Protocolo Padronizado para Avaliar o Efeito de Tratamentos de Superfície, Lubrificação de Cimentos e Termociclagem na Resistência da Ligação PEEK–Compósitos

Summary

Este protocolo visa avaliar os efeitos dos protocolos de tratamento superficial, seleção de cimento por lutação e termociclagem na resistência à ligação por cisalhamento entre PEEK e uma resina composta indireta.

Abstract

A polietercetona (PEEK) ganhou cada vez mais atenção como biomaterial na prostodontia; No entanto, alcançar aderência durável a materiais compósitos de revestimento continua sendo um grande desafio devido à sua estrutura quimicamente inerte. Este estudo apresenta e valida um protocolo padronizado e reproduzível para avaliar a resistência à ligação por cisalhamento (SBS) entre PEEK e uma resina composta indireta sob diferentes tratamentos de superfície, cimentos de lutação e condições de termociclagem. Um total de 240 discos PEEK foi dividido em quatro grupos de acordo com o tratamento superficial: sem tratamento superficial, jateamento de areia, gravação com ácido sulfúrico e irradiação a laser. A morfologia superficial foi analisada usando microscopia de força atômica. Cada grupo foi então subdividido de acordo com o cimento de luta utilizado (cimento não eugenol de óxido de zinco ou cimento resinoso autoadesivo; n = 30), e subdividido em grupos termociclados e não termociclados (n = 15). A SBS foi medida usando uma máquina universal de teste, e os modos de falha foram analisados sob um estereomicroscópio. Entre todos os grupos experimentais, amostras lutadas com cimento resinoso autoadesivo e não submetidas a termociclagem apresentaram os maiores valores de SBS (25,134 ± 1,665 MPa), enquanto amostras lutadas com cimento não-eugenol de óxido de zinco e submetidas a termociclagem apresentaram os menores valores de SBS (1,958 ± 0,345 MPa). Para todos os protocolos de tratamento superficial, os valores de SBS foram significativamente mais altos em amostras lutadas com cimento resinoso autoadesivo em comparação com cimento não-eugenol de óxido de zinco (p < 0,001). A termociclagem reduziu significativamente os valores de SBS em todos os grupos (p < 0,001). Este protocolo destaca etapas procedimentais críticas, incluindo a seleção do tratamento superficial e o tipo de cimento, que influenciam significativamente os resultados da aderência. O fluxo de trabalho padronizado e a demonstração visual das etapas principais fornecem uma estrutura reprodutível para avaliar a ligação PEEK–compósito.

Introduction

A polietercetona (PEEK) emergiu como um polímero promissor de alto desempenho em protótesis devido às suas propriedades mecânicas favoráveis, estabilidade química, baixa densidade e aparência da cor dos^{dentes 1,2,3}. Comparado a materiais convencionais como titânio, o PEEK oferece vantagens como facilidade de modificação na cadeira e redução do compromisso^{estético 4}. No entanto, apesar dessas vantagens, sua aplicação clínica é limitada por sua estrutura quimicamente inerte e baixa energia superficial, o que resulta em má adesão a materiais à base de^{resina 5,6}.

Estudos anteriores demonstraram que superfícies não tratadas do PEEK apresentam ligação insuficiente às resinas compostas, tornando a modificação superficial um passo crítico para alcançar a força de ligação clinicamente^{aceitável 6,7}. Diversas estratégias de tratamento superficial foram propostas para superar essa limitação, incluindo a gravação com ácido^sulfúrico 8,9,10,11,12,13,14, abrasão de partículas no ar com óxido ^{de alumínio} 6,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16, revestimento triboquímico de sílica 8,15,16,17,18,19, tratamentos com plasma ^9,20,21,22 e irradiação a laser ^{6,23,24,25,26,27}. No entanto, a eficácia dessas abordagens varia consideravelmente dependendo dos parâmetros do protocolo e dos materiais utilizados, resultando em resultados de ligação inconsistentes entre^{os 17} estudos.

Além do tratamento superficial, o tipo de cimento de lutação desempenha um papel crucial na determinação da resistência à aderência. Cimentos temporários, como formulações não eugenol de óxido de zinco, são comumente usados para restaurações provisórias, enquanto cimentos de resina autoadesiva proporcionam aderência mais forte por meio de interações micromecânicas e potenciais^{químicas 24}. Além disso, o termociclo é amplamente utilizado para simular flutuações intraorais de temperatura e avaliar a durabilidade da interface ligada ao longo do^{tempo 6,17,25}. Essas variáveis — tratamento superficial, tipo de cimento e envelhecimento térmico — foram investigadas individualmente; no entanto, seus efeitos combinados são frequentemente avaliados usando metodologias^{heterogêneas 11}.

