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Articolo metodologico

Test meccanici quasistatici per la progettazione e la produzione assistita da computer di faccette occlusali cementate su materiale analogo alla dentina fresata

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DOI:

10.3791/67511

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20 dicembre 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 questo articolo

Sommario

È stato sviluppato un test quasi statico carico-frattura con una sfera in acciaio inossidabile non fissata per determinare la resistenza alla frattura di restauri minimamente invasivi posteriori assistiti da computer e restauri cementati su materiali analoghi alla dentina. Questo test modella il tipico regime di carico responsabile della frattura dei restauri dentali.

Abstract

Negli attuali regimi di trattamento minimamente invasivo, la preparazione di un dente minore e un restauro in ceramica biomimetica più sottile vengono utilizzati per preservare la vitalità, l'estetica e la funzione del dente restaurato. Sono ora disponibili nuovi materiali simili alla ceramica per la progettazione assistita da computer e la produzione assistita da computer (CAD/CAM). Per garantire la longevità, un dentista deve conoscere la resistenza meccanica di questi prodotti appena lanciati rispetto alla ceramica a matrice di vetro relativamente fragile. Inoltre, è stato promosso un sostituto dei denti per le indagini di laboratorio, soprattutto dopo la pandemia, ed è necessario un maggiore supporto probatorio per la sua applicazione.

Questo studio ha sviluppato un protocollo di laboratorio per un test monotono carico-frattura per determinare la resistenza alla frattura di faccette occlusali CAD/CAM di 1 mm di spessore. Gli stampi master sono stati fresati da un laminato in fibra di vetro ad alta pressione, che ha un modulo elastico e una forza di adesione simili a quelli della dentina idrata. Sono stati montati in cappucci terminali in cloruro di polivinile (PVC) con resina epossidica a indurimento a freddo. Le faccette occlusali, chiamate anche restauri da tavolo, sono state fresate da disilicato di litio (LD) e blocchi di resina nanoceramica (RNC) e cementate su monconi master preparati utilizzando cemento resinoso adesivo a doppia polimerizzazione. Sono stati lasciati stagionare completamente conservandoli in acqua distillata per 48 ore a 37 °C.

Tutti i campioni sono stati quindi inseriti in una macchina di prova universale e caricati tramite una sfera in acciaio inossidabile da 5,5 mm non fissa che consente il movimento laterale come si verificherebbe contro i denti antagonisti. La compressione è stata applicata a una velocità di 1 mm/min ed è stato generato il grafico carico-spostamento. La capacità di carico massima media dei restauri nel gruppo RNC (3.212,80 ± 558,67 N) era significativamente più alta rispetto al gruppo LD (2727,10 ± 472,41 N) (p < 0,05). Durante il test non è stato riscontrato alcun distacco. Entrambi i materiali CAD/CAM possono avere una distribuzione dei difetti simile. La fessura del cono hertziano è stata trovata nel sito di carico, mentre le cricche radiali che si propagano dalla superficie di cementazione sono state trovate vicino al margine in entrambi i gruppi.

Introduzione

I restauri privi di metallo sono ora molto preferiti nella dentatura anteriore e posteriore grazie alle loro eccellenti caratteristiche ottiche e alla biocompatibilità1. Tuttavia, il principale svantaggio di tali materiali è la loro suscettibilità alla frattura2. La maggior parte delle ceramiche è vulnerabile alle crepe generate dalle sollecitazioni di trazione, anche in condizioni di bassa deformazione3. Le fratture delle protesi dentali in ceramica di solito si sviluppano a causa della lenta crescita radiale delle cricche dovuta all'esposizione a lungo termine alle sollecitazioni di trazione generate durante la masticazione4. Le loro debolezze si aggravano con difetti o difetti intrinseci all'interno dei materiali e difetti estrinseci dovuti alla fabbricazione e alla post-elaborazione5. La resistenza alla flessione, la capacità di resistere alle sollecitazioni di trazione, dei materiali CAD/CAM dentali può essere ottenuta e confrontata attraverso test standard come test di flessione uniassiale (flessione a 3 o 4 punti) e biassiale (sfera su anello, anello su anello e pistone su tre sfere). Nel frattempo, la tenacità alla frattura, la capacità di un materiale di resistere alla crescita di cricche, può essere derivata da una trave ad intaglio a un solo tagliente e da un test di indentazione. Tuttavia, questi test non possono prevedere e rappresentare completamente il comportamento delle protesi cementate con diverse configurazioni anatomiche6. Sono stati introdotti altri test meccanici monotoni o dinamici per giustificare le loro prestazioni con vari aspetti clinici 7,8.

