Стандартизированный протокол для оценки влияния поверхностных обработок, смазочных цементов и термоциклирования на прочность связей PEEK–композитов

Краткое содержание

Этот протокол направлен на оценку влияния протоколов поверхностной обработки, отбора лютингового цемента и термоциклирования на прочность сдвиговой связи между PEEK и косвенной композитной смолой.

Аннотация

Полиэтерэтеркетон (PEEK) привлекает всё больше внимания как биоматериал в протезе; Однако достижение прочной адгезии к шпонированию композитных материалов остаётся серьёзной проблемой из-за химически инертной структуры. В данном исследовании представлен и подтвержден стандартизированный, воспроизводимый протокол оценки прочности сдвиговой связи (SBS) между PEEK и косвенной композитной смолой при различных поверхностных обработках, лютировавших цементах и условиях термоциклирования. Всего было разделено 240 дисков PEEK на четыре группы в зависимости от обработки поверхности: без обработки поверхности, пескоструйная обработка, травление серной кислотой и лазерное облучение. Морфология поверхности была проанализирована с помощью атомно-силовой микроскопии. Каждая группа затем делилась по используемому лютирующему цементу (цинковый оксид, неэугенольный цемент или самоклеящийся смолянный цемент; n = 30), а затем делилась на термоциклированные и нетермоциклированные группы (n = 15). SBS измерялся с помощью универсального тестового аппарата, а режимы отказа анализировались под стереомикроскопом. Среди всех экспериментальных групп образцы, покрытые самоклеящимися смоляным цементом и не подвергавшиеся термоциклированию, показали самые высокие значения SBS (25,134 ± 1,665 МПа), тогда как образцы, проработанные оксидом цинка и неэугеноловым цементом, демонстрировали самые низкие значения SBS (1,958 ± 0,345 МПа). Для всех протоколов поверхностной обработки значения SBS были значительно выше в образцах, покрытых самоклеящимися смоляным цементом, по сравнению с неевгеноловым цементом с оксидом цинка (p < 0,001). Термоциклирование значительно снизило значения SBS во всех группах (p < 0,001). Этот протокол выделяет ключевые процедурные этапы, включая выбор поверхностной обработки и тип цемента, которые существенно влияют на результаты скрепления. Стандартизированный рабочий процесс и визуальная демонстрация ключевых шагов предоставляют воспроизводимую основу для оценки PEEK–композитного соединения.

Введение

Полиэфирэтеркетон (PEEK) стал перспективным высокоэффективным полимером в протезе благодаря своим благоприятным механическим свойствам, химической стабильности, низкой плотности и внешнему виду ^1,2,3. По сравнению с традиционными материалами, такими как титан, PEEK предлагает преимущества, такие как простота модификации у кресла и снижение эстетического^{компромисса 4}. Однако, несмотря на эти преимущества, клиническое применение ограничено химически инертной структурой и низкой поверхностной энергией, что приводит к плохой адгезии к материалам на основе^{смолы 5,6}.

Предыдущие исследования показали, что необработанные поверхности PEEK демонстрируют недостаточную связь с композитными смолами, что делает модификацию поверхности критически важным этапом для достижения клинически приемлемой прочности^{связи 6,7}. Были предложены различные стратегии обработки поверхности для преодоления этого ограничения, включая травление^{сернокислотной травлением} 8,9,10,11,12,13,14, воздушное абразирование частиц оксидом ^{алюминия} 6,8,9,10,11,12,13 14,15,16, трибохимическое кремнезёмное ^{покрытие} 8,15,16,17,18,19, плазменные ^{обработки} 9,20,21,22 и лазерное ^{облучение} 6,23,24,25 ^,26,27. Однако эффективность этих подходов значительно варьируется в зависимости от параметров протокола и используемых материалов, что приводит к несогласованным результатам связывания в^{исследованиях 17}.

Помимо поверхностной обработки, тип лютирующего цемента играет ключевую роль в определении прочности связи. Временные цементы, такие как неевгенольные формулы с оксидом цинка, обычно используются для временных реставраций, тогда как самоклеящиеся смоляные цементы обеспечивают более сильную адгезию за счёт микромеханических и потенциальных химических^{взаимодействий 24}. Кроме того, термоциклирование широко используется для имитации колебаний внутрировой температуры и оценки прочности связанного интерфейса со^{временем 6,17,25}. Эти переменные — обработка поверхности, тип цемента и термическое старение — были изучены индивидуально; однако их комбинированные эффекты часто оцениваются с помощью гетерогенных^{методологий 11}.

