DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03909-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297290
تاريخ النشر: 2024-01-31
المؤلف: Tamer M. Hamdy
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير دمج 0.5% وزن (wt.) من أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة (Ag-doped CNTs) في البولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) ذاتية التصلب على خصائصها الميكانيكية. يُستخدم PMMA عادةً كقاعدة لأطقم الأسنان، وعلى الرغم من أن الراتنج الأكريلي ذاتي التصلب يمكنه إصلاح الكسور، إلا أن المناطق المُعالجة تظل عرضة للتلف. تفترض الدراسة أن الجمع بين أنابيب الكربون النانوية وجزيئات الفضة يمكن أن يعزز الخصائص الميكانيكية لـ PMMA بسبب التأثيرات التآزرية المحتملة.
تم إعداد 60 عينة من الراتنج الأكريلي، مقسمة إلى مجموعة تحكم (PMMA القياسي) ومجموعة معدلة (PMMA مع 0.5% wt. من أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة). تم تقييم الخصائص الميكانيكية بما في ذلك قوة الانحناء، معامل الانحناء، قوة الصدمة، والصلابة السطحية الدقيقة، مع إجراء تحليل إحصائي باستخدام اختبارات t لعينة مستقلة. أشارت النتائج إلى أن PMMA المعدل أظهر تحسينات كبيرة في الخصائص الميكانيكية: قوة الانحناء (132.4 ميجا باسكال مقابل 63.2 ميجا باسكال)، معامل الانحناء (3.067 جيجا باسكال مقابل 1.47 جيجا باسكال)، قوة الصدمة (11.2 كيلوجول/مم² مقابل 2.3 كيلوجول/مم²)، والصلابة الدقيقة (29.7 VHN مقابل 16.4 VHN)، جميعها بقيمة p تساوي 0.0001. تستنتج الدراسة أن إضافة 0.5% wt. من أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة تعزز بشكل كبير الأداء الميكانيكي لـ PMMA ذاتي التصلب، مما يشير إلى إمكاناتها لتحسين المتانة في التطبيقات السنية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية البوليمرات، وخاصة الراتنجات الأكريلية، في التطبيقات السنية، خاصة لقاعدة الأطقم القابلة للإزالة. يُعتبر البولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) المكون الرئيسي لكل من الراتنجات الأكريلية ذاتية التصلب والحرارية، حيث يُستخدم الأول بشكل أساسي في تصنيع قواعد الأطقم، بينما يُستخدم الثاني للإصلاحات. تعتبر الكسور في الأطقم الأكريلية مشكلة شائعة، وغالبًا ما تنتج عن خصائص المواد غير الكافية، وعيوب التصميم، والضغوط الخارجية، مثل عدم الملاءمة أو السقوط العرضي. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تعزيز الخصائص الميكانيكية للراتنجات الأكريلية ذاتية التصلب، التي تظهر عادةً قوة أقل مقارنةً بنظيراتها الحرارية.
لمعالجة هذه التحديات، تم استكشاف مجموعة متنوعة من المواد المالئة لتعزيز البوليمرات القائمة على PMMA، بما في ذلك المطاط، والألياف، والسيراميك، والمعادن. أظهرت الدراسات الحديثة أن دمج ألياف الزجاج القصيرة، والزركونيا، ونيتريد البورون يمكن أن يحسن الخصائص الميكانيكية لـ PMMA ذاتي التصلب. بالإضافة إلى ذلك، تم تسليط الضوء على أنابيب الكربون النانوية (CNTs) لإمكاناتها في تعزيز الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للمواد السنية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثير إضافة 0.5% وزن (wt.) من جزيئات CNT المضافة بالفضة إلى PMMA ذاتي التصلب، مع تقييم تأثيرها على قوة الانحناء، قوة الصدمة، والصلابة السطحية الدقيقة. تفترض الفرضية الصفرية أن هذا الدمج لن يؤثر بشكل كبير على هذه الخصائص الميكانيكية مقارنةً بمجموعة التحكم.
الطرق
تحدد قسم الطرق في هذه الدراسة التجريبية الإجراءات والمواد المستخدمة للتحقيق في خصائص الراتنج الأكريلي ذاتي التصلب المعدل بأنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة (CNTs). حصلت الدراسة على موافقة أخلاقية من اللجنة الأخلاقية للبحوث الطبية (MREC) في القاهرة، مصر، وتم تحديد حجم العينة ليكون 10 عينات لكل مجموعة باستخدام حاسبة حجم العينة G*Power. تضمنت المواد راتنج أكريلي ذاتي التصلب تقليدي (Acrostone Cold Cure Acrylic Resin) وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المتاحة تجاريًا المضافة بـ 12% وزن من مسحوق نانو الفضة، والتي تتميز بأبعاد محددة ونقاء عالٍ.
