Tłumaczenie oryginalnego artykułu: Dominik Klaiber, Sebastian Spintzyk, Juergen Geis-Gerstorfer, Andrea Klink, Alexey Unkovskiy and Fabian Huettig, Bonding Behavior of Conventional PMMA towards Industrial CAD/CAM PMMA and Artificial Resin Teeth for Complete Denture Manufacturing in a Digital Workflow, Materials (Basel). 2021 Jul; 14(14): 3822.
Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8303782/
Streszczenie
Podczas stosowania cyfrowego przepływu pracy, niestandardowe sztuczne zęby z żywicy muszą być zintegrowane z frezowaną pełną bazą protezy, używając polimetakrylanu (PMMA) stosowanego za pomocą techniki proszku-żelu. Odpryskiwanie zębów protezowych z protez jest powszechnie zgłaszaną komplikacją. Brak dowodów na to, która metoda obróbki powierzchni może zwiększyć siłę wiązania. Badano siłę wiązania między sztucznymi zębami a PMMA (Grupa A, n = 60), oraz między PMMA a przemysłowym PMMA (Grupa B, n = 60), po braku obróbki, aplikacji monomeru, piaskowaniu, obróbce plazmowej tlenowej i azotowej. Dla każdej grupy uzyskano wartości chropowatości powierzchni i obrazy SEM. Siłę wiązania ścinania (SBS) i tryb pęknięcia analizowano po termocyklowaniu. W Grupie A, istotnie wyższa SBS została znaleziona dla wszystkich metod obróbki powierzchniowej, z wyjątkiem obróbki plazmowej azotowej. W Grupie B, tylko obróbka plazmowa azotowa wykazała statystycznie niższą SBS w porównaniu z grupą referencyjną, która była równoważna wszystkim metodom obróbki powierzchniowej. Wnioski: W ramach ograniczeń niniejszego badania, aplikacja monomeru może być proponowana jako najbardziej skuteczna metoda obróbki powierzchniowej do wiązania niestandardowych sztucznych zębów w frezowanej bazie protezy PMMA, podczas gdy obróbka plazmowa azotowa osłabia siłę wiązania.
Słowa kluczowe: protezy dentystyczne, bazy protez, protetyka, szczęka bezzębna, samoczynne utwardzanie żywic dentystycznych
Wprowadzenie
Pomimo postępów w profilaktyce i większej liczby pozostających zębów u osób starszych do 2030 r. w Niemczech, liczba pacjentów potrzebujących całkowitych protez z powodu bezzębia pozostanie powszechnym problemem w krajach uprzemysłowionych, np. z około 1 do 2 milionów osób w Niemczech w nadchodzącej dekadzie. Ponadto, całkowita utrata zębów jest głównym obciążeniem chorobowym na całym świecie.
Konwencjonalny przepływ pracy w celu wykonania całkowitej protezy obejmuje ręczne i czasochłonne woskowanie bazy z prefabrykowanymi sztucznymi zębami żywicznymi i jej przenoszenie do polimeryzowanego akrylanu. Bazy protez są zazwyczaj wykonane z polimetakrylanu (PMMA) na podstawie systemu proszkowo-żelowego, podczas gdy zęby protezowe są głównie wykonane z mikronapełnionego wzmocnionego poliakrylu lub kompozytu mikro-/nano-napełnionego.
Ostatnie postępy w projektowaniu i wytwarzaniu wspomaganym komputerowo (CAD/CAM) oferują cyfryzację całego łańcucha produkcyjnego protez całkowitych. Frezowanie bazy protezy za pomocą prefabrykowanych płytek akrylowych zostało zgłoszone jako mające pewne korzyści kliniczne w porównaniu do konwencjonalnego przepływu pracy. Oprócz aspektów w laboratorium, niektóre przemysłowe płytki z polimerem PMMA oferują niższe uwalnianie monomerów w czasie, ale wszystkie oferują początkowo niskie uwalnianie monomerów. Prowadzi to do tego samego problemu słabej zdolności do wiązania, co w przypadku przemysłowych niestandardowych zębów z żywicy (również wykonanych z PMMA).
