Полимерные материалы на основе метакрилатов широко применялись и применяются по настоящее время для изготовления как активных, так и пассивных съемных ортодонтических аппаратов. В основном эти съемные аппараты используются при ортодонтическом лечении детей в период временного и сменного прикуса. Многолетние наблюдения выявили основные недостатки традиционных акрилатов для базисов съемных протезов, в том числе базисов в конструкциях ортодонтических аппаратов. Стоит отметить, что у пациентов все чаще встречается повышенная чувствительность к акриловым пластмассам; при этом другой серьезной проблемой при лечении ортодонтическими аппаратами является прочность материала для базиса.
В связи с этим, а также с развитием стоматологического материаловедения все большее внимание в ортодонтии привлекают светоотверждаемые материалы [1, 2]. ГОСТ 31572-2012 (ISO1567—99) «Материалы полимерные для базисов зубных протезов» [3, 4] включают в классификацию 4-й тип — материалы светоотверждаемые или активируемые светом, отличающиеся от классических полимеров по физико-химическим свойствам.
В настоящее время в технологии изготовления полимерных базисов в ортодонтии довольно часто применяются методы так называемой холодной полимеризации, когда полимеризационный процесс отверждения осуществляется химическим активатором, обеспечивающим твердение полимерной композиции при невысокой комнатной температуре. Такой способ изготовления ортодонтических аппаратов привлекателен для клинической практики благодаря простоте и относительно короткому времени изготовления аппарата. В то же время известно, что в зависимости от процесса полимеризации и соотношения полимерный порошок/мономерная жидкость — готовый базис может быть недостаточно прочным, слабее, чем обычный акриловый базис, полученный методом горячей полимеризации в кювете. При этом также возникает риск повышения содержания в акриловом базисе остаточных низкомолекулярных продуктов, таких как мономеры, поэтому их с осторожностью применяют у пациентов в детском возрасте и у пациентов, в анамнезе которых отмечается ряд хронических заболеваний.
Количество поломок съемных пластиночных протезов, согласно статистическому анализу, в первый год пользования остается высоким и достигает 15%, а оптимальные сроки сохранности съемной конструкции составляют 4—6 лет. В ортодонтии этот срок составляет 2—3 года, при этом сохраняют свою функциональную полноценность только 18—28% аппаратов. Такое положение связано с податливостью и подвижностью слизистой оболочки, переменным жевательным давлением на базис в ортопедической или ортодонтической съемной конструкции, влияет также возраст пациента.
Таким образом, базисный материал в съемных ортодонтических аппаратах должен обеспечивать долговременную прочность, сочетая долговечность аппарата с необходимыми для ортодонтического лечения функциональными свойствами. Проведенные ранее исследования показали, что введение полиамидов в базисные полимеры, например, этакрил в виде армирующих нитей, сеток или волокон значительно улучшает прочностные свойства этих материалов.
Отличительной и немало значимой особенностью материалов 4-го типа является продолжительное рабочее время, что позволяет формировать базис ортодонтической конструкции на модели, не опасаясь преждевременной полимеризации, как это характерно для полимер-мономерных композиций холодного отверждения. Отсутствие остаточного мономера исключает развитие воспалительных и аллергических реакций слизистой оболочки рта. При этом для придания базису ортодонтических аппаратов повышенной и долговременной прочности необходимо в лабораторном эксперименте определить возможности модификации материала методом армирования, а именно сравнить влияние на показатели основных физико-механических свойств базисного материала после введения армирующей кварцевой или металлической сетки.
И хотя до сих пор не найдено такого базисного материала, который бы полностью отвечал всем требованиям к материалам для ортодонтических аппаратов, одна из последних отечественных разработок — светоотверждаемый полимерный материал — привлекает внимание в качестве перспективного материала для ортодонтического лечения [3].
Цель исследования — лабораторная оценка физико-механических свойств светоотверждаемого полимерного материала с учетом требований к материалам для базисов ортодонтических аппаратов.
Материал и методы
Для лабораторных испытаний использован образец материала «Нолатек» в виде пластилинообразной массы розового цвета с прожилками, в контейнере черного цвета (партия №5633201511). Материал изготовлен на основе сополимеров эфиров метакриловой и диметакриловой кислот, модифицированных специальными наполнителями, и относится к светоотверждаемым полимерным материалам, к 4-му типу по классификации ГОСТ 31572—2012 (ISO 1567—99). Для армирования применяли следующие армирующие сетки:
— кварцевая сетка Quartz splint mesh (RTD, Франция);
— металлическая проволочная сетка позолоченная (Renfert, Германия): мелкая — диаметр проволоки 0,1 мм, размер ячейки 0,4 мм, средняя — диаметр проволоки 0,15 мм, размер ячейки 0,5 мм.
