Tłumaczenie oryginalnego artykułu: Joanna Taczała-Warga, Jacek Sawicki, Michał Krasowski and Jerzy Sokołowski, The Effect of Acrylic Surface Preparation on Bonding Denture Teeth to Cellulose Fiber-Reinforced Denture Base Acrylic, J Funct Biomater. 2022 Dec; 13(4): 183.
Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9590047/
Streszczenie
Pacjenci, którzy potrzebują protetycznej odbudowy z użyciem protez ramowych w przedniej części jamy ustnej, bardzo często zgłaszają, że zęby wypadają z ich protez. Jednakże dostępne prace naukowe są niewystarczające, aby porównać różne metody poprawy połączenia między podstawą protezy a sztucznym zębem i wybrać najlepsze rozwiązanie. Niniejszy artykuł skupia się na dostarczeniu wszystkich parametrów umożliwiających reprodukcję testów i uwzględnienie wszystkich zmiennych. W pracy wykorzystano oryginalną metodę tworzenia rowków, szlifowania, piaskowania i cięcia warstwy akrylowej przy użyciu wiertełki w jednym i dwóch kierunkach. Opracowane powierzchnie poddano dodatkowo szczegółowej analizie. W badaniu tym użyto 180 próbek podzielonych na trzy grupy i poddanych różnym środowiskom (suchym, sztucznej ślinie i cyklom termicznym). Przeprowadzono testy wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie. Najlepsze wyniki uzyskano przy użyciu wiertełka z węglika wolframu. Wzrost trwałości połączenia wyniósł odpowiednio w przypadku testu ścinania: 116,47% w próbkach suchych, 155,38% w próbkach namoczonych w sztucznej ślinie i 46,59% po cyklach termicznych. Wzrost odporności na rozciąganie wyniósł: 198,96% w środowisku suchym, 88,10% przed namoczeniem w sztucznej ślinie i 94,04% po cyklach termicznych.
Słowa kluczowe: PMMA, wytrzymałość na ścinanie, wytrzymałość na rozciąganie, mechaniczne rozwój powierzchni, techniki stomatologiczne, żywica akrylowa
Wprowadzenie
Żywica akrylowa jest podstawowym materiałem stosowanym w technologii stomatologicznej [1,2,3]. Stosuje się ją do tworzenia ruchomych aparatów ortodontycznych, obturatorów oraz pełnych lub częściowych protez zębowych. Żywica akrylowa obejmuje głównie polimetakrylan metylu (PMMA) z dodatkami zapewniającymi wymaganą twardość materiału, kolor lub dłuższy czas życia [4].
Protezy zbudowane są z prefabrykowanych sztucznych zębów oraz, w przypadku protez całkowitych, płyty protezowej. Gdzie leczenie wymaga ruchomej protezy, istnieją dodatkowe elementy metalowe, takie jak zaczepy i (w przypadku ruchomej protezy metalowej) łuk podniebienny lub płyta [5]. Przedstawione badanie skupiło się głównie na analizie połączenia między zębami a płytką protezową, dlatego też tylko te elementy będą dalej brane pod uwagę w niniejszej pracy.
Dostępne są trzy typy sztucznych zębów: ceramiczne, kompozytowe i akrylowe. Zęby akrylowe są najbardziej popularne, ponieważ są tańsze od innych i najlepiej łączą się z płytą protezową akrylową [4]. Podstawa dentystczna jest również wykonana z PMMA. Oba materiały różnią się pod względem innych substancji, takich jak środki barwiące [6], ale główny materiał jest ten sam. Sztuczne zęby wykonane są z akrylu, który został już spolimeryzowany w trakcie produkcji. Technik dentystyczny tworzy płytkę protezową akrylową przez mieszanie ciekłego monomeru i proszku polimeru.
