DOI: https://doi.org/10.1007/s00056-023-00511-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38277054
تاريخ النشر: 2024-01-26
المؤلف: Lukas Camenisch وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقويم الأسنان وطب الأسنان الوجهية
نظرة عامة
هدفت هذه الدراسة إلى تقييم الخصائص الميكانيكية للموصلات التقويمية المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) القائمة على الراتنج بناءً على اتجاه الطباعة. تم إنتاج ما مجموعه 40 عينة، بما في ذلك 20 عينة على شكل دمبل و20 موصل تقويمي، في كل من الاتجاهين الأفقي (H) والعمودي (V) وتعرضت لاختبارات ميكانيكية متنوعة. تشمل الخصائص التي تم تقييمها قوة الخضوع (YS)، قوة الكسر (BS)، التشوه البلاستيكي (ε)، صلابة مارتنز (HM)، معامل الانغماس (EIT)، مؤشر المرونة (ηIT)، واسترخاء الانغماس (RIT). أظهرت التحليلات الإحصائية عدم وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية بين الخصائص الميكانيكية للعناصر أو الموصلات المطبوعة في أي من الاتجاهين (P > 0.05).
تشير النتائج إلى أن الموصلات المطبوعة بتقنية 3D تمتلك خصائص ميكانيكية مقبولة، مع قيم متوسطة لـ YS عند 19.2 ميغاباسكال، وBS عند 19.6 ميغاباسكال، وε عند 77%. تستنتج الدراسة أن اتجاه الطباعة لا يؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية للموصلات، مما يشير إلى أنه يمكن اعتبارها مواد متساوية الخواص في التطبيقات السريرية. تشير هذه المتساوية إلى أنه يمكن توقع استجابات ميكانيكية مماثلة داخل الفم تحت قوى متعددة الأبعاد مختلفة.
مقدمة
لقد أحدث إدخال تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) في تقويم الأسنان ثورة في تصنيع الموصلات التقويمية، حيث يوفر طريقة مباشرة وفعالة تتيح التوفر في نفس اليوم وتقليل التكاليف من خلال القضاء على الحاجة إلى مختبرات الأسنان. تتضمن هذه العملية بناء الموصلات طبقة تلو الأخرى من نماذج ثلاثية الأبعاد رقمية، حيث تستخدم معظم الطابعات مصدر ضوء لتبلمر الراتنجات في اتجاهات مختلفة. بينما تكون الطباعة الأفقية أسرع بسبب عدد الطبقات الأقل، فإن الطباعة العمودية تسمح بحجم إنتاج أكبر. على الرغم من المزايا، يمكن أن تؤدي الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى إجهادات متبقية بسبب انكماش المواد، مما قد يؤثر سلبًا على الخصائص الميكانيكية للموصلات، مثل معامل المرونة والصلابة، وكلاهما حاسم لفعاليتها السريرية.
تسلط الدراسة الضوء على فجوة كبيرة في الأدبيات المتعلقة بالخصائص الميكانيكية للموصلات التقويمية المنتجة في اتجاهات مختلفة، حيث تركز الممارسات الحالية بشكل أساسي على الكفاءة بدلاً من الأداء الوظيفي للموصلات. الهدف من هذا البحث هو التحقيق في كيفية تأثير اتجاه الطباعة على الخصائص الميكانيكية للموصلات التقويمية المطبوعة بتقنية 3D، مع فرضية العدم التي تفترض عدم وجود اختلاف في هذه الخصائص بين الموصلات المطبوعة أفقيًا مقابل عموديًا. هذه التحقيقات ضرورية لضمان أن الأداء السريري للموصلات يلبي المعايير اللازمة لعلاج تقويم الأسنان الفعال.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وأي خصائص ذات صلة قد تؤثر على النتائج. يتم وصف المنهجية بطريقة خطوة بخطوة، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. يشمل ذلك اختيار العينات، والتقنيات المستخدمة لجمع البيانات، والتحليلات الإحصائية المستخدمة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يسلط القسم الضوء على أي ضوابط أو متغيرات تم أخذها في الاعتبار أثناء التجارب، فضلاً عن المنطق وراء الطرق المختارة. يضمن هذا النهج الشامل أن البحث يلتزم بالصرامة العلمية، مما يسمح باستخلاص استنتاجات صحيحة من البيانات المجمعة. بشكل عام، تعتبر الطرق المستخدمة حاسمة لفهم موثوقية وقابلية تطبيق نتائج الدراسة.
النتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا مفصلًا للخصائص الميكانيكية لمجموعتين بناءً على منحنيات الإجهاد-الانفعال التمثيلية واختبارات الانغماس. تشير سلوكيات الإجهاد-الانفعال الملاحظة إلى زيادة مستمرة في الإجهاد حتى نقطة الخضوع، تليها انخفاض محلي في المساحة المقطعية، مما يبدأ في التمدد. مع تقدم التمدد، انخفض الإجهاد الاسمي حتى استقر، وبعد ذلك تم محاذاة السلاسل الجزيئية مع الإجهاد الشد، مما أدى إلى زيادة القوة والصلابة حتى الكسر النهائي. كشفت الخصائص الميكانيكية الرئيسية من اختبار الشد عن قوة خضوع تبلغ 19.2 ميغاباسكال (SD 1.7 ميغاباسكال)، وقوة كسر تبلغ 19.6 ميغاباسكال (SD 1.2 ميغاباسكال)، وتشوه بلاستيكي قدره 0.77% (SD 0.11%)، دون وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية بين المجموعتين الأفقية والعمودية (P > 0.05).
بالإضافة إلى ذلك، قدمت اختبارات الانغماس رؤى حول الخصائص الميكانيكية للموصلات، مع صلابة مارتنز عند وسيلة قدرها 89.0 N/mm² (IQR 84.5-90.0 N/mm²)، ومعامل الانغماس عند 2670.5 ميغاباسكال (IQR 2645.0-2726.0 ميغاباسكال)، ومؤشر المرونة عند 27.5% (IQR 25.9-28.1%)، ومتوسط استرخاء الانغماس 65.1% (SD 3.5%). مرة أخرى، لم يتم ملاحظة أي اختلافات ذات دلالة إحصائية بين المجموعتين (P > 0.05). يتضمن القسم أيضًا تمثيلات رسومية لمنحنيات القوة-عمق الانغماس وتدهور القوة المطبقة مع مرور الوقت، مما يوفر نظرة شاملة على السلوك الميكانيكي للمواد المختبرة.
المناقشة
يقيم قسم المناقشة في الدراسة الخصائص الميكانيكية للموصلات التقويمية المطبوعة بتقنية 3D المنتجة في كل من الاتجاهين الأفقي والعمودي. تشير النتائج إلى عدم وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية في قوة الخضوع، قوة الكسر، والتشوه البلاستيكي بين اتجاهي الطباعة، مما يدعم فرضية العدم التي تفترض أن اتجاه الطباعة لا يؤثر على خصائص الشد للموصلات. أظهرت منحنيات الإجهاد-الانفعال سلوكًا بوليمريًا نموذجيًا، مع متوسط معامل مرونة يبلغ 2670.5 ميغاباسكال، وهو مشابه لموصلات أخرى مصنوعة من الراتنج، ولكنه أعلى من تلك المصنوعة من بولي إيثيلين تيريفثاليت جلايكول (PET-G).
كشفت اختبارات الانغماس المجهزة عن قيم صلابة مماثلة للموصلات المطبوعة بتقنية 3D مقارنة بموصلات PET-G، على الرغم من أن موصلات Invisalign® كانت أكثر صلابة. أظهرت الموصلات المطبوعة بتقنية 3D طبيعة لينة مع مقاومة أقل للاسترخاء، مما قد يبدو في البداية غير مواتٍ ولكنه قد يسهل تطبيق قوى تقويمية مثالية. تقترح الدراسة أن عملية المعالجة اللاحقة قد تخفف من آثار اتجاه الطباعة على الخصائص الميكانيكية، مما يشير إلى أنه يمكن اعتبار هذه الموصلات متساوية الخواص. يُشجع على إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف المزيد من التوافق الحيوي وتأثيرات الشيخوخة لهذه المواد لتحسين استخدامها في تقويم الأسنان.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00056-023-00511-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38277054
Publication Date: 2024-01-26
Author(s): Lukas Camenisch et al.
Primary Topic: Orthodontics and Dentofacial Orthopedics
Overview
This study aimed to evaluate the mechanical properties of resin-based three-dimensional (3D) printed orthodontic aligners based on their printing orientation. A total of 40 specimens, including 20 dumbbell-shaped samples and 20 orthodontic aligners, were produced in both horizontal (H) and vertical (V) orientations and subjected to various mechanical tests. The properties assessed included yield strength (YS), breaking strength (BS), plastic strain (ε), Martens hardness (HM), indentation modulus (EIT), elastic index (ηIT), and indentation relaxation (RIT). Statistical analysis revealed no significant differences between the mechanical properties of specimens or aligners printed in either orientation (P > 0.05).
