DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05267-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39736654
تاريخ النشر: 2024-12-30
المؤلف: Sufyan Garoushi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص الميكانيكية والخصائص الفيزيائية لخمس مواد مركبة مدعمة بالألياف القصيرة (SFRCs) متاحة تجارياً—Alert وFibrafill Flow وFibrafill Dentin وeverX Flow وeverX Posterior—مقارنة بمركب تقليدي مليء بالجزيئات (PFC، Essentia Universal). شملت التقييمات قوة الانحناء، معامل الانحناء، صلابة الكسر، درجة تحويل المونومر (DC%)، مقاومة التآكل، إجهاد انكماش البوليمر، ومقاومة الكسر لتاج المركب. التزمت المنهجيات بمعايير ISO، مستخدمةً طيفية FTIR، واختبارات تآكل ذات جسمين، وميكروسكوب إلكتروني مسح، مع إجراء تحليل إحصائي عبر ANOVA واختبار Tukey’s post hoc.
أشارت النتائج إلى أن everX Flow أظهر أقل عمق تآكل (20.4 ميكرومتر) وأعلى صلابة كسر (2.8 ميجا باسكال م\(^{1/2}\))، بينما كانت قيم قوة الانحناء لألياف Fibrafill Flow وFibrafill Dentin هي الأدنى (92 ميجا باسكال و98 ميجا باسكال، على التوالي). ومن الجدير بالذكر أن everX Flow أظهر أيضًا أعلى إجهاد انكماش بوليمر (5.3 ميجا باسكال) ومقاومة كسر أكبر بكثير (3870 ± 260 نيوتن) مقارنةً بالـ SFRCs الأخرى. تكشف النتائج عن اختلافات كبيرة في خصائص المركبات التي تم تقييمها، حيث أدت بعض الـ SFRCs أداءً مماثلاً للـ PFCs التقليدية، بينما أظهرت أخرى خصائص متفوقة.
مقدمة
تستعرض المقدمة الاعتماد المتزايد على المركبات المليئة بالجزيئات (PFCs) لترميم الأسنان بسبب جاذبيتها الجمالية، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها على الالتصاق بالمينا والعاج. على الرغم من مزاياها، تظهر الـ PFCs قيودًا في الصلابة، خاصةً في الترميمات الكبيرة المعرضة لأحمال ميكانيكية كبيرة، مما يؤدي إلى نقاشات مستمرة حول ملاءمتها للتطبيقات ذات الأحمال العالية. وقد أثار هذا اهتمامًا في تحسين المركبات الترميمية، خاصةً من خلال استخدام المركبات المدعمة بالألياف القصيرة (SFRCs)، التي تهدف إلى محاكاة الهيكل الطبيعي للأسنان من خلال دمج الـ SFRCs لتحل محل العاج وPFCs للمينا.
تشير الأبحاث إلى أن الـ SFRCs تظهر خصائص ميكانيكية متفوقة، خاصةً صلابة الكسر، مقارنةً بالـ PFCs التقليدية، مما يجعلها أقل عرضة للفشل الكارثي تحت الضغط. تبرز المقدمة التباين بين الـ SFRCs المتاحة تجارياً، المتأثر بعوامل مثل هندسة الألياف والارتباط بمصفوفة البوليمر. منتج جديد من الـ SFRC تم إطلاقه في عام 2022 يدعي معالجة نقاط ضعف الـ PFCs، مما يبرز الحاجة إلى دراسات مقارنة لتقييم الخصائص الميكانيكية والفيزيائية لهذه المواد. تهدف الدراسة إلى تقييم خمسة من الـ SFRCs المتاحة تجارياً مقابل PFC تقليدي، واختبار الفرضية الصفرية التي تفيد بأن نوع المادة لا يؤثر على خصائص الـ SFRCs.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم، مع التركيز بشكل خاص على المركبات التقليدية من الألياف البوليمرية (PFC) والمركبات المدعمة بالألياف الفولاذية (SFRC) المدرجة في الجدول 1. تم التعامل مع هذه المركبات وفقاً لتوجيهات الشركات المصنعة، مما يضمن الامتثال لتقنيات التطبيق الموصى بها، وسمك الطبقة، وبروتوكولات المعالجة. علاوة على ذلك، كانت المنهجيات لاختبار المواد ومعايير اختيار حجم العينة متوافقة مع الممارسات المعمول بها من الأبحاث السابقة، كما هو مذكور في الدراسات [14، 15، 21]. يبرز هذا الالتزام بالإجراءات القياسية موثوقية وصلاحية النهج التجريبي المتبع في الدراسة.
