פרוטוקול סטנדרטי להערכת השפעת טיפולי פני שטח, מלטים להטיה ותרמוסיקלינג על חוזק הקשר PEEK–קומפוזיט

Summary

פרוטוקול זה נועד להעריך את השפעות פרוטוקולי הטיפול במשטח, בחירת מלט לוטינג ותרמוסיקלינג על חוזק הקשר הגזירה בין PEEK לשרף מרוכב עקיף.

Abstract

פוליאת'רקטון (PEEK) זוכה לתשומת לב הולכת וגוברת כחומר ביולוגי בפרוסטודונטיקה; עם זאת, השגת היצמדות עמידה לחומרים מרוכבים עם ציפוי נותרה אתגר משמעותי בשל המבנה הכימי האינרטי שלהם. מחקר זה מציג ומאמת פרוטוקול סטנדרטי וניתן לשחזור להערכת חוזק קשר גזירה (SBS) בין PEEK לשרף מרוכב עקיף תחת טיפולי משטח שונים, מלטים עם לחות ותנאי תרמחזור שונים. סך הכל 240 דיסקי PEEK חולקו לארבע קבוצות לפי טיפול שטחי: ללא טיפול שטחי, הפצצת חול, חריטה של חומצה גופרתית והקרנה בלייזר. מורפולוגיית פני השטח נותחה באמצעות מיקרוסקופיית כוח אטומי. כל קבוצה חולקה בהתאם למלט הלוטינג שבו נעשה שימוש (מלט תחמוצת אבץ שאינו אאוגנול או מלט שרף דביק עצמי; n = 30), וחולקה עוד לקבוצות תרמומחזוריות ולא-תרמומחזוריות (n = 15). SBS נמדדה באמצעות מכונת בדיקה אוניברסלית, ומצבי הכשל נותחו תחת מיקרוסקופ סטריאו. מבין כל קבוצות הניסוי, דגימות שעברו לוט עם מלט שרף דביק עצמי ולא עברו תרמוסיקלינג הראו את ערכי ה-SBS הגבוהים ביותר (25.134 ± 1.665 מגה-פסקל), בעוד שדגימות שעברו לוט עם מלט אוקסיד אבץ שאינו אאוגנול ונחשפו לתרמוסיקלינג הציגו את ערכי ה-SBS הנמוכים ביותר (1.958 ± 0.345 מגה-פסקל). בכל פרוטוקולי הטיפול במשטחים, ערכי SBS היו גבוהים משמעותית בדגימות שעברו לוט עם מלט שרף דביק בעצמו בהשוואה למלט אבץ תחמוצת שאינו אוגנול (p < 0.001). תרמוסיקינג הפחיתה משמעותית את ערכי SBS בכל הקבוצות (p < 0.001). פרוטוקול זה מדגיש שלבים פרוצדורליים קריטיים, כולל בחירת טיפול פני שטח וסוג מלט, המשפיעים משמעותית על תוצאות הקשר. זרימת העבודה הסטנדרטית וההדגמה חזותית של שלבים מרכזיים מספקים מסגרת ניתנת לשחזור להערכת קשר PEEK–קומפוזיט.

Introduction

פוליאת'רקטון (PEEK) הפך לפולימר מבטיח בעל ביצועים גבוהים בפרוסטודונטיקה בזכות תכונותיו המכאניות הטובות, יציבותו הכימית, הצפיפות הנמוכה והמראה בצבע שן ^1,2,3. בהשוואה לחומרים קונבנציונליים כמו טיטניום, PEEK מציע יתרונות כמו קלות בשינוי הכיסא והפחתת פגיעה אסתטית⁴. עם זאת, למרות יתרונות אלה, יישומו הקליני מוגבל בשל מבנהו הכימי האינרטי ואנרגיית פני השטח הנמוכה, מה שגורם להידבקות לקויה לחומרים מבוססי שרף ^5,6.

מחקרים קודמים הראו שמשטחי PEEK שלא טופלו מראים קשר לא מספק לשרפים מרוכבים, מה שהופך את שינוי המשטח לשלב קריטי להשגת חוזק קשר קליני^{מקובל 6,7}. הוצעו אסטרטגיות שונות לטיפול פני שטח כדי להתגבר על מגבלה זו, כולל חריטה של חומצה גופרתית 8,9,10,11,12,13,14, שחיקת חלקיקים באוויר עם תחמוצת אלומיניום 6,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16, ציפוי סיליקה טריבוכימי 8,15,16,17,18,19, טיפולי פלזמה ^9,20,21,22, והקרנת לייזר 6,23,24,25 ^,26,27. עם זאת, היעילות של גישות אלו משתנה במידה ניכרת בהתאם לפרמטרי הפרוטוקול והחומרים בהם השתמשו, מה שמוביל לתוצאות קישור לא עקביות בין המחקרים¹⁷.