Połączenie między spolimeryzowanymi zębami a polimeryzującą się płytą protezową jest chemiczne [1,2,4,7,8]. Technicy dentystyczni stosują różne procedury, aby je poprawić:
Procedury umożliwiające tworzenie nowych łańcuchów i/lub zwiększenie nadmiaru struktury zęba (np. poprzez użycie metakrylanu izobutylo, dwuchlorometanu, MMA itp.), gotowe mieszanki sprzedawane jako „kleje”, lub tarcie struktury zęba wybranym reagentem chemicznym; Mechaniczna modyfikacja powierzchni, gdzie technicy tworzą retencyjne zaczepy lub rozwijają powierzchnię; Połączenie dwóch powyższych metod (co sugerują nawet producenci). Jednakże wiele czynników wpływa na jakość połączenia między powyższymi elementami. Modyfikacje powierzchni zębów dają zadowalające wyniki, pod warunkiem spełnienia następujących warunków [4,16,17]:
Pacjentowi brakuje dwóch lub więcej zębów; Siła działająca na ząb działa wzdłuż osi zęba (takie siły występują w przypadku zębów przedtrzonowych i trzonowych); Powierzchnia kontaktu między sztucznym zębem a podstawą protezy jest wystarczająco duża (ponownie takie powierzchnie występują w przypadku zębów przedtrzonowych i trzonowych); Zęby mogą być głębiej osadzone w płycie dentystycznej (ewentualnie w kompletnych protezach akrylowych). W tych warunkach siła rozkłada się równomiernie na powierzchni zęba, aby zminimalizować prawdopodobieństwo wypadnięcia zęba. Problem pojawia się, gdy występują warunki znacznie zwiększające prawdopodobieństwo wypadnięcia zęba. Obejmują one cienką warstwę akrylu bezpośrednio pod zębem, małą powierzchnię kontaktu między zębem a płytą protezową oraz efekty sił działających pod kątem do osi zęba. Te trudności muszą być rozwiązywane podczas protetycznej odbudowy brakujących zębów w przedniej części jamy ustnej przy użyciu ramowych protez [5].
Ramowe protezy są znacznie droższe od kompletnych protez akrylowych. Dlatego mimo wyższej ceny pacjenci otrzymują produkt znacznie bardziej podatny na uszkodzenia. Literatura wskazuje, że problem jest dość powszechny; aż 33% napraw protez zębowych wynika z wypadania zębów z protez, a 29% tych incydentów dotyczy zębów przednich [20,25]. W rezultacie protezy, które powinny służyć ich użytkownikom przez kilka lat, wymagają naprawy już po kilku miesiącach.
Kolejnym problemem w tej dziedzinie jest trudność w porównaniu danych eksperymentalnych. Liczne badania analizowały wpływ modyfikacji powierzchni zębów akrylowych na jakość ich połączenia z płytką protezową akrylową. Niestety, badacze nie stosują jednego modelu badawczego, a standardy zostały zmodyfikowane wielokrotnie lub nie odzwierciedlają rzeczywistej sytuacji i sił występujących w jamie ustnej. Autorzy niniejszego artykułu zamierzają zorganizować dostępną wiedzę w tej dziedzinie, umożliwić porównanie wyników i określić dokładne parametry najlepszej możliwej modyfikacji powierzchni.
Z tego powodu celem tego artykułu jest analiza różnych metod mechanicznego rozwijania powierzchni i ich wpływu na połączenie między spolimeryzowanym akrylem a akrylem w trakcie polimeryzacji. Autorzy postanowili nie uwzględniać wpływu modyfikacji chemicznych na tym etapie, ponieważ tylko szczegółowa analiza poszczególnych modyfikacji może odpowiedzieć na pytanie, która metoda daje najlepsze rezultaty.
Artykuł omawia również wpływ środowiska jamy ustnej na jakość połączenia.
Materiały i metody
Prace rozpoczęto od stworzenia form przy użyciu drukarki 3D w celu przygotowania próbek o odpowiednich kształtach do testów wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie. Wybrane testy obejmowały siekacze poddane siłom ścinającym, które mogą wypchać zęby, oraz siły rozciągającej, która przyczynia się do odklejenia zęba od podstawy [4,17]. Próbki i testy przestrzegały standardowych zastosowań materiałów dentystycznych używanych w protezach dentystycznych (ISO 22112:2017). Materiał imitujący sztuczne zęby został wykonany z komercyjnej żywicy akrylowej do utwardzania cieplnego Vertex Rapid Simplified (Vertex Dental, Soesterberg, Holandia). Materiał imitujący podstawę dentystyczną był oryginalnym kompozytem akrylowym wzmocnionym włóknami celulozowymi, szczegółowo opisanym w artykule [26]. Do wzmacniania PMMA można użyć różnych wypełniaczy, głównie składających się z żywicy akrylowej dentystycznej [27,28,29,30,31]. Ze względu jednak na brak wpływu na kolor protez, biokompatybilność oraz niską cenę na rynku celulozy w porównaniu do innych wypełniaczy, nasz oryginalny kompozyt najlepiej spełnia wymagania stawiane materiałom używanym w płytach dentystycznych. Dodatkowo materiał ten jest bardziej wytrzymały niż standardowy akryl [32] i został opracowany jako element większego projektu badawczego (częścią którego jest niniejszy artykuł).
