Krympning af Dental Composite i simuleret Cavity Målt med Digital Image Correlation

Summary

For at forstå den fysiske udvikling af polymerisering svind stress i tand harpiks-komposit restaureringer blev Digital Image Correlation bruges til at give fuld-field forskydning / stamme måling af restaurerede model glas hulrum ved at korrelere billeder af restaureringen taget før og efter polymerisering.

Abstract

Polymerization svind af dental harpiks kompositter kan føre til restaurering debonding eller revnede tand væv i sammensatte restaureret tænder. For at forstå, hvor og hvordan svind belastning og stress udvikle sig i sådanne restaurerede tænder, blev Digital Image Correlation (DIC), der anvendes til at give et samlet overblik over distributioner fortrængningsmaskinerne og stamme indenfor model restaureringer, der havde gennemgået polymerisering svind.

Prøver med model hulrum var lavet af cylindriske glas stænger med både diameter og længde er 10 mm. Dimensionerne af mesial-okklusale-distal (MOD) hulrum fremstillet i hver prøve målt 3 mm og 2 mm i bredde og dybde, hhv. Efter påfyldning hulrummet med harpiks komposit, blev overfladen under observation sprøjtes med først et tyndt lag hvid maling og derefter fint sort trækul pulver til at skabe høj kontrast prikker. Billeder af denne overflade blev derefter taget før hærdning og 5 minutter efter. Fidelig de to billeder var korreleret hjælp DIC software til at beregne fordelinger fortrængningsmaskinerne og stamme.

Den sammensatte harpiks skrumpet lodret mod bunden af ​​hulrummet, hvor den øverste midterste del af restaureringen har den største nedadgående forskydning. Samtidig er det skrumpet horisontalt imod sin vertikale midterlinie. Krympning af komposit strækkes materialet i nærheden af ​​"-restaurering tand" grænseflade, hvilket resulterer i cuspal udbøjninger og høj trækstyrke stammer omkring restaureringen. Materiale tæt på hulmure eller gulv havde direkte stammer for det meste i de retninger vinkelret på grænseflader. Summering af de to direkte strain komponenter udviste en relativt ensartet fordeling omkring restaurering og dens størrelse svarede omtrent til volumetrisk krympning stamme af materialet.

Introduction

Harpiks kompositter er meget udbredt i genoprettende tandpleje på grund af deres overlegne æstetik og køreegenskaber. Men på trods af at blive bundet til tand væv polymerisationen krympning af harpiks kompositter fortsat et klinisk problem, da krympningsspænding udviklet kan forårsage afbinding på-restaurering tand grænseflade ^{1 -2.} Derfor kan bakterier invadere og opholde sig på de mislykkede områder og resultere i sekundær karies. På den anden side, hvis restaurering er godt bundet til den tand, kan krympningsspænding forårsage revnedannelse i tand væv. Begge disse fejl vil sætte levetid dentale genopbygning, som vil blive udsat for et stort antal cykler af termisk og mekanisk belastning.