Apesar do crescente corpo de literatura sobre a ligação^{PEEK 11}, atualmente não existe um protocolo experimental padronizado e reprodutível que integre tratamento de superfície, cimentação e termociclagem em um fluxo de trabalho unificado. Diferenças na preparação da amostra, parâmetros de modificação da superfície, procedimentos de aplicação do cimento e protocolos de envelhecimento limitam a comparabilidade dos resultados e reduzem a reprodutibilidade entre estudos. Além disso, a falta de demonstração visual das etapas processuais críticas contribui ainda mais para a variabilidade nos resultados experimentais. Portanto, o objetivo deste estudo é apresentar e validar um protocolo experimental padronizado para avaliar a ligação PEEK–compósitos sob condições controladas de tratamento superficial, cimentação e termociclagem. A hipótese nula deste estudo é que métodos de tratamento de superfície, tipos de cimento de luta e procedimentos de termociclagem não afetam significativamente a resistência à ligação de cisalhamento entre materiais compósitos PEEK e indiretos.

Protocol

Este protocolo in vitro segue as diretrizes institucionais para pesquisa odontológica em laboratório. Não era necessária aprovação ética porque não havia participantes humanos nem tecidos animais envolvidos. Todos os materiais utilizados neste estudo são descritos na Tabela de Materiais.

1. Preparação de espécimes PEEK

1. Fabricar 240 amostras de polietercetona em formato de disco (PEEK) com diâmetro de 8 mm e espessura de 3 mm a partir de hastes PEEK comercialmente disponíveis, utilizando um dispositivo de corte de precisão sob condições laboratoriais padronizadas (Figura 1A–C).
2. Marque uma superfície de cada espiga usando um marcador permanente para distinguir o lado que não está ligando. Designe a superfície não marcada como superfície de colagem para todos os procedimentos subsequentes.
3. Polir a superfície de colagem de cada amostra usando papel abrasivo de carboneto de silício de grão 600 sob resfriamento contínuo a água.
4. Limpe todas as amostras ultrassônicas em água destilada por 10 minutos.
5. Seque todas as amostras ao ar antes do tratamento superficial.

2. Tratamento superficial do PEEK

ATENÇÃO: Manuseie ácido sulfúrico em uma exaustão química enquanto usa o equipamento de proteção individual^{apropriado 28}.

1. Divida aleatoriamente as amostras em quatro grupos de acordo com o protocolo de tratamento de superfícies: controle não tratado, jateamento de areia, gravação por ácido sulfúrico e irradiação a laser (Figura 2A–D).
2. Para o grupo controle, enxágue as amostras com água deionizada por 1 minuto e sece ao ar por 10 segundos.
3. Para o grupo de jateamento, abrasar a superfície de ligação usando partículas de óxido de alumínio de 110 μm a 2 bar de pressão por 10 s, mantendo uma distância de 10 mm e um ângulo de aplicação de 45°. Garanta a aplicação consistente mantendo distância e angulação idênticas para todos os^{espomes 15,16}.
4. Para o grupo de gravação ácida, aplique ácido sulfúrico a 98% na superfície de ligação por 60 s¹³.
5. Para o grupo laser, irradie a superfície usando um laser granada de ítrio-alumínio (Er:YAG) dopado com érbio, com comprimento de onda de 2.940 nm, energia de pulso de 150 mJ, taxa de repetição de 10 Hz e potência média de 1,5 W no modo QSP²³.
6. Use uma peça de mão sem contato com tamanho de ponto de 0,9 mm e posicione o feixe de laser perpendicular à superfície da amostra a uma distância de 10 mm. Aplique o laser em um movimento de varredura sobre a superfície e realize uma única passagem por amostra para garantir uma distribuição uniforme de energia.
7. Enxágue todas as amostras com água desionizada por 1 minuto para remover resíduos superficiais.
8. Seque todos os exemplares ao ar por 10 segundos.

3. Análise de superfícies por microscopia de força atômica

1. Selecione aleatoriamente 60 amostras PEEK (n = 15 por grupo de tratamento superficial) para análise superficial.
2. Realizar microscopia de força atômica (AFM) em modo de tapping sob condições secas para avaliar a topografia da superfície (Figura 3A–D).
3. Use uma ponta de sonda de silício (Si) para todas as medições e opere o dispositivo de acordo com o procedimento padrão de calibração do fabricante.
4. Posicione cada amostra sob o cantiléver e adquira imagens superficiais tridimensionais em uma área de varredura de 10 μm × 10 μm.
5. Realize três medições em diferentes locais em cada amostra para minimizar a variabilidade local da superfície e calcular valores médios de rugosidade.
6. Registre os valores médios de rugosidade quadrada (Sq) e de rugosidade média (Sa) para cada amostra.