בנוסף לטיפול שטחי, סוג מלט הלוטינג ממלא תפקיד מרכזי בקביעת חוזק הקשר. מלטים זמניים, כגון נוסחאות אבץ תחמוצת שאינן אאוגנול, משמשות בדרך כלל לשיקום זמני, בעוד שמלטי שרף דביקים מספקים הידבקות חזקה יותר באמצעות אינטראקציות מיקרומכניות וכימיות פוטנציאליות²⁴. יתרה מזאת, תרמוסיקינג משמש באופן נרחב לסימולציה של תנודות טמפרטורה תוך-אוראליות ולהערכת עמידות הממשק המחובר לאורך זמן ^6,17,25. משתנים אלו—טיפול משטח, סוג מלט והזדקנות תרמית—נחקרו בנפרד; עם זאת, ההשפעות המשולבות שלהן מוערכות לעיתים קרובות באמצעות שיטות הטרוגניות¹¹.

למרות גוף הספרות ההולך וגדל על חיבור PEEK¹¹, נכון לעכשיו אין פרוטוקול ניסויי סטנדרטי וניתן לשחזור שמשלב טיפול במשטחים, צמנטציה ותרמוקינג לתהליך עבודה אחיד. הבדלים בהכנת הדגימה, פרמטרי שינוי משטח, נהלי יישום מלט ופרוטוקולי הזדקנות מגבילים את השוואת התוצאות ומפחיתים את השחזוריות בין מחקרים. יתרה מזאת, היעדר הדגמה חזותית של צעדים פרוצדורליים קריטיים תורם עוד יותר לשונות בתוצאות הניסוי. לכן, מטרת המחקר היא להציג ולאמת פרוטוקול ניסויי סטנדרטי להערכת קשר PEEK–קומפוזיט בתנאי טיפול משטחים מבוקרים, צמנטציה ותרמחזור תרמומחזורי. ההשערה האפסית של מחקר זה היא ששיטות טיפול פני שטח, סוגי מלט לוטינג ושיטות תרמומחזור אינן משפיעות משמעותית על חוזק הקשר הגזירה בין חומרים PEEK לחומרים מרוכבים עקיפים.

Protocol

פרוטוקול זה במבחנה עוקב אחרי הנחיות מוסדיות למחקר שיניים מבוסס מעבדה. אישור אתי לא נדרש משום שלא היו מעורבים משתתפים אנושיים או רקמות בעלי חיים. כל החומרים בהם השתמשו במחקר זה מתוארים בטבלת החומרים.

1. הכנת דגימות PEEK

1. ייצרו 240 דגימות פוליאת'רקטון (PEEK) בצורת דיסק בקוטר 8 מ"מ ועובי של 3 מ"מ ממוטות PEEK מסחריים באמצעות מכשיר חיתוך מדויק בתנאי מעבדה סטנדרטיים (איור 1A–C).
2. סמן משטח אחד של כל דגימה באמצעות סמן קבוע להבחנה בין הצד הלא-קשור. הגדר את המשטח הלא מסומן כמשטח ההדבקה לכל ההליכים הבאים.
3. לבריק את משטח ההדבקה של כל דגימה באמצעות נייר סיליקון קרביד 600 גריט תחת קירור מים רציף.
4. נקה את כל הדגימות באולטרסאונד במים מזוקקים למשך 10 דקות.
5. ייבשו את כל הדגימות באוויר היטב לפני הטיפול על פני השטח.

2. טיפול שטחי ב-PEEK

אזהרה: לטפל בחומצה גופרתית בתוך מכסה אדים כימי תוך לבישת ציוד מגן אישי מתאים²⁸.