Un test di carico per frattura o "scricchiolio della corona" è stato ampiamente utilizzato in odontoiatria per studiare e confrontare la resistenza dei restauri in ceramica con geometrie complesse 9,10. La compressione monoassiale monotona viene esercitata quasi staticamente sui restauri in direzione verticale o laterale fino a quando non si verifica una frattura catastrofica. La resistenza alla frattura del materiale può essere determinata dalla forza di carico massima, mentre le modalità di frattura, compreso il sito e la direzione della/e cricca/e, possono essere esaminate al microscopio. Un buon restauro dovrebbe essere in grado di resistere sia allo stress compressivo che a quello di trazione derivanti dalla massima forza di morso volontaria, la più alta forza masticatoria generata dai muscoli elevatori della mascella sotto l'influenza della biomeccanica cranio-mandibolare e della via riflessa11,12, che potrebbe essere fino a 900 N nei denti posteriori3. Inoltre, il bruxismo può aumentare involontariamente la forza a 1.200 N nella stessa regione13. Oltre alle proprietà del materiale (ad esempio, modulo elastico), le geometrie, gli spessori, il cemento adesivo e la distribuzione dei difetti influenzano la resistenza di qualsiasi protesi14. Tuttavia, sono state sollevate argomentazioni sulla rilevanza clinica di tali test a causa delle forze elevate non cliniche e dei meccanismi di fallimento dissimili dalle situazioni cliniche 6,14. Un test di resistenza alla fatica che coinvolge l'analisi delle sollecitazioni e le condizioni intraorali può essere un approccio più realistico per prevedere la longevità dei restauri dentali7. Tuttavia, il carico alla frattura è ancora un test in vitro rapido, semplice e ripetibile per confrontare le resistenze dei nuovi materiali ceramici CAD/CAM lanciati sul mercato dove i dati del produttore potrebbero non essere affidabili 15,16,17. Il risultato può riflettere la tolleranza della protesi alle forze estreme derivanti da attività parafunzionali e situazioni cliniche impreviste come mordere semi duri o ghiaia, che causa anche il fallimento nelle protesi dentarie 18,19,20,21.

Con il loro crescente utilizzo per la riabilitazione dei denti posteriori, le prestazioni meccaniche delle faccette occlusali realizzate con materiali CAD/CAM fresati e stampati sono state studiate per vari aspetti, tra cui tipi di materiali, design protesici, design della preparazione dell'abutment dentale, spessori, trattamenti superficiali, incollaggio e sistema di cemento di fissaggio22,23. Tuttavia, i dati sono ancora limitati e i materiali di prova provengono da ceramica a matrice di vetro e materiali compositi CAD/CAM convenzionali. È ora disponibile un materiale ibrido alternativo, la resina nanoceramica. Afferma di incorporare la forza dei riempitivi nanoceramici e la resilienza della matrice di resina, che può essere adatta per restauri sottili e minimamente invasivi. Tuttavia, le sue prestazioni meccaniche, soprattutto nella regione molare, richiedono ulteriori prove a supporto delle implicazioni cliniche.

Fino ad ora, i ricercatori non avevano materiali in grado di sostituire i denti naturali nei test di laboratorio. Laminato in fibra di vetro ad alta pressione (National Electrical Manufacturers Association; Il grado NEMA G10) con il nome commerciale di Garolite è stato proposto come materiale analogo della dentina per i test meccanici della ceramica dentale dal 201014. Si tratta di un materiale composito termoindurente costituito da multistrati di fibra di vetro imbevuti di resina epossidica ad alta pressione. Può resistere a condizioni di stress elevato con proprietà elastiche, comportamento a fatica e forza di adesione simili a quelle della dentina idrata 14,24. Offre vantaggi rispetto ai denti naturali per quanto riguarda la preparazione dei campioni, la standardizzazione e l'autorizzazione etica, con un risparmio di tempo dovuto alla riduzione dei problemi di biosicurezza24. Il trattamento superficiale può essere eseguito mediante mordenzatura con acido fluoridrico al 5% o al 10% da 60 s a 90 s e applicando un agente accoppiante silano14,24. Tuttavia, gli studi sulle protesi cementate con questo materiale sono limitati e l'affidabilità delle prove esistenti è ancora discutibile24,25.