4. Preparação de discos de resina composta ındirect

1. Fabricar moldes de acrílico para produzir amostras compostas em formato de disco com diâmetro de 5 mm e espessura de 5 mm (Figuras 4A–B).
2. Coloque material de resina composta indireta nas cavidades do molde para obter amostras em formato de disco com diâmetro de 5 mm e espessura de 5 mm.
3. Polimerize as amostras compostas usando uma unidade de cura da luz de laboratório conforme as instruções do fabricante, garantindo exposição uniforme à luz de todas as direções.
4. Remova os discos compostos polimerizados dos moldes e enxágue com água desionizada por 1 minuto.
5. Seque as amostras ao ar por 10 segundos.
6. Abrasar a superfície de ligação de cada disco composto usando partículas de óxido de alumínio a 110 μm a 0,5 MPa de pressão por 15 s, mantendo uma distância de 10 mm.
7. Padronize a aplicação mantendo distância e angulação consistentes em todos os espetáculos.
8. Limpe todos os discos compostos ultrassônicamente em água destilada por 10 minutos e deixe-os secar ao ar.

5. Procedimento de aúdeo

1. Divida cada grupo de tratamento superficial em dois subgrupos (n = 30) de acordo com o cimento de luta utilizado: cimento não eugenol de óxido de zinco e cimento resinoso autoadesivo.
2. Para cimento não eugenol com óxido de zinco, dispense comprimentos iguais de pastas base e catalisadoras em uma base e misture por aproximadamente 20 s até obter uma consistência homogênea. Aplique o cimento misturado na superfície tratada do PEEK usando uma espátula, aplicando uma pressão suave para minimizar o aprisionamento de ar.
3. Para cimento resinoso autoadesivo, prenda uma ponta automix na seringa e dispense uma pequena quantidade inicial para garantir a mistura adequada. Em seguida, aplique o cimento diretamente na superfície tratada do PEEK, mantendo a ponta em contato para manter um fluxo contínuo e reduzir o aprisionamento de ar, e cobrir toda a área de colagem com uma camada uniforme.
4. Posicione o disco composto centralmente sobre a superfície do PEEK coberto de cimento usando o alinhamento visual e aplique uma carga padronizada para garantir assentos e espessura consistentes do cimento, evitando movimentos laterais durante a sentação.
5. Aplique uma carga vertical constante de 500 g por 10 s para padronizar a espessura do cimento e garantir uma adaptação uniforme (Figura 5).
6. Remova o excesso de cimento das margens usando uma microescova.
7. Para cimento não eugenól de óxido de zinco, permita um tempo de fixação de 6 minutos sob a carga aplicada.
8. Para cimento resinoso autoadesivo, polimerize usando um dispositivo de cura à luz (de todas as direções, totalizando 80 s a uma distância de 5 mm).
9. Mantenha o posicionamento e alinhamento consistentes de todas as amostras durante todo o procedimento para minimizar a variabilidade.

6. Termociclagem

1. Divida cada subgrupo do cimento em dois subgrupos adicionais (n = 15) de acordo com as condições de termociclagem: com termociclagem e sem termociclagem.
2. Sujeitar espécimes do grupo termociclado a 5.500 ciclos entre 5 °C e 55 °C (±2 °C) usando um dispositivo^{termociclista} 20,29,30 (Figuras 6A–B).
3. Defina o tempo de permanência em cada banho para 30 s e o tempo de transferência entre os banhos para 2 s.
4. Mantenha condições de ciclo consistentes para todas as amostras durante todo o procedimento.

7. Teste de resistência à ligação ao cisalhamento

1. Embutida cada amostra cimentada (conjunto PEEK–cimento–compósito) em resina acrílica auto-curante usando moldes de aço inoxidável com diâmetro de 15 mm e altura de 15 mm.
2. Monte cada amostra em uma máquina de teste universal usando um gabarito personalizado para garantir um posicionamento estável.
3. Alinhe a lâmina de carga paralela à interface de ligação e posicione-a o mais próximo possível da interface.
4. Aplique força de cisalhamento a uma velocidade de 1 mm/min até que ocorra a falha (Figura 7).
5. Registre a carga máxima na falha (N) para cada amostra.
6. Calcule os valores de resistência à ligação ao cisalhamento (SBS) em megapascais (MPa) usando a fórmula: SBS (MPa) = Carga (N) / área de ligação (mm²)¹⁴.