Próbki testowe składały się z dwóch części (rysunek 1). Pierwsza część, imitująca ząb akrylowy, została stworzona jako pierwsza (rysunek 2). Kolejnym etapem było modyfikowanie jego powierzchni za pomocą wybranych metod mechanicznego rozwijania powierzchni. W rezultacie próbka odpowiadała ząbkowi w etapie przygotowawczym przed procesem polimeryzacji. Wszystkie przygotowane powierzchnie były również poddane testom mikrogeometrii za pomocą metody profilometrii kontaktowej z użyciem profilometru optycznego type S neox 3D Sensofar firmy Terrassa (Barcelona, Hiszpania) oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyfrakcją energii (EDS) za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego JSM-6610LV firmy JEOL (Peabody, MA, USA). Przed przygotowaniem drugiej części próbki wszystkie powierzchnie były czyszczone strumieniem ciepłej wody i suszone (aby zapobiec zabrudzeniu powierzchni). Próbki nie były poddawane żadnym innym reagentom chemicznym. Przygotowane w ten sposób próbki ponownie umieszczano w wcześniej wydrukowanych formach i wykańczano kompozytem akrylowym w celu uzyskania pełnej próbki.
Wyniki
3.1. Obserwacje mikroskopowe 3D za pomocą profilometru
Wszystkie pomiary zostały wykonane na tej samej powierzchni (1,57 × 1,32 mm). Test wygenerował kolorowe mapy powierzchni próbek (rysunek 4) oraz wykresy 2D średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości (tj. parametr Ra) (rysunek 5), obliczone zgodnie ze standardem ISO 4287. Wartości Ra porównano z wartościami zmierzonymi następującymi parametrami 3D: średnim arytmetycznym odchyleniem wysokości nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia (Sa) oraz średnim kwadratowym odchyleniem nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia (Sq), określonymi zgodnie ze standardem ISO 25178. Uzyskane wartości umożliwiły szczegółową ocenę mikrogeometrii stworzonej na powierzchni próbek [53,54].
Przeprowadzona analiza statystyczna wariancji wyników (ANOVA dwuczynnikowa) testów wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie wykazała istotne statystycznie różnice między średnimi (tj. średnie wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie) w grupach próbek przygotowanych różnymi metodami (p < 0,05). Jednocześnie wyniki testu F przy przyjętym poziomie istotności (p = 0,05) wskazują, że nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy o braku różnic między średnimi (tj. średnie wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie) w grupach poddanych warunkom w różnych środowiskach. Oznacza to, że rodzaj środowiska (AF—ślina, T—szoki termiczne) nie ma istotnego wpływu na właściwości testowanych elementów. Analiza wariancji przy przyjętym poziomie istotności (p = 0,05) również nie wykazała interakcji między rodzajem przygotowania próbki (metodą) a rodzajem środowiska, w którym następnie się znajdowała. Test post-hoc Tukey’a wyników testu wytrzymałości na ścinanie (Tabela A1) wykazał istotne statystycznie różnice między średnimi poddanymi różnym zabiegom (grupy G, SP, SB, CB_III, CB_#) a grupą referencyjną (grupa X—nieobróbkiwane próbki). Oznacza to, że każdy rodzaj testowanego zabiegu istotnie poprawił wytrzymałość na rozciąganie próbek w porównaniu do grupy referencyjnej. W przypadku wytrzymałości na rozciąganie (Tabela A2), największe różnice zaobserwowano dla próbek traktowanych CB_# w porównaniu do próbek nieobróbkiwanych (grupa X).
Dyskusja
Analizując uzyskane dane, potwierdzamy, że gładka powierzchnia próbki niepoddanej obróbce mechanicznej (próbka kontrolna oznaczona jako X) ma najniższy współczynnik chropowatości Ra. Zmierzona wartość tego parametru wynosiła 0,11 μm. Ta sama próbka miała również najniższe parametry Sa (0,26 μm) i Sq (0,33 μm). Dane literaturowe potwierdzają poprawność przeprowadzonego badania, gdyż zmierzony parametr chropowatości Ra dla całej powierzchni akrylowej wynosił 0,12 μm [55].
Średni współczynnik Ra dla próbki z rowkami (G) wyniósł 0,99 μm. Jednakże, analizując informacje przedstawione na rysunku 4 i 5 oraz wyniki pomiarów Sa (42,84 μm) i Sq (45,39 μm), wyraźnie widać, że wartość chropowatości wewnątrz rowka jest znacznie wyższa niż na nieobrabianej powierzchni. Chropowatość wewnątrz rowka wynosi około 8,00 μm do około 9,00 μm na wykresie, a cały rowek tworzy prosty stopień. Ten zakres wartości został zmierzony na głębokości poniżej nieobrabianej powierzchni próbki.