تم تصنيف العينات إلى مجموعتين: مجموعة تحكم تتكون من مزيج قياسي من مسحوق الأكريليك والسائل المونومر بنسبة حجم 3:1، ومجموعة معدلة حيث تم دمج 0.5% بالوزن من أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة في مسحوق الأكريليك. تضمنت عملية الخلط مزج يدوي تلاه حركة دورانية وهز لضمان التجانس. بعد الوصول إلى مرحلة العجينة، تم تشكيل المزيج وتركه ليتصلب لمدة 10 دقائق. تم فحص العينات بصريًا بحثًا عن عيوب ثم تم غمرها في ماء مقطر عند 37 درجة مئوية لمدة 24 ساعة قبل الاختبار. قامت الدراسة بقياس قوة الانحناء، قوة الصدمة، والصلابة السطحية الدقيقة، مع إعداد 20 عينة لكل مجموعة لضمان جمع بيانات قوية.
النتائج
تشير النتائج إلى تحسين كبير في الخصائص الميكانيكية لـ PMMA المعدل مع أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة (CNTs) مقارنةً بمجموعة التحكم. على وجه التحديد، زادت قوة الانحناء من 63.2 ميجا باسكال في مجموعة التحكم إلى 132.4 ميجا باسكال في المجموعة المعدلة، بينما ارتفع معامل الانحناء من 1.47 جيجا باسكال إلى 3.067 جيجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، تحسنت قوة الصدمة من 2.3 كيلوجول/مم² إلى 11.2 كيلوجول/مم²، وزاد رقم الصلابة الدقيقة (VHN) من 16.4 VHN إلى 29.7 VHN. كانت جميع الفروقات ذات دلالة إحصائية بقيمة p ≤ 0.05، مما يبرز فعالية أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة في تعزيز الخصائص الميكانيكية لـ PMMA.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لتعزيز الخصائص الميكانيكية للراتنج الأكريلي PMMA، الذي يُستخدم عادةً في قواعد الأطقم ولكنه عرضة للكسور تحت الضغوط الانحنائية والصدمة. قامت الدراسة بتقييم تأثير دمج 0.5% وزن من أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة (Ag-doped CNTs) في PMMA ذاتي التصلب، كاشفة عن تحسينات كبيرة في قوة الانحناء، معامل الانحناء، قوة الصدمة، والصلابة السطحية الدقيقة. تُعزى التحسينات إلى التعزيز الفعال الذي توفره أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة، والتي تحد من الانزلاق بين أجزاء البوليمر وتساعد في نقل الإجهاد بسبب مساحتها السطحية العالية.
تتوافق النتائج مع الأبحاث السابقة التي تشير إلى أن إضافة الجسيمات النانوية يمكن أن تحسن بشكل كبير الخصائص الميكانيكية للمواد القائمة على PMMA. تؤكد الدراسة أن PMMA المعدل يظهر مقاومة فائقة للكسور، وهو أمر ضروري لطول عمر الأطراف السنية. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود في تحقيقهم، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من البحث حول خصائص ميكانيكية إضافية، وقوة الربط، والتوصيف المورفولوجي للمواد المعدلة لفهم الآثار المترتبة على استخدام أنابيب الكربون النانوية المضافة بالفضة في التطبيقات السريرية بشكل كامل.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-03909-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297290
Publication Date: 2024-01-31
Author(s): Tamer M. Hamdy
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
The research investigates the effects of incorporating 0.5% weight percent (wt.) silver-doped carbon nanotubes (Ag-doped CNTs) into self-cured poly-methyl methacrylate (PMMA) on its mechanical properties. PMMA is commonly used for denture bases, and while self-cured acrylic resin can repair fractures, the repaired areas remain susceptible to damage. The study hypothesizes that the combination of CNTs and silver nanoparticles could enhance the mechanical characteristics of PMMA due to potential synergistic effects.