1. חלק את הדגימות באקראי לארבע קבוצות לפי פרוטוקול הטיפול במשטח: בקרה לא מטופלת, הפצצת חול, חריטה של חומצה גופרתית והקרנת לייזר (איור 2A–D).
2. לקבוצת הביקורת, שטפו את הדגימות במים דה-יוניים למשך דקה אחת וייבשו באוויר למשך 10 שניות.
3. לקבוצת הפיצוץ החול, יש לשפשף את משטח ההדבקה באמצעות חלקיקי תחמוצת אלומיניום של 110 מיקרון בלחץ של 2 בר למשך 10 שניות, תוך שמירה על מרחק של 10 מ"מ וזווית יישום של 45°. להבטיח יישום עקבי על ידי שמירה על מרחק וזווית זהים לכל הדגימות^15,16.
4. לקבוצת החריטה החומצית, יש להניח 98% חומצה גופרתית על פני השטח המחברים למשך 60 שניות^ו-13.
5. לקבוצת הלייזר, הקרינו את פני השטח באמצעות לייזר גרנט אלומיניום איטריום (Er:YAG) עם אור גל של 2,940 ננומטר, אנרגיית פולס של 150 מילי-ג'ול, קצב חזרה של 10 הרץ, והספק ממוצע של 1.5 וואט במצב QSP²³.
6. השתמש ברצועת יד ללא מגע בגודל נקודה של 0.9 מ"מ ומקם את קרן הלייזר בניצב לפני השטח של הדגימה במרחק של 10 מ"מ. הפעילו את הלייזר בתנועת סריקה על פני השטח ובצעו מעבר יחיד לכל דגימה כדי להבטיח חלוקת אנרגיה אחידה.
7. שטוף את כל הדגימות במים דה-יוניים למשך דקה אחת כדי להסיר שאריות על פני השטח.
8. ייבשו את כל הדגימות באוויר למשך 10 שניות.

3. ניתוח פני שטח באמצעות מיקרוסקופיית כוח אטומי

1. בחרו באקראי 60 דגימות PEEK (n = 15 לכל קבוצת טיפול משטח) לניתוח פני שטח.
2. בצע מיקרוסקופיית כוח אטום (AFM) במצב הקשה בתנאים יבשים להערכת טופוגרפיית פני השטח (איור 3A–D).
3. השתמש בקצה סיליקון (Si) לכל המדידות והפעל את המכשיר לפי נוהל הכיול הסטנדרטי של היצרן.
4. מקמו כל דגימה מתחת לקנטילבר וקבלו תמונות שטח תלת-ממדיות על שטח סריקה של 10 מיקרון × 10 מיקרון.
5. בצע שלוש מדידות במיקומים שונים בכל דגימה כדי למזער את השונות המקומית על פני השטח ולחשב ערכי מחוספסות ממוצעת.
6. רשמו ערכי ממוצע ריבועי מחוספסות (ריבוע) וממוצע חספוס (Sa) עבור כל דגימה.

4. הכנת דיסקים מרוכבים של שרף אינדירקטיבי

1. ייצרו תבניות פלקסיגלס ליצירת דגימות מרוכבות בצורת דיסק בקוטר 5 מ"מ ועובי 5 מ"מ (איור 4A–B).
2. הכנס חומר שרף מרוכב עקיף לחללי התבנית כדי לקבל דגימות בצורת דיסק בקוטר 5 מ"מ ועובי של 5 מ"מ.
3. פולימר את הדגימות המורכבות באמצעות יחידת ייבוש אור במעבדה לפי הוראות היצרן, תוך הבטחת חשיפה אחידה לאור מכל הכיוונים.
4. הסר את הדיסקים המורכבים הפולימריזים מהתבניות ושוטף במים דה-יוניים למשך דקה.
5. ייבשו את הדגימות באוויר במשך 10 שניות.
6. שחיקו את משטח ההדבקה של כל דיסק מרוכב באמצעות חלקיקי תחמוצת אלומיניום בקוטר 110 מיקרון בלחץ של 0.5 מגה-פסקל למשך 15 שניות, תוך שמירה על מרחק של 10 מ"מ.
7. תקן את היישום על ידי שמירה על מרחק וזווית עקביים בין כל הדגימות.
8. נקה את כל הדיסקים המרוכבים במים מזוקקים באולטרסוניק למשך 10 דקות ותן להם להתייבש באוויר.