W „konwencjonalnym przepływie pracy”, wiązanie między bazą protezy a zębami protezowymi zachodzi podczas polimeryzacji PMMA w obecności sztucznego zęba żywicznego. W „cyfrowym przepływie pracy”, wiązanie obu polimeryzowanych jednostek (zębów i bazy) musi być wykonane osobno. Wymaga to przygotowania powierzchni, materiału wiążącego lub po prostu stosowania polimeryzującego PMMA (technika proszku-żelu). Odklejanie zębów protezowych od bazy protezy jest najczęściej zgłaszaną komplikacją w protezach całkowitych i częściowych. Odklejanie jest najczęściej spowodowane niewystarczającym połączeniem z powodu zanieczyszczeń lub oczyszczeń odpowiednich powierzchni, zwłaszcza pozostałości wosku z konwencjonalnego przepływu pracy.
Dlatego wiele badań skupiło się na poprawie siły wiązania między bazami protez a zębami protezowymi. Na przykład, Barbosa et al. pokazali poprawę siły wiązania po zastosowaniu rozpuszczalnika wosku i aplikacji monomeru (metakrylanowego). Ponadto inne metody obróbki powierzchni, takie jak napromienianie laserem YAG, obróbka plazmowa, mogą być stosowane do poprawy siły wiązania sztucznych zębów żywicznych do baz protezowych, z obróbką powietrznymi cząstkami ściernymi i piaskowaniem jako najczęściej stosowane.
Jednakże w literaturze brakuje dowodów, która z wymienionych obróbek powierzchniowych poprawia siłę wiązania, gdy łączy się sztuczne zęby z PMMA do PMMA.
Z tego powodu celem niniejszego badania było określenie wpływu aplikacji monomeru, piaskowania i obróbki plazmowej na siłę wiązania między frezowaną bazą protezy PMMA a niestandardowymi sztucznymi zębami żywicznymi.
Dwa główne postulowane w tym badaniu to, że stosowane metody obróbki powierzchniowej nie będą miały wpływu na siłę wiązania między bazą protezy PMMA a zębami, gdy są wiązane z polimeryzującym PMMA.
2. Materiały i metody
Aby porównać efektywność wiązania warunkowego stosowanego do sztucznych zębów żywicznych oraz frezowanej bazy protezy PMMA wykonanej metodą CAD/CAM, utworzono dwie grupy badawcze: Grupa A do oceny siły wiązania między zębami a warstwą utrwalającą PMMA polimeryzującą. Grupa ta może być uważana za grupę wiązania porównywalną do podejścia konwencjonalnego. Grupa B dotyczy wiązania między bazą protezy a warstwą utrwalającą PMMA polimeryzującą, co charakteryzuje interfejs wiązania z przemysłowym PMMA polimeryzowanym. Interfejs wiązania zęba (Grupa A) oraz próbki bazy protezy (Grupa B) musiał być zmodyfikowany przed połączeniem interfejsu z PMMA polimeryzującym w technikach proszku-żelu. W związku z tym istniały dwa rodzaje próbek (Rysunek 1). Szczegółowe specyfikacje materiałowe można znaleźć w Tabeli A1, Dodatek A.
2.1. Przygotowanie próbek w Grupie A (konwencjonalny PMMA do zęba żywiczego) Dla Grupy A sześćdziesiąt sztucznych zębów (n = 120; Mondial 6 R483, Kulzer, Hanau, Niemcy) zostało zeszlifowanych na powierzchni podstawowej (HSS99-KFO, Wassermann, Hamburg, Niemcy) w celu standaryzacji obszaru wiązania. Powierzchnie zostały zmierzone za pomocą stereomikroskopu (M400, Wild Heerbrugg, Szwajcaria) i wspierane oprogramowaniem (Measure, Datinf, Tuebingen, Niemcy) w celu oceny powierzchni wiązania „A” do dalszych obliczeń. Cylindryczna forma silikonowa (25 mm średnicy × 20 mm wysokości) została wykonana na podstawie cylindra PMMA frezowanego metodą CAM używanego w Grupie B.
