DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03991-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38395828
تاريخ النشر: 2024-02-23
المؤلف: Mohamed M. Abdul-Monem وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات دورة الحرارة على طبوغرافيا السطح وقوة الكسر للراتنجات المستخدمة في قواعد الأسنان المصنعة رقميًا، مع التركيز على كل من العينات المطبوعة ثلاثية الأبعاد (3D) والعينات المفرغة باستخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر، التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAD-CAM). خضعت 50 عينة لتقييمات امتصاص الماء، الذوبان، الصلابة، خشونة السطح، وقوة الكسر قبل وبعد 2000 دورة حرارية، محاكاةً لسنتين من الشيخوخة السريرية. شملت المنهجيات المستخدمة اختبار صلابة فيكرز، قياس السطح باستخدام البروفيلومتر، واختبار انحناء ثلاثي النقاط لقوة الكسر، مع تحليل لاحق للأسطح المكسورة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام اختبارات مناسبة بناءً على توزيع البيانات.
كشفت النتائج أن كل من صلابة فيكرز وقوة الكسر انخفضت بشكل كبير بعد دورة الحرارة، حيث أظهرت الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد انخفاضًا أكثر وضوحًا (P < .001). بالإضافة إلى ذلك، زادت خشونة السطح للعينات المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير بعد دورة الحرارة (P < .001). من المهم أن نلاحظ أن دورة الحرارة لم تؤثر على امتصاص الماء والذوبان لأي من المواد. في الختام، أظهرت العينات المفرغة باستخدام CAD-CAM صلابة وقوة كسر أفضل، بالإضافة إلى خشونة سطح أقل مقارنةً بنظيراتها المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مما يبرز تأثير دورة الحرارة على هذه الخصائص في مواد قواعد الأسنان.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تطور أطقم الأسنان الكاملة (CDs) من تقنيات التشكيل التقليدية باستخدام بوليميثيل ميثاكريلات (PMMA) إلى عمليات CAD-CAM الحديثة. بينما كانت الطرق التقليدية مستخدمة لأكثر من 50 عامًا، فإن التقدم في تكنولوجيا CAD-CAM قد سهل تصنيع الأطقم، مما قلل من كثافة العمل ومعدلات الخطأ. تسلط الورقة الضوء على أن أطقم الأسنان المصنعة باستخدام CAD-CAM، سواء من خلال طرق الطرح من كتل الراتنج المسبقة البوليمرة أو تقنيات الإضافة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، تظهر خصائص ميكانيكية متفوقة، وتقليل الاستعمار الميكروبي، وتحسين استقرار اللون مقارنةً بالراتنجات المصبوبة بالضغط.
يؤكد المؤلفون على أهمية تقييم الخصائص الميكانيكية والسطحية لمواد CAD-CAM، خاصة في سياق دورة الحرارة، التي تحاكي تقلبات درجة الحرارة التي تحدث في تجويف الفم. يمكن أن تؤثر هذه التقلبات سلبًا على أداء المواد السنية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات دورة الحرارة على خصائص مختلفة – صلابة فيكرز، خشونة السطح، قوة الكسر، امتصاص الماء، والذوبان – لمواد قواعد الأسنان المفرغة باستخدام CAD-CAM والمطبوعة ثلاثية الأبعاد. تفترض الفرضية الصفرية أن دورة الحرارة لن تؤثر على هذه الخصائص، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتحديد الجدوى طويلة الأمد لهذه المواد في البيئات السريرية.
الطرق
تمت الموافقة على منهجية البحث من قبل لجنة أخلاقيات البحث في جامعة الإسكندرية، كلية طب الأسنان (IORG 0008839). شملت الدراسة مجموعتين، كل منها تتكون من 50 عينة: راتنج مطبوع ثلاثي الأبعاد (قاعدة طقم الأسنان LP؛ Formlabs) وكتل مسبقة البوليمرة (M-PM؛ Merz Dental GmbH). تم تحديد حجم العينة البالغ 100 عينة بناءً على مستوى ثقة 95% وقوة 80%، باستخدام برنامج G*power 3.0.10 وتقنية روزنر للحسابات.