Måling af polymerisering svind belastning og stress er således blevet uundværlige i udviklingen og evalueringen af dental harpiks kompositter ^3-4 5-11 med det primære formål at give en simpel opsætning til måling af svind adfærd harpiks kompositmaterialer pålideligt. Mens målingerne, de leverer kan være tilstrækkeligt til at sammenligne svind adfærd af forskellige materialer, de ikke hjælpe i forståelsen af, hvordan og hvor krympning stress udvikler sig i de faktiske restaurerede tænder. Konkret et spørgsmål af stor interesse er, hvordan hulmure begrænse svind af kompositmaterialer og fører til oprettelsen af svind stress i tandgenopbygninger ^12. Bemærk, at for at skabe krympningsspænding, en del af krympning stamme af kompositharpiks skal omdannes til trækstyrke elastisk stamme. Det ville derfor være nyttigt, hvis der kan måles denne del af stammen i restaureringen. For nylig, den optiske fuld feltstammen-måleteknik, Digital Image Korrelation (DIC), er blevet anvendt til måling af frit shrinkage af harpiks kompositter samt materialeflow i tandgenopbygninger ^13-15. Den grundlæggende idé med DIC er at spore og korrelere synlige mønstre på prøvens overflade fra sekventielle billeder taget under dens deformation, hvorved kan bestemmes forskydningen og stamme felter over denne overflade. Måling Full-område er et af de vigtigste fordele ved DIC-metoden, hvilket er særligt nyttigt i at observere uensartet deformation og stamme mønstre ^13. I denne undersøgelse blev DIC brugt til at afdække de stamme mønstre i tand harpiks plastfyldninger, med det formål at forstå udviklingen af ​​svind stress og identificere potentielle steder for debonding. Disse oplysninger er ikke direkte tilgængelige i værker ovennævnte ^14-15, som kun måles forskydningen af restaureringen grundet polymerisation svind. Målingen blev udført ved hjælp af modeller, der simulerede tænder med mesial-okklusale-distale (MOD) tand hulrum som et forsøg på at replikate stress eller stamme i reelle tandgenopbygninger. Selv om brugen af fast tænder er mere anatomisk repræsentant den ulempe, der er de betydelige iboende forskelle mellem tænderne i anatomi, mekaniske egenskaber, graden af hydratisering samt usynlige indre fejl ^14, der resulterer i store variationer i resultaterne. At overvinde en sådan ulempe, har nogle undersøgelser forsøgt at standardisere tand prøver ved at gruppere dem i form af den bukkale størrelse ¹⁶ eller udskiftet tænderne helt med modeller af en surrogat materiale ^17. For eksempel har aluminium modeller, som har en lignende Youngs modul til emalje (69 og 83 GPa, henholdsvis) blevet anvendt i krympningsspænding måling med det niveau af krympningsspænding er angivet ved nippet deformation ^17. I denne undersøgelse blev silica glas modeller (hulrum) anvendes i stedet, fordi materialet har også en lignende Youngs modul (63 GPa) til human emalje, og som det er gennemsigtigeent, let kan observeres debonding eller revnet i prøverne.

Protocol

Bemærk: Tre dental harpiks kompositter blev undersøgt ved hjælp af glas hulrum: Z100, Z250 og LS, som er opført i Materials List. Blandt dem LS kendt for at være en lav krympning harpiks komposit med en volumetrisk krympning på omkring 1,0%, meget lavere end Z250 og Z100 (~ 2% og ~ 2,5%) ^18-19. Udstyr og andre materialer, der anvendes i denne undersøgelse er også givet i Materialer List.

1.. Model Cavity Forberedelse

1. Skær en lang cylindrisk glas stang, 10 mm i diameter, i 10 mm lange korte stave ved hjælp af en lav hastighed diamant sav.
2. Skær en mesial-Okklusal-distal (MOD) hulrum (figur 1), der måler 3 mm (bredde) x 2 mm (dybde) i hver prøve ved hjælp af en tilpasset lav hastighed diamantsav.
3. Polere ned hver cylindriske prøve at skabe en flade, vinkelret på længden af hulrummet, med dimensioner, som vist i fig. 1. Den flade overflade tillader præcis foCBrug og image kalibrering på restaureringen. Fremover vil det blive kaldt observation overflade.
4. Forbered tre prøver for hver af de tre testede materialer: Z100, Z250 og LS; se Materialer tabel.

2.. Udfyldning af hulrum med Resin Composite

1. Påfør et tyndt lag af Keramisk Primer med en pensel til at silanize alle glas hulrum overflader. Dette gør det muligt limning mellem glasoverflader og harpiks kompositter.
2. Efter omkring 1 min, påføres et tyndt lag af klæbemiddel. Brug LS Lim system for sammensatte LS og Adper Single Bond Plus for komposit Z100 og Z250.
3. Cure klæbemidlet med en hærdende lys og varighed (10-20 sek) baseret på producentens anvisninger (Materialer tabel).
4. Dække alle glasoverflader omgiver restaurering med sort tape undtagen observation overflade som vist i fig. 2. Formålet er at undgå hærdelyset nåharpiks komposit gennem det omkringliggende gennemsigtige glas, hvilket ikke sker i det virkelige tænder.
5. Bulk-fylde hulrummet med harpiks komposit og skrab overskydende at flade alle overflader.

3.. Surface Maleri

1. Spray et tyndt lag af hvid maling på observation overflade, der nu omfatter en del af kompositharpiks.
2. Drys straks nogle sorte fine trækul pulver på maling for at skabe høj kontrast prikker. De uregelmæssige former af prikkerne vil hjælpe DIC-software til at identificere dem og spore deres bevægelser.