Parametry zmierzone na powierzchni próbki poddanej szlifowaniu papierem ściernym (SP) wynosiły Ra 1,07 μm, co jest bliskie wynikom znalezionym w literaturze, gdzie współczynnik Ra wynosił 1,03 μm [56].
Najwyższy współczynnik Ra zanotowano w próbkach piaskostrzałowych (SB) = 1,51 μm, Sa 2,86 μm i Sq 3,60 μm. Do tego momentu zanotowano trend wzrostowy współczynnika Ra. Próbki przygotowane przy użyciu cementowanego wiertełka protetycznego miały niższe współczynniki Ra. Cięcie warstwy żywicy w jednym kierunku (CB_III) dało wartość Ra równą 0,53 μm, a w dwóch kierunkach (CB_#) wartość Ra wyniosła 0,83 μm. Warto zauważyć, że w przypadku tych dwóch metod dominowały szczyty o ekstremalnych wartościach ujemnych (wartości dodatnie nie są aż tak skrajne). Wyniki różnią się od tych przedstawionych przez innych badaczy (Ra 1,52 μm w odniesieniu [56]). Jednakże materiały i techniki użyte odgrywają istotną rolę w porównaniu szlifowania i wierteł. Wiele publikacji nie dostarcza informacji na temat kąta stosowanego podczas piaskowania, podczas gdy badania pokazują, że ten aspekt jest istotny w kontekście łączenia materiałów [34,35]. Sytuacja jest podobna w przypadku wyboru wierteł. W swoich artykułach badacze podają tylko, że zewnętrzną warstwę cięto przy użyciu cementowanego wiertełka protetycznego. Jednakże wiertełka są dostępne w licznych kształtach, a szczeliny wykonano przy użyciu różnych metod i o różnych grubościach oraz mogą być również wykonane z wielu stopów lub pokryte dodatkowym materiałem [57]. W naszym artykule podajemy wszystkie parametry, aby umożliwić badaczom odtworzenie i porównanie testów oraz pozwolić technikom dentystycznym na dokładne wybranie takiej samej metody, jak ta, którą stosowaliśmy, w celu osiągnięcia zamierzonego celu, czyli poprawy jakości połączenia. W rezultacie parametry dostarczone przez innych badaczy są niewystarczające do rzetelnego porównania wyników.
Analiza powierzchni przygotowanych przy użyciu metody EDS potwierdziła, że główne pierwiastki, węgiel (C) i tlen (O), były obecne we wszystkich próbkach. Są to niezbędne elementy obecne w polimetakrylanie metylu. Dodatkowo w grupach znaleziono krzem (Si). Krzem jest jednym z pierwiastków często występujących w składnikach komercyjnej żywicy akrylowej [58]. Krzem jest stosowany jako wypełniacz.
Inne pierwiastki wykryte w różnych próbkach to siarka (S) w próbce kontrolnej oznaczonej jako X oraz glin (Al) w próbce SB. Ponieważ S jest innym pierwiastkiem obecnym w wypełniaczach [59], możemy założyć, że znaczna ilość siarki jest osadzana na zewnątrz materiału podczas polimeryzacji, a mechaniczne przetwarzanie powoduje, że warstwa ta jest niszczona. Inna możliwość jest taka, że S jest obecne we wszystkich próbkach, ale tylko w przypadku próbki grupy X ilość siarki w badanym obszarze była wystarczająca, aby można ją było wykryć. Al był kolejnym zidentyfikowanym pierwiastkiem. Ponieważ Al został znaleziony w próbce piaskostrzałowej oznaczonej jako SB, a Al2O3 był materiałem używanym do piaskowania, możemy wnioskować, że ta metoda obróbki powoduje, że cząsteczki piasku wbijają się w materiał. Może to tworzyć coś w rodzaju haczyków wypełnionych akrylem z płyty protezy (w tym przypadku kompozytu z drugiej części próbki).
Ponieważ próbka SP nie zawierała większej ilości Si niż inne próbki, można założyć, że fragmenty papieru ściernego nie wbijają się podczas obróbki, ponieważ materiał używany w teście był wykonany z SiC.