شملت تقييمات كل مادة قياسات صلابة فيكرز (n = 10)، خشونة السطح (n = 10)، قوة الكسر (n = 20)، الذوبان، وامتصاص الماء (n = 10)، التي أجريت قبل وبعد دورة الحرارة. تم تصميم العينات باستخدام برنامج Autodesk Meshmixer وحفظها بتنسيق لغة التشكيل القياسي (STL) لمزيد من التحليل.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن مواد قواعد الأسنان المفرغة باستخدام CAD-CAM تظهر صلابة فيكرز متفوقة مقارنةً بالراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، سواء قبل (18.02 ± 0.67 مقابل 16.26 ± 0.79) أو بعد دورة الحرارة (16.26 ± 0.79 مقابل 12.42 ± 1.30). شهدت كلا نوعي المواد انخفاضًا في الصلابة بعد دورة الحرارة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن تأثيرات كبيرة لكل من نوع المادة (P < .001) ودورة الحرارة (P < .001)، بالإضافة إلى تفاعل كبير بين الاثنين (P = .001). كانت خشونة السطح أيضًا أكبر في مجموعة الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد مقارنةً بمجموعة CAD-CAM المفرغة، سواء قبل (0.69 ± 0.05 مقابل 0.18 ± 0.01) أو بعد دورة الحرارة (1.16 ± 0.16 مقابل 0.14 ± 0.02)، مع ملاحظات لزيادات كبيرة في الخشونة بعد دورة الحرارة لكلا المجموعتين (P < .001). كانت قوة الكسر أعلى بشكل ملحوظ في مجموعة CAD-CAM المفرغة مقارنةً بمجموعة الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، سواء قبل (4.16 ± 0.06 مقابل 1.30 ± 0.06) أو بعد دورة الحرارة (3.82 ± 0.08 مقابل 0.78 ± 0.05)، مع انخفاضات كبيرة في القوة لكلا المادتين بعد دورة الحرارة (P < .001). كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن هيكل مضغوط مع شقوق غير منتظمة صغيرة في مجموعة CAD-CAM المفرغة، مما يدل على انتشار بطيء للشقوق، بينما عرضت مجموعة الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد هيكلًا طبقيًا مع شقوق حادة، مما يشير إلى انتشار سريع للشقوق وفصل الطبقات. أظهر تحليل امتصاص الماء عدم وجود فرق كبير لمجموعة CAD-CAM المفرغة قبل وبعد دورة الحرارة (P = .154)، بينما أظهرت مجموعة الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد انخفاضًا كبيرًا في امتصاص الماء بعد دورة الحرارة (P = .020). بشكل عام، كانت التغيرات النسبية في الصلابة، خشونة السطح، وقوة الكسر أكبر بشكل ملحوظ في مجموعة الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد مقارنةً بالمجموعة المفرغة (P < .001)، على الرغم من أن تغييرات امتصاص الماء كانت مشابهة عبر كلا المجموعتين (P = .644).
المناقشة
تستكشف قسم المناقشة في الدراسة تأثير دورة الحرارة على طبوغرافيا السطح وقوة الكسر لمواد قواعد الأسنان المنتجة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد وتفريغ CAD-CAM. تشير النتائج إلى رفض جزئي للفرضية الصفرية، مما يدل على أن دورة الحرارة تؤثر بشكل كبير على الخصائص السطحية وقوة الكسر، مع اختلافات ملحوظة بين طريقتي التصنيع. على وجه التحديد، بينما أظهرت كل من الراتنجات المفرغة والمطبوعة ثلاثية الأبعاد انخفاضًا في صلابة فيكرز بعد دورة الحرارة، حافظت المجموعة المفرغة على قيم صلابة أعلى. من المحتمل أن يكون امتصاص الماء المتزايد في الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، المنسوب إلى هيكلها الطبقي وارتفاع محتوى المونومر المتبقي، قد ساهم في هذا الانخفاض في الخصائص الميكانيكية.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن خشونة السطح زادت لكلا المجموعتين بعد دورة الحرارة، حيث أظهرت الراتنجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد أسطحًا أكثر خشونة بشكل ملحوظ من نظيراتها المفرغة. ترتبط هذه الخشونة بعملية التصنيع، حيث تؤدي الطريقة الطبقية للطباعة ثلاثية الأبعاد إلى المزيد من الفراغات ورابطة بين الطبقات أقل فعالية. كما انخفضت قوة الكسر في كلا المجموعتين، حيث أظهرت المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد انخفاضًا أكثر وضوحًا، من المحتمل بسبب فصل الطبقات الذي تفاقم بفعل الضغط الحراري. تشمل القيود الملحوظة استخدام مواد من مصنع واحد وعدد منخفض نسبيًا من دورات الحرارة، مما يشير إلى أن مزيدًا من البحث مطلوب لاستكشاف مجموعة أوسع من المواد والظروف.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03991-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38395828
Publication Date: 2024-02-23
Author(s): Mohamed M. Abdul-Monem et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
This study investigates the effects of thermocycling on the surface topography and fracture toughness of resins used in digitally manufactured denture bases, focusing on both three-dimensional (3D)-printed and computer-aided design, computer-aided manufacturing (CAD-CAM) milled specimens. A total of 50 specimens underwent assessments of water sorption, solubility, hardness, surface roughness, and fracture toughness before and after 2000 thermocycles, simulating two years of clinical aging. The methodologies employed included Vickers hardness testing, contact profilometry for surface roughness, and a 3-point bend test for fracture toughness, with subsequent analysis of fractured surfaces using scanning electron microscopy (SEM). Statistical analyses were conducted using appropriate tests based on data distribution.