Несмотря на растущее количество литературы по PEEK^{bonding 11}, на данный момент не существует стандартизированного, воспроизводимого экспериментального протокола, интегрирующего поверхностную обработку, цементирование и термоциклирование в единый рабочий процесс. Различия в подготовке образцов, параметрах модификации поверхности, процедурах нанесения цемента и протоколах старения ограничивают сопоставимость результатов и снижают воспроизводимость между исследованиями. Кроме того, отсутствие визуальной демонстрации критических процедурных шагов дополнительно способствует вариабельности экспериментальных результатов. Поэтому цель данного исследования — представить и подтвердить стандартизированный экспериментальный протокол оценки PEEK–композитного соединения в условиях контролируемой обработки поверхности, цементации и термоциклирования. Нулевая гипотеза данного исследования заключается в том, что методы поверхностной обработки, типы лютирующего цемента и термациклирование не существенно влияют на прочность сдвиговой связи между PEEK и косвенными композитными материалами.

Протокол

Этот протокол in vitro соответствует институциональным рекомендациям для лабораторных стоматологических исследований. Этическое одобрение не требовалось, так как не участвовали человеческие участники или ткани животных. Все материалы, использованные в этом исследовании, описаны в Таблице материалов.

1. Подготовка образцов PEEK

1. Изготовьте 240 дискообразных полиэфиркетонов (PEEK) диаметром 8 мм и толщиной 3 мм из коммерчески доступных стержней PEEK с помощью устройства для точной резки в стандартизированных лабораторных условиях (рисунок 1A–C).
2. Отметьте одну поверхность каждого образца перманентным маркером, чтобы отличить сторону, не сцепляющуюся. Назначить немаркированную поверхность как поверхность соединения для всех последующих процедур.
3. Полируйте поверхность склеивания каждого образца абразивной бумагой из карбида кремния зернистостью 600 под непрерывным водяным охлаждением.
4. Очистите все образцы ультразвуковым способом в дистиллированной воде в течение 10 минут.
5. Тщательно высушите все образцы на воздухе перед обработкой поверхности.

2. Обработка поверхности PEEK

ВНИМАНИЕ: Обращайтесь с серной кислотой в вытяжке с химическим дымом, ношение соответствующих средств индивидуальной защиты²⁸.

1. Случайным образом разделите образцы на четыре группы в соответствии с протоколом поверхностной обработки: необработанный контроль, пескоструйная обработка, травление серной кислотой и лазерное облучение (рисунок 2A–D).
2. Для контрольной группы промывайте образцы деионизированной водой в течение 1 минуты и сушите на воздухе 10 секунд.
3. Для пескоструйной группы стирайте поверхность соединения частицами оксида алюминия толщиной 110 мкм при давлении 2 бар в течение 10 секунд, сохраняя расстояние 10 мм и угол нанесения 45°. Обеспечить равномерное нанесение, сохраняя одинаковое расстояние и угол для всех^{образцов 15, 16}.
4. Для кислотно-травящей группы нанесите 98% серной кислоты на поверхность соединения в течение 60 секунд¹³.
5. Для лазерной группы облучите поверхность с помощью лазера из алюминиевого граната, легированного эрбием (Er:YAG), длиной волны 2 940 нм, энергией импульса 150 мДж, частотой повторения 10 Гц и средней мощностью 1,5 Вт в режиме^{QSP 23}.
6. Используйте бесконтактный прибор с пятном размером 0,9 мм и располагайте лазерный луч перпендикулярно поверхности образца на расстоянии 10 мм. Примените лазер в сканирующем движении по поверхности и выполните один проход на образец для равномерного распределения энергии.
7. Промыйте все образцы деионизированной водой в течение 1 минуты, чтобы удалить поверхностные остатки.
8. Сушите все образцы на воздухе в течение 10 секунд.

3. Поверхностный анализ с помощью атомно-силовой микроскопии

1. Случайным образом выберите 60 образцов PEEK (n = 15 на группу обработки поверхности) для анализа поверхности.
2. Провести атомно-силовую микроскопию (AFM) в режиме набора в сухих условиях для оценки поверхностного рельефа (рисунок 3A–D).
3. Используйте кремниевой (Si) наконечник зонда для всех измерений и управляйте устройством согласно стандартной калибровочной процедуре производителя.
4. Разместите каждый образец под консолью и получите трёхмерные изображения поверхности на сканирующей площади 10 мкм × 10 мкм.
5. Проведите три измерения в разных местах каждого образца для минимизации локальной изменчивости поверхности и рассчитайте средние значения шероховатости.
6. Запишите значения средней квадратной шероховатости (Sq) и средней шероховатости (Sa) для каждого образца.

