Protocollo standardizzato per valutare l'effetto dei trattamenti superficiali, del luccicare cementi e del termociclaggio sulla resistenza del legame PEEK–composito

Summary

Questo protocollo mira a valutare gli effetti dei protocolli di trattamento superficiale, della selezione del cemento per luting e del termociclaggio sulla resistenza al legame da taglio tra PEEK e una resina composita indiretta.

Abstract

Il polietercetone (PEEK) ha ricevuto una crescente attenzione come biomateriale nella protesi protesica; tuttavia, ottenere un'adesione duratura ai materiali compositi impiallacciati rimane una sfida importante a causa della loro struttura chimicamente inerte. Questo studio presenta e convalida un protocollo standardizzato e riproducibile per valutare la resistenza al legame da taglio (SBS) tra PEEK e una resina composita indiretta sotto diversi trattamenti superficiali, cementi di luttazione e condizioni di termociclaggio. Un totale di 240 dischi PEEK sono stati suddivisi in quattro gruppi secondo il trattamento superficiale: nessun trattamento superficiale, sabbiatura, incisione con acido solforico e irradiazione laser. La morfologia superficiale è stata analizzata tramite microscopia a forza atomica. Ogni gruppo veniva poi suddiviso in base al cemento di lutting utilizzato (ossido di zinco, cemento non eugenolo o cemento resinoso autoadesivo; n = 30), e ulteriormente suddiviso in gruppi termociclati e non termociclati (n = 15). La SBS veniva misurata utilizzando una macchina universale di test, e le modalità di guasto venivano analizzate sotto uno stereomicroscopio. Tra tutti i gruppi sperimentali, i campioni lutato con cemento resinoso autoadesivo e non sottoposti a termociclo hanno mostrato i valori SBS più alti (25,134 ± 1,665 MPa), mentre i campioni lutati con cemento non eugenolo di ossido di zinco e sottoposti a termociclaggio hanno mostrato i valori SBS più bassi (1,958 ± 0,345 MPa). Per tutti i protocolli di trattamento superficiale, i valori SBS erano significativamente più alti nei campioni lustrati con cemento resinoso autoadesivo rispetto al cemento non eugenolo a ossido di zinco (p < 0,001). Il termociclo ha ridotto significativamente i valori SBS in tutti i gruppi (p < 0,001). Questo protocollo evidenzia passaggi procedurali critici, tra cui la selezione del trattamento superficiale e il tipo di cemento, che influenzano significativamente i risultati del legame. Il flusso di lavoro standardizzato e la dimostrazione visiva dei passaggi chiave forniscono un quadro riproducibile per valutare il legame PEEK–composito.

Introduction

Il polieterchetone (PEEK) si è affermato come un promettente polimero ad alte prestazioni nella protesi naturale grazie alle sue favorevoli proprietà meccaniche, stabilità chimica, bassa densità e aspetto color colore dei^{denti 1,2,3}. Rispetto ai materiali convenzionali come il titanio, il PEEK offre vantaggi tra cui la facilità di modifica dei fianchi e una riduzione del compromesso^{estetico 4}. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, la sua applicazione clinica è limitata dalla sua struttura chimicamente inerte e dalla bassa energia superficiale, che provocano una scarsa adesione ai materiali a base di^{resina 5,6}.

Studi precedenti hanno dimostrato che le superfici di PEEK non trattate mostrano un legame insufficiente alle resine composite, rendendo la modifica superficiale un passaggio cruciale per raggiungere una resistenza di legame clinicamente^{accettabile 6,7}. Sono state proposte varie strategie di trattamento superficiale per superare questa limitazione, tra cui l'incisione con acido solforico 8,9,10,11,12,13,14, l'abrasione delle particelle trasportate dall'aria con ossido ^{di alluminio} 6,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16, rivestimento tribochimico in silice 8,15,16,17,18,19, trattamenti al plasma ^9,20,21,22 e irradiazione laser 6,23,24,25 ^,26,27. Tuttavia, l'efficacia di questi approcci varia considerevolmente a seconda dei parametri del protocollo e dei materiali utilizzati, causando risultati di legame incoerenti tra^{i 17} studi.

