表面処理、ルーティングセメント、熱サイクルがPEEK–複合結合強度に与える影響を評価する標準化プロトコル

Summary

本プロトコルは、表面処理プロトコル、ルーティングセメント選択、熱サイクルがPEEKと間接複合樹脂間のせん断結合強度に与える影響を評価することを目的としています。

Abstract

ポリエーテルケトン(PEEK)は補綴歯学におけるバイオマテリアルとして注目を集めています。しかし、化学的に不活性な構造のため、ベニヤ複合材料への耐久性的な接着性の達成は依然として大きな課題となっています。本研究は、異なる表面処理、ルーティングセメント、熱サイクル条件下でPEEKと間接複合樹脂間のせん断結合強度(SBS)を評価するための標準化かつ再現可能なプロトコルを提示し検証します。合計240枚のPEEKディスクは表面処理、サンドブラスト、硫酸エッチング、レーザー照射の4つのグループに分けられました。表面の形態は原子力顕微鏡を用いて解析されました。各グループは使用されるルーティングセメント(酸化亜鉛、非ユージノールセメントまたは自己粘着樹脂セメント;n=30)に基づいて細分され、さらに熱循環グループと非熱循環グループ(n=15)に細分されました。SBSは汎用試験装置で測定され、故障モードは立体顕微鏡で解析されました。全実験群の中で、自己接着樹脂セメントで熱循環を行わなかった試料はSBS値が最も高く(25.134 ± 1.665 MPa)、亜鉛酸化非ユージノールセメントで溶込み熱循環を施した試料は最も低いSBS値(1.958 ± 0.345 MPa)を示しました。すべての表面処理プロトコルにおいて、自己接着樹脂セメントを用いた試料のSBS値は酸化亜鉛非ユーゲノールセメントと比較して有意に高かった(p < 0.001)。熱サイクルはすべてのグループでSBS値を有意に低下させました(p < 0.001)。このプロトコルは、表面処理の選択やセメントの種類など、接着結果に大きな影響を与える重要な手順を強調しています。標準化されたワークフローと主要ステップの視覚的デモンストレーションは、PEEK–複合樹脂結合を評価するための再現可能な枠組みを提供します。

Introduction

ポリエーテルケトン(PEEK)は、その優れた機械的特性、化学的安定性、低密度、そして歯色^{の外観1,2,3}により、補綴学における有望な高性能ポリマーとして注目されています。チタンなどの従来型素材と比べて、PEEKは椅子の側面改造の容易さや美観の妥協の低減など、4。しかし、これらの利点にもかかわらず、化学的不活性構造と低い表面エネルギーにより臨床応用は制限されており、樹脂^{系材料への}接着力が低下します^5,6。

過去の研究では、未処理のPEEK表面は複合樹脂への結合が不十分であることが示されており、表面修飾は臨床的に許容される結合強度を達成するための重要なステップとなります^6,7。この制限を克服するために、硫酸エッチング^{8,9,10,11,12,13,14}、アルミニウム酸化物を用いた空気中粒子摩耗など、さまざまな表面処理戦略が提案されています^{、14、15、16}、トライボケミカルシリカコーティング8^{、15、16、17、18、19}、プラズマ処理^9、20、21、²²、レーザー照射^6、23、24、^25、26、27。しかし、これらのアプローチの効果はプロトコルのパラメータや使用される材料によって大きく異なり^、研究間での結合結果は一貫性がありません。

表面処理に加え、リューティングセメントの種類も結合強度の決定に重要な役割を果たします。暫定修復には酸化亜鉛製剤(非ユージノール製剤)などの一時セメントが一般的に使用されますが、自己接着樹脂セメントは微小機械的および潜在的な化学的相互作用を通じてより強い接着を提供します²⁴。さらに、熱サイクルは口腔内の温度変動をシミュレートし、結合界面の耐久性を時間6^、17、25にわたり評価するために広く用いられています。これらの変数—表面処理、セメントの種類、熱老化—は個別に調査されています。しかし、それらの複合効果はしばしば異種手法を用いて評価されます¹¹。

