falla cohesiva cuando se produce fractura dentro del sustrato PEEK o dentro del material compuesto indirecto.
3. Registrar las distribuciones de modos de fallo para cada grupo experimental.

9. Análisis estadístico

1. Realizar análisis estadísticos utilizando el software SPSS.
2. Expresa los datos de rugosidad superficial y resistencia a la unión cortante como media ± desviación estándar.
3. Evalúa la normalidad de la distribución de datos utilizando la prueba de Shapiro–Wilk.
4. Evalúa la homogeneidad de las varianzas usando la prueba de Levene. Se cumplió la suposición de homogeneidad de las varianzas (p > 0,05).
5. Analizar los datos de rugosidad superficial utilizando la prueba de Kruskal–Wallis para comparar las diferencias entre protocolos de tratamiento superficial cuando los datos están distribuidos de forma no normal.
6. Realiza comparaciones por pares usando la prueba post hoc de Dunn con ajuste de Bonferroni.
7. Analizar los datos de resistencia a unión cortante utilizando análisis ANOVA de tres vías para evaluar los principales efectos e interacciones del protocolo de tratamiento superficial, el tipo de cemento para luting y el termociclado.
8. Realizar comparaciones post hoc por pares utilizando medias marginales estimadas con ajuste secuencial de Bonferroni.
9. Fija el nivel de significación estadística en p < 0,05.

Results

Este protocolo permite una evaluación reproducible de los efectos del tratamiento superficial, el tipo de cemento con luúa y el termociclo sobre el rendimiento de unión entre la polietercetona (PEEK) y una resina compuesta indirecta. AFM reveló topografías superficiales distintas dependiendo del tratamiento aplicado (Tabla 1). Los ejemplares de PEEK sin tratar mostraron superficies relativamente lisas y homogéneas con mínimas irregularidades. Los ejemplares con chorro de arena mostraron una rugosidad sup...

Discussion

El presente estudio introdujo un protocolo estandarizado in vitro. para evaluar los efectos combinados de los protocolos de tratamiento superficial, la selección de cemento de luúdo y el termociclado sobre la resistencia a la unión cortante entre la polietercetona (PEEK) y un material compuesto indirecto. Los resultados demostraron que estas variables influyeron significativamente en los resultados de enlace, rechazando así la hipótesis nula. El tratamiento superficial constituy...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polyetheretherketone (PEEK) rods	Mitsubishi Chemical Group (MCAM)	KETRON® CLASSIX LSG PEEK (white)	Usado para fabricar especímenes en forma de disco
Precision cutting device	Buehler	IsoMet 1000	Usado para cortar los varillajes PEEK en discos estandarizados
Polishing device	Buehler	Phoenix Beta	Usado para el pulido de superficies estandarizado
Silicon carbide abrasive paper (600-grit)	3M	01993 (Wetordry™ Sandpaper Sheet, 600 grit)	Usado bajo enfriamiento con agua para el pulido de superficies
Ultrasonic cleaner	Tecno-Gaz	Astra S	Usado para la limpieza de especímenes
Aluminum oxide particles (110 µm)	—	—	Usado para la abrasión con partículas en el aire
Sandblasting unit	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	Usado para el engrosamiento de superficies
Sulfuric acid (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	PRECAUCIÓN: Corrosivo; manejar con el equipo de protección apropiado
Er:YAG laser system	Hoya ConBio	—	Usado para el tratamiento de superficies con láser de PEEK
Atomic force microscope	Quesant Instrument Corporation, USA	—	Usado para el análisis de topografía de superficie
Indirect composite resin	GC Corporation	Gradia Indirect	Usado para la fabricación de discos de composite
Zinc oxide non-eugenol cement	Kerr	TempBond NE	Cement luting temporal
Self-adhesive resin cement	3M ESPE	RelyX U200 Automix	Cement luting de resina
Light-curing unit	Kerr	Optilux	Usado para la polimerización del cemento de resina
Thermocycler	Salubris Technica	Dentester	Usado para el envejecimiento artificial
Self-curing acrylic resin	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	Usado para la inclusión de especímenes
Universal testing machine	Instron	3345	Usado para las pruebas de resistencia de unión por cizallamiento
Stereomicroscope	Nikon	SMZ 800	Usado para el análisis del modo de falla