Oltre al trattamento superficiale, il tipo di cemento per la luttazione svolge un ruolo cruciale nel determinare la resistenza del legame. I cementi temporanei, come le formulazioni non eugenoliche a base di ossido di zinco, sono comunemente utilizzati per restauri provvisori, mentre i cementi a resina autoadesiva forniscono un'adesione più forte tramite interazioni micromeccaniche e potenziali interazioni^{chimiche 24}. Inoltre, il termociclo è ampiamente utilizzato per simulare le fluttuazioni di temperatura intraorale e valutare la durabilità dell'interfaccia legata nel^{tempo 6,17,25}. Queste variabili—trattamento superficiale, tipo di cemento e invecchiamento termico—sono state studiate singolarmente; tuttavia, i loro effetti combinati vengono spesso valutati utilizzando metodologie^{eterogenee 11}.

Nonostante il crescente corpus di letteratura sul legame^{PEEK 11}, attualmente non esiste un protocollo sperimentale standardizzato e riproducibile che integri trattamento superficiale, cementazione e termociclaggio in un flusso di lavoro unificato. Le differenze nella preparazione del campione, nei parametri di modifica superficiale, nelle procedure di applicazione del cemento e nei protocolli di invecchiamento limitano la comparabilità dei risultati e riducono la riproducibilità tra gli studi. Inoltre, la mancanza di dimostrazione visiva dei passaggi procedurali critici contribuisce ulteriormente alla variabilità degli esiti sperimentali. Pertanto, l'obiettivo di questo studio è presentare e convalidare un protocollo sperimentale standardizzato per valutare il legame PEEK–composito in condizioni controllate di trattamento superficiale, cementazione e termociclaggio. L'ipotesi nulla di questo studio è che i metodi di trattamento superficiale, i tipi di cemento per luting e le procedure di termociclo non influenzino significativamente la resistenza al legame di taglio tra materiali compositi PEEK e indiretti.

Protocol

Questo protocollo in vitro segue le linee guida istituzionali per la ricerca dentale in laboratorio. Non era richiesta l'approvazione etica perché non erano coinvolti partecipanti umani né tessuti animali. Tutti i materiali utilizzati in questo studio sono descritti nella Tabella dei Materiali.

1. Preparazione di campioni PEEK

1. Produrre 240 campioni di polietercetone a forma di disco (PEEK) con un diametro di 8 mm e uno spessore di 3 mm da aste PEEK commerciali utilizzando un dispositivo di taglio di precisione in condizioni di laboratorio standardizzate (Figura 1A–C).
2. Segna una superficie di ciascun esemplare con un pennarello permanente per distinguere il lato non adesivo. Designa la superficie non contrassegnata come superficie di legame per tutte le procedure successive.
3. Lucidare la superficie di legame di ogni campione utilizzando carta abrasiva in carburo di silicio a grana 600 sotto raffreddamento continuo ad acqua.
4. Pulisci tutti i campioni ultrasonicamente in acqua distillata per 10 minuti.
5. Asciuga accuratamente tutti i campioni all'aria prima del trattamento superficiale.

2. Trattamento superficiale del PEEK

ATTENZIONE: Maneggiare acido solforico in una cappa chimica indossando l'attrezzatura di protezione individuale^{appropriata 28}.

