模擬空洞内に歯科用コンポジットの収縮は、デジタル画像相関で測定

Summary

歯科用樹脂複合修復における重合収縮応力の空間的な開発を理解するために、デジタル画像相関は、重合前及び後に撮影した修復物の画像を相関させることによって、復元されたモデルガラスキャビティの全視野変位/歪測定を提供するために使用した。

Abstract

歯科用レジンコンポジットの重合収縮は、コンポジット·復元された歯に修復剥離やひび割れ歯の組織につながることができます。方法および収縮ひずみと応力は、復元された歯に開発を理解するために、デジタル画像相関（DIC）が施さ重合収縮を有したモデル修復内変位およびひずみ分布の包括的なビューを提供するために使用した。

モデル空洞を有する標本は、直径および長さの両方が10mmである円筒形ガラス棒で作られていた。各試料に調製近心 - 遠位咬合 - （MOD）キャビティの寸法は、それぞれ、幅及び深さ3mmから2mmの測定された。樹脂複合体で空洞を充填した後、観察下の表面は、白色塗料の第一の薄膜層と高コントラストのスペックルを作成するために、次いで微細な黒色木炭粉末を噴霧した。その面の写真は、その後、後硬化し、5分前に撮影された。 Fiのナリーは2つの写真は、変位及び歪み分布を計算するためにDICソフトウェアを使用して相関していた。

樹脂複合最大の下方への変位を持つ修復の上部中央部に、空洞の底部に向かって垂直方向に縮小して。同時に、それはその垂直正中線に向かって水平に収縮する。複合材料の収縮は咬頭たわみと復元の周りの高引張ひずみ、その結果、「歯の修復」界面近傍の材料を伸ばした。空洞壁や床に近い材料は主にインターフェースに垂直な方向に、直接株を持っていた。 2直接ひずみ成分の総和は回復を中心に比較的均一な分布を示し、その大きさは、材料の体積収縮ひずみを約等しかった。

Introduction

樹脂複合材料は、広くその優れた審美性及びハンドリング性の修復歯科学において使用される。しかし、歯の組織に接着されているにもかかわらず、樹脂複合材の重合収縮が開発収縮応力が歯修復インタフェース^{1 -2}にデボンディング原因となり、臨床的関心事のまま。その結果、細菌が侵入して存在して失敗した地域で、二次カリエスになることがあります。復元がよく、歯に接着されている一方、収縮応力は、歯の組織においてクラックが発生することができる。これらの障害のいずれかが熱的および機械的荷重の多数のサイクルに供される、歯科修復物の寿命を危険にさらすであろう。

重合収縮ひずみと応力の測定は、このように歯科用レジンコンポジット^3-4の開発と評価に必要不可欠となっている5-11が開発されている。それらが提供する測定値が異なる材料の収縮挙動を比較するための十分であるかもしれないが、彼らはどのように、どこ収縮応力が実際の復元歯に発症の理解を助けていない。具体的には、大きな関心の問題は、キャビティ壁が歯科修復物¹²内の収縮応力の創造に複合材料およびリードの収縮を拘束する方法です。収縮応力は、樹脂複合材の収縮ひずみの一部を作成するために、なお、引張弾性歪みに変換されなければならない。修復の歪みのこの成分を測定することができれば有用であろう。近年、光全視野歪測定技術、デジタル画像相関（DIC）は、遊離shrinkaの測定に適用されている歯科修復物^13〜15の樹脂複合材だけでなく、材料の流れのGE。 DICの基本的な考え方は、表面上の変位及び歪み場を決定することができるその変形中に撮影の連続画像から、試料表面上の可視パターンを追跡し、相関させることである。全視野測定は、不均一な変形や歪みパターン^13を観察する際に特に有用であるDIC法の主な利点の一つである。本研究では、DICは収縮応力の発達を理解し、剥離のための潜在的部位を同定する目的で、歯科用樹脂複合修復の歪みパターンを発見するために使用した。この情報は、原因重合収縮への復帰の変位を測定した^14〜15の上に引用した作品で直接使用できません。測定は、レプリカにしようとして、近心 - 咬合 - 遠位（MOD）歯の空洞に歯をシミュレートしたモデルを用いて行った実際の歯科修復物の応力やひずみをTEを本物の歯の使用は、より解剖学的に表しているが、それの欠点は、結果に大きな変動につながる解剖学、機械的性質、水和の程度だけでなく、目に見えない内部欠陥¹⁴における歯間に有意固有の違いである。このような欠点を克服するために、いくつかの研究では、口腔内のサイズ¹⁶またはサロゲート材料¹⁷のモデルと完全に歯を置き換えるという点でそれらをグループ化することによって、歯のサンプルを標準化しようとしています。たとえば、（それぞれ、69および83 GPaと）エナメル類似のヤング率を有するアルミニウムモデルは、カスプ偏向¹⁷によって示される収縮応力のレベルと、収縮応力測定に用いられている。材料はまた、·透明であるように、同様のヤング率（GPaの63）ヒトエナメル質を有しているため、本研究では、石英ガラスモデル（キャビティ）を代わりに使用したENT、検体中の任意の剥離やクラックが容易に観察することができる。

