Разработка и оценка физико-механических свойств конструкционного материала, применяемого в технологии производства эпитезов лица методом объемной печати

Протезирование пациентов с дефектами средней зоны лица является актуальной проблемой медицины [1, 2]. Современные компьютерные технологии упрощают производство лицевых протезов, сокращают клинические и лабораторные этапы их изготовления, и создают новые возможности для повышения эффективности лечения [3, 4]. В результате проведенного анализа литературных данных были определены методы объемной печати и физико-механические свойства конструкционных материалов для изготовления эпитезов лица [5—17]. Однако, стоит отметить, что описанные в литературе способы 3D-печати и принтеры, их реализующие, являются малодоступными (некоторые из них находятся в стадии разработки и представлены в единичном экземпляре или слишком дороги для повседневного использования).

Разработка и оценка физико-механических свойств конструкционного материала для изготовления эпитезов средней зоны лица методом 3D-печати с использованием доступных принтеров, работающих по принципу лазерной стереолитографии (SLA) и цифровой светодиодной проекции (DLP), является актуальной задачей стоматологии, что и определило цель проведенного исследования.

Цель исследования — разработать и определить физико-механические свойства нового отечественного конструкционного материала для изготовления эпитезов лица методом 3D-печати.

Для разработки конструкционного материала, используемого в технологии производства эпитезов лица методом объемной печати, основанной на принципах SLA и DLP, был проведен литературный мета-анализ информационных источников глубиной в 15 лет. Анализ позволил сформулировать технический результат планируемого изобретения: разработку конструкционного светоотверждаемого материала, используемого в технологии стереолитографического производства и имеющего следующие свойств: сниженную интенсивность запаха; низкую токсичность; отсутствие раздражающего действия на подлежащие ткани; цвет, имитирующий кожные покровы; твердость не более чем 40 ед. по Шору (шкала A); обеспечение стабильных результатов при использовании его для 3D-печати.

Изучение физико-механических свойств разработанного конструкционного материала заключалось в: измерении твердости по Шору, определении прочности материала при разрыве (σрр, МПа), условного предела текучести (σрту, МПа), относительного удлинения при разрыве (εрр, %) и модуля упругости (E, МПа) до и после искусственного старения, имитирующего ежедневное использование протеза в течение 6 и 12 мес.

Исследование материала на твердость по Шору осуществляли по ГОСТ Р ИСО 10139 2-2012, в соответствии с которым были подготовлены образцы размером 5 на 5 см и толщиной в 6 мм. По предусмотренному стандарту измерения проводили в нескольких точках на расстоянии не менее 5 мм друг от друга, и не менее чем на расстоянии 13 мм от края образца. В числовые таблицы заносили усредненные результаты. Измерения проводили до и после форсированного старения.

Для испытаний на разрыв было подготовлено 5 образцов в виде полосок, проверенных на отсутствие видимых дефектов. Полоскам придавали форму, соответствующую типу 1А согласно ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012) с общей длиной 170 мм, толщиной 4 мм и шириной узкой части 10 мм.

Печать образцов производили на фотополимерном принтере Phrozen Sonic Mini 8K (Phrozen, Тайвань), работающем по принципу LCD. Установки печати соответствовали параметрам: высота слоя 0,050; количество слоев низа 4; время засветки 15 с; время засветки низа 75 с; задержка выключения 5 с; задержка выключения низа 5 с; высота подъема платформы 6 мм; скорость подъема платформы 50 мм; нижняя скорость отвода 150 мм; скорость ретракта 150 мм. Постпечатную обработку осуществляли в специализированных станциях Phrozen Wash & Cure Kit (Phrozen, Тайвань), по следующей схеме: автоматическая промывка в этиловом спирте в течении 3 мин; нагрев до 70 градусов по Цельсию в течении 10 мин; засветка под УФ лучами образцов, покрытых глицерином, в течении 15 мин.

Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине Instron 5982 в соответствии со стандартом ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012). Образец растягивали вдоль его главной продольной оси с постоянной скоростью, в процессе испытания измеряли нагрузку, выдерживаемую образцом, и его удлинение. Растягивающую нагрузку, при которой достигался условный предел текучести, определяли графически в точке пересечения кривой «нагрузка-удлинение» с прямой, проведенной параллельно прямолинейному начальному участку кривой «напряжение-удлинение» и отсекающей от оси абсцисс участок удлинения, соответствующий относительному удлинению в 1%.

Испытания по искусственному старению образцов проводили в термостабилизированной емкости Midea 6000 (термопоте). В термопот, заполненный дистиллированной водой, помещали по 5 образцов. Температура воды поддерживалась равной +80 °C (±1 °C). D.W. Hukins и соавт. считают данную температуру оптимальной для моделирования процесса так называемого «ускоренного старения», применяемого к полимерам, используемым для медицинских целей [18].

