Μελέτη μηχανικών, οπτικών και επιφανειακών ιδιοτήτων πολυμερών υλικών για προσθετικές αποκαταστάσεις ψηφιακής σχεδίασης και κατασκευής (CAD/CAM)

Abstract

Objectives: The purpose of this study was the microstructural, elemental and mechanical characterization of contemporary CAD/CAM resin-based composite (RBC) materials used for prosthetic restorations and the assessment of the effect of aging procedures on color, gloss and surface roughness of these materials. Materials and Methods: Six CAD/CAM RBC materials [Brilliant CRIOS (Coltene Whaledent AG), Cerasmart (GC), Lava Ultimate (3M ESPE), Tetric CAD (Ivoclar Vivadent), Shofu Block HC (Shofu), Grandio Blocs (VOCO GmbH)] and a lithium disilicate material [IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent] were tested. Lithium disilicate specimens were processed in the pre-crystallized (“blue”) state and then they were crystallized for 20 to 25 minutes at a temperature of 840°C in a ceramic furnace approved by the manufacturers without glazing (Programat P510, Ivoclar Vivadent AG, Schaan, Liechtenstein). Two independent experiments were performed to address the aims of the study as follows: 1. Ten high translucency (HT) A2 shade rectangular blocks (14 Х 12 Х 18 mm) for each material, after metallographic grinding and polishing under continuous water cooling up to 4000 grit SiC paper and 1 μm alumina slurry were subjected to Instrumented Indentation Testing (ΙIT) with the use of a universal hardness testing machine (ZHU0.2/Z2.5, Zwick Roell, Ulm, Germany). Martens Hardness (HM), Indentation Elastic Modulus (EIT), Elastic (ηIT) and Creep indices (CIT) were determined according to formulas provided by ISO 14577. The diagonal length of each indentation was measured and HV was determined. The results of HM, EIT, ηΙΤ, HV, and CIT were statistically analyzed by one-way ANOVA and Tukey post hoc test employing the material as a discriminating variable (α=0.05), while the possible correlations were determined by Spearman’s correlation test. One specimen from each group was examined by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). 2. Thirty rectangular specimens (14 mm X 10 mm X 10 mm) for each material were fabricated with the use of a wet milling machine (DGSHAPE DWX-42 W, Roland DG Corporation, Shizuoka-ken, Japan). The specimens were polished and finished according to manufacturers’ recommendations for each material. All specimens were cleaned and stored in distilled water at room temperature for 24 h. Specimens of each material were randomly divided into three subgoups (n = 10) and each subgroup was subjected to one of the following aging procedures: immersion in coffee solution for 30 days at 37οC (Group 1), water thermocycling for 5000 cycles at 5-55oC according to ISO TR 11450 (Group 2) and photoaging in a light-emitting apparatus operated under the following conditions: 300–800 nm wavelength, 765 W/m2 irradiance, 64800 kJ/m2 daily radiant exposure, 37 ◦C chamber temperature and 150000 kJ/m2 total energy delivered (Group 3). Changes of color (ΔΕ*ab) and color coordinates L*, a* and b* after aging were calculated with a colorimeter according to ISO/TR 28642:2016. Changes in the values of gloss and 3D surface roughness parameters (Sa, Sz, Sq, Sc, Sv, Str, Sdr) after aging were measured. The color differences ΔE*ab of the seven materials before aging with the A2 Vita Classical Shade guide tab were also calculated. Kruskal-Wallis tests, paired t-tests, one-way ANOVA and Bonferroni post-hoc tests were used for statistical analysis (α=0.05). The 50:50% perceptibility threshold (PT) of ΔE*ab=1.2 and the 50:50% acceptability threshold (AT) of ΔE*ab=2.7 were used to interpret the results. Results: Backscattered Electron images and EDX analysis demonstrated differences in size, shape and type of fillers along with elemental composition among materials tested. Statistically significant differences were identified for all mechanical