2.2. Przygotowanie próbek w Grupie B (CAD/CAM PMMA do konwencjonalnego PMMA) Dla Grupy B sześćdziesiąt cylindrycznych bloków testowych (25 mm × 20 mm) zostało zaprojektowanych w oprogramowaniu CAD (Autodesk Fusion 360, San Rafael, CA, USA) (STL dostarczony jako Plik dodatkowy S1) i wymodelowanych z prefabrykowanych płytek PMMA (różowa płyta, Anaxdent, Stuttgart, Niemcy) przy użyciu maszyny CNC (550i, imes-icore, Eiterfeld, Niemcy). Forma została wykonana z materiału silikonowego (Dublisil 30, DreveDentamid GmbH, Unna, Niemcy), aby odtworzyć kształt sztucznego zęba żywicznego używanego w Grupie A (Rysunek 2).
2.3. Obróbka powierzchniowa, łączenie i starzenie próbek 120 próbek z Grup A i B zostało podzielonych na pięć podgrup zgodnie z pięcioma warunkami obróbki powierzchniowej (Rysunek 3). W grupie odniesienia próbki pozostawiono bez obróbki (jak są). W grupie MMA monomer MMA (megaCRYL, Megadental, Büdingen, Niemcy) został nałożony na powierzchnię próbek za pomocą mikroszczoteczek przez 30 s i pozostawiony do wyschnięcia. W grupach plazmowych próbki były wstępnie traktowane 100% O2 i 100% N2 przez 30 minut, odpowiednio, przy 0,3 mbar i 60% mocy. W grupie piaskowania próbki były traktowane 250 µm Al2O3 (Korox 250, Bego GmbH, Bremen, Niemcy) pod ciśnieniem 0,3 MPa przez 30 s w odległości 5 mm (P-G 400, Harnisch-Rieth GmbH & Co., Winterbach, Niemcy) i oczyszczone strumieniem wodnym przez 10 s.
Po obróbce sztucznych zębów żywicznych w Grupie A, PMMA ciekły i proszek (megaCRYL, Megadental, Büdingen, Niemcy) zostały wymieszane zgodnie z instrukcjami producenta i wylane do cylindrycznej formy silikonowej do polimeryzacji w garnku ciśnieniowym, pod 0,25 MPa, w wodzie o temperaturze 40 °C przez 25 min (zgodnie z zaleceniami producenta).
Po obróbce PMMA CAD/CAM w Grupie B, forma silikonowa w kształcie zęba została wylana z wymieszanym proszkiem i ciekłym PMMA i umieszczona na zmodyfikowanej powierzchni cylindra. Następnie utwardzano w tych samych warunkach, jak wyżej. Wszystkie pozostałości żywicy usunięto za pomocą przecinarki o ostrzu krzyżowym.
Wszystkie próbki (Grupy A i B) zostały sztucznie starzone przez 5000 cykli termicznych (5 °C; 55 °C; czas przebywania 30 s) za pomocą standardowej maszyny testowej (Haake W15, SD Mechatronik, Feldkirchen-Westerham, Niemcy).
2.4. Charakteryzacja powierzchni
Po obróbce powierzchniowej każdej podgrupy trzy próbki zostały poddane analizie topograficznej w kierunku średniej chropowatości powierzchni (Ra) mierzonej przy użyciu profilometru kontaktowego (Perthometer S6P, Mahr, Göttingen, Niemcy).