The findings indicate that the 3D-printed aligners possess acceptable mechanical properties, with mean values for YS at 19.2 MPa, BS at 19.6 MPa, and ε at 77%. The study concludes that the printing direction does not significantly influence the mechanical characteristics of the aligners, suggesting that they may be treated as isotropic materials in clinical applications. This isotropy implies that similar mechanical responses can be expected intraorally under various multidimensional forces.
Introduction
The introduction of three-dimensional (3D) printing technologies in orthodontics has revolutionized the fabrication of orthodontic aligners, offering a direct and efficient method that allows for same-day availability and reduced costs by eliminating the need for dental laboratories. This process involves the layer-by-layer construction of aligners from digital 3D models, with most printers utilizing a light source to polymerize resins in various orientations. While horizontal printing is faster due to fewer layers, vertical printing allows for larger production volumes. Despite the advantages, 3D printing can introduce residual stresses due to material shrinkage, which may adversely affect the mechanical properties of the aligners, such as modulus of elasticity and hardness, both critical for their clinical efficacy.
The study highlights a significant gap in the literature regarding the mechanical properties of orthodontic aligners produced in different orientations, as current practices primarily focus on efficiency rather than the functional performance of the aligners. The aim of this research is to investigate how printing orientation influences the mechanical properties of 3D-printed orthodontic aligners, with the null hypothesis positing that there is no difference in these properties between aligners printed horizontally versus vertically. This investigation is essential to ensure that the clinical performance of aligners meets the necessary standards for effective orthodontic treatment.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and any relevant characteristics that may influence the results. The methodology is described in a step-by-step manner, ensuring reproducibility of the experiments. This includes the selection of samples, the techniques applied for data collection, and the statistical analyses utilized to interpret the findings.
Additionally, the section may highlight any controls or variables that were accounted for during the experiments, as well as the rationale behind the chosen methods. This thorough approach ensures that the research adheres to scientific rigor, allowing for valid conclusions to be drawn from the data collected. Overall, the methods employed are crucial for understanding the reliability and applicability of the study’s results.
Results
The results section presents a detailed analysis of the mechanical properties of two groups based on representative stress-strain curves and indentation testing. The stress-strain behavior observed indicates a consistent increase in stress up to the yield point, followed by a local decrease in cross-sectional area, initiating necking. As necking progressed, nominal stress decreased until it stabilized, after which the molecular chains aligned with the tensile stress, resulting in increased strength and stiffness until final fracture. Key mechanical properties from tensile testing revealed a yield strength of 19.2 MPa (SD 1.7 MPa), breaking strength of 19.6 MPa (SD 1.2 MPa), and plastic strain of 0.77% (SD 0.11%), with no significant differences between the horizontal and vertical groups (P > 0.05).
Additionally, indentation testing provided insights into the mechanical properties of the aligners, with Martens hardness at a median of 89.0 N/mm² (IQR 84.5-90.0 N/mm²), indentation modulus at 2670.5 MPa (IQR 2645.0-2726.0 MPa), elastic index at 27.5% (IQR 25.9-28.1%), and indentation relaxation averaging 65.1% (SD 3.5%). Again, no statistically significant differences were noted between the two groups (P > 0.05). The section also includes graphical representations of force-indentation depth curves and the degradation of applied force over time, providing a comprehensive overview of the mechanical behavior of the materials tested.
Discussion
The discussion section of the study evaluates the mechanical properties of 3D-printed orthodontic aligners produced in both horizontal and vertical orientations. The findings indicate no statistically significant differences in yield strength, breaking strength, and plastic strain between the two printing orientations, supporting the null hypothesis that printing direction does not affect the aligners’ tensile properties. The stress-strain curves exhibited typical polymeric behavior, with a modulus of elasticity averaging 2670.5 MPa, comparable to other resin-made aligners, but higher than those made from polyethylene terephthalate glycol (PET-G).
Instrumented indentation testing revealed similar hardness values for the 3D-printed aligners compared to PET-G aligners, although Invisalign® aligners were found to be harder. The 3D-printed aligners demonstrated a ductile nature with a lower resistance to relaxation, which may initially seem disadvantageous but could facilitate the application of ideal orthodontic forces. The study suggests that the postcuring process may mitigate the effects of printing orientation on mechanical properties, indicating that these aligners can be considered isotropic. Future research is encouraged to further explore the biocompatibility and aging effects of these materials to optimize their use in orthodontics.