The findings revealed that both Vickers hardness and fracture toughness significantly decreased post-thermocycling, with the 3D-printed resins exhibiting a more pronounced reduction (P < .001). Additionally, the surface roughness of the 3D-printed specimens increased significantly after thermocycling (P < .001). Importantly, thermocycling did not affect the water sorption and solubility of either material. In conclusion, CAD-CAM milled specimens demonstrated superior hardness and fracture toughness, as well as lower surface roughness compared to their 3D-printed counterparts, highlighting the impact of thermocycling on these properties in denture base materials.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the evolution of complete dentures (CDs) from traditional compression molding techniques using polymethylmethacrylate (PMMA) to modern CAD-CAM processes. While conventional methods have been in use for over 50 years, advancements in CAD-CAM technology have streamlined denture fabrication, reducing labor intensity and error rates. The paper highlights that CAD-CAM dentures, produced either through subtractive methods from pre-polymerized resin blocks or additive techniques using 3D printing, exhibit superior mechanical properties, reduced microbial colonization, and improved color stability compared to compression-molded resins.
The authors emphasize the importance of evaluating the mechanical and surface properties of CAD-CAM materials, particularly in the context of thermal cycling, which simulates the temperature fluctuations experienced in the oral cavity. These fluctuations can adversely affect the performance of dental materials. The study aims to investigate the effects of thermal cycling on various properties—Vickers hardness, surface roughness, fracture toughness, water sorption, and solubility—of CAD-CAM milled and 3D-printed denture base materials. The null hypothesis posits that thermocycling will not influence these properties, underscoring the need for further research to determine the long-term viability of these materials in clinical settings.
Methods
The research methodology was approved by the Committee of Research Ethics at Alexandria University, Faculty of Dentistry (IORG 0008839). The study involved two groups, each consisting of 50 specimens: 3D-printed resin (Denture base LP; Formlabs) and prepolymerized blanks (M-PM; Merz Dental GmbH). The sample size of 100 specimens was determined based on a 95% confidence level and 80% power, utilizing G*power 3.0.10 software and the Rosner technique for calculations.
The evaluation of each material included measurements of Vickers hardness (n = 10), surface roughness (n = 10), fracture toughness (n = 20), solubility, and sorption (n = 10), conducted both before and after thermocycling. Specimens were designed using Autodesk Meshmixer software and saved in standard tessellation language (STL) format for further analysis.
Results
The results of the study indicate that CAD-CAM milled denture base materials exhibit superior Vickers hardness compared to 3D-printed resins, both before (18.02 ± 0.67 vs. 16.26 ± 0.79) and after thermal cycling (16.26 ± 0.79 vs. 12.42 ± 1.30). Both material types experienced a reduction in hardness post-thermocycling, with statistical analysis revealing significant effects of both material type (P < .001) and thermocycling (P < .001), as well as a significant interaction between the two (P = .001). Surface roughness was also greater in the 3D-printed group compared to the CAD-CAM milled group, both before (0.69 ± 0.05 vs. 0.18 ± 0.01) and after thermocycling (1.16 ± 0.16 vs. 0.14 ± 0.02), with significant increases in roughness observed post-thermocycling for both groups (P < .001). Fracture toughness was notably higher in the CAD-CAM milled group compared to the 3D-printed group, both before (4.16 ± 0.06 vs. 1.30 ± 0.06) and after thermocycling (3.82 ± 0.08 vs. 0.78 ± 0.05), with significant reductions in toughness for both materials after thermocycling (P < .001). Scanning electron microscopy (SEM) images revealed a compact structure with small irregular cracks in the CAD-CAM milled group, indicating slow crack propagation, while the 3D-printed group displayed a layered structure with sharp cracks, suggesting rapid crack propagation and delamination. Water sorption analysis showed no significant difference for the CAD-CAM milled group before and after thermocycling (P = .154), while the 3D-printed group exhibited a significant decrease in water sorption post-thermocycling (P = .020). Overall, the percent changes in hardness, surface roughness, and fracture toughness were significantly greater in the 3D-printed group compared to the milled group (P < .001), although water sorption changes were similar across both groups (P = .644).
Discussion
The discussion section of the study investigates the impact of thermocycling on the surface topography and fracture toughness of denture base materials produced through 3D printing and CAD-CAM milling. The findings partially reject the null hypothesis, indicating that thermocycling significantly affects surface characteristics and fracture toughness, with notable differences between the two fabrication methods. Specifically, while both milled and 3D-printed resins exhibited a decrease in Vickers hardness post-thermocycling, the milled group maintained higher hardness values. The increased water absorption in 3D-printed resins, attributed to their layered structure and higher residual monomer content, likely contributed to this decline in mechanical properties.
Additionally, the study highlights that surface roughness increased for both groups after thermocycling, with 3D-printed resins exhibiting significantly rougher surfaces than their milled counterparts. This roughness is linked to the manufacturing process, where the layer-by-layer approach of 3D printing results in more voids and less effective inter-layer bonding. Fracture toughness also diminished in both groups, with the 3D-printed materials showing a more pronounced reduction, likely due to layer delamination exacerbated by thermal stress. Limitations noted include the use of materials from a single manufacturer and a relatively low number of thermocycles, suggesting that further research is warranted to explore a broader range of materials and conditions.