4.. Sample Montering, hærdning, og Fotografering

1. Med henvisning til figur 2, placere en prøve (E) ind i holderen (C) og spænd den med en skrue (D). Derefter placeres hele enheden i slutningen af ​​en stor vandret bjælke.
2. Sikre en CCD-kamera og en gul belysning LED lys på samme stråle sådan, at de står over for BEMÆRKNINGn overflade.
3. Ved hjælp af et stativ med justerbare klemmer placere hærdelyset sådan, at dens spids er ca 1 mm over prøven.
4. Tag et billede af prøven for at give henvisningen billedet før hærdning.
5. Cure det sammensatte harpiks til 20 sek.
6. Tage et andet billede på 5 min efter hærdning.
7. Placer en kalibrering blok på den samme position som observation overflade og tage et billede. Kalibreringen blok indeholder en række af cirkulære prikker med størrelse og afstand nøjagtigt kendt.

5.. Image Analysis med DIC Software

1. Importer de to billeder er taget for hver prøve, en før og en efter hærdning, til DIC-softwaren.
2. Kalibrer dimensioner billederne og korrigere for billedforvrængning ved hjælp af billedet af kalibreringen blok. .
3. Definer område af interesse inden for observation overflade til analyse.
4. Definere størrelsen af ​​de firkantede subset vinduer 64 x 64 pixels forførste iteration og 32 x 32 pixels for anden iteration ^20. Definer overlapningen som 50%.
5. Korrelere billede taget efter hærdning med reference billede taget før hærdning at beregne fordelinger fortrængningsmaskinerne og stamme.

Representative Results

Tre prøver blev testet for hvert materiale. Efter hver test, blev prøven undersøgt af øjnene, eller om nødvendigt ved hjælp af et mikroskop. Ingen synlige debonding på "-restaurering tand" interface eller revnedannelse blev fundet.

Resolutionen af ​​billederne var 1.600 x 1.180 pixels med en pixelstørrelse på 5,8 mm. Med en delmængde vindue størrelse på 32 pixels, den rumlige opløsning af distributioner fortrængningsmaskinerne var omkring 186 mm.

Figur 3 viser en typisk afbildning af vektorer af et hærdet restaurering lavet med Z250 forskydning. Prøver med de andre harpiks kompositter produceret lignende plots forskydning. Det kan ses, at det sammensatte harpiks krympet mod bunden af ​​hulrummet og den øverste midterste del af genopbygning havde den største nedadgående forskydning. Sådanne nedadgående forskydning reduceres gradvist med dybden inden for restaurering. Samtidig harpiksen sammensatte contracted vandret mod lodret midterlinjen af ​​restaureringen, hvor den horisontale forskydning var nul.

Plottet horisontale stamme, 4A, viser høj trækstyrke stamme koncentrationer langs de to lodrette "-restaurering tand" grænseflader. Ligeledes kan en lodret trækbelastning koncentration ses nederst grænseflade i figur 4B. Inden for restaurering, stammen var ikke ensartet. Højere vandret sammentrækning stamme blev fundet ved siden af de to lodrette sidevægge såvel som på toppen af restaureringen (figur 4A), mens lodrette sammentrækning stamme øges gradvist langs dybden af hulrummet (figur 4B). Men når de to direkte strain bestanddele blev summeres, der er navngivet i planet samlede direkte stamme her en relativt ensartet fordeling af sammentrækning stamme inden restaureringen kan ses; se figur 4C. Similarly kan et band af relativt ensartet trækstyrke stamme koncentration ses omkring restaureringen.

At evaluere stammen koncentration i flere detaljer, blev værdier forskydning og stamme udvundet længere fra DIC resultaterne af en Z250i eksemplar langs en ​​vandret linje i midten dybde af restaureringen, som illustreret i figur 5.. Den anti-symmetrisk blå stiplede kurve viser den horisontale forskydning, hvoraf de maksimale og mindste værdi af omkring 2 mm og 1 mm henholdsvis repræsenterede omlægninger af venstre og højre Spids. Positive værdier repræsenterede højregående forskydninger og negative værdier mod venstre forskydninger. Således venstre cusp flyttet til højre og højre Spids til venstre. Der var en kraftig stigning i forskydning ved grænsefladerne på begge sider af hulrummet, som toppede ved en kort afstand til restaurering. Med yderligere stigning i afstand, omfanget af de forskydninger faldt kraftigt, ognår nul ved ca midten bredden af ​​hulrummet, hvor flyet af anti-symmetri lå. Den røde optrukne kurve viser den vandrette belastning langs den samme vandrette linie. Det kan ses, at belastningen på de fleste af glasoverfladen var næsten nul. Svarende til forskydningerne med peak størrelser i grænsefladerne er to trækbelastningen toppe, med værdier på omkring 1,7% og 1,5% til venstre og højre, hhv. Inden for restaurering, kan et relativt konstant sammentrækning stamme på omkring 0,5% ses.