Obszar 3 mm × 3 mm został zbadany przy użyciu 121 ortogonalnych pomiarów. Zmierzone topografie zostały dalej zanalizowane przy użyciu oprogramowania (Mountains Map V7.3, Digital Surf, Besançon, Francja) z filtrem Gaussa o średnicy 0,6 mm.
Jedna próbka z każdej grupy została zanalizowana za pomocą mikroskopii elektronowej skaningowej (SEM) (LEO 1430, Zeiss, Oberkochen, Niemcy) przy powiększeniu 500× i 5000× w celu określenia trybu uszkodzenia po teście wiązania.
2.5. Ocena siły wiązania i trybu uszkodzenia Uniwersalna maszyna testowa (Z010, Zwick, Ulm, Niemcy) pracująca z prędkością pręta ustawioną na 1 mm/min w kierunku próbki zamontowanej w urządzeniu do mocowania pod kątem 45° do tłoka, została użyta do określenia obciążenia pęknięcia („F”, w Newtonach). Wszystkie próbki zostały poddane tej próbie.
Powierzchnia wiązania „A” została określona przez uśrednienie powtarzalnych pomiarów standaryzowanego przekroju poprzecznego sztucznych zębów, przy wartości 48,97 mm².
Siła wiązania ścinania (SBS, w MPa) została obliczona zgodnie z równaniem (1).
Równanie (1): Obliczanie siły wiązania ścinającego (SBS) na podstawie maksymalnego obciążenia przy złamaniu (F) w N podzielonego przez powierzchnię wiązania (A) w mm².
Tryby uszkodzenia każdej próbki zostały podzielone na następujące grupy: tryb adhezyjny, tryb kohezyjny oraz tryb mieszany.
2.6. Analiza statystyczna
Analiza statystyczna została przeprowadzona w programie JMP w wersji 14.2 (SAS Institute, Cary, NC, USA). Dane Ra z 121 pomiarów na próbkę zostały przeanalizowane pod kątem zmienności.
Zebrane dane SBS zostały przeanalizowane pod kątem normalności rozkładu, stosując test Shapiro-Wilk. Jednostronny test ANOVA oraz testy post hoc Tukeya zostały przeprowadzone na poziomie istotności α = 0,05 dla danych o rozkładzie normalnym.
Średnie wartości Ra powierzchni wiązania zostały skorelowane z wartościami SBS każdej próbki na grupę, aby zidentyfikować potencjalną zależność chropowatości interfejsu i SBS.
3. Wyniki
3.1. Początkowe charakterystyki powierzchni
Ocena powierzchniowa trzech próbek z każdego materiału wykazała różnice w wartościach Ra, jak przedstawiono w Tabeli 1 i na Rysunku 4. Dane dotyczące chropowatości nie wykazały normalnego rozkładu w 121 profilach Ra w żadnej z podgrup. Dlatego rozkłady porównano za pomocą testu rang Wilcoxona.
Rysunek 5 przedstawia różnice w profilach próbek po różnych obróbkach powierzchniowych. Próbki w Grupie A wykazały stopniowy profil linii dla wszystkich grup z wyjątkiem piaskowania, podczas gdy w Grupie B można zaobserwować jednolitą chropowatość powierzchni dla wszystkich próbek. W obu grupach najwyższe wartości Ra stwierdzono dla piaskowania. Obrazki SEM dostarczyły dodatkowego wizualnego dowodu na różne struktury powierzchni obu grup (patrz Rysunek 6 i Rysunek 7). Podobnie jak to przedstawiono na profilach 3D (Rysunek 6), struktura liniiowa w Grupie A i jednolita powierzchnia w Grupie B były obserwowane zarówno przy powiększeniu SEM 500×, jak i 5000× (Rysunek 6 i Rysunek 7).