Protocol

注意：物質一覧に記載されているように、Z100、Z250およびLSを：三歯科用レジンコンポジットガラスキャビティを用いて調べた。これらの中で、LSは、（それぞれ約2％及び〜2.5％）、Z250及びZ100よりもはるかに低い周辺1.0％の体積収縮を有する低収縮性樹脂複合材料^、18〜19であることが知られている。この研究で使用される装置及び他の材料もまた、資料一覧に記載されている。

1。モデル窩洞

1. 低速ダイヤモンドソーを用いて10 mmのロングショートロッドに、直径10ミリメートル、長い円筒状のガラス棒をカット。
2. 近心-遠位咬合- （MOD）空洞に適合低速ダイヤモンドソーを用いて、各試料中に3ミリメートル（幅）×2ミリメートル（深さ）を測定する（ 図1）を切断する。
3. 図1に示すように、寸法を、キャビティの長さに対して垂直な平面を作成するために、各円筒形標本をダウン研磨平坦面がfoを可能にする正確なcusingと復元上の画像のキャリブレーション。今後は、 観測面と呼ぶことにする。
4. 試験した3つの材料の各々のための3つの試験片を準備します。Z100、Z250およびLS;材質の表を参照してください。

2キャビティを樹脂コンポジットの充填

1. すべてのガラスキャビティ表面をsilanizeするブラシでセラミックプライマーの薄い層を適用します。これはガラス表​​面と樹脂の複合材料との接着を可能にします。
2. 約1分後に、接着剤の薄層を適用する。複合Z100とZ250のための複合LSとAdper単結合PLUSのLS接着剤系を使用してください。
3. 製造業者の説明書（材料テーブル）に基づいて、硬化光および持続時間（10-20秒）で接着剤を硬化させる。
4. 図2に示すように、観測面以外は黒テープで復元周辺のガラス表面を覆う。目的は到達硬化光を回避することである実際の歯には発生しません、周囲の透明なガラスを通して樹脂複合。
5. 樹脂複合して空洞をバルク記入し、すべての表面を平坦化する余分を掻き。

3。表面塗装

1. 今樹脂複合体の一部を含む観察面上に白色塗料の薄層をスプレー。
2. 高コントラストスペックルを作成するために、塗料の上にすぐにいくつかの黒い細かい木炭粉末を振りかける。スペックルの不規則な形状は、DIC用ソフトウェアを使用して識別し、それらの動きを追跡するのに役立ちます。

4。サンプル実装、硬化、と写真撮影

1. 図2をホルダ（C）中に試料（E）を配置し、ネジ（D）で締め参照する。その後、大規模な水平ビームの最後にユニット全体を配置します。
2. 彼らはobservatioに直面するように、同じビーム上にCCDカメラと黄色の照明LEDライトを固定しますn個の面。
3. 調節可能なクランプでスタンドを用いて、その先端が試料上に約1mmであることを硬化光は、位置決めする。
4. 硬化前に参照画像を提供するために、試料の写真を撮る。
5. 20秒間、樹脂複合材を硬化する。
6. 硬化後5分で、別の写真を撮る。
7. 観察面と同じ位置にキャリブレーションブロックを配置し、撮影してください。キャリブレーション·ブロックは、正確に既知のサイズと間隔の円形ドットの配列が含まれています。