In questo studio, è stato sviluppato un protocollo di laboratorio per un test monotono carico-frattura di faccette occlusali di 1 mm di spessore cementate alle matrici master fresate da materiale analogo alla dentina contro una sfera in acciaio inossidabile non fissata. Le capacità portanti massime di due materiali CAD/CAM dentali: disilicato di litio (LD) - IPS e.max CAD e resina nanoceramica (RNC) - Lava Ultimate, con n = 15 per gruppo, sono state quantificate e confrontate statisticamente attraverso un t-test indipendente a due campioni e un'analisi statistica di Weibull. I modelli di frattura sono stati studiati anche sotto stereomicroscopia ottica e microscopia elettronica a scansione. L'ipotesi dello studio era che questo fosse un metodo appropriato per modellare il fallimento delle faccette occlusali nelle applicazioni cliniche. L'ipotesi statisticamente nulla era che non ci dovesse essere alcuna differenza nelle capacità portanti massime tra le faccette occlusali realizzate con i due materiali.

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Protocollo

1. Fabbricazione di analoghi dentali

  1. Ridurre anatomicamente la superficie occlusale di un primo molare mandibolare di un tipodonte (con radice biforcata) di 1 mm e smussare il margine utilizzando frese diamantate grossolane e fini.
  2. Scansiona il tipodonte preparato con uno scanner da laboratorio odontotecnico.
  3. Aprire il file scansionato con OrthoAnalyzer nel software CAD. Nella finestra del toolkit Sculpt , fare clic sullo strumento Coltello per cera e impostarne il diametro e il livello rispettivamente a 2,6 mm e 63 μm. Tirare gradualmente ciascuna superficie radicolare l'una verso l'altra per unire le radici biforcate in un'unica radice per facilitare il processo di fresatura (Figura 1).
  4. Fresare gli stampi analogici dei denti da un laminato in fibra di vetro ad alta pressione (n = 30) (Garolite, National Electrical Manufacturers Association [NEMA] grado G10) utilizzando una fresatrice a cinque assi (Figura 2).

2. Montaggio

  1. Utilizzare qualsiasi software CAD appropriato (ad esempio, Autodesk Inventor Professional 2025) per progettare una maschera che si adatti alla sezione della radice del dente del modello e allo spazio all'interno dei cappucci terminali in PVC per garantire una posizione e un orientamento standardizzati del provino.
  2. Stampa una maschera per ogni tot di prova in PMMA o materiale a modulo simile utilizzando una stampante 3D.
  3. Combina le parti della radice e le matrici con il cappuccio terminale in PVC, in genere 25 mm di diametro interno, 21,5 mm di altezza e 5,5 mm di spessore della parete.
  4. Miscelare la resina epossidica a bassa viscosità a indurimento a freddo e versarla fino alla regione di giunzione dello smalto cementizio dei denti del modello. Fare attenzione a non contaminare la superficie occlusale dei denti del modello con la resina che scorre. Lasciare solidificare completamente a temperatura ambiente per almeno 24 ore (Figura 3).

3. Fabbricazione di faccette occlusali

  1. Importare il file scansionato dell'analogo del dente nel software CAD.
  2. In Direzioni, determinare la direzione di inserimento della faccetta occlusale.
  3. In Interfacce, selezionare Linea di margine e contrassegnare la linea di margine dell'analogo del dente scansionato. Quindi, seleziona Interfaccia stampo | Avanzare le impostazioni e regolare la distanza tra il cemento a 0,025 mm e la distanza extra tra il cemento a 0,050 mm.
  4. In Progettazione anatomica, progetta una faccetta occlusale di 1 mm di spessore utilizzando un modello dalla Libreria sorridi e regolala con gli strumenti in Sculpt.
  5. Fresare i blocchi di disilicato di litio (IPS e.max CAD) e di resina nanoceramica (Lava Ultimate) (n=15 per gruppo) utilizzando una fresatrice a cinque assi e seguendo le istruzioni del produttore (Figura 4).

