Квазистатические механические испытания для автоматизированного проектирования и производства окклюзионных виниров, цементированных на фрезерованном аналоговом материале дентина
20 декабря 2024 г.
Квазистатическое испытание на разрушение с нефиксированным шариком из нержавеющей стали было разработано для определения прочности на разрушение минимально инвазивных задних компьютерных реставраций, сцементированных с аналоговыми материалами дентина. Этот тест моделирует типичный режим нагрузки, ответственный за перелом зубных конструкций.
Мы хотели бы разработать метод механических испытаний для исследования фактической устойчивости и поведения минимально инвазивных реставраций или любых несъемных зубных реставраций, прикрепленных к аналоговым материалам зубов, а не использования естественных зубов и использования общих стандартных тестов, таких как одноосный и двухосный тест на изгиб. Окклюзионные виниры толщиной в один миллиметр, фрезерованные из CAD/CAM в нанокерамике с более низкой эффективной нагрузкой, обладают превосходной фактологической стойкостью, чем обычный дисиликат лития. Тем не менее, оба продемонстрировали адекватную фактическую нагрузку, опять же, произвольную и непроизвольную, максимальную силу прикуса и являются перспективными материалами для восстановления боковых зубов по малоинвазивной схеме.
Это простой и воспроизводимый метод для начинающих исследователей-стоматологов, заинтересованных в тестировании новейших разработанных реставрационных материалов. Для начала используйте грубые и найдите алмазные заусенцы, чтобы анатомически уменьшить окклюзионную поверхность типодонта нижней челюсти сначала на один миллиметр и скосить край. Далее отсканируйте подготовленный типодонт с помощью зуботехнического лабораторного сканера.
Откройте файл сканирования с помощью OrthoAnalyzer в программном обеспечении CAD. В окне набора инструментов для скульпта выберите инструмент для воскового ножа, затем установите диаметр на 2,6 миллиметра и уровень на 63 микрометра. Постепенно потяните каждую поверхность корня друг к другу, чтобы объединить раздвоенные корни в один корень для облегчения процесса фрезерования.
Затем фрезеруйте зубья аналоговыми красителями из стеклопластикового ламината высокого давления с помощью пятиосевого фрезерного станка. В Autodesk Inventor Professional 2025 спроектируйте кондуктор так, чтобы он соответствовал корневой части зуба модели и выровнял его по пространству внутри торцевых крышек из поливинилхлорида. Далее напечатайте на 3D-принтере по одному приспособлению на пробный зуб из полиметилметакрилата или материала с аналогичным модулем упругости.
Соедините корневые части и красители с торцевой крышкой из поливинилхлорида. Смешайте эпоксидную смолу холодного отверждения с низкой вязкостью и залейте ее до цементо-эмалевого места соединения модельных зубов, стараясь не допустить загрязнения окклюзионной поверхности. Оставьте эпоксидную смолу полностью застыть при комнатной температуре не менее чем на 24 часа.
Импортируйте файл сканирования аналога зуба в программное обеспечение CAD. В меню Направления определите направление введения окклюзионного винира. В разделе Интерфейсы выберите линию поля и отметьте линию поля аналога зуба сканирования.
Затем выберите интерфейс красителя. В разделе «Дополнительные настройки» отрегулируйте зазор между цементом до 0,025 миллиметра и дополнительный зазор между цементом до 0,050 миллиметра. Затем в разделе «Дизайн анатомии» создайте окклюзионный винир толщиной в один миллиметр, используя шаблон из библиотеки улыбки.
При необходимости отрегулируйте винир с помощью инструментов и вылепите. Для начала поместите реставрацию на подготовленные мастер-красители, загрузив ее под заполненную силиконом компрессионную головку в универсальной испытательной машине при нагрузке 40 Ньютон. Отверждайте реставрацию с помощью светодиода с интенсивностью света от 1 000 до 1 200 милливатт на квадратный сантиметр в обычном режиме в течение одной-двух секунд.
Удалите излишки цемента и продолжайте отверждение каждой поверхности в течение 20 секунд. После отверждения извлеките реставрацию из универсальной испытательной машины и поместите ее в дистиллированную воду при температуре 37 градусов Цельсия на 48 часов, чтобы цемент полностью застыл. Перед тестированием используйте тонкие перманентные маркеры, чтобы нарисовать три медиальные латеральные референсные линии и три передние задние референсные линии разными цветами на реставрациях.
Поместите испытательный образец в центр нижней плиты машины для механических испытаний, оснащенной тензодатчиком мощностью пять килоньютонов, сконфигурированным для испытания на сжатие. Затем поместите шар из нержавеющей стали диаметром 5,5 миллиметра в центральную ямку реставрации, выровняв его на пересечении центральных опорных линий. Поместите защитное акриловое кольцо вокруг образца и защитный экран от мусора перед испытательной машиной, чтобы удержать любой потенциальный летящий мусор.
Опустите траверсу до тех пор, пока она почти не соприкоснется со стальным шариком. Затем установите нагрузку и смещение равными нулю. Далее применяйте сжатие со скоростью один миллиметр в минуту до тех пор, пока реставрация не сломается, сигнализируя о резком падении нагрузки.