properties tested. Lithium disilicate showed significantly higher HM (4302±135 N/mm2), HV (586±12) and EIT (101±5 GPa) values and significantly lower CIT (2.1±0.2%) than all resin based composite materials. Among composite materials, Grandio Blocs had the significantly higher HM (953±7 N/mm2), HV (136±1) and EIT (23±1 GPa) followed by Lava Ultimate (НM=674±25 N/mm2, HV=105±2, EIT=15±1 GPa). The elastic index ranged from 41% to 52%, with Shofu Block demonstrating the significantly highest ηIT (52 ± 1%) values. Cerasmart had a significantly higher CIT value (8.4 ± 0.1%) than all other materials tested, while lithium disilicate had the lower one (CIT =2,1±0,2). Spearman’s correlation revealed that all mechanical properties tested exhibited correlations with each other, apart from ηІΤ. Color changes ranged from 3.03 to 4.41 after coffee immersion, from 1.33 to 2.55 after thermocycling and from 1.02 to 2.75 after photoaging. No statistically significant differences for ΔE*ab were found among materials after coffee immersion and thermocycling (p>0.05). Unacceptable color differences (ΔE*ab>2.7) were found between all materials before aging and Vita Classical shade guide A2 tab. Gloss changes ranged from -9.48 to -1.6 GU after coffee immersion, from -7.9 to 0.1 GU after thermocycling and from -6.78 to 0.5 after photoaging. Lithium disilicate had significantly higher gloss changes than all composite materials after aging. No significant differences in gloss changes were found among composite materials after aging (p>0.05). Tetric CAD demonstrated the significantly lower gloss and the higher surface roughness after polishing. Surface roughness alterations of the materials tested presented the following range of values: [ΔSa (nm)]; Gr1:-23 to 41, Gr2:-23 έω to 16, Gr3:-22 to 96, [ΔSq (nm)]; Gr1:-31 to 55, Gr2:-34 to 65, Gr3:-28 to 172, [ΔSz (nm)]; Gr1:-757 to 1819, Gr2:-87 to 1088, Gr3: -540 to 1479, [ΔSc (μm3/μm2)]; Gr1:-0.04 to -0.06, Gr2:-0.04 to 0.04, Gr3:-0.05 to 0.13, [ΔSv (nm3/nm2)]; Gr1:-2.4 to 6.4, Gr2:-2.3 to 0.9, Gr3:-0.6 to 25.5, [ΔStr (μm)]; Gr1: -0.046 to 0.121, Gr2:-0.148 to 0.050, Gr3:-0.15 to 0.12, [ΔSdr (%)]; Gr1:-0.79 to 0.59, Gr2:-0.34 to 0.67, Gr3:-0.19 to 1.15. Apart from gloss after thermocycling, aging procedures caused significant alteration of gloss and surface roughness parameters from baseline levels. Conclusions: SEM-EDX analysis demonstrated differences in microstructure and elemental composition of CAD/CAM materials tested. All materials tested demonstrated significant differences in their mechanical properties and thus differences in their clinical performance may be anticipated. Lithium disilicate had a better combination of hardness, elastic modulus and creep than all resin-based composites tested. Among RBCs tested, materials with increased filler loading, such as GB and LU had the most favorable combination of hardness, elastic modulus and creep index indicating that these materials may have better clinical performance under intraoral loading conditions. All mechanical properties tested exhibited significant correlations with each other, apart from ηΙΤ. Aging procedures caused perceptible but acceptable color changes, while no significant differences in color stability were found among materials after coffee immersion and thermocycling. CAD/CAM materials demonstrated small but visible gloss changes, with no significant differences among composite materials after aging procedures. Surface roughness parameters of the tested CAD/CAM materials were significantly affected by aging, but aging procedures influenced materials differently. Aging procedures affected the CAD/CAM materials tested indicating that these materials may be prone to color and surface alterations in the oral environment that could compromise the esthetics and the longevity of the restorations. Clinical studies are needed to investigate the long-term behavior of these newly introduced materials.