4. Incollaggio e cementazione

  1. Pulire tutti gli stampi master per 90 s in una macchina a ultrasuoni e asciugare all'aria. Quindi, applicare acido fluoridrico al 5% sulla superficie occlusale per 60 s, risciacquare accuratamente con acqua e asciugare all'aria.
  2. Per il gruppo LD, mordenzare la superficie interna con acido fluoridrico al 5% per 20 s, risciacquare accuratamente con acqua e asciugare all'aria.
  3. Per il gruppo RNC, abradere in aria con polvere di ossido di alluminio granulometria 50 μm a 2 bar (200 kPa, 30 psi) per 10 s. Rimuovere la sabbia in eccesso con alcool e asciugare all'aria.
  4. Applicare il silano, un agente legante universale, e caricare il cemento adesivo a doppia polimerizzazione sull'intaglio del restauro. Posizionare il restauro sui monconi master preparati caricandoli sotto una testa di compressione riempita di silicone in una macchina di prova universale con un carico di 40 N.
  5. Polimerizzare con un diodo a emissione luminosa (LED) utilizzando un'intensità luminosa in modalità normale di 1.000-1.200 mW/cm2 per 1-2 s. Rimuovere il cemento in eccesso, continuare la lampada polimerizzante su ogni superficie per 20 s e lasciarla nella macchina di prova universale per 5 minuti.
  6. Togliere dalla macchina di prova universale e lasciare in acqua distillata a 37 °C per 48 ore per consentire al cemento di polimerizzare completamente.
  7. Prima del test, utilizzare pennarelli indelebili fini per disegnare tre linee di riferimento mediale-laterali (sinistra, centrale e destra) e tre linee di riferimento antero-posteriori (superiore, centrale e inferiore) in colori diversi utilizzando pennarelli indelebili fini.

5. Prove meccaniche quasistatiche

  1. Posizionare il campione di prova al centro della piastra inferiore di una macchina di prova meccanica con una cella di carico da 5 kN configurata per la prova di compressione.
  2. Posizionare una sfera in acciaio inossidabile di 5,5 mm di diametro nella fossa centrale del restauro all'intersezione delle linee di riferimento centrali (Figura 5).
  3. Posizionare un anello protettivo in acrilico attorno al campione e uno scudo antidetriti davanti alla macchina di prova per limitare i detriti volanti.
  4. Abbassare la traversa fino a quando non è quasi a contatto con la sfera d'acciaio e zero carico e spostamento.
  5. Applicare una compressione a 1 mm/min fino alla frattura del restauro, indicata da un improvviso calo del carico. Registrare questo carico (Figura 5).
  6. Dopo la frattura, rimuovere lo scudo e l'anello acrilico e raccogliere con cura il campione di prova e i suoi frammenti. Le linee colorate aiutano a posizionare i frammenti ceramici nelle loro posizioni originali per la successiva analisi (Figura 5).
  7. Posizionare il campione di prova successivo e seguire i passaggi 5.2-5.6 fino al completamento dei gruppi.

6. Analisi statistica

  1. Compilare i fogli di lavoro Minitab con i codici dei materiali e i valori massimi di carico (N) recuperati dall'esperimento rispettivamente nella prima e nella seconda colonna.
  2. Esegui un t-test indipendente per due campioni selezionando Stat | Statistiche di base | 2-campione t. Imposta il livello di confidenza al 95% e ipotizza scostamenti uguali.
  3. Creare il grafico di distribuzione di Weibull selezionando Statistiche | Affidabilità/Sopravvivenza | Analisi della distribuzione (Right Censoring) | Grafico ID distribuzione. Scegliere i valori di carico massimi nella casella Variabile , selezionare e scegliere i nomi dei materiali nella casella Per variabile , specificare la distribuzione come Weibull e fare clic su OK.
  4. Conduci l'analisi statistica di Weibull selezionando Stat | Affidabilità/Sopravvivenza | Analisi della distribuzione (Right Censoring) | Analisi della distribuzione parametrica | Weibull | Grafici. Scegliere il grafico Probabilità | Visualizzare gli intervalli di confidenza sui grafici sopra riportati e fare clic su OK.

7. Analisi frattografica

  1. Per la stereomicroscopia, montare la fotocamera oculare e acquisire immagini (20x) delle viste aeree e laterali dei campioni tramite il software di stereomicroscopia.
  2. Per la microscopia elettronica a scansione, tagliare il campione fino alla giunzione cemento-smalto (CEJ), metterlo in un bagno di acetone in un pulitore a ultrasuoni e quindi asciugare all'aria. Rivestimento d'oro e acquisizione di immagini (ingrandimento 250-300) delle viste aeree e laterali dei campioni.