8. Análise de modos de falha

1. Examine amostras desvinculadas sob um estereomicroscópio com ampliação de 40x.
2. Classifique os modos de falha de acordo com critérios previamente descritos como falhas adesivas, mistas ou coesivas, conforme definido na literatura³¹.
   1. Identificar a falha do adesivo quando a descolagem ocorre na interface entre o PEEK e o cimento de luta ou entre o cimento e o compósito indireto, sem restos de cimento observados em nenhum dos substratos.
   2. Identifique falhas mistas quando restos parciais de cimento permanecem na superfície PEEK enquanto outras áreas do substrato estão expostas.
   3. Identificar a falha coesiva quando ocorre fratura dentro do substrato PEEK ou dentro do material composto indireto.
3. Registre as distribuições de modos de falha para cada grupo experimental.

9. Análise estatística

1. Realize análise estatística usando o software SPSS.
2. Expresse dados sobre rugosidade superficial e resistência à ligação de cisalhamento como média ± desvio padrão.
3. Avalie a normalidade da distribuição dos dados usando o teste de Shapiro–Wilk.
4. Avalie a homogeneidade das variâncias usando o teste de Levene. A suposição de homogeneidade das variâncias foi satisfeita (p > 0,05).
5. Analise dados de rugosidade superficial usando o teste de Kruskal–Wallis para comparar diferenças entre protocolos de tratamento de superfície quando os dados são distribuídos de forma não normal.
6. Realize comparações par a par usando o teste post hoc de Dunn com ajuste de Bonferroni.
7. Analisar dados de resistência à ligação de cisalhamento usando análise ANOVA trivial para avaliar os principais efeitos e interações do protocolo de tratamento superficial, do tipo de cimento de lutação e do termociclamento.
8. Realize comparações post hoc por pares usando médias marginais estimadas com ajuste sequencial de Bonferroni.
9. Defina o nível de significância estatística em p < 0,05.

Results

Esse protocolo permite a avaliação reprodutível dos efeitos do tratamento superficial, do tipo de cimento com luta e do termociclismo no desempenho de ligação entre polietercetona (PEEK) e uma resina composta indireta. A AFM revelou topografias de superfície distintas dependendo do tratamento aplicado (Tabela 1). Amostras de PEEK não tratadas apresentaram superfícies relativamente lisas e homogêneas, com irregularidades mínimas. Espetáculos jateados apresentaram maior rugosidade superficial com picos e v...

Discussion

O presente estudo introduziu um protocolo padronizado in vitro para avaliar os efeitos combinados dos protocolos de tratamento de superfície, seleção de cimento de luta e termociclagem na resistência à ligação ao cisalhamento entre polietercetona (PEEK) e um material compósito indireto. Os resultados demonstraram que essas variáveis influenciaram significativamente os resultados da ligação, rejeitando assim a hipótese nula. O tratamento superficial constitui um componente crític...

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 espécimes em forma de disco
Precision cutting device	Buehler	IsoMet 1000	Usado para secionar hastes de PEEK em discos padronizados
Polishing device	Buehler	Phoenix Beta	Usado para polimento de superfície padronizado
Silicon carbide abrasive paper (600-grit)	3M	01993 (Wetordry™ Sandpaper Sheet, 600 grit)	Usado sob resfriamento com água para polimento de superfície
Ultrasonic cleaner	Tecno-Gaz	Astra S	Usado para limpeza de espécimes
Aluminum oxide particles (110 µm)	—	—	Usado para abrasão por partículas transportadas pelo ar
Sandblasting unit	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	Usado para o escorvamento da superfície
Sulfuric acid (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	CUIDADO: Corrosivo; manusear com equipamento de proteção adequado
Er:YAG laser system	Hoya ConBio	—	Usado para o tratamento de superfície por laser de PEEK
Atomic force microscope	Quesant Instrument Corporation, USA	—	Usado para análise de topografia de superfície
Indirect composite resin	GC Corporation	Gradia Indirect	Usado para fabricação de discos compostos
Zinc oxide non-eugenol cement	Kerr	TempBond NE	Cimento de cimentação temporária
Self-adhesive resin cement	3M ESPE	RelyX U200 Automix	Cimento de cimentação de resina
Light-curing unit	Kerr	Optilux	Usado para a polimerização da resina de cimentação
Thermocycler	Salubris Technica	Dentester	Usado para envelhecimento artificial
Self-curing acrylic resin	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	Usado para incorporação de espécimes
Universal testing machine	Instron	3345	Usado para teste de resistência de ligação por cisalhamento
Stereomicroscope	Nikon	SMZ 800	Usado para análise de modo de falha