Полученные при проведении физико-механических испытаний нового конструкционного материала данные сравнивали с аналогичными показателями силиконов, описанных в литературе и используемых в производстве эпитезов лица методом объемной печати.

В соответствии с поставленной задачей был разработан стоматологический конструкционный материал для 3D-печати, содержащий в своем составе: уретандиметакрилат, полиэтиленгликольдиметакрилат, 2-гидроксиэтил метакрилат, дифенил (2,4,6-триметилбензоил) фосфиноксид, диоксид титана, железооксидные пигменты коричневый, красный и желтый. Новизна разработки была подтверждена получением патента РФ на изобретение №2790550 от 22.02.23 «Стоматологический конструкционный материал для 3D-печати» [19].

В результате изучения твердости по Шору исходных образцов были получены средние значения 39 ед. Шора по шкале А, после искусственного старения через 6 и 12 мес показатель составил 47 и 48 ед., соответственно. Искусственное старение значительно влияет на твердость материала, что затрудняет его клиническое использование более 6 мес, так как эпитез может оказать неблагоприятное воздействие на ткани протезного ложа.

Результаты испытаний исходных образцов конструкционного материала на растяжение представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытаний на растяжение исходных образцов конструкционного материала

Примечание. σ_pp — прочность при разрыве, МПа, σ_pmy — условный предел текучести, МПа, ε_pp — относительное удлинение при разрыве, %, E — модуль упругости при растяжении, Мпа.

Образцы исследуемого конструкционного материала не имеют предела текучести и разрываются при деформации в 64,7±10,7%. Значения условного предела текучести и модуля упругости составляют 0,52±0,05 МПа и 3,34±0,26 МПа, соответственно.

Сравнение физико-механических характеристик описанных в литературе материалов с аналогичными показателями разработанного конструкционного материала представлено в табл. 2.

Таблица 2. Значения физических характеристик известных и разработанного конструкционного материалов

Наиболее важным представляется соответствие в показателях прочности на разрыв и твердости. Твердость, в широком смысле, определяется как сопротивление истиранию, и предпочтительно, чтобы протез обладал той же твердостью, что и замещаемая им часть лица. Протез должен быть мягким (менее 40 ед. Шора А) и достаточно упругим, чтобы реагировать на мимику лица. При этом высокие показатели твердости можно компенсировать толщиной протеза или его пустотелостью, и здесь основополагающим является показатель прочности на разрыв. Данный показатель разработанного материала (140 Н/мм²), соответствует необходимому диапазону (53—175 Н/мм²).

Результаты испытаний образцов конструкционного материала на растяжение после искусственного старения представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты испытаний конструкционного материала на растяжение после искусственного старения.

Результаты испытаний показали, что образцы исследуемого материала не имеют предела текучести и разрываются при деформации в 40—60%. Значения условного предела текучести составляет 0,41±0,01 МПа и не зависит от времени старения, а значения модуля упругости — 2,96±0,19 МПа и 2,88±0,14 МПа для образцов, прошедших процедуру старения в 6 и 12 мес, соответственно.

Усредненные результаты испытаний по определению физико-механический свойств исходных образцов и образцов, прошедших процедуру искусственного старения в 6 и 12 мес, приведены в табл. 4. Через год ежедневного ношения протеза прочность на разрыв уменьшается в 1,4 раза; модуль упругости уменьшается в 1,2 раза; величина деформации уменьшается на 19%.

Таблица 4. Усредненные результаты испытаний исходных образцов и образцов, прошедших процедуру искусственного старения в 6 и 12 месяцев

Преимуществом разработанного нами конструкционного материала является возможность его применения в технологии производства эпитезов лица методом DLP, не требующим использования дорогих струйных биопринтеров.

Сравнение физико-механических характеристик отечественного конструкционного материала подтверждает его соответствие известным аналогам по показателям твердости, придельной прочности при растяжении и прочности на разрыв. Однако справедливо отметить, что с увеличением времени его эксплуатации значительно увеличивается твердость, а прочность на разрыв, модуль упругости и величина деформации материала уменьшаются. Данные материал можно рекомендовать для изготовления временных или непосредственных лицевых протезов сроком эксплуатации до 6 мес (рисунок).

Макеты эпитезов лица, изготовленные из разработанного материала методом объемной печати.

Разработанный материал является перспективным для изготовления эпитезов лица у пациентов с дефектами средней зоны лица (нос, уши), но применение его в клинической практике требует проведения токсикологических и биологических исследований, подтверждающих его безопасность.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.