Figur 6 viser den gennemsnitlige in-plane samlede direkte stamme af tre harpiks kompositter langs den samme vandrette linie. LS produceret det laveste i planet total sammentrækning stamme af cirka 1% i restaurering, efterfulgt af Z250 med en værdi på omkring 2%, og derefter Z100 med en værdi på omkring 2,5%. Disse in-plane samlede sammentrækning stammer af de tre harpiks kompositter var omtrent lig med deres volumetriske svind stammer ^18-19. De tre afprøvede materialer viste lignende koncentrationer trækstyrke stamme ved grænsefladerne, disse er omkring 1%.

Figur 1. Dimensioner af glas model med en MOD hulrum og observation overflade.

. Figur 2 Apparat til svind stamme måling bestående af: A) CCD-kamera, B) gul LED belysning lys, C) prøveholder, D) stramme skruen, og E) glas hulrum eksemplar.

igur 3 "fo: content-width =" 5in "src =" / files/ftp_upload/51191/51191fig3highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 3.. Displacement vektorer for en typisk prøve fyldt med Z250 komposit. De stiplede linjer angiver grænserne for hulrummet.

Figur 4 Strain udlodninger på observation overflade viser sammentrækning stammen i restaurering og træk-koncentration langs "-restaurering tand" interface:. A) vandret stamme (Exx) b) vertikal stamme (eyy) og C) i plan samlede direkte stamme (Exx + eyy). De stiplede linjer angiver grænserne for hulrummet. Klik her at b.ew en større version af dette tal.

Figur 5.. Vandret forskydning og stamme langs den vandrette linje på midten dybde af hulrummet opnået fra en Z250i eksemplar. Det skraverede område angiver positionen af ​​kaviteten.

Figur 6.. In-plane samlede direkte belastning for de tre testede kompositter langs den vandrette linje på midten hulrum dybde.

Discussion

Anvendelsen af ​​glas hulrum med samme form og dimensioner krympning stamme måling var at minimere variationen i resultatet på grund af forskelle i størrelse, anatomi og materialeegenskaber af naturlige menneskelige tænder. Desuden kvartsglas glas, der anvendes i denne undersøgelse, har en tilsvarende Youngs modul til emalje, hvilket gør det til et egnet simulator materiale til naturlige tænder så vidt mekaniske opførsel er bekymret ^21-22. Selv om der i reelle tandgenopbygninger er kompositharpiks meste bundet til dentin end emalje, og der er en forskel i stivhed mellem de to tand væv, er stammen opnåede fordeling med en blødere tand model forventes ikke at være meget forskellige med hensyn til dens mønster, selv om værdier kan være forskellige. Med anvendelse af en keramisk primer og en passende klæbemiddel, fandtes en stærk binding mellem komposit harpiks og glas hulmure, hvilket giver mulighed krympningsspænding for at udvikle i specimænd uden debonding af restaureringen. Faktisk blev bindingsstyrken mellem glasset og harpiks komposit menes at være højere end brudstyrken af ​​glasset, fordi revner var blevet fundet i nogle glas prøver, for det meste fyldt med Z100, når større hulrum blev anvendt. Det samme var blevet foretaget af andre forskere ^12.

Det tynde lag af maling sprøjtes på overfladen af ​​kompositharpiks potentielt kunne hindre materialets strømning og svind på grund af dens begrænsede stivhed. Derfor blev der lagt særlig omhu for at undgå over-maleri harpiks komposit overflade. Malingen blev sprøjtet forsigtigt i en afstand fra oven for at tillade tåge falde tyndt på prøvens overflade, danner dispergeret snarere end klumpet, prikker. Det fine trækul pulver, der senere blev drysset på også bestod af løse partikler, der var usandsynligt at hindre harpiks komposit bevægelse.