PEEK結合¹¹に関する文献が増えているにもかかわらず、表面処理、セメント化、熱サイクルを統合した標準化され再現可能な実験プロトコルは現時点で存在しません。試料の調製、表面改変パラメータ、セメント塗布手順、経年化プロトコルの違いは結果の比較性を制限し、研究間での再現性を低下させます。さらに、重要な手順の視覚的な示し方が不足していることが、実験結果のばらつきをさらに増しています。したがって、本研究の目的は、制御された表面処理、セメント化、熱サイクル条件下でのPEEK–複合結合を評価するための標準化された実験プロトコルを提示し検証することです。本研究の帰無仮説は、表面処理法、ルーティングセメントの種類、熱サイクル手法がPEEKと間接複合材料間のせん断結合強度に有意な影響を与えないというものです。

Protocol

この in vitroプロトコル は、実験室での歯科研究に関する機関ガイドラインに従っています。人間の参加者や動物組織が関与していなかったため、倫理的承認は必要ありませんでした。本研究で使用されるすべての材料は 材料表に記載されています。

1. PEEK試料の調製

1. 標準化された実験室条件下で、精密切断装置を用いて市販のPEEKロッドから直径8mm、厚さ3mmの円盤状ポリエーテルケトン(PEEK)試料240個を製造します(図1A–C)。
2. 各標本の1面に永久マーカーでマーキングし、結合していない面を区別します。その後のすべての処置の接合面として、無印の表面を指定してください。
3. 連続水冷の下で600番のシリコンカーバイド研磨紙を使い、各試料の接着面を研磨します。
4. すべての標本は蒸留水で超音波洗浄で10分間洗浄します。
5. 表面処理の前に、すべての標本を十分に自然乾燥させてください。

2. PEEKの表面処理

注意:適切な個人用防護具を着用した状態で化学煙処理フード内で硫酸を扱う²⁸.

1. 表面処理プロトコルに従い、試料を無作為に4つのグループに分けます:未処理対照、サンドブラスト、硫酸エッチング、レーザー照射(図2A–D)。
2. 対照群では、標本を脱イオン水で1分間すすいで、その後10秒自然乾燥させます。
3. サンドブラストグループでは、110μmの酸化アルミニウム粒子を2バール圧力で10秒間研磨し、10mmの距離と45°の塗布角度を保ちます。すべての標本で同じ距離と角度を保ち、一貫した散布を確保しましょう^15,16。
4. 酸エッチング基では、結合面に98%硫酸を60秒¹³分塗布します。
5. レーザー群については、波長2,940 nm、パルスエネルギー150 mJ、反復速度10 Hz、平均出力1.5Wのエルビウムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット(Er:YAG)レーザーをQSPモード²³で照射します。
6. スポットサイズ0.9mmの非接触型ハンドピースを使用し、レーザービームを試料表面に対して垂直に位置し、距離10mmにします。レーザーを表面に走査しながら照射し、試料ごとに1回だけ通過して均一なエネルギー分布を確保します。
7. すべての標本は脱イオン水で1分間すすいで表面の残留物を取り除きます。
8. すべての標本を10秒の自然乾燥させます。

3. 原子間力顕微鏡による表面解析

1. 表面分析のために60個のPEEK試料(表面処理グループあたりn=15個)をランダムに選びます。
2. 乾燥条件下でタッピングモードで原子力顕微鏡(AFM)を行い、表面地形を評価する(図3A–D)。
3. すべての測定にはシリコン(Si)プローブチップを使用し、メーカーの標準校正手順に従って機器を操作してください。
4. 各試料をカンチレバーの下に配置し、10 μm×10 μmのスキャン範囲で三次元表面画像を取得します。
5. 各試料に対して異なる場所で3回測定を行い、局所的な表面変動を最小限に抑え、平均粗さ値を算出します。
6. 各試料に対して平均二乗根粗さ(Sq)と平均粗さ(Sa)の値を記録します。

4. 直接複合樹脂ディスクの準備

1. プレキシグラスの型を製作し、直径5mm、厚さ5mmの円盤状複合試料を製造します(図4A–B)。
2. 間接複合樹脂材料を型の空洞に挿入し、直径5mm、厚さ5mmの円盤状試料を得ます。
3. 製造元の指示に従い、実験室の光硬化装置を用いて複合試料を重合し、あらゆる方向からの均一な光曝露を確保します。
4. 高分子化した複合材料のディスクを型から取り出し、脱イオン水で1分間すすいでください。
5. 標本を10秒の自然乾燥させます。
6. 各複合円板の結合面を110μmの酸化アルミニウム粒子を0.5MPa圧力で15秒間擦り、距離を10mmに保ちます。
7. すべての標本で一定の距離と角度を保ち、適用を標準化しましょう。
8. すべてのコンポジットディスクを蒸留水で超音波洗浄し、10分間自然乾燥させます。