Σκοπός: Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν ο χαρακτηρισμός της μικροδομής, της στοιχειακής σύνθεσης και των μηχανικών ιδιοτήτων σύγχρονων σύνθετων πολυμερών υλικών CAD/CAM που χρησιμοποιούνται για προσθετικές αποκαταστάσεις καθώς και η αξιολόγηση της επίδρασης των διαδικασιών γήρανσης στο χρώμα, τη στιλπνότητα και την τραχύτητα της επιφάνειας αυτών των υλικών. Υλικά και Μέθοδοι: Έξι CAD/CAM υλικά σύνθετης ρητίνης [Brilliant CRIOS (Coltene Whaledent AG), Cerasmart (GC), Lava Ultimate (3M ESPE), Tetric CAD (Ivoclar Vivadent), Shofu Block HC (Shofu), Grandio Blocs (VOCO GmbH)] και ένα υλικό διπυριτικού λιθίου [IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent] χρησιμοποιήθηκαν. Τα δοκίμια διπυριτικού λιθίου αφού επεξεργάσθηκαν αρχικά στην ενδιάμεση κρυσταλλική τους φάση (blue state), τοποθετήθηκαν σε ειδικό φούρνο πορσελάνης (Programat® CS, Ivoclar Vivadent AG, Liechtenstein) για την όπτηση και πυρηνοποίηση των κρυστάλλων διπυριτικού λιθίου σε ειδικό πρόγραμμα όπως ορίζεται από τον κατασκευαστή, 20 έως 25 min σε θερμοκρασία 840°C. Για τους σκοπούς της μελέτης πραγματοποιήθηκαν δύο επιμέρους πειράματα: 1. Δέκα ορθογώνια μπλοκ απόχρωσης Α2, υψηλής ημιδιαφάνειας (high translucency, HT) μεγέθους 14 (size 14, με διαστάσεις 14 Х 12 Х 18 mm) από κάθε υλικό χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των δοκιμίων. Τα δοκίμια λειάνθηκαν με χαρτιά SiC με μέγεθος κόκκου έως 4000 grit και πάστα λείανσης αλουμίνας 1 μm (Buehler, Lake Bluff, Ill) σε μηχανή μεταλλογραφικής λείανσης (Dap-V, Struers, Ballerup, Denmark) με συνεχή καταιονισμό νερού. Εννιά δοκίμια από κάθε υλικό υποβλήθηκαν σε δοκιμή σκληρομέτρησης ελεγχόμενης φόρτισης / βάθους διείσδυσης (Instrumented Indentation Testing, ΙIT) )] με τη βοήθεια αναλυτικής συσκευής (ZHU0.2/Z2.5, Zwick Roell, Ulm, Germany) με σκοπό τη μέτρηση της σκληρότητας Martens [Martens Hardness, (HM)], τoυ μέτρου ελαστικότητας [Indentation Elastic Modulus (EIT)], και των δεικτών ελαστικότητας [Elastic Index (ηΙΤ)] και ερπυσμού [Indentation Creep (CIT) σύμφωνα με το ISO 14577-1. Από τη μέτρηση του μήκους της διαγώνιου του εντυπώματος με οπτικά μέσα υπολογίσθηκε η σκληρότητα Vickers (Vickers Hardness, HV) χρησιμοποιώντας 10Χ ονομαστική μεγέθυνση. Τα αποτελέσματα των HM, EIT, ηIT, HV και CIT ελέγχθηκαν με μονόπλευρη ανάλυση διακύμανσης (one-way ANOVA) και δοκιμασίες πολλαπλής σύγκρισης Tukey post hoc για κάθε παράμετρο με εξαρτημένη μεταβλητή την τιμή των παραμέτρων για να εξετασθεί εάν υπήρχε στατιστικά σημαντική διαφορά στις τιμές των παραμέτρων μεταξύ των διαφορετικών υλικών (α=0,05). Πιθανές συσχετίσεις μεταξύ των διαφορετικών παραμέτρων - μηχανικών ιδιοτήτων εξετάσθηκαν με τη δοκιμασία συσχέτισης Spearman (Spearman’s correlation test) (α=0,01). Ένα δοκίμιo κάθε υλικού υποβλήθηκε σε Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM)/ Φασματοσκοπία διασποράς ενέργειας ακτινών-Χ (EDΧ). 