5. הליך לוטינג

1. חלקו כל קבוצת טיפול פני שטח לשתי תת-קבוצות (n = 30) בהתאם למלט הלוטינג שבו השתמשו: מלט תחמוצת אבץ שאינו אאוגנול ומלט שרף דביק עצמי.
2. עבור מלט תחמוצת אבץ שאינו יוגנול, יש לפזר אורכים שווים של משחת בסיס וזרז על משטח ערבוב ולערבב במשך כ-20 שניות עד להשגת מרקם הומוגני. מרחו את המלט המעורב על משטח ה-PEEK המטופל באמצעות מרית, תוך הפעלת לחץ עדין כדי למזער את לכידת האוויר.
3. למלט שרף דביק עצמי, חבר קצה אוטומיקס למזרק ומשחרר כמות קטנה ראשונית כדי להבטיח ערבוב נכון. לאחר מכן, מרחו את המלט ישירות על משטח ה-PEEK המטופל, תוך שמירה על הקצה במגע כדי לשמור על זרימה רציפה ולהפחתת לכידת האוויר, וכסו את כל אזור ההדבקה בשכבה אחידה.
4. מקמו את הדיסק המרוכב במרכז על משטח ה-PEEK המכוסה בבטון באמצעות יישור ויזואלי והחלו עומס סטנדרטי כדי להבטיח אחידות ישיבה ועובי בטון, תוך הימנעות מתנועות רוחביות במהלך הישיבה.
5. יש להחיל עומס אנכי קבוע של 500 גרם למשך 10 שניות כדי לתקן את עובי המלט ולהבטיח התאמה אחידה (איור 5).
6. הסר מלט עודף מהשוליים באמצעות מיקרוברוש.
7. עבור מלט תחמוצת אבץ שאינו יוגנול, יש לאפשר זמן קיבוץ של 6 דקות תחת העומס שהוחל.
8. לצמנט שרף דביק עצמי, פולימר באמצעות מכשיר ייבוש אור (מכל הכיוונים לסך של 80 שניות ממרחק של 5 מ"מ).
9. שמרו על מיקום ויישור אחידים של כל הדגימות לאורך כל ההליך כדי למזער שונות.

6. תרמוסיקינג

1. חלק כל תת-קבוצה של מלט לשתי תת-קבוצות נוספות (n = 15) בהתאם לתנאי תרמחזור: עם תרמחזור וללא תרמחזור.
2. הדגימות הנבדקות בקבוצת התרמחזור ל-5,500 מחזורים בין 5°C ל-55°C (±2°C) באמצעות מכשיר תרמוקינג^20,29,30 (איור 6A–B).
3. הגדר את זמן השהייה בכל אמבטיה ל-30 שניות ואת זמן ההעברה בין האמבטיות ל-2 שניות.
4. שמרו על תנאי מחזור אחידים לכל הדגימות לאורך כל ההליך.

7. בדיקת חוזק קשר גזירה

1. הטמיעו כל דגימה מוצמדת (מכלול PEEK–מלט–קומפוזיט) בשרף אקרילי מתקבש עצמי באמצעות תבניות נירוסטה בקוטר 15 מ"מ וגובה 15 מ"מ.
2. התקן כל דגימה במכונת בדיקה אוניברסלית באמצעות ג'יג מותאם אישית כדי להבטיח מיקום יציב.
3. יישר את להב הטעינה במקביל לממשק ההדבקה ומקם אותו קרוב ככל האפשר לממשק.
4. הפעל כוח גזירה במהירות ראש רוחב של 1 מ"מ/דקה עד שיתרחש כשל (איור 7).
5. רשמו את העומס המרבי בכשל (N) עבור כל דגימה.
6. חשב את ערכי חוזק הקשר הגזירה (SBS) במגהפסקל (MPa) באמצעות הנוסחה: SBS (MPa) = עומס (N) / שטח הקשר (mm²)¹⁴.

8. ניתוח מצבי כשל

1. בדוק דגימות מנותקות תחת סטריאומיקרוסקופ בהגדלה של פי 40.
2. סווג מצבי כשל לפי הקריטריונים שתוארו קודם ככישלונות דביקים, מעורבים או קוהרנטיים, כפי שהוגדרו בספרות³¹.
   1. זהה כשל בדבק כאשר מתרחש פירוק בממשק בין PEEK למלט המטיל או בין המלט למרוכב העקיף, ללא שרידי מלט על אף אחד מהמצעים.
   2. זהה כשל מעורב כאשר שאריות חלקיות של מלט נשארות על פני ה-PEEK בעוד אזורים אחרים של המצע חשופים.
   3. לזהות כשל קוהזיבי כאשר מתרחש שבר בתוך מצע ה-PEEK או בתוך החומר המרוכב העקיף.
3. תיעוד התפלגויות מצבי כשל עבור כל קבוצת ניסוי.