4. Подготовка прямых композитных смольных дисков

1. Изготовление форм из плексигласа для получения дискообразных композитных образцов диаметром 5 мм и толщиной 5 мм (рисунок 4A–B).
2. Поместите косвенный композитный смолный материал в полости формы, чтобы получить дискообразные образцы диаметром 5 мм и толщиной 5 мм.
3. Полимеризуйте композитные образцы с помощью лабораторного светоотверждающего устройства согласно инструкциям производителя, обеспечивая равномерное освещение со всех направлений.
4. Вынимите полимеризированные композитные диски из форм и прополосните деионизированной водой в течение 1 минуты.
5. Сушите образцы на воздухе в течение 10 секунд.
6. Стирайте поверхность соединения каждого композитного диска с помощью частиц оксида алюминия размером 110 мкм при давлении 0,5 МПа в течение 15 секунд, сохраняя расстояние 10 мм.
7. Стандартизируйте применение, поддерживая одинаковую дистанцию и угол для всех образцов.
8. Очистите все композитные диски ультразвуковым способом в дистиллированной воде на 10 минут и дайте им высохнуть на воздухе.

5. Процедура лютинки

1. Разделите каждую группу поверхностной обработки на две подгруппы (n = 30) в зависимости от используемого лютирующего цемента: оксид цинка, неэугенольный цемент и самоклеящийся смолянный цемент.
2. Для оксида цинка и неэугенолового цемента наносите равные длины пасты с основанием и катализатором на смешивательную площадку и смешивайте примерно 20 секунд до достижения однородной консистенции. Нанесите смешанный цемент на обработанную поверхность PEEK с помощью лопатки, прилагая мягкое давление, чтобы минимизировать захват воздуха.
3. Для самоклеящегося смоляного цемента прикрепите наконечник автосмеси к шприцу и нанесите небольшое первоначальное количество для правильного смешивания. Затем нанесите цемент непосредственно на обработанную поверхность PEEK, поддерживая кончик в контакте для поддержания непрерывного потока и уменьшения захвата воздуха, а также покройте всю зону сцепления равномерным слоем.
4. Разместите композитный диск по центру на покрытой цементом поверхности PEEK с помощью визуального выравнивания и примените стандартизированную нагрузку для обеспечения равномерной посадки и толщины цемента, избегая бокового смещения во время посадки.
5. Применяйте постоянную вертикальную нагрузку 500 г в течение 10 секунд для стандартизации толщины цемента и обеспечения равномерной адаптации (см. рисунок 5).
6. Удалите лишний цемент с краёв с помощью микрощетки.
7. Для оксида цинка и неэугенолового цемента оставьте время застывания 6 минут под приложенной нагрузкой.
8. Для самоклеящегося смоляного цемента полимеризуйте с помощью устройства для светового отверждения (со всех направлений — в общей сложности 80 с на расстоянии 5 мм).
9. Поддерживайте равномерное положение и выравнивание всех образцов на протяжении всей процедуры, чтобы минимизировать изменчивость.

6. Термоциклирование

1. Разделим каждую подгруппу цемента на две дополнительные подгруппы (n = 15) в зависимости от условий термоциклирования: с термоциклом и без него.
2. Испытуемые образцы из группы термоциклирования до 5 500 циклов от 5 °C до 55 °C (±2 °C) с помощью термоциклирующего устройства^{20, 29, 30} (рисунок 6A–B).
3. Установите время пребывания в каждой ванне на 30 секунд, а время переноса между ваннами — на 2 секунды.
4. Поддерживайте стабильные условия цикла для всех образцов на протяжении всей процедуры.

7. Испытания прочности сдвигающих связей

1. Каждый цементированный образец (PEEK — цементно-композитная смола) встраивается в самозатвердевающую акриловую смолу с использованием форм из нержавеющей стали диаметром 15 мм и высотой 15 мм.
2. Устанавливайте каждый образец в универсальную тестовую машину с помощью индивидуального шаблона для обеспечения стабильного положения.
3. Выровняйте нагрузочную лопатку параллельно интерфейсу соединения и расположите его как можно ближе к интерфейсу.
4. Прикладывайте сдвиговую силу при скорости перекрёстка 1 мм/мин до момента разрушения (рисунок 7).
5. Запишите максимальную нагрузку в момент отказа (N) для каждого образца.
6. Рассчитывайте значения прочности сдвига связи (SBS) в мегапаскалях (МПа) по формуле: SBS (МПа) = Нагрузка (N) / площадь сцепления (^{мм 2})¹⁴.