3.2. Siła wiązania ścinającego
Średnie wartości oraz odchylenia standardowe obliczonych sił wiązania podano w Tabeli 2 i przedstawiono na Rysunku 8. Wszystkie rozkłady były normalnie rozłożone, z wyjątkiem plazmy azotowej w Grupie A (p = 0,004). W Grupie A wykryto istotne statystycznie różnice między grupą odniesienia (brak obróbki) a każdą podgrupą z obróbką powierzchniową. W Grupie B tylko wartości siły wiązania ścinającego dla plazmy azotowej różniły się istotnie statystycznie w porównaniu z grupą odniesienia. Nie zaobserwowano istotnej statystycznie korelacji między chropowatością Ra (x-) a wartościami SBS (y-) (−0,183; p = 0,083).
4. Dyskusja
Ponieważ wykazano istotne statystycznie różnice między grupami z obróbką powierzchni, hipotezy zerowe badania muszą zostać odrzucone. Zostały również wykryte istotne różnice klinicznie istotne, ponieważ obróbka plazmą azotową wykazała siłę wiązania ścinającą poniżej 5 MPa w grupie z industrializowanym PMMA po starzeniu sztucznym.
Wyniki opierają się na badaniu siły wiązania między zębami protezy a bazami, wykorzystującym centralny górny siekacz w kącie 135° [14,19]. Kąt między próbką a stemplem inspekcyjnym został wybrany na 135°, ponieważ w warunkach klinicznych sztuczny przedni ząb żywiczny ma kąt międzyzębowy wynoszący 135° w stosunku do zębów antagonistycznych. Adaptacja kliniczna ta wydaje się być istotna w innych badaniach [24,25] i została przekazana do metody.
Zgodnie z badaniami Zuckermana et al., przednie górne siekacze są najczęściej dotknięte odklejaniem [24]. Wydaje się to zrozumiałe, ponieważ zęby trzonowe i przedtrzonowe mają większą powierzchnię wiązania niż siekacze i nie doświadczają dźwigni siły takiej, jaką doświadczają siekacze podczas odgryzania. Trzonowce są dobrze podtrzymywane przez zęby antagonistyczne, a potencjalnie mniejsze siły ścinające wpływają na tylną część uzębienia podczas procesu żucia.
W literaturze przedmiotu opublikowano różne podejścia do testowania zachowania wiązania zębów prefabrykowanych do PMMA: niektóre badania koncentrowały się na badaniach siły wiązania ścinającej (SBS) [15,16,26], podczas gdy inne badania stosowały badanie siły rozciągającej (TBS) [26]. Oba te typy testów umożliwiają dobrą standaryzację, ale nie symulują w pełni sytuacji klinicznych [27]. Siły działające na centralny siekacz podczas procesów żucia i przeżuwania są raczej mieszanką naprężeń ścinających, rozciągających i obrotowych. Prędkość głowicy wydaje się mieć wpływ na siłę wiązania ścinającą. W literaturze podawane są wartości prędkości wynoszące od 0,5 do 2,0 mm/min [28]. Jednak norma ISO (TR 11405) zaleca stosowanie prędkości głowicy między 0,45 a 1,05 mm/min (International Organization for Standardization, ISO TR 11405: Wytyczne dotyczące testowania przyczepności w strukturze zębów, 1994). W niniejszym badaniu układ testowy został wybrany zgodnie z istniejącymi normami ISO. Przed przeprowadzeniem testów wszystkie próbki były poddane 5000 cyklom termocyclingu, zmieniając temperaturę od 5 do 55 °C w wodzie, zgodnie z Palitsch et al. [27]. Termocycling jest również odstępstwem od normy ISO 13998, która nie obejmuje żadnej procedury sztucznego starzenia. Metoda ta pozwala na imitację warunków jamy ustnej, takich jak wpływ płynów i zmienność temperatury na protezy dentystczne, szczególnie interfejs wiązania. Należy jednak podkreślić, że z uwagi na ograniczenia tej symulacji laboratoryjnej jest to tylko abstrakcyjna imitacja rzeczywistych warunków chemicznych, termicznych, a zwłaszcza fizycznych, które znaczą wpływ na protezy w jamie ustnej.