DICソフトウェアによる5。画像解析

1. 各サンプル前1およびDICソフトウェアに、硬化後の1にかかる二つの絵をインポートします。
2. 画像の大きさを較正し、較正ブロックの画像を用いて画像の歪みを補正する。 。
3. 分析のための観察面内の関心領域を定義します。
4. 64×64ピクセルと正方形のサブセットウィンドウのサイズを定義最初の反復と2回目の反復²⁰ 32×32ピクセル。 50％のオーバーラップを定義します。
5. 変位およびひずみの分布を計算するために、硬化前に撮影基準画像と硬化後の撮影画像を関連付ける。

Representative Results

3つの試験片を各材料について試験した。必要に応じて、各試験の後、試料を顕微鏡を用いて、目で検査し又はした。 「歯の修復」のインターフェイスやクラックの明らかな剥離が見つかりませんでした。

ピクチャの解像度は5.8ミリメートルのピクセルサイズを有する1,600×1,180ピクセルであった。 32ピクセルのサブセットのウィンドウサイズと、変位分布の空間分解能は、約186ミリメートルであった。

図3は、Z250となる硬化修復物の変位ベクトルの典型的なプロットを示す。他の樹脂複合材料の検体は、同様の変位のプロットを生成する。なお、樹脂組成物が空洞の底部に向かって収縮および復元の上部中央部が最も下方への変位を有していたことが分かる。このような下方への変位が徐々に復旧内の深さで減少した。同時に、樹脂複合contracte水平変位はゼロであった修復の垂直正中線に向かって水平にDを

横ひずみのプロット、 図4（a）は 、2垂直」歯の修復」のインタフェースに沿って、高引張り歪み濃度を示す。同様に、垂直引っ張り歪み濃度は、 図4Bの底部界面で見ることができる。回復の中では、株は均一ではなかった。垂直収縮ひずみが空洞（ 図4B）の深さに沿って徐々に増加しながら、より水平縮小株は、（ 図4A）2の垂直の側壁に隣接するだけでなく、回復の一番上に発見された。 2つの直接ひずみ成分、ここでは、面内の総直接株と命名され、合計されたときただし、復元中の収縮歪みの比較的均一な分布を見ることができる; 図4Cを参照してください。シムilarly、比較的均一な引張ひずみ集中のバンドが修復を取り囲むことが分かる。

より詳細にひずみ集中を評価するために、変位及びひずみ値は、修復物の中間深さで水平線に沿っZ250試料のDIC結果からさらに抽出し、 図5に示すように、反対称青色曲線を示す破線それぞれ約2および1mmの最大値と最小値は、左右の尖の撓みを表現するの水平変位、。正の値は右方向に変位し、負の値左方向の変位を表していた。このように、左のカスプは、左から右と右カスプに移動しました。復旧に短い距離でピークに達した空洞の両側の界面での変位の急激な増加があった。距離の更なる増加に伴い、変位の大きさが急激に減少し、抗対称面が横たわっ空洞の中間幅でほぼゼロに達した。赤色の実線は、同じ水平線に沿って水平歪みを示している。これは、ガラス表面の大部分に歪がほぼゼロであったことが分かる。界面でのピークの大きさで変位に対応する、それぞれ、左右の約1.7％および1.5％の値を持つ2つの引張歪みピークである。修復中では、約0.5％の比較的一定の収縮歪みを見ることができる。

図6は、同一の水平線に沿って3樹脂複合材料の平均の面内の総直接ひずみを示しています。 LSは、約2.5％の値で、復元中の約1％の最低の面内の総収縮ひずみを生み出し約2％の値とZ250が続き、その後Z100。 3樹脂複合材料のこれらの面内の総収縮株は、その体積収縮ひずみとほぼ同じであった ^18〜19。 3試験した材料は、これらは約1％で、界面での類似の引っ張りひずみ濃度を示した。