A total of 60 acrylic resin specimens were prepared, divided into a control group (standard PMMA) and a modified group (PMMA with 0.5% wt. Ag-doped CNTs). The mechanical properties assessed included flexural strength, flexural modulus, impact strength, and surface microhardness, with statistical analysis performed using independent sample t-tests. The results indicated that the modified PMMA exhibited significantly improved mechanical properties: flexural strength (132.4 MPa vs. 63.2 MPa), flexural modulus (3.067 GPa vs. 1.47 GPa), impact strength (11.2 kJ/mm² vs. 2.3 kJ/mm²), and microhardness (29.7 VHN vs. 16.4 VHN), all with a p-value of 0.0001. The study concludes that the addition of 0.5% wt. Ag-doped CNTs significantly enhances the mechanical performance of self-cured PMMA, suggesting its potential for improved durability in dental applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of polymers, particularly acrylic resins, in dental applications, especially for removable denture bases. Polymethyl methacrylate (PMMA) is the primary component of both heat-cured and self-cured acrylic resins, with the former predominantly used for manufacturing denture bases and the latter for repairs. Fractures in acrylic dentures are a common issue, often resulting from inadequate material properties, design flaws, and external stresses, such as improper fit or accidental drops. The paper emphasizes the need to enhance the mechanical properties of self-cured acrylic resins, which typically exhibit lower strength compared to their heat-cured counterparts.
To address these challenges, various fillers have been explored to reinforce PMMA-based polymers, including rubbers, fibers, ceramics, and metals. Recent studies have shown that incorporating short E-glass fibers, zirconia, and boron nitride can improve the mechanical properties of self-cured PMMA. Additionally, carbon nanotubes (CNTs) are highlighted for their potential to enhance the mechanical and physical properties of dental materials. The study aims to investigate the effects of adding 0.5% weight percent (wt.) of silver-doped CNT nanoparticles to self-cured PMMA, specifically assessing its impact on flexural strength, impact strength, and surface microhardness. The null hypothesis posits that this incorporation will not significantly affect these mechanical properties compared to a control group.
Methods
The methods section of this experimental study outlines the procedures and materials used to investigate the properties of self-cured acrylic resin modified with silver-doped carbon nanotubes (CNTs). The study received ethical approval from the Medical Research Ethical Committee (MREC) in Cairo, Egypt, and the sample size was determined to be 10 specimens per group using the G*Power sample size calculator. The materials included a conventional self-cured acrylic resin (Acrostone Cold Cure Acrylic Resin) and commercially available multi-walled CNTs doped with 12% weight nano-silver powder, characterized by specific dimensions and high purity.
Specimens were categorized into two groups: a control group consisting of a standard mixture of acrylic powder and liquid monomer in a 3:1 volume ratio, and a modified group where 0.5% by weight of Ag-doped CNTs was incorporated into the acrylic powder. The mixing process involved manual blending followed by a rotational motion and shaking to ensure homogeneity. After achieving the dough stage, the mixture was molded and allowed to polymerize for 10 minutes. Specimens were visually inspected for defects and then immersed in distilled water at 37 °C for 24 hours prior to testing. The study measured flexural strength, impact strength, and surface microhardness, with 20 specimens prepared for each group to ensure robust data collection.
Results
The results indicate a significant enhancement in mechanical properties of the modified PMMA with Ag-doped carbon nanotubes (CNTs) compared to the control group. Specifically, the flexural strength increased from 63.2 MPa in the control group to 132.4 MPa in the modified group, while the flexural modulus rose from 1.47 GPa to 3.067 GPa. Additionally, the impact strength improved from 2.3 kJ/mm² to 11.2 kJ/mm², and the Vickers microhardness number (VHN) increased from 16.4 VHN to 29.7 VHN. All differences were statistically significant with a p-value ≤ 0.05, underscoring the effectiveness of Ag-doped CNTs in enhancing the mechanical properties of PMMA.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical need to enhance the mechanical properties of PMMA acrylic resin, which is commonly used in denture bases but is prone to fractures under flexural and impact stresses. The study evaluated the effects of incorporating 0.5% wt. of silver-doped carbon nanotubes (Ag-doped CNTs) into self-cured PMMA, revealing significant improvements in flexural strength, flexural modulus, impact strength, and surface microhardness. The enhancements are attributed to the effective reinforcement provided by the Ag-doped CNTs, which restrict slippage between polymer segments and facilitate stress transfer due to their high surface area.
The findings align with previous research indicating that the addition of nanoparticles can substantially improve the mechanical properties of PMMA-based materials. The study confirms that the modified PMMA exhibits superior fracture resistance, which is essential for the longevity of dental prosthetics. However, the authors acknowledge limitations in their investigation, suggesting the need for further research on additional mechanical properties, bond strength, and morphological characterization of the modified materials to fully understand the implications of using Ag-doped CNTs in clinical applications.