Запишите нагрузку на разрыв. После перелома снимите защитный экран от мусора и акриловое кольцо. Тщательно соберите испытуемый образец и его фрагменты.
Установите окулярную камеру на стереомикроскоп. С помощью программного обеспечения для стереомикроскопии можно получить аэрофотоснимки образцов и изображения сбоку с 20-кратным увеличением. Для сканирующей электронной микроскопии образец разрезают на цементо-эмалевом стыке и помещают в ацетоновую ванну в ультразвуковом очистителе.
После сушки экземпляра на воздухе нанесите на поверхность золотое покрытие. Делайте снимки с высоты птичьего полета и вида сбоку с увеличением от 250 до 300 раз. Стереомикроскопические изображения переломов окклюзионных виниров из LD и RNC показали поверхностную кольцеобразную трещину на пересечении центральных опорных линий в центральной ямке.
Эта трещина, являющаяся частью системы конусных трещин Герца, простирается в более глубокие восстановительные слои. Фрактографический анализ показал, что как ЛД, так и РНК последовательно ломаются в дистальном лингвальном аспекте, за исключением одного образца РНК с пузырчатым переломом. Изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа показали, что поверхности излома RNC выглядели шероховатыми и волокнистыми из-за пропитки нанокерамическим наполнителем, указывающей на пластическую деформацию.
В отличие от них, LD-переломы распространялись прямолинейно, образуя несколько отдельных фрагментов перелома.
Обзор
Это исследование представляет собой метод механических испытаний, разработанный для оценки стойкости к разрушению минимально инвазивных зубных реставраций. Метод ориентирован на реставрации, цементированные на аналогах дентина, обеспечивая более соответствующую испытательную среду по сравнению с традиционными методами.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Стоматологические материалы
- Механические испытания
- Реставративная стоматология
Фон
- Минимально инвазивные реставрации все чаще используются в стоматологии.
- Традиционные методы испытаний могут не точно отражать клинические условия.
- Технология CAD/CAM позволяет создавать точные зубные реставрации.
- Понимание стойкости к разрушению важно для долговечности зубных материалов.
Цель исследования
- Разработать метод испытаний для оценки стойкости к разрушению зубных реставраций.
- Сравнить производительность различных реставрационных материалов.
- Предоставить повторяемый метод для будущих стоматологических исследований.
Использованные методы
- Квазистатическое испытание на разрушение с нефиксированным нержавеющим стальным шаром.
- Использование аналогов дентина для цементации.
- Приготовление окклюзионных венецианских шпонок с использованием технологии CAD/CAM.
- Оценка стойкости к разрушению в условиях симулируемой нагрузки.
Основные результаты
- Минимально инвазивные реставрации продемонстрировали лучшую стойкость к разрушению по сравнению с конвенциональными материалами.
- Оба тестируемых материала продемонстрировали адекватную деформацию под максимальной силой укуса.
- Разработанный метод является простым и повторяемым для исследователей.
- Результаты подтверждают использование материалов CAD/CAM в задних реставрациях.
Выводы
- Новый метод испытаний эффективно моделирует клинические условия нагрузки.
- Минимально инвазивные реставрации перспективны для стоматологических приложений.
- Дальнейшие исследования могут опираться на этот метод для изучения новых материалов.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Reliable mechanical testing of biomimetic dental materials is critical for translational research and product development in restorative dentistry. This protocol enables standardized, repeatable assessment of fracture resistance for CAD/CAM occlusal veneers cemented to dentin analogs, supporting predictive confidence in material selection and design. The approach addresses the need for clinically relevant, reproducible data to inform early-stage material triage and downstream workflow integration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven evaluation of new restorative material performance under simulated clinical loads.
- Supports mechanistic de-risking by isolating material-dependent fracture behaviors in a controlled analog system.
- Facilitates functional validation of CAD/CAM ceramics and composites for minimally invasive applications.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, repeatable protocol for quantitative fracture strength measurement.
- Enables reproducible comparison of novel and established dental materials using consistent test conditions.
- Supports assay scalability and platform reuse for high-throughput material screening.
Translational & Preclinical Research
- Aligns laboratory testing with clinically relevant loading scenarios using dentin analog substrates.
- Enables continuity from material discovery through preclinical validation of restorative performance.
- Supports risk-adjusted advancement of candidate materials based on quantitative mechanical outputs.
Pipeline & Workflow Integration
This monotonic load-to-fracture protocol positions mechanical testing at the interface of material discovery, screening, and preclinical validation for dental biomaterials.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on fracture mechanisms and material failure modes.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible fracture load data for comparative material assessment.
- Analytics: Generates load-displacement curves and statistical outputs for robust condition comparison.
- Translational Research: Bridges laboratory findings to clinical relevance using dentin analogs and simulated occlusal forces.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, adaptable protocol for ongoing material innovation and benchmarking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection and design for restorative applications.
- Operational Value: Standardizes mechanical testing workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage risk in dental material portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of candidate materials for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in CAD/CAM design, mechanical testing, and dental material handling.
- Needs access to universal testing machines, 3D milling, and imaging infrastructure.
- Demands cross-team standardization of specimen preparation and test parameters.
- Adaptable to various restorative materials and analog substrates with protocol adjustments.
- Limitations include reliance on analog models and monotonic loading, not cyclic fatigue.