図1。のMODキャビティと観察面とガラスモデルの寸法。

図2から成る収縮ひずみ測定のための装置：A）CCDカメラ、B）を黄色のLEDの照明光、C）試料ホルダー、D）締付けねじ、およびE）ガラス空洞標本。

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図3。Z250コンポジットで満たされた、典型的な試験片の変位ベクトル。破線は、空洞の境界を示している。

図4復元中の収縮ひずみを示す観測面と"歯の修復」の界面に沿って引張り歪み濃度に分布をひずみであって、a）水平株（Exxの）面内）、B）、縦株（Eyy）およびC総直接株（Exxの+ Eyy）。破線は、空洞の境界を示している。 VIには、ここをクリックしてください。この図の拡大版をEW。

図5。Z250試料から得られたキャビティの中間深さで水平線に沿って水平変位とひずみ。斜線部分は、空洞の位置を示す。

図6。半ば空洞の深さでの水平線に沿って3テスト複合材料の面内の総直接ひずみ。

Discussion

収縮ひずみ測定用の同じ形状および寸法を有するガラスキャビティの使用は、天然のヒトの歯の大きさ、解剖学的構造および材料特性の違いによる結果のばらつきを最小限に抑えることであった。また、この研究で使用した溶融シリカガラスは、それまでの機械的挙動が^21-22に関しては天然歯に適した模擬材料作り、エナメル質と類似のヤング率を有する。実際の歯の修復において、樹脂複合体は、ほとんどではなくエナメル質よりも、象牙質に結合されており、両者の歯組織との間の剛性の差はあるが、軟らかい歯のモデルを用いて得られたひずみ分布がに関して非常に異なることが予想されていない値が異なっていたとしても、そのパターン。セラミックプライマーの適用、適切な接着剤で、樹脂複合体とガラスキャビティ壁との間の強い結合が収縮応力が完全に仕様に開発することが、保証された修復の剥離ない男性。クラックがいくつかのガラス標本に見出されたため、実際には、ガラスと樹脂の複合体間の結合強度は、主に大キャビティが使用されたZ100、で満たされたガラスの破壊強度よりも高いと考えられていた。同じ観察は、他の研究者¹²によって行われていた。

樹脂複合材の表面に噴霧塗料の薄い層は、潜在的に、その有限の剛性の材料の流れと収縮を妨げる可能性がある。従って、特別な注意をかけて塗装樹脂複合面を避けるように注意した。塗料は、分散されたのではなく、塊状のスペックルを形成し、ミストが試料表面に薄く落下することを可能にする上方からの距離で穏やかに噴霧した。後で散布した細かい木炭粉末は、樹脂複合の動きを妨げる可能性は低いた緩い粒子から構成されていた。

観測面上のスペックルのサイズは、サブセット·ウィンドウサイズに関連して、DIC結果の精度に重要である。いくつかの研究は、相関誤差が²³低くなるように、スペックルサイズは数ピクセルであるべきであると結論付けた。本研究では、5.8ミクロンの画像解像度で、スペックルサイズは、したがって、〜30μmである必要があります。上述したように、これは、白色塗料と微細炭素粉末の薄層で達成された。この研究における適切なサブセットウィンドウサイズの選択は、参考文献^23-24に従って製造し、32×32画素のサイズが選択される前に、いくつかの試験が行われていた。彼らは画像間で一致させるための複数のパターンが含まれているため、より大きなサブセットの窓は、このように効果的にプロセス^23,25の不確実性を減らし、ランダム誤差を減らすことができます。しかしながら、より大きなサブセットの窓を使用するコストは、内細かい細部の喪失であるM。したがって、限り相関誤差が許容可能であるように、小さいウィンドウサイズが常に変位/ひずみマップは非常に不均一であり、局所的な変形に関心がある場合に特に所望される。最適なサブセットウィンドウサイズの選択は、一般的に経験によって、または試行錯誤によって決定される。ソフトウェア·デイビス7.2より大きいサブセットウィンドウサイズが第粗い未満雑音の変位場を得るために使用することができ、次いで、サブセットウィンドウサイズが与えるために使用することができることを意味し、単一の相関のため2つまでの取調べの使用を可能にするより詳細が、ノイズの多い変位場。