9. ניתוח סטטיסטי

1. בצע ניתוח סטטיסטי באמצעות תוכנת SPSS.
2. הביעו נתוני חספוס פני השטח ועוצמת קשר גזירה כסטיית תקן ממוצעת ±.
3. הערכו את הנורמליות של התפלגות הנתונים באמצעות מבחן שפירו–וילק.
4. להעריך את ההומוגניות של השונות באמצעות מבחן לוון. ההנחה של הומוגניות של שונות התקיימה (p > 0.05).
5. ניתוח נתוני חספוס פני השטח באמצעות מבחן Kruskal–Wallis כדי להשוות הבדלים בין פרוטוקולי טיפול פני שטח כאשר הנתונים מחולקים באופן לא תקין.
6. בצע השוואות זוגיות באמצעות מבחן הפוסט-הוק של דאן עם התאמת בונפרוני.
7. ניתוח נתוני חוזק קשרי גזירה באמצעות ניתוח ANOVA תלת-כיווני להערכת ההשפעות והאינטראקציות העיקריות של פרוטוקול טיפול משטח, סוג מלט לוטינג ותרמו-מחזור.
8. בצע השוואות זוגיות לאחר הוק באמצעות ממוצעים שוליים משוערים עם התאמת בונפרוני סדרתית.
9. הגדר את רמת המובהקות הסטטיסטית ב-p < 0.05.

Results

פרוטוקול זה מאפשר הערכה חוזרת של השפעות טיפול פני שטח, סוג מלט לוטינג ותרמוסיקלינג על ביצועי הקשר בין פוליאת'רקטון (PEEK) לשרף מרוכב עקיף. AFM חשף טופוגרפיות שטח מובחנות בהתאם לטיפול המשטחים שהוחל (טבלה 1). דגימות PEEK שלא טופלו הציגו משטחים חלקים והומוגניים יחסית עם אי-סדירויות מינימליות. דגימות שנפגעו בחול הראו מחוספסות מוגברת על פני השטח עם פסגות ועמקים לא סדירים, בעוד שדגימות עם חומצה גופרתית הציגו מורפולוגיה נקבובית המאופיינת בבורות מפוזרות אחידות. דגימות שהוקרנו בלייזר הראו חריצים שטחיים רדודים וסד...

Discussion

המחקר הנוכחי הציג פרוטוקול מאוזן במבחנה כדי להעריך את ההשפעות המשולבות של פרוטוקולי טיפול במשטח, בחירת מלט עם לוטינג, ותרמוסיקולינג על חוזק הקשר הגזירה בין פוליאת'רקטון (PEEK) לחומר מרוכב עקיף. התוצאות הראו שמשתנים אלו השפיעו באופן משמעותי על תוצאות הקשר, ובכך דחו את ההשערה האפסית. טיפול שטחי מהווה רכיב קריטי בפרוטוקול. בהתאם לחקירות קודמות, הפצצת חול עם חלקיקי תחמוצת אלומיניום הפיקה את ערכי החספוס הגבוהים ביותר של פני השטח, מה שמאשר את יעילותו ביצירת החזקת מיקרו-מכנית על משטחים...

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)	משמש לייצור דגימות בצורת דיסק
מכשיר חיתוך מדויק	Buehler	IsoMet 1000	משמש לחיתוך מוטות PEEK לדיסקים סטנדרטיים
מכשיר ליטוש	Buehler	Phoenix Beta	משמש לליטוש משטח סטנדרטי
נייר שוחק סיליקון קרביד (600-grit)	3M	01993 (Wetordry™ Sandpaper Sheet, 600 grit)	משמש תחת קירור מים לליטוש משטח
מנקה אולטרסאונד	Tecno-Gaz	Astra S	משמש לניקוי דגימות
חלקיקי תחמוצת אלומיניום (110 µm)	—	—	משמש לשחיקת חלקיקים מוטסים
יחידת חריטה בחול	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	משמש להקשחת משטח
חומצה גופרתית (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	זהירות: קורוזיבית; יש לטפל עם ציוד מגן מתאים
מערכת לייזר Er:YAG	Hoya ConBio	—	משמש לטיפול משטח בלייזר של PEEK
מיקרוסקופ כוח אטומי	Quesant Instrument Corporation, USA	—	משמש לניתוח טופוגרפיה של משטח
שרף קומפוזיטי עקיף	GC Corporation	Gradia Indirect	משמש לייצור דיסקים קומפוזיטיים
מלט זינק אוקסיד ללא אוגנול	Kerr	TempBond NE	מלט הדבקה זמני
מלט שרף דבק עצמי	3M ESPE	RelyX U200 Automix	מלט הדבקה מסוג שרף
יחידת קיבוע באור	Kerr	Optilux	משמש לפולימריזציה של מלט שרף
תרמו-ציקלר	Salubris Technica	Dentester	משמש להזדקנות מלאכותית
שרף אקרילי עצמי-התקשות	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	משמש להטמעת דגימות
מכונת בדיקה אוניברסלית	Instron	3345	משמש לבדיקת חוזק הדבקה בגזירה
סטריאומיקרוסקופ	Nikon	SMZ 800	משמש לניתוח מצב כשל