Анализ механических свойств материала временных конструкций, изготовленных прямым способом, и коронок длительного использования, изготовленных методом 3D-печати

Данная статья является продолжением исследования по изучению изменения биохимического состава слюны при протезировании несъемными конструкциями [1]. Материалы для изготовления стоматологических конструкций должны обладать рядом характеристик в зависимости от выполняемых функций [2]. Самый распространенный вид ортопедических стоматологических конструкций — несъемные протезы. Протезирование постоянными ортопедическими конструкциями сопутствуется обязательным этапом использования временных конструкций. Изготовление временных коронок прямым способом является повседневной клинической работой стоматолога-ортопеда. Материалы для прямого изготовления подобных конструкций имеет ряд положительных (легко поддается коррекции, изготовление временных конструкций в одно посещение, невысокая стоимость, хорошая фиксация) и отрицательных моментов (материал пористый, а значит в процессе использования со слюной попадают незаметные глазу частички пищи и возникает неприятный запах в полости рта). Заполировать такую временную конструкцию в клинических условиях не всегда возможно: хрупкий материал при протяженных включенных дефектах не рекомендуется применять, в некоторых клинических случаях требуется предварительно восковое моделирование, а значит и дополнительное посещение).

Современная стоматология базируется на усовершенствовании биоматериалов, методов их получения и обработки [3]. Одним из прогрессивных способов изготовления временных ортопедических конструкций является 3D-печать. Метод дает такие преимущества, как: материал легко поддается полировке и механической обработке, долговременные конструкции возможно изготовить в одно посещение, точная посадка и более длительный срок использования конструкций в полости рта. К недостаткам метода следует отнести необходимость дополнительного оборудования для изготовления таких конструкций. Однако во внимание должен быть принят не только способ изготовления, но и сам материал. Поскольку при эксплуатации стоматологические конструкции испытывают большую нагрузку, рациональный выбор материла и способ изготовления напрямую влияют на качество лечения [4].

Как свойство материала, так и метод его изготовления, и дальнейшая обработка существенно влияют на многие качества конечного изделия. Материал, из которого изготавливаются стоматологические конструкции, может быть получен различными способами, в том числе фрезерованием и при помощи аддитивных технологий [5]. Решение об использовании конкретного материала возможно принять, в том числе исходя из прочностных характеристик образцов, исследование которых может быть проведено как в объеме, так и на поверхности. Широко распространенным методом определения механических свойств является индентирование как наиболее точный экспериментально подтвержденный метод. Сочетание его с испытаниями на изгиб, дающими информацию об объемных прочностных характеристиках образца, позволяет получить обширную картину, в которой проявятся преимущества одного материала по сравнению с другим. Доказано, что твердость реставрационных материалов должна быть приближена к твердости тканей зуба, точнее, эмали, что позволит не разрушаться под силами жевательного давления и не стирать зубы-антагонисты [6]. Результатом инструментального метода служат значения твердости, а измерения прочности и упругости проводились по методу трехточечного изгиба. Исследование физико-механических свойств материалов — один из определяющих факторов выбора временных несъемных конструкций.

Целью работы является изучение механических свойств материалов временных композитных коронок и композитных ортопедических конструкций временного использования, изготовленных методом 3D-печати.

В данной работе исследовались 2 группы образцов:

— Protemp 4» (3M, США, далее — материал 1). Материал композитный для временных коронок и мостовидных конструкций, возможно использование материала с применением силиконового ключа непосредственно после обработки зубов. Удобен в работе, хорошая фиксация, ремонтопригоден, требует дополнительного времени для постобработки.

— Dental Sand (HARZ Labs, Россия, далее — материал 2). Композитный материал, легко поддается полировке и механической обработке, временные конструкции возможно изготовить в одно посещение, точная посадка, так как изготавливается машинным способом, более длительный срок использования материала.

Для двух исследованных групп образцов: исходных, напечатанных на 3D-принтере, и залитых образцов материала 1 определенной формы было изготовлено по 8 образцов, визуально проверенных на отсутствие пористости. Твердость определяли согласно результатам инструментального метода индентирования, прописанного в стандарте ГОСТ 24621—2015 (ISO 868:2003) [Пластмассы и эбонит. Определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра (твердость по Шору)].

Метод позволяет выполнить измерение либо непосредственно после вдавливания, либо спустя заданный промежуток времени после вдавливания, либо и то и другое. Специальный индентор вдавливают в испытуемый материал под действием силы в заданных условиях и измеряют глубину вдавливания. Твердость при вдавливании обратно пропорциональна глубине вдавливания и зависит от модуля упругости и вязкоупругих свойств материала.