Моделирование образцов для испытаний проводили в форме в виде рамки со сторонами 65×40 мм и толщиной 3,5 мм. Рамку помещали на лавсановую пленку, закладывали необходимую порцию материала, накрывали лавсановой пленкой и при небольшом давлении раскатывали материал стеклянным цилиндром заподлицо с рамкой. Форму, не снимая лавсановой пленки, помещали в лабораторный фотополимеризатор «Фотопресс 1.0 АРТ» («Аверон», Россия) для отверждения под действием света длиной волны 360—500 нм в течение 6 мин с каждой стороны.
При изготовлении армированных образцов кварцевые сетки помещали или в середину пластины «Нолатек» (среднее расположение сетки), или на нижнюю поверхность пластины (нижнее расположение сетки). Образцы, армированные металлической сеткой, готовили двумя способами:
1) металлическую сетку, мелкую и среднюю, помещали на нижнюю поверхность пластины;
2) металлическую сетку, мелкую и среднюю, обрабатывали адгезивом и помещали также на нижнюю поверхность пластины.
Пластины распиливали фрезой в целях получения образцов для испытаний в виде полосок по ГОСТ 31572—2012 (ISO 1567—99) 64 мм длиной, 10,0±0,2 мм шириной и 3,3±0,2 мм толщиной. Перед испытанием образцы-полоски выдерживали в дистиллированной воде при температуре 37 °C в течение 50 ч.
Для оценки трещиностойкости, т.е. способности материала долговременно противостоять концентраторам напряжений, к которым, например, можно отнести такие элементы конструкции ортодонтического аппарата, как кламмеры, определяли показатель трещиностойкости K1. Образцы для испытания на трещиностойкость формировали также в виде пластины длиной 64 мм, шириной 40±0,5 мм, толщиной 3,1±0,1 мм. Образцы до начала испытания на трещиностойкость выдерживали в воде температурой 37±1 °C в течение 50±1 ч. После извлечения из воды на одном конце каждого образца алмазным диском делали надрез глубиной 4—5 мм и в продолжении надреза этим же диском делали неглубокую канавку длиной 4—5 мм. Подготовленные образцы подвергали испытанию на 4-точечный изгиб в соответствии с методом стандарта ГОСТ 31572—2012 (ISO1567—99), помещая образец на опоры испытательной машины канавкой вниз (рис. 1). Показатель трещиностойкости определяли только для образцов, армированных кварцевой сеткой при нижнем расположении армирующего элемента, и сравнивали его значение с K1 для неармированного образца.
Рис. 1. Образец и схема испытания базисных материалов на двойное кручение при 4-точечном изгибе по ГОСТ 31572—2012 (ISO 1567—99).
а — образец в виде пластины для испытания: a — ширина надреза; b — глубина надреза; F — сила, вызывающая двойное кручение при 4-точечном изгибе; б — устройство для определения показателя трещиностойкости K1: 1 — основание для цилиндрических опор; 2 — опоры цилиндрические диаметром 3 мм; 3 — шарики диаметром 3 мм; 4 — нагружающий плунжер; 5 — образец пластины с надрезом.
Определения прочности при изгибе, модуля упругости при изгибе и деформации при разрушении проводили на испытательной машине Zwick/Roell Z010 (Германия) с постоянной скоростью траверсы при нагружении 5±1 мм/мин.
Статистическую значимость влияния армирующих элементов на показатели основных физико-механических свойств базисного светоотверждаемого полимера определяли с помощью t-критерия Стьюдента в программе MS Excel.
Результаты
Результаты испытаний образцов светоотверждаемого полимера в соответствии с ГОСТ 31572—2012 (ISO1567—99) представлены в таблице. Введение армирующей сетки оказывает существенное влияние на показатели прочности и модуля упругости при изгибе только в случае нижнего расположения кварцевой сетки (рис. 2); прочность при изгибе в таком варианте армирования повышается на 111,7% (p=0,02), а модуль упругости — на 40,4% (p=0,009). При среднем расположении кварцевой сетки прочностные показатели материала остаются на уровне неармированных образцов (p=0,62, 0,98). Показатель трещиностойкости K1 при нижнем расположении кварцевой сетки составлял 3,72±0,43 МН/м1,5, что в 4,9 раза превышает K1 для неармированного материала (p=0,0001).