1. Dividere casualmente i campioni in quattro gruppi secondo il protocollo di trattamento superficiale: controllo non trattato, sabbiatura, incisione con acido solforico e irradiazione laser (Figura 2A–D).
2. Per il gruppo di controllo, risciacquare i campioni con acqua deionizzata per 1 minuto e asciugarli all'aria per 10 secondi.
3. Per il gruppo sabbiatura, si abrade la superficie di legame usando particelle di ossido di alluminio da 110 μm a pressione di 2 bar per 10 secondi, mantenendo una distanza di 10 mm e un angolo di applicazione di 45°. Garantire un'applicazione coerente mantenendo la stessa distanza e angolazione per tutti gli esemplari^15,16.
4. Per il gruppo di incisione acida, applicare acido solforico al 98% sulla superficie di legame per 60 s¹³.
5. Per il gruppo laser, irradiare la superficie utilizzando un laser granato di ittrio-alluminio (Er:YAG) drogato con erbio con lunghezza d'onda di 2.940 nm, energia d'impulso di 150 mJ, tasso di ripetizione di 10 Hz e potenza media di 1,5 W in modalità^{QSP 23}.
6. Utilizzare un portamano senza contatto con una dimensione di punto di 0,9 mm e posizionare il fascio laser perpendicolarmente alla superficie del campione a una distanza di 10 mm. Applicare il laser in un movimento di scansione sulla superficie ed eseguire un singolo passaggio per ogni campione per garantire una distribuzione uniforme dell'energia.
7. Risciacqua tutti i campioni con acqua deionizzata per 1 minuto per rimuovere i residui superficiali.
8. Asciugare tutti gli esemplari all'aria per 10 secondi.

3. Analisi delle superfici tramite microscopia a forza atomica

1. Selezionare casualmente 60 campioni PEEK (n = 15 per gruppo di trattamento superficiale) per l'analisi superficiale.
2. Eseguire microscopia a forza atomica (AFM) in modalità tapping in condizioni di asciutto per valutare la topografia superficiale (Figura 3A–D).
3. Utilizzare una punta di sonda in silicio (Si) per tutte le misurazioni e far funzionare il dispositivo secondo la procedura standard di calibrazione del produttore.
4. Posizionare ogni campione sotto il cantilever e acquisire immagini superficiali tridimensionali su un'area di scansione di 10 μm × 10 μm.
5. Esegui tre misurazioni in diverse posizioni su ciascun campione per minimizzare la variabilità locale della superficie e calcolare i valori medi di rugosità.
6. Registra i valori di rugosità quadratica media (Sq) e rugosità media (Sa) per ogni campione.

4. Preparazione di dischi in resina composita ındirect

1. Fabbricare stampi in plexiglass per produrre campioni compositi a forma di disco con un diametro di 5 mm e uno spessore di 5 mm (Figura 4A–B).
2. Si inserisce materiale composito indiretto in resina nelle cavità dello stampo per ottenere campioni a disco con un diametro di 5 mm e uno spessore di 5 mm.
3. Polimerizzare i campioni compositi utilizzando un'unità di polimerizzazione della luce da laboratorio secondo le istruzioni del produttore, garantendo un'esposizione uniforme alla luce da tutte le direzioni.
4. Rimuovi i dischi compositi polimerizzati dagli stampi e risciacqua con acqua deionizzata per 1 minuto.
5. Asciugare all'aria i campioni per 10 secondi.
6. Abrasione della superficie di legame di ciascun disco composito utilizzando particelle di ossido di alluminio a 110 μm a una pressione di 0,5 MPa per 15 secondi, mantenendo una distanza di 10 mm.
7. Standardizzare l'applicazione mantenendo una distanza e un'angolazione costanti su tutti gli esemplari.
8. Pulisci tutti i dischi compositi a ultrasuoni in acqua distillata per 10 minuti e lasciali asciugare all'aria.