5. ルーティン手続き

1. 使用されるルーティングセメントに応じて、各表面処理グループを2つのサブグループ(n=30)に分けます:酸化亜鉛セメント、非ユーゲノールセメント、および自己粘着樹脂セメントです。
2. 酸化亜鉛非ユージノールセメントの場合、ベースと触媒ペーストを等量の厚さでミキシングパッドに塗り、約20秒間均一な濃度になるまで混ぜます。混ざったセメントを処理済みのPEEK表面にヘラで塗布し、空気の詰まりを最小限に抑えるために優しく圧力をかけます。
3. 自己接着樹脂セメントの場合は、オートミックスの先端をシリンジに取り付け、少量の初期量を分散させて適切な混合を確保します。その後、セメントを処理済みPEEK表面に直接塗布し、先端を接触させて連続的な流れを維持し、空気の閉じ込めを減らし、接合部全体を均一な層で覆います。
4. 複合材料ディスクを視覚的アライメントを用いてセメントで覆われたPEEK表面の中央に位置付け、標準化された荷重をかけて座りとセメントの厚さを均一に保ち、座り中の横方向の動きを防ぎます。
5. セメント厚を標準化し、均一な適応を確保するために、500gの一定の垂直荷重を10秒間加えます(図5)。
6. マイクロブラシで余分なセメントを除去します。
7. 酸化亜鉛非ユージノールセメントの場合、加圧下で6分の設定時間を設けてください。
8. 自己接着樹脂セメントの場合、光硬化装置を用いて重合します(全方向から合計80秒、距離5mm)。
9. 施術中はすべての標本の位置と整列を一定に保ち、ばらつきを最小限に抑えましょう。

6. 熱サイクル

1. 各セメントサブグループを熱サイクル条件に応じて2つの追加サブグループ(n = 15)に分けます:熱循環ありとなし。
2. 熱サイクルグループの標本は、熱サイクル装置20,29,30(図6A–B)を用いて、5°Cから55°C(±2°C)までの5,500サイクルに耐えています。
3. 各浴槽での停留時間を30秒、浴槽間の移動時間を2秒に設定します。
4. すべての検体に対して、手順中は一貫したサイクル条件を維持してください。

7. せん断結合強度試験

1. 各セメント試料(PEEK–セメント–複合材料アセンブリ)を、直径15mm、高さ15mmのステンレス鋼型を用いて自己硬化アクリル樹脂に埋め込みます。
2. 各試料をカスタムジグでユニバーサルテストマシンに取り付け、安定した位置を確保します。
3. ローディングブレードを接合面に平行に整列し、できるだけ接合面に近い位置に配置します。
4. 断裂が起こるまで、クロスヘッド速度1 mm/minでせん断力を加えます(図7)。
5. 各試料の破壊時最大荷重(N)を記録します。
6. せん断結合強度(SBS)値はメガパス(MPa)単位で計算します:SBS (MPa) = 荷重(N) / 結合面積(mm²)¹⁴。

8. 故障モード解析

1. 脱着した標本を40倍の拡大で立体顕微鏡で観察します。
2. 文献³¹で定義された、粘着性、混合、または凝集性破壊として、以前の基準に従って破壊モードを分類します。
   1. PEEKとルーティングセメントの界面、またはセメントと間接複合材の接着が起き、いずれの基材にもセメントの残留物が見られない場合、接着不良を特定します。
   2. PEEK表面に部分的なセメント残留物が残り、基質の他の部分が露出している場合、混合破壊を特定します。
   3. PEEK基板内または間接複合材料内で破壊が発生した場合、凝集破壊を特定します。
3. 各実験群の故障モード分布を記録してください。