樹脂複合で測定されたひずみは弾性ひずみ、クリープひずみと収縮ひずみを含め、ネット株であったことに注意してください。そのため、硬化した歯科修復のひずみパターンが強くキャビティ壁からの制約だけでなく、収縮とフローに依存していた樹脂複合体。一方、周囲のガラスにのみ弾性変形する。ゼロに近いガラス株は、その高い弾性率に起因していた。にも注意し、その株は、変位の変化の傾きや速度です。そのため、制約のため、界面近傍材料は、このように、高い歪みがあり、急速に変化する変位で、その結果、非常に限られた動きを持っていた。これとは対照的に、大規模な材料変位が低いため、変位勾配の回復の一番自由表面ではなく、非常に低い株で発生しました。変位の勾配が、制約の方向を次のように、株の方向も制約のそれに従います。制約は、垂直方向にほとんどだったので、 図4Bに示すように、例えば、空洞の床に近い株は、水平方向よりも鉛直方向においてよりた。一方、側壁に近い株は、水平二に、よりだった垂直方向よりもrection、 図4Aに示すように、図6を試験した3つの材料の復元面内の総直接株が意味する、それらの近くに体積収縮株に対するあったことを示していること面外収縮株はほぼゼロだったと弾性ひずみは非常に小さかった。予想されたように、LSはZ250とZ100その後に続く最低の面内の総収縮ひずみを、（材料の表を参照）を作製。

引張株は明らかに「歯の修復」の界面に沿って見られた。この理由は、樹脂組成物の収縮が離れるキャビティ壁と床からの材料を引っ張る傾向があった。材料が拘束されたので、引張歪み、その結果、延伸されてしまった。しかし、計算された引張歪みの大きさは、ラップからの株の導出に数値誤差に正確でない場合があり空転変位場を変える。画像相関解析では、1つの変位ベクトルは、各サブセット·ウィンドウで得ることができた。したがって、2つの隣接したサブセットの窓全体の変位は変位曲線に大きなジャンプとして現れる可能性があります。株は、変位の微分から得られた場合には、これらの大きな変位が非現実的に高い歪み値を生じさせる可能性がジャンプします。さらに、ひずみ分布があるため弾性特性の不一致のインターフェイス間で不連続であることが期待される。これは、界面での変位の勾配の急激な変化から期待されている。しかし、界面でのサブセットは、ガラスや樹脂複合の両方が含まれ計算された変位とそこに二つの領域間で値を平均しているため、滑らかであるように思われた株。隣接する離散的なサンプリング点における値の間の線形補間は明らかな連続性が得られた。高解像度の画像がrequiになります歪み測定の精度を向上させる赤色。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dental composite Z100	3M ESPE	N362979	volume shrinkage ~ 2.5%, Young's modulus ~ 14 GPa
Dental composite Z250	3M ESPE	N326080	volume shrinkage ~ 2.0%, Young's modulus ~ 11 GPa
Dental composite LS	3M ESPE	N240313	volume shrinkage ~ 1%, Young's modulus ~ 10 GPa
Ceramic Primer	3M ESPE	N167818	Rely X
LS System Adhesive	3M ESPE	N391675	Adhesive for compoiste LS
Adper Single Bond Plus	3M ESPE	501757	Adhesive for compoiste Z100 and Z250
Glass rod	Corning Inc.	Pyrex 7740 borosilicate
Curing light	3M ESPE	Elipar S10
White paint	Krylon Product Group		Indoor/Outdoor, Flat white
Charcoal powder	Sigma Aldrich, Co.	BCBH6518V	Fluka activated charcoal
CCD camera	Point Grey Research, Inc.	Point Grey Gras-20S4C-C