5. Procedura di luting

1. Dividere ogni gruppo di trattamento superficiale in due sottogruppi (n = 30) in base al cemento di lutting utilizzato: cemento non eugenolo con ossido di zinco e cemento resinoso autoadesivo.
2. Per il cemento non eugenolico di ossido di zinco, si dispensano lunghezze uguali di paste di base e catalizzatore su un tampone di miscelazione e si mescola per circa 20 secondi fino a ottenere una consistenza omogenea. Applica il cemento misto sulla superficie trattata del PEEK usando una spatola, applicando una pressione delicata per minimizzare l'intrappolamento dell'aria.
3. Per il cemento resinoso autoadesivo, fissa una punta automix alla siringa e dispensa una piccola quantità iniziale per garantire una miscelazione corretta. Successivamente, applicare il cemento direttamente sulla superficie trattata del PEEK, mantenendo la punta a contatto per mantenere un flusso continuo e ridurre l'intrappolamento dell'aria, e coprire l'intera area di adesione con uno strato uniforme.
4. Posizionare il disco composito centralmente sulla superficie PEEK rivestita di cemento utilizzando l'allineamento visivo e applicare un carico standardizzato per garantire un sistema di seduta e uno spessore del cemento coerenti, evitando movimenti laterali durante la seduta del cemento.
5. Applicare un carico verticale costante di 500 g per 10 secondi per standardizzare lo spessore del cemento e garantire un adattamento uniforme (Figura 5).
6. Rimuovi il cemento in eccesso dai margini usando una microbrush.
7. Per il cemento non eugenolico di ossido di zinco, si prevede un tempo di incalzatura di 6 minuti sotto il carico applicato.
8. Per il cemento resinoso autoadesivo, polimerizzare utilizzando un dispositivo di polimerizzazione luminosa (da tutte le direzioni per un totale di 80 s a una distanza di 5 mm).
9. Mantenere una posizione e un allineamento coerenti di tutti i campioni durante tutta la procedura per minimizzare la variabilità.

6. Termociclo

1. Dividere ogni sottogruppo di cemento in due sottogruppi aggiuntivi (n = 15) secondo le condizioni di termociclaggio: con termociclo e senza termociclaggio.
2. Soggetta campioni nel gruppo termociclo a 5.500 cicli tra 5 °C e 55 °C (±2 °C) utilizzando un dispositivo termociclabile^20,29,30 (Figura 6A–B).
3. Imposta il tempo di permanenza in ogni bagno a 30 secondi e il tempo di trasferimento tra i bagni a 2 secondi.
4. Mantenere condizioni di ciclo costanti per tutti i campioni durante tutta la procedura.

7. Test della resistenza al legame di taglio

1. Incastonare ogni campione cementato (assemblaggio PEEK–cemento–composito) in resina acrilica autopolimerante utilizzando stampi in acciaio inossidabile con diametro di 15 mm e altezza di 15 mm.
2. Montare ogni campione in una macchina universale di prova utilizzando una dima personalizzata per garantire una posizione stabile.
3. Allinea la lama di carico parallela all'interfaccia di legame e posizionala il più vicino possibile all'interfaccia.
4. Applicare la forza di taglio a una velocità trasversale di 1 mm/min fino al fallimento (Figura 7).
5. Registra il carico massimo al guasto (N) per ogni campione.
6. Calcola i valori della resistenza al legame di taglio (SBS) in megapascal (MPa) usando la formula: SBS (MPa) = Carico (N) / area di legame (mm²)¹⁴.

8. Analisi della modalità di guasto

1. Esaminare i campioni decollati sotto uno stereomicroscopio a un ingrandimento di 40x.
2. Classificare le modalità di guasto secondo criteri precedentemente descritti come adesivi, misti o coesivi, come definito nella letteratura³¹.
   1. Identificare il fallimento dell'adesivo quando il debonding avviene all'interfaccia tra PEEK e il cemento di luting o tra il cemento e il composito indiretto, senza resti di cemento osservati su nessuno dei due substrati.
   2. Identificare il guasto misto quando resti parziali di cemento rimangono sulla superficie PEEK mentre altre aree del substrato sono esposte.
   3. Identificare il cedimento coesivo quando si verifica la frattura all'interno del substrato PEEK o all'interno del materiale composito indiretto.
3. Registra le distribuzioni delle modalità di guasto per ogni gruppo sperimentale.