Størrelsen af ​​prikkerne på observation overflade, sammenholdt med den delmængde vinduets størrelse er vigtig for nøjagtigheden af ​​DIC resultat. Nogle undersøgelser konkluderede, at speckle størrelse bør være et par pixels, således at sammenhængen fejl er lav, ^23. I denne undersøgelse med en billedopløsning på 5,8 um, speckle størrelse bør derfor være ~ 30 um. Dette blev opnået med det tynde lag af hvid maling og fine carbonpulver, som beskrevet ovenfor. Valget af en passende delmængde vinduets størrelse i denne undersøgelse blev foretaget i henhold til referencer ^23-24, og et par forsøg er foretaget, før størrelsen 32 x 32 pixels blev valgt. Større subset vinduer bidrage til at mindske tilfældige fejl, fordi de indeholder flere mønstre til matchning mellem billeder, og dermed effektivt at reducere usikkerheden i processen ^23,25. Men omkostningerne ved at bruge større delmængde vinduer er tabet af finere detaljer im. Derfor, så længe sammenhængen fejl er acceptabel, et lille vindue altid ønsket, især når forskydningen / stamme kort er meget uensartet og den lokale deformation af interesse. Valget af et optimalt delmængde vinduets størrelse er generelt bestemmes af erfaring eller gennem forsøg og fejl. Softwaren Davis 7.2 tillader brug af op til to forhør for en enkelt korrelation, hvilket betyder, at der kan bruges en større delmængde vinduesstørrelse først at opnå et groft, men mindre støjende forskydningsfelt og derefter en reduceret delmængde vindue størrelse kan anvendes til at give en mere detaljeret, men mere støjende felt forskydning.

Bemærk, at den stamme, målt i kompositharpiks var netto stamme, som omfattede den elastiske stamme, krybeforlængelse og svind stamme. Derfor stammen mønster i den hærdede dentale genopbygning stærkt afhang af pres fra hulrumsvæggene samt svind og strømmen afharpiks komposit. På den anden side, er det kun den omgivende glas deformeres elastisk. De nær nul glas stammer var på grund af sin høje elasticitetsmodul. Bemærk også, at stammen er gradienten eller ændringshastigheden af ​​forskydning. På grund af den begrænsning, at materialet i nærheden af ​​grænsefladerne havde meget begrænset bevægelse, hvilket resulterer i hurtigt skiftende forskydninger og dermed høje stammer der. I modsætning hertil forekom store materielle forskydninger i toppen frie overflade af restaureringen, men med meget lave stammer på grund af de gradienter lave forskydning. Som gradient af forskydning følger retningen af ​​den begrænsning, retning af stammen følger også, at den begrænsning. For eksempel stammer tæt til hulrummet etage var mere i lodret retning end i vandret retning, som vist i figur 4B, fordi begrænsning var hovedsagelig i den vertikale retning. På den anden side stammer tæt på sidevæggene var mere i det horisontale direction end i lodret retning, som vist i figur 4A. Figur 6 viser, at de i planet samlede direkte stammer i genoprettelse af de tre testede materialer var tæt på deres volumetriske svind stammer, hvilket indebærer, at out-of-plane svind stamme var næsten nul, og den elastiske stamme var meget lille. Som forventet, LS produceret det laveste i planet total sammentrækning stamme, efterfulgt af Z250 og derefter Z100 (se Materialer tabel).

Trækstyrke stammer blev tydeligt ses langs "-restaurering tand" grænseflader. Grunden til dette var, at svind af det sammensatte harpiks tendens til at trække materialet væk fra hulrummet vægge og gulv. Fordi materialet blev hæmmet, det endte med at blive strakt, hvilket resulterer i et træk stamme. Imidlertid kan størrelsen af ​​trækspænding beregnes ikke være nøjagtig på grund af numeriske fejl i afledning af stammer fra en rappassivt skiftende felt forskydning. I billedet korrelationsanalyse den, kunne kun én vektor forskydning opnås i hver delmængde vindue. Derfor kunne forskydning på tværs af to tilstødende subset vinduer vises som et stort spring i kurven forskydningen. Når stamme blev opnået fra differentieringen af ​​forskydning, kunne disse store forskydning spring give anledning til urealistisk høje belastningsværdier. Endvidere er stammen fordeling forventes at være diskontinuerlige over grænsefladerne på grund af en mismatch i elastiske egenskaber. Det forventes også den bratte ændring i gradienten af ​​forskydningen ved grænsefladerne. Men som de delmængder i grænsefladerne omfattede både glas og harpiks komposit, de beregnede forskydninger og stammer der blev i gennemsnit værdier mellem de to regioner, og derfor syntes at være glat. Lineær interpolation mellem værdierne ved tilstødende diskrete prøvetagningssteder gav tilsyneladende kontinuitet. Højere opløsning billeder vil være vandskraveneRØD for at forbedre nøjagtigheden af ​​stammen målinger.

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