9. 統計分析

1. SPSSソフトウェアを用いて統計解析を行います。
2. 表面粗さおよびせん断結合強度データを標準偏差±平均として表現してください。
3. シャピロ–ウィルク検定を用いてデータ分布の正規性を評価します。
4. 分散の均質性をレヴェーン検定を用いて評価します。分散の均質性の仮定は満たされました(p > 0.05)。
5. Kruskal–Wallis検定を用いて表面粗さデータを解析し、データが正規分布でない場合の表面処理プロトコル間の違いを比較します。
6. ボンフェローニ調整を用いたダンの事後検定を用いてペアワイズ比較を行います。
7. 三元ANOVA解析を用いてせん断結合強度データを解析し、表面処理プロトコル、ルーティングセメントの種類、熱循環の主な効果と相互作用を評価します。
8. 推定限界平均を用いて逐次ボンフェローニ調整を用いて事後ペアワイズ比較を行う。
9. 統計的有意な水準をp < 0.05に設定します。

Results

このプロトコルにより、表面処理、ルーティングセメントの種類、熱サイクルがポリエーテルケトン(PEEK)と間接複合樹脂間の結合性能に与える効果を再現可能に評価できます。AFMは、施された表面処理によって異なる表面トポポグラフィーを明らかにしました(表1)。未処理のPEEK標本は比較的滑らかで均質な表面を示し、不規則性も最小限でした。サンドブラストされた試料は表面の粗さが増し、不規則な峰や谷が現れる一方、硫酸エッチングされた試料は均一に分布した穴が特徴の多孔質形態を示しました。レーザー照射された標本では浅く規則的な表面溝が見られました。定量的な粗さパラメータ(SaおよびSq)がこれらの観察結果を裏付け、サンドブラストされた試料で最高粗さ値が記録され、未処理対照群で最低値が記録されました。これらの発見は、表面粗さの増加が必ずしもすべての条件下で結合強度の向上に結びつくわけではないことを示しています。

せん断結合強度(SBS)値はセメントの種類や熱サイクル条件によって変動しました(表2参照)。自己接着樹脂セメントで洗浄した...

Discussion

本研究では、表面処理プロトコル、ルーティングセメント選択、熱サイクルがポリエーテルケルトン(PEEK)と間接複合材料間のせん断結合強度に与える複合効果を評価するための標準化されたin vitroプロトコルを導入しました。結果は、これらの変数が結合結果に有意に影響を与え、帰無仮説を否定していることを示しました。表面処理はプロトコルの重要な構成要素です。これまでの研究と一致し、酸化アルミニウム粒子を用いたサンドブラストは表面粗さ値が最も高く、PEEK表面の微細機械的保持効果6、^9、11、24の効果を裏付けました。 特に硫酸エッチングなどの化学表面処理は、PEEK表面化学を修飾し、結合力を高めることが広く報告されています。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）ロッド	三菱化学グループ（MCAM）	KETRON® CLASSIX LSG PEEK（白色）	円板形状の試料の製作に使用
精密切断装置	ビューラー	IsoMet 1000	PEEKロッドを標準化された円板に切断するために使用
研磨装置	ビューラー	Phoenix Beta	標準化された表面研磨に使用
シリコンカーバイド研磨紙（600目）	3M	01993（Wetordry™研磨シート、600目）	表面研磨に水冷却下で使用
超音波洗浄器	テクノガス	Astra S	試料の洗浄に使用
酸化アルミニウム粒子（110 μm）	—	—	空気中粒子研磨に使用
サンドブラスト装置	ダンビルエンジニアリング	MicroEtcher ERC	表面粗化に使用
硫酸（98%）	シグマ・アルドリッチ（メルク）	258105	注意：腐食性；適切な保護具で取り扱う
Er:YAGレーザーシステム	ホヤコンビオ	—	PEEKのレーザー表面処理に使用
原子間力顕微鏡	クエザント・インストゥルメント・コーポレーション、米国	—	表面トポグラフィー分析に使用
間接複合レジン	GCコーポレーション	Gradia Indirect	複合レジン円板の製作に使用
酸化亜鉛ノンエウゲノールセメント	カー	TempBond NE	一時的な接着剤
自己接着性レジンセメント	3M ESPE	RelyX U200 Automix	レジン接着剤
光硬化装置	カー	Optilux	レジンセメントの重合に使用
熱サイクラー	サルーブリス・テクニカ	Dentester	人工老化に使用
自己硬化型アクリルレジン	バイエル・デンタル・リミテッド	Meliodent	試料の埋め込みに使用
万能試験機	インストロン	3345	せん断接着強度試験に使用
ステレオ顕微鏡	ニコン	SMZ 800	破壊モード分析に使用