9. Analisi statistica

1. Eseguire analisi statistiche utilizzando il software SPSS.
2. Esprimi i dati sulla rugosità superficiale e sulla resistenza al legame di taglio come media ± deviazione standard.
3. Valutare la normalità della distribuzione dei dati utilizzando il test di Shapiro–Wilk.
4. Valutare l'omogeneità delle varianze utilizzando il test di Levene. L'assunzione di omogeneità delle varianze è stata soddisfatta (p > 0,05).
5. Analizzare i dati sulla rugosità superficiale utilizzando il test di Kruskal–Wallis per confrontare le differenze tra i protocolli di trattamento superficiale quando i dati sono distribuiti in modo non normale.
6. Esegui confronti a coppie usando il test post hoc di Dunn con l'aggiustamento di Bonferroni.
7. Analizza i dati sulla resistenza al legame di taglio utilizzando l'analisi ANOVA a tre vie per valutare i principali effetti e interazioni del protocollo di trattamento superficiale, del tipo di cemento per luting e del termociclaggio.
8. Eseguire confronti a coppie post hoc usando medie marginali stimate con aggiustamento sequenziale di Bonferroni.
9. Imposta il livello di significatività statistica a p < 0,05.

Results

Questo protocollo consente una valutazione riproducibile degli effetti del trattamento superficiale, del tipo di cemento per lutting e del termociclaggio sulle prestazioni di legame tra polieterechetone (PEEK) e una resina composita indiretta. L'AFM ha rivelato topografie superficiali distinte a seconda del trattamento applicato (Tabella 1). I campioni PEEK non trattati hanno mostrato superfici relativamente lisce e omogenee con irregolarità minime. Gli esemplari sabbiati mostravano una maggiore rugosità...

Discussion

Il presente studio ha introdotto un protocollo standardizzato in vitro. per valutare gli effetti combinati dei protocolli di trattamento superficiale, della selezione del cemento per luting e del termociclaggio sulla resistenza del legame di taglio tra polieterchetone (PEEK) e un materiale composito indiretto. I risultati hanno dimostrato che queste variabili hanno influenzato significativamente gli esiti del legame, rifiutando così l'ipotesi nulla. Il trattamento superficiale c...

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)	Usato per fabbricare campioni a forma di disco
Precision cutting device	Buehler	IsoMet 1000	Usato per sezionare le barre PEEK in dischi standardizzati
Polishing device	Buehler	Phoenix Beta	Usato per la lucidatura standardizzata della superficie
Silicon carbide abrasive paper (600-grit)	3M	01993 (Wetordry™ Sandpaper Sheet, 600 grit)	Usato sotto raffreddamento ad acqua per la lucidatura della superficie
Ultrasonic cleaner	Tecno-Gaz	Astra S	Usato per la pulizia dei campioni
Aluminum oxide particles (110 µm)	—	—	Usato per l'abrasione con particelle trasportate dall'aria
Sandblasting unit	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	Usato per la ruvidizzazione della superficie
Sulfuric acid (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	ATTENZIONE: Corrosivo; maneggiare con attrezzature protettive appropriate
Er:YAG laser system	Hoya ConBio	—	Usato per il trattamento superficiale laser del PEEK
Atomic force microscope	Quesant Instrument Corporation, USA	—	Usato per l'analisi della topografia superficiale
Indirect composite resin	GC Corporation	Gradia Indirect	Usato per la fabbricazione di dischi compositi
Zinc oxide non-eugenol cement	Kerr	TempBond NE	Cement luting temporaneo
Self-adhesive resin cement	3M ESPE	RelyX U200 Automix	Cement luting in resina
Light-curing unit	Kerr	Optilux	Usato per la polimerizzazione del cemento in resina
Thermocycler	Salubris Technica	Dentester	Usato per l'invecchiamento artificiale
Self-curing acrylic resin	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	Usato per l'incorporamento dei campioni
Universal testing machine	Instron	3345	Usato per i test di resistenza alla trazione
Stereomicroscope	Nikon	SMZ 800	Usato per l'analisi della modalità di fallimento