2. Τριάντα ορθογώνια δοκίμια (14 mm X 10 mm X 10 mm) για κάθε υλικό κατασκευάσθηκαν με τη χρήση μηχανής υγρής κοπής (DGSHAPE DWX-42 W, Roland DG Corporation, Shizuoka-ken, Ιαπωνία). Τα δοκίμια λειάνθηκαν και στιλβώθηκαν σύμφωνα με τις οδηγίες των κατασκευαστών για κάθε υλικό. Όλα τα δοκίμια καθαρίσθηκαν και αποθηκεύθηκαν σε απεσταγμένο νερό σε θερμοκρασία δωματίου για 24 ώρες. Δέκα δοκίμια από κάθε υλικό υποβλήθηκαν σε μία από τις ακόλουθες τεχνικές γήρανσης∙ Gr1: Eμβύθιση σε καφέ (30 ημέρες, 37οC), Gr2: Υδροθερμική ανακύκλωση (5000 κύκλοι, 5-55oC σύμφωνα με το ISO TR 11450), Gr3: Φωτογήρανση σε ειδική συσκευή (Suntest CPS plus, Atlas material testing technology, Gelnhausen, Germany) εφαρμόζοντας 300-800 nm μήκος κύματος, 765 W/m2 ακτινοβολία, 64800 kJ/m2 ημερήσια έκθεση σε ακτινοβολία, 37°C θερμοκρασία θαλάμου και συνολική ενέργεια 150000 kJ/m2. Οι μεταβολές του χρώματος (ΔΕ*ab) και των χρωματικών παραμέτρων L*,α* και b* μετά τη γήρανση υπολογίσθηκαν με τη βοήθεια χρωματόμετρου σύμφωνα με το ISO/TR 28642:2016. Οι μεταβολές των τιμών στιλπνότητας και των παραμέτρων επιφανειακής τραχύτητας (Sa, Sz, Sq, Sc, Sv, Str, Sdr) υπολογίσθηκαν, καθώς και οι χρωματικές διαφορές ΔE*ab των υλικών πριν την γήρανση και της απόχρωσης A2 του χρωματολογίου Vita Classical. Δοκιμασίες Kruskal-Wallis, δοκιμασίες t-test για παρατηρήσεις κατά ζεύγη, one-way ANOVA και Bonferroni post-hoc δοκιμασίες χρησιμοποιήθηκαν για τη στατιστική ανάλυση (α=0,05). Το όριο αντιληπτών μεταβολών 50:50% (PT perceptibility threshold) με τιμή ΔE*ab=1,2 και το όριο αποδεκτών μεταβολών 50:50% (AT, acceptability threshold) με τιμή ΔE*ab=2,7 χρησιμοποιήθηκαν για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των παρατηρούμενων χρωματικών μεταβολών. Αποτελέσματα: Οι εικόνες BE και η ανάλυση EDX έδειξαν διαφορές στο μέγεθος, στο σχήμα και το είδος των ενισχυτικών ουσιών καθώς και στη στοιχειακή σύνθεση μεταξύ των υλικών. Στατιστικά σημαντικές διαφορές βρέθηκαν μεταξύ των υλικών για όλες τις ιδιότητες που μελετήθηκαν (p<0,05). Το διπυριτικό λίθιο παρουσίασε σημαντικά υψηλότερες τιμές HM (4302±135 N/mm2), HV (586±12) και EIT (101±5 GPa) και σημαντικά χαμηλότερο δείκτη ερπυσμού CIT (2,1±0,2%) από όλες τις σύνθετες ρητίνες. Μεταξύ των συνθέτων ρητινών, το Grandio Blocs είχε σημαντικά υψηλότερες τιμές ΗΜ (953±7 N/mm2), ΗV (136±1) και EIT (23±1 GPa) ακολουθούμενο από το Lava Ultimate (ΗM=674±25 N/mm2, HV=105±1 2, EIT =15±1 GPa). Ο δείκτης ελαστικότητας κυμαινόταν από 41% έως 52%, με το Shofu Block να παρουσιάζει τις σημαντικά υψηλότερες τιμές ηIT (52 ± 1%). Το Cerasmart είχε την υψηλότερη τιμή CIT (8,4±0,1) με στατιστικά σημαντική διαφορά με όλα τα υλικά που εξετάσθηκαν, ενώ το διπυριτικό λίθιο EC παρουσίασε τη χαμηλότερη τιμή (CIT =2,1±0,2). Όλες οι μηχανικές ιδιότητες που εξετάσθηκαν παρουσίασαν σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ τους, εκτός από το δείκτη ελαστικότητας ηIT. Οι αλλαγές χρώματος ΔE*ab κυμαίνονταν από 3,03 έως 4,41 μετά την εμβύθιση σε καφέ, από 1,33 έως 2,55 μετά την υδροθερμική ανακύκλωση και από 1,02 έως 2,75 μετά τη φωτογήρανση. Δεν βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές για τις τιμές ΔE*ab μεταξύ των υλικών μετά από την εμβύθιση σε καφέ και την υδροθερμική ανακύκλωση (p>0,05). Μη αποδεκτές χρωματικές διαφορές (ΔE*ab>2,7) βρέθηκαν μεταξύ όλων των υλικών πριν από τη γήρανση και της απόχρωσης A2 του χρωματολογίου Vita Classical. Οι μεταβολές στιλπνότητας κυμαίνονταν από -9,48 έως -1,6 GU μετά την εμβύθιση στον καφέ, από -7,9 έως 0,1 GU μετά την υδροθερμική ανακύκλωση και