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Risultati

Il calcolo della dimensione del campione è stato eseguito utilizzando il software di riferimento, che ha generato una dimensione dell'effetto di 0,39 e ha suggerito una dimensione minima del campione di n = 13 per gruppo. Tuttavia, in questo studio è stata scelta una dimensione del campione di n = 15 per rilevare la differenza del 5%. L'ipotesi nulla è stata respinta. Pur avendo una maggiore resistenza alla flessione, i valori medi della forza di carico massima delle faccette occlusali di 1 mm di spessore (n = 15 per gru...

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Discussione

Negli ultimi anni, le faccette occlusali minimamente invasive hanno ricevuto sempre più attenzione nell'odontoiatria restaurativa contemporanea. Questi restauri sono solitamente realizzati con ceramica monolitica CAD/CAM a matrice vetrosa, materiali policristallini e ibridi26. La preparazione conservativa dei denti, la facilità di accesso e visibilità durante la preparazione dei denti, la presa dell'impronta e la cementazione e la conservazione della gengiva margi...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Ringraziamenti

Questo studio ha ricevuto finanziamenti dalla Facoltà di Odontoiatria dell'Università Mahidol di Bangkok, Thailandia. Gli autori ringraziano la dott.ssa Erica Di Federico della School of Engineering and Materials Science e il dott. Thomas Kelly della School of Geography della Queen Mary University di Londra per i loro input tecnici e la loro guida in questo lavoro.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Stampa 3D (SLA)  Formlabs, Somerville, MA, Stati UnitiForm3+
3Shape Dental Designer Software CAD 3Shape A/S, Copenhagen, Danimarcaper analoghi dentali e faccette 5
% acido fluoridricoIvoclar Vivadent, Schaan, LiechtensteinIPS Gel mordenzante ceramico
Polvere di alluminaRonvig Dental Mfg. A/S, Daugaard, Danimarca
Bluehill Software universale per prove sui materiali Sistemi di test meccanici Instron, Norwood, MA, USA
Software CamLabLite Bresser UK Ltd, Kent, Regno UnitoSoftware per stereomicroscopia
Resina epossidica a bassa viscosità a polimerizzazione a freddo Struers SAS, Champigny-sur-Marne, Francia
Cemento resinoso a doppia polimerizzazione 3M, Saint Paul, MN, USARely X Ultimate Adhesive Resin Cement
Oculare fotocamera ToupTek Photonics Co., Ltd., Hangzhou, Cina
Dischi laminati in fibra di vetro ad alta pressione  (G10)PAR Group Ltd, Lancashire, Regno Unito
IPS e.max CADIvoclar Vivadent, Schaan, LiechtensteinYB54G9/605330Scanner da laboratorio a bassa traslucenza, A3, C14
3Shape A/S, Copenhagen, DanimarcaD900L
Lava Ultimate3M ESPE, Saint Paul, MN, USA9541467/3314A3-LTLED) a bassa traslucenza, A3, 14L
nbsp;Strumento medico Woodpecker, Guilin, fresatrice cinese
 VHF camfacture AG, Amnnerbuch, GermaniaVHF S2
Minitab 18 Minitab Inc, State College, PA, Stati Uniti d'America
nQuery Advisor Versione 9.2.10 Soluzioni statistiche Ltd., CA, USA
Tappo terminale in cloruro di polivinilePlastic Pipe Shop Ltd, Stirling, Regno Unito25 mm X 21,5 mm;
Microscopio elettronico a scansione Tescan, Brno, RepubblicaTescan Vega
Silano agente di accoppiamento 3M, Saint Paul, MN, USARelyX Ceramic Primer
Autodesk Inventor Professional 2024Autodesk, San Francisco, CA, USASoftware CAD per
jig Sputter vacuum coater   Quorum, East Sussex, Regno UnitoMiniQS Sputter Coater
Stata18 StataCorp LLC, College Station, TX, USA
Stereomicroscopio Carl Zeiss AG, Oberkoche, GermaniaZeiss Stemi 508
Typodont mandibolare primo molareFrasaco GmbH, Tettnang, GermaniaANA-4 Z3RN-36
Adesivo dentale universale   3M, Saint Paul, MN, USAadesiva universale Scotch Bond
Sistemi di prova meccanici Instron, Norwood, MA, USAIntron 5900-84 
Software CAD Lampada polimerizzante a diodo a emissione luminosa (& Ceca Macchina di prova universale

Riferimenti

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