Jak przewidywano, oba testy próbek kontrolnych X dały najniższe wyniki. Pokazuje to, jak ważne jest prawidłowe przygotowanie powierzchni zęba przed połączeniem go z akrylem. W odniesieniu do wpływu środowiska, sztuczna ślina zmniejszyła wytrzymałość na ścinanie próbek X, ale zwiększyła ich wytrzymałość na rozciąganie. Odwrotnie było obserwowane w przypadku efektu termocykli.
Biorąc pod uwagę wszystkie wyniki, zauważono następujący trend wzrostowy: G, SP, SB, CB_III, CB_#. Najwyższe wartości w testach rozciągania i ścinania odnotowano w próbkach poddanych obróbce przy użyciu cementowanego wiertełka protetycznego. Największy skok wytrzymałości nastąpił w testach rozciągania po poddaniu próbek termocyclom. Aby uniknąć tego skoku, pacjentowi można polecić unikanie jedzenia bardzo gorących lub zimnych potraw lub długie przerwy między spożyciem tych potraw lub napojów. Procentowy wzrost trwałości połączeń wykonanych tą metodą w porównaniu do próbek kontrolnych wynosi odpowiednio: wzrost o 116,47% w suchych próbkach, 155,38% w próbkach namoczonych w sztucznej ślinie oraz 46,59% w próbkach podpoddanych termocyklom. Z kolei wzrost wytrzymałości na rozciąganie w próbkach był następujący: wzrost o 198,96% w suchych próbkach, 88,10% w próbkach namoczonych w sztucznej ślinie oraz 94,04% w próbkach poddanych termocyklom.
Wydawałoby się, że wysoki współczynnik chropowatości Ra próbek SB powinien pozytywnie wpływać na jakość połączenia. Jednak wyniki testów wskazują na coś przeciwnego. Może to mieć dwa powody. Po pierwsze, nadmierne różnice wysokości powierzchni mogą zwiększać podatność materiału na pękanie, a po drugie, obecność cząstek tlenku glinu wbitych w powierzchnię próbki. Tworzone w ten sposób haczyki nie poprawiają przyczepności akrylu i mogą powodować powstawanie pęcherzy powietrza. To, jak również obecność materiału innego niż akryl, może zmniejszać powierzchnię połączenia między akrylem a drugą częścią próbki.
Ostatnim etapem testu było obserwowanie szczelin pod mikroskopem. Badania nie wskazały istotnego wpływu przygotowania powierzchni na sposób pękania. Jedyną korelacją były gładkie szczeliny w połączeniu obu materiałów we wszystkich próbkach X. Modyfikacja mechaniczna próbek spowodowała pojawienie się pęknięć głęboko wewnątrz czystego akrylu lub kompozytu akrylowego.
Obecność pęknięć głęboko w materiale oznacza, że trwałość połączenia była istotniejsza niż trwałość materiału. Ponadto warto zauważyć, że żadne próbki nie zostały zniszczone (poza próbkami z grupy X). Oznacza to, że każda modyfikacja mechaniczna zwiększa wytrzymałość połączenia między materiałami i może przyczynić się do stopniowego rozprzestrzeniania się pęknięć [41]. Pojawienie się pęknięcia nie spowoduje zatem zaprzestania użytkowania protezy przez pacjenta, dopóki ząb nie zostanie całkowicie wyrwany.
Wnioski
Podsumowując, możemy jasno stwierdzić, że każda modyfikacja mechaniczna istotnie wpływa na połączenie między bazą dentystyczną a sztucznym zębem.
Aby dalej poprawić jakość połączenia tam, gdzie wymagana jest zwiększona wytrzymałość, technicy dentystyczni powinni przygotowywać protezy przy użyciu cementowanego wiertełka protetycznego. Metoda ta znacząco poprawi jakość połączenia. Aby dodatkowo przedłużyć trwałość takiego połączenia, pacjent powinien unikać spożywania bardzo gorących lub zimnych potraw lub podejmować długie przerwy między ich spożyciem.
Zaznaczamy, że w przedstawionym powyżej badaniu skupiliśmy się wyłącznie na mechanicznych metodach rozwoju powierzchni, aby zapewnić, że nasze badanie tej metody jest jak najbardziej wszechstronne, a inne dostępne badania mogą być systematyzowane. Przyszli badacze i technicy dentystyczni dysponują teraz precyzyjnymi danymi, umożliwiającymi porównanie metod i ich użycie w ich laboratoriach.
Połączenie tej techniki z chemiczną modyfikacją powierzchni może pozwolić nam uzyskać jeszcze lepsze właściwości i będzie tematem naszych przyszłych badań.