Таблица. Прочностные светоотверждаемого полимера
| Образец | Предел прочности при изгибе sизг, МПа | Модуль упругости при изгибе, Eизг, МПа | Максимальная деформация при изгибе, % | Трещиностойкость K1, МН/м1,5 | Армирующий элемент |
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| «Нолатек» неармированный | 49,6±3,9 | 1867±46 | 3,0±0,3 | 0,76±0,02 | Нет |
| Среднее расположение сетки | 49,7±2,8 | 1813±26 | 3,1±0,16 | — | Кварцевая сетка |
| Нижнее расположение сетки | 105±14,5 | 2622±122 | 5,2±0,3 | 3,72±0,43 | |
| Нижнее расположение сетки | 58,4±3,3 | 3035±162 | 3,3±0,4 | — | Металлическая сетка, мелкая, обработана адгезивом |
| Нижнее расположение сетки | 55,6±1,7 | 2796±144 | 3,2±0,2 | — | Металлическая сетка, средняя, обработана адгезивом |
| Нижнее расположение сетки | 49,8±1,0 | 2476±149 | 2,8±0,12 | — | Металлическая сетка, мелкая, без обработки |
| Нижнее расположение сетки | 46,8±1,4 | 2581±299 | 2,4±0,05 | — | Металлическая сетка, средняя, без обработки |
Рис. 2. Испытание прочности при изгибе и модуля упругости по ГОСТ 31572—2012 (ISO1567—99) армированного образца на машине Zwick/Roell Z010 (Германия).
а — образец на опорах под действием изгибающей силы; б — действующие силы при 3-точечном изгибе, обозначенные стрелками, создают изгибающий момент, приводящий к деформации и растяжению нижней поверхности образца; штрих-пунктирной линией белого цвета показано расположение армирующей сетки на этой нижней поверхности.
Введение в качестве армирующего элемента металлической сетки повышает жесткость материала, о чем свидетельствуют показатели модуля упругости, увеличившегося на 16% (p=0,007, 0,009). При этом максимальная деформация при изгибе почти не изменяется, если металлическая сетка обработана адгезивом (p=0,5, 0,6). Однако если металлическую сетку не обработали адгезивом «Нолатек», то прочность армированных образцов остается на уровне неармированного материала, хотя жесткость возрастает, (Eизг армир.>Eизг неармир.). Следует отметить, что армирование металлической сеткой для повышения механических свойств материала менее эффективно, чем применение в качестве армирующего элемента кварцевой сетки.
В клинической практике при изготовлении ортодонтических конструкций из светоотверждаемого полимера «Нолатек», требующих повышенной прочности, армирующий элемент в виде кварцевой сетки рекомендуется располагать в зоне растяжения полимера. Например, в съемных ортодонтических пластинках из материала «Нолатек» армирующая кварцевая сетка должна быть расположена в слое полимера ближе к наружной поверхности базиса.
Заключение
Материал «Нолатек» в ортодонтической практике позволяет осуществлять формирование ортодонтического аппарата непосредственно на модели в условиях рабочего кабинета, минуя зуботехническую лабораторию, тем самым сокращая сроки изготовления и ожидания пациентами готовой конструкции. Проведенные лабораторные испытания показали возможность повышения прочности и надежности светоотверждаемого полимера для применения в качестве базиса ортодонтических аппаратов. Результаты испытаний подтвердили, что метод армирования базисного материала позволяет существенно повысить его прочность. Однако эффективность армирования достигается только при применении кварцевой сетки и оптимальном расположении армирующего материала в слоях базисной конструкции, испытывающей растяжение при функционировании аппарата в процессе лечения. При таком способе армирования отмечается значительное повышение трещиностойкости «Нолатек», что имеет принципиальное значение для долговременной прочности и функциональной полноценности съемных ортодонтических аппаратов с базисом из светоотверждаемого полимера.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Т.Ф. Косырева, О.В. Воейкова, И.Ю. Лебеденко
Сбор и обработка материала — Т.Ф. Косырева, О.В. Воейкова, Ф.С. Русанов, И.Я. Поюровская
Написание текста — Т.Ф. Косырева, О.В. Воейкова
Редактирование — Т.Ф. Косырева, И.Ю. Лебеденко
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Participation of authors:
Concept and design of the study — T.F.Kosyreva, O.V.Voeykova
Data collection and processing — T.F. Kosyreva, O.V. Voeykova, F.S. Rusanov, T.F. Sutugina, I.Ya. Poyurovskaya
Text writing — T.F.Kosyreva, O.V.Voeykova
Editing — T.F. Kosyreva, I.Yu. Lebedenko
The authors declare no conflict of interests.