8. Анализ режимов отказа

1. Обследуйте отделённые образцы под стереомикроскопом при увеличении 40 раз.
2. Классифицировать режимы отказа по ранее описанным критериям как клейкие, смешанные или когезивные, как определено в^{литературе 31}.
   1. Определите разрушение клея, когда отцепление происходит на границе между PEEK и лютирующим цементом или между цементом и косвенным композитом, при этом остатков цемента не наблюдается ни на одном из оснований.
   2. Выявить смешанное разрушение, когда на поверхности PEEK остаются частичные остатки цемента, а другие участки подложки обнажаются.
   3. Выявить когезивное разрушение, когда разрушение происходит внутри подложки PEEK или в косвенном композитном материале.
3. Распределение режимов неудач записи для каждой экспериментальной группы.

9. Статистический анализ

1. Проводите статистический анализ с помощью программного обеспечения SPSS.
2. Выражайте данные о шероховатости поверхности и прочности сдвигающих связей как среднее ± стандартное отклонение.
3. Оценить нормальность распределения данных с помощью теста Шапиро–Уилка.
4. Оценить однородность дисперсий с помощью теста Левена. Предположение о однородности дисперсий было выполнено (p > 0,05).
5. Анализ данных о шероховатости поверхности с помощью теста Крускаля–Уоллиса для сравнения различий между протоколами обработки поверхности при ненормальном распределении данных.
6. Проведите парные сравнения с помощью пост-хок теста Данна с корректировкой Бонферрони.
7. Анализировать данные о прочности сдвигающих связей с помощью трёхступенчатого анализа ANOVA для оценки основных эффектов и взаимодействий протокола обработки поверхности, типа лютирующего цемента и термоциклирования.
8. Проведите пост-хок парные сравнения с использованием оценочных предельных средних с последовательной корректировкой Бонферрони.
9. Установить уровень статистической значимости на p < 0,05.

Результаты

Этот протокол позволяет воспроизводимо оценивать влияние поверхностной обработки, типа лютирующего цемента и термоциклирования на качество связывания между полиэфирэфиркетоном (PEEK) и косвенной композитной смолой. AFM выявила различные топографии поверхностей в зависимости от применяемой обработки поверхности (Таблица 1). Необработанные образцы PEEK имели относительно гладкие и однородные поверхности с минимальными неровностями. Пескоструйные образцы демонстрировали повышенную шероховатость поверхности ...

Обсуждение

В данном исследовании был введён стандартизированный протокол in vitro для оценки совместных эффектов протоколов обработки поверхностей, выбора лютирующего цемента и термоциклирования на прочность сдвиговой связи между полиэфирэфиркетоном (PEEK) и косвенным композитным материалом. Результаты показали, что эти переменные существенно влияют на результаты связывания, тем самым отвергая нулевую гипотезу. Обработка поверхности является критически важным элементом протокола. В соответ...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Polyetheretherketone (PEEK) rods	Mitsubishi Chemical Group (MCAM)	KETRON® CLASSIX LSG PEEK (white)	Используется для изготовления дисков-образцов
Precision cutting device	Buehler	IsoMet 1000	Используется для разрезания стержней PEEK на стандартизованные диски
Polishing device	Buehler	Phoenix Beta	Используется для стандартизированной поверхностной полировки
Silicon carbide abrasive paper (600-grit)	3M	01993 (Wetordry™ Sandpaper Sheet, 600 grit)	Используется под водным охлаждением для поверхностной полировки
Ultrasonic cleaner	Tecno-Gaz	Astra S	Используется для очистки образцов
Aluminum oxide particles (110 µm)	—	—	Используется для аэрозольной абразивной обработки
Sandblasting unit	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	Используется для шероховатости поверхности
Sulfuric acid (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	ОСТОРОЖНО: Коррозионно-активное вещество; обращайтесь с ним с использованием соответствующего защитного оборудования
Er:YAG laser system	Hoya ConBio	—	Используется для лазерной поверхностной обработки PEEK
Atomic force microscope	Quesant Instrument Corporation, USA	—	Используется для анализа поверхностной топографии
Indirect composite resin	GC Corporation	Gradia Indirect	Используется для изготовления композитных дисков
Zinc oxide non-eugenol cement	Kerr	TempBond NE	Временный цемент для вложения
Self-adhesive resin cement	3M ESPE	RelyX U200 Automix	Резиновый цемент для вложения
Light-curing unit	Kerr	Optilux	Используется для полимеризации резинового цемента
Thermocycler	Salubris Technica	Dentester	Используется для искусственного старения
Self-curing acrylic resin	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	Используется для вложения образцов
Universal testing machine	Instron	3345	Используется для испытания на сдвиговое сопротивление связи
Stereomicroscope	Nikon	SMZ 800	Используется для анализа режима разрушения