από -6,78 έως 0,5 μετά τη φωτογήρανση. To διπυριτικό λίθιο παρουσίασε σημαντικά υψηλότερες αλλαγές στιλπνότητας από τα υλικά σύνθετης ρητίνης που χρησιμοποιήθηκαν. Μεταξύ των σύνθετων ρητινών δεν βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές για τις μεταβολές σε καμία από τις τρεις ομάδες γήρανσης (p>0,05). Το υλικό Tetric CAD παρουσίασε τη σημαντικά χαμηλότερη στιλπνότητα και τις σημαντικά υψηλότερες τιμές επιφανειακής τραχύτητας πριν τη γήρανση. Οι μεταβολές επιφανειακής τραχύτητας των υλικών που μελετήθηκαν παρουσίασαν το ακόλουθο εύρος τιμών· [ΔSa (nm)]: Gr1: -23 έως 41, Gr2: -23 έως 16, Gr3: -22 έως 96, [ΔSq (nm)]: Gr1: -31 έως 55, Gr2: -34 έως 65, Gr3: -28 έως 172, [ΔSz (nm)]: Gr1:-757 έως 1819, Gr2: -87 έως 1088, Gr3: -540 έως 1479, [ΔSc (μm3/μm2)]: Gr1: -0,04 έως -0,06, Gr2: -0,04 έως 0,04, Gr3: -0,05 έως 0,13, [ΔSv (nm3/nm2)]: Gr1: -2,4 έως 6,4, Gr2:-2,3 έως 0,9, Gr3: -0,6 έως 25,5, [ΔStr (μm)]: Gr1: -0,046 έως 0,121, Gr2: -0,148 έως 0,050, Gr3: -0,15 έως 0,12, [ΔSdr (%)]: Gr1: -0,79 έως 0,59, Gr2: -0,34 έως 0,67, Gr3: -0,19 έως 1,15. Με εξαίρεση τη στιλπνότητα μετά τη φωτογήρανση, οι διαδικασίες γήρανσης προκάλεσαν στατιστικά σημαντικές μεταβολές των τιμών στιλπνότητας και επιφανειακής τραχύτητας σε σχέση με τις αρχικές τιμές. Συμπεράσματα: Η ανάλυση SEM-EDX έδειξε διαφορές στη μικροδομή και τη στοιχειακή σύνθεση των CAD/CAM υλικών. Όλα τα υλικά που μελετήθηκαν παρουσίασαν σημαντικές διαφορές στις μηχανικές τους ιδιότητες που μπορεί να συνεπάγονται διαφορές στην κλινική τους συμπεριφορά. Το διπυριτικό λίθιο παρουσίασε καλύτερο συνδυασμό σκληρότητας, μέτρου ελαστικότητας και δείκτη ερπυσμού από όλα τα πολυμερή υλικά της μελέτης. Μεταξύ των συνθέτων ρητινών που εξετάσθηκαν, υλικά με αυξημένο ποσοστό ενισχυτικών ουσιών, όπως το Grandio Blocs και το Lava Ultimate παρουσίασαν τον πιο ευνοϊκό συνδυασμό σκληρότητας, μέτρου ελαστικότητας και δείκτη ερπυσμού υποδεικνύοντας ότι αυτά τα υλικά μπορεί να έχουν καλύτερη κλινική απόδοση υπό συνθήκες ενδοστοματικής φόρτισης. Με εξαίρεση το δείκτη ελαστικότητας ηΙΤ, οι μηχανικές ιδιότητες που εξετάσθηκαν παρουσίασαν στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ τους. Οι διαδικασίες γήρανσης προκάλεσαν αντιληπτές αλλά αποδεκτές χρωματικές αλλαγές, ενώ δεν βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στη σταθερότητα χρώματος μεταξύ των υλικών μετά από εμβύθιση σε καφέ και υδροθερμική ανακύκλωση. Τα CAD/CAM υλικά παρουσίασαν μικρές αλλά ορατές αλλαγές στιλπνότητας, χωρίς στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των υλικών σύνθετης ρητίνης μετά τις διαδικασίες γήρανσης. Οι παράμετροι επιφανειακής τραχύτητας των υλικών CAD/CAM που μελετήθηκαν επηρεάσθηκαν σημαντικά από τη γήρανση, αλλά οι διαδικασίες γήρανσης επηρέασαν με διαφορετικό τρόπο τα υλικά αυτά. Οι διαδικασίες γήρανσης επηρέασαν τα υλικά CAD/CAM της μελέτης υποδεικνύοντας ότι αυτά τα υλικά μπορεί να είναι επιρρεπή σε μεταβολές στο χρώμα και την επιφάνειά τους στο στοματικό περιβάλλον που θα μπορούσαν να έχουν αρνητική επίδραση στην αισθητική και τη μακροβιότητα των αποκαταστάσεων. Περισσότερες κλινικές μελέτες απαιτούνται για τη διερεύνηση της μακροπρόθεσμης συμπεριφοράς αυτών των νεοεισαχθέντων υλικών στην Οδοντιατρική.