Podczas produkcji próbek i ich przenoszenia na warunki laboratoryjne największe znaczenie mają zanieczyszczenia powierzchni. Resztki wosku szczególnie wpływają na siłę wiązania zęba do bazy protezy [16,17]. Produkcja próbek za pomocą form w duplikacie zapobiega takim zanieczyszczeniom powierzchni z powodu braku pozostałości wosku lub izolacyjnych środków na bazie alginianu. Chociaż jest to korzystne w ustawieniu eksperymentalnym, z jednej strony utrudnia to przekazanie danych do codziennej praktyki w laboratorium dentystycznym, gdzie zanieczyszczenia są bardziej prawdopodobne w przypadku tradycyjnych procesów. Z drugiej strony, dla cyfrowych procesów opartych na CAD/CAM zanieczyszczenie powierzchni woskiem i innymi środkami adhezyjnymi jest mało prawdopodobne.
Zastosowanie PMMA dało najwyższe wartości SBS między sztucznymi zębami a PMMA. Wynik ten jest zgodny z wynikami Palitsch et al. 2012, którzy stwierdzili, że metakrylan metylu wydaje się być złotym standardem i może zwiększać siłę wiązania w porównaniu do innych modyfikacji powierzchniowych [27]. Piaskowanie również dało lekkie zwiększenie siły wiązania. Obserwację tę potwierdziło również badanie Mahadevan et al. po piaskowaniu powierzchni przez 30 s przy 0,3 bara i 250 µm tlenku glinu [29]. Jednakże rozpuszczalnik chemiczny przewyższa właściwości fizyczne interfejsu wiązania.
Zastosowanie plazmy tlenowej dało lekkie zwiększenie siły wiązania, co zgadza się z wynikami Aljudy et al. [30]. Wykorzystanie plazmy azotowej spowodowało nawet obniżenie siły wiązania między zarówno sztucznymi zębami a PMMA, jak i PMMA do frezowanej bazy protezy, dlatego nie można jej uznać za ważną opcję obróbki powierzchniowej.
W niniejszym badaniu zbadano zachowanie wiązania między frezowanymi bazami z jedynym industrializowanym PMMA z ręcznie wymieszaną warstwą PMMA z proszku i monomeru MMA. W świetle wyników Englera et al., można przypuszczać, że industrializowany PMMA różni się pod względem długoterminowego zachowania wiązania, co prowadzi do różnych uwalnień monomerów z czasem [10]. Należy to uwzględnić w dalszych badaniach, jak również fakt, że obecnie produkcja baz protez dąży do realizacji w sposób addytywny, stosując bezpośrednie przetwarzanie światłem i metody stereolitograficzne. Wskazuje to na główną ograniczenie niniejszego badania, że integracja baz protez wykonanych addytywnie nie została uwzględniona. Należy to rozważyć w przyszłych badaniach. Ponadto dalszym ograniczeniem niniejszego badania jest fakt, że nie przeprowadzono obliczeń wielkości próbki, a wybrano ją na podstawie próbki wygodnej zgodnie z obecnym standardem (DIN ISO/TS 19736:2018-09).
5. Wnioski
W ramach ograniczeń niniejszego badania zastosowanie monomeru MMA może być proponowane jako najskuteczniejsza i najbardziej efektywna metoda obróbki powierzchniowej do integracji indywidualnych sztucznych zębów żywicznych w bazie protezy frezowanej z płyty PMMA. Piaskowanie i aplikacja plazmy tlenowej mogą również być brane pod uwagę jako niezawodna opcja przygotowawcza, ale nie wydają się być efektywne. Piaskowanie dało największe wartości chropowatości, jednak nie stwierdzono pozytywnej korelacji wartości SBS. Zalecenie odnośnie do stosowania plazmy azotowej jest negatywne, ponieważ może ona obniżać siłę wiązania między sztucznymi zębami a PMMA nawet poniżej 5 MPa.