Измерение твердости образцов проведено на универсальной испытательной машине F.X. Durameter. Образец для испытания помещали на твердую горизонтальную ровную поверхность. Дюрометр устанавливали в вертикальном положении так, чтобы кончик индентора находился на расстоянии не менее 9 мм от любого края испытуемого образца. Со скоростью 50 мм/мин, массой груза 5 кг к образцу прижимается опорная поверхность дюрометра параллельно поверхности образца. К опорной поверхности прилагают давление, достаточное для обеспечения надежного контакта с образцом. Через 15±1 с снимают показания индикаторного устройства. Если необходимо провести мгновенное измерение, то показание снимают в течение 1 с после прижатия опорной поверхности к образцу. В этом случае записывают максимальное значение, которое покажет индикатор дюрометра. Проводят 5 измерений твердости в разных местах поверхности образца, но на расстоянии не менее 6 мм от точки предыдущего измерения, и определяют среднее значение.

Твердость показывает, как материал реагирует на проникновение. Твердость по Шору необязательно требуется для гипсового литья, но оказывается очень полезной в случае, если требуется выбор материалов для изготовления прямым способом или методом 3D-печати.

Измерение прочности на изгиб и модуля упругости образцов проведено на универсальной испытательной машине (разрывной) Tesile Test Machine 5kN WDW-5S в соответствии со стандартом [7]. Для этого из каждого исследуемого материала были приготовлены 8 полосок, проверенных на отсутствие пористости.

Устройство для испытания на трехточечный изгиб состоит из центрального нагружающего плунжера и двух опор в виде цилиндров с отполированными поверхностями диаметром 3,2 мм и минимальной длиной 10,5 мм. Опоры расположены параллельно с отклонением не более 0,1 мм и перпендикулярны к продольной центральной линии. Расстояние между центрами опор 50±0,1 мм; нагрузочный плунжер находится в центре между опорами с допускаемым отклонением от центра 0,1 мм.

Равномерно увеличивают нагрузку плунжера с постоянной скоростью (5±1)50 мм/5 мин до разрушения образца.

Прочность при изгибе σ вычисляют по формуле:

,

где F — нагрузка при разрушении образца, l — расстояние между опорами, b — ширина образца, h — высота образца.

Модуль упругости при изгибе E, МПа, вычисляют по формуле:

,

где F₁ — нагрузка в области упругой деформации образца, выбранная на прямолинейном участке диаграммы нагрузка—деформация, d — деформация при нагрузке F₁.

В табл. 1 приведены параметры твердости по Шору. Согласно приведенным данным, образцы, напечатанные на 3D-принтере и приготовленные из материала 1, показали результаты стабильно выше 90 по шкале D мН, что свидетельствует о высокой твердости двух сравниваемых материалов.

Таблица 1. Результаты исследования твердости по Шору

На рис. 1 приведены диаграммы твердости. Видно, что наибольшее среднее значение твердости показали напечатанные на 3D-принтере образцы из материала 2.

Рис. 1. Результаты исследования твердости по Шору.

В табл. 2 отражены результаты испытания образцов на трехточечный изгиб. Сравнение приведенных результатов показывает, что прочность на изгиб и упругость на изгиб образцов имеют стабильно высокие значения относительно стандартного отклонения.

Таблица 2. Результаты испытаний на трехточечный изгиб

Как видно из рис. 2, материал 1 обладает более высокими физико-механическими характеристиками на изгиб, чем напечатанные на 3D-принтере образцы материала 2.

Рис. 2. Результаты испытаний на изгиб.

а — диаграммы прочности на изгиб; б — диаграммы упругости на изгиб.

Графики зависимости нагрузки от изгиба приведены на рис. 3. Эти графики построены машиной при испытании на изгиб, по результатам которых мы можем наблюдать более высокие значения модуля упругости у материала 2.

Рис. 3. Графики зависимости нагрузки от изгиба.

а — материал 2; б — материал 1.

В настоящей работе проведены измерения твердости, модуля упругости на изгиб, а также прочности на изгиб материалов, полученных как при помощи аддитивных технологий, так и классическим способом с целью анализа применимости их для изготовления временных конструкций прямым способом и коронок временного использования, изготовленных методом 3D-печати.

Твердость, прочность на изгиб и упругость на изгиб обоих материалов показывают стабильно высокие значения, требуемые в ГОСТ 2462—2015 (ISO 868:2003) [Пластмассы и эбонит] и ГОСТ 4648—2014 (ISO 178:2010) [Пластмассы]. На данном этапе исследования оба материала могут быть предметом выбора при изготовлении временных ортопедических конструкций. Для более точной оценки необходимо продолжить исследование обоих групп материалов на биохимические показатели, цитотоксичность, водопоглощение, изучение микроструктуры твердых тел образцов.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Шнайдер С.Д., Нуриева Н.С.

Сбор и обработка материала — Шнайдер С.Д., Юрасов А.Д.

Написание текста — Шнайдер С.Д., Нуриева Н.С., Юрасов А.Д

Редактирование — Юрасов А.Д.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Schneider S.D., Nurieva N.S.

Data collection and processing — Schneider S.D., Yurasov A.D.

Text writing — Schneider S.D., Nurieva N.S., Yurasov A.D.

Editing — Yurasov A.D.