النتائج
تلخص النتائج المقدمة في الجدول 2 الدرجات المتوسطة للمركبات المليئة بالجزيئات (PFCs) والمركبات المدعمة بالألياف القصيرة (SFRCs) فيما يتعلق بصلابة الكسر، قوة الانحناء، معامل الانحناء، ودرجة التحويل (DC%). أظهر المركب everX Flow أداءً متفوقًا، متفوقًا بشكل كبير على جميع المواد الأخرى المختبرة (p < 0.05) بصلابة كسر قدرها $2.8 \, \text{MPa} \, \text{m}^{1/2}$ وقوة انحناء قدرها $147 \, \text{MPa}$. في المقابل، سجلت مركبات Essentia وFibrafill أدنى قيم لصلابة الكسر عند $1.1 \, \text{MPa} \, \text{m}^{1/2}$، مع ظهور Essentia أيضًا بأدنى DC% عند 42.1. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التيجان المصنوعة من everX Flow (3870 ± 260 نيوتن) وeverX Posterior (3560 ± 523 نيوتن) مقاومة كسر أعلى بكثير مقارنةً بالـ PFCs وSFRCs الأخرى (p < 0.05). كانت أنماط الكسر التي لوحظت في عينات التيجان تظهر بشكل رئيسي تشققات، بينما تلك المصنوعة من Essentia وAlert وFibrafill Flow وFibrafill Dentin عرضت أنماط سحق كارثية. كشفت تحليلات الميكروسكوب الإلكتروني المسح (SEM) عن اختلافات في نسب أبعاد الألياف بين الـ SFRCs، مما ساهم في اختلاف قدراتها على التحمل. أشار تحليل الخرائط العنصرية إلى أن مركب Fibrafill يحتوي على ألياف سيليكا بحجم تحت الميكرون، مما يوضح المزيد من الفروق في الأداء الميكانيكي بين المواد المختبرة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم خمسة من المركبات المدعمة بالألياف القصيرة (SFRCs) المتاحة تجارياً لخصائصها الميكانيكية، مع التركيز بشكل خاص على صلابة الكسر وقوة الانحناء. أشارت النتائج إلى أن الفرضية التي تفيد بعدم تأثير نوع المادة على خصائص الـ SFRC كانت غير صحيحة، حيث لوحظت اختلافات كبيرة. ومن الجدير بالذكر أن الـ SFRC بحجم الميكرون، everX Flow، أظهر أعلى صلابة كسر (2.8 ميجا باسكال م\(^{1/2}\)) وقوة انحناء (147 ميجا باسكال)، متفوقًا على جميع المركبات الأخرى المختبرة. يتماشى هذا مع النتائج السابقة التي أبرزت الخصائص الميكانيكية المتفوقة لـ everX Flow مقارنةً بالمواد التقليدية. كما أكدت الدراسة على أهمية خصائص الألياف، مثل الطول ونسبة الأبعاد، في تعزيز الأداء الميكانيكي للـ SFRCs، حيث أظهرت الألياف الأقصر فعالية أقل مقارنةً بالألياف الأطول.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحقيقات أن مقاومة التآكل للمركبات كانت متفاوتة، حيث أظهر everX Flow أقل عمق تآكل (20.4 ميكرومتر)، مما يشير إلى ملاءمته للتطبيقات السريرية دون تغطية سطحية إضافية. كما أشارت نتائج الدراسة إلى أن قدرة التحمل للأحمال للتيجان المصنوعة من الـ SFRCs بحجم الميكرون والميليمتر كانت أعلى بكثير، مما يُعزى إلى صلابتها. ومع ذلك، اعترفت الدراسة بالقيود، بما في ذلك استخدام التحميل شبه الثابت بدلاً من التحميل الدوري، مما قد لا يعكس تمامًا الظروف السريرية. بشكل عام، خلصت الأبحاث إلى أنه بينما أدت بعض الـ SFRCs أداءً مماثلاً للمركبات التقليدية، أظهرت أخرى خصائص ميكانيكية متفوقة، مما يبرز الحاجة إلى اختيار دقيق بناءً على المتطلبات السريرية المحددة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05267-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39736654
Publication Date: 2024-12-30
Author(s): Sufyan Garoushi et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
This study investigates the mechanical properties and physical characteristics of five commercially available short fiber-reinforced composites (SFRCs)—Alert, Fibrafill Flow, Fibrafill Dentin, everX Flow, and everX Posterior—compared to a conventional particulate-filled composite (PFC, Essentia Universal). The evaluation included flexural strength, modulus, fracture toughness, degree of monomer conversion (DC%), wear resistance, polymerization shrinkage stress, and fracture resistance of composite crowns. The methodologies adhered to ISO standards, utilizing FTIR-spectrometry, two-body wear tests, and scanning electron microscopy, with statistical analysis performed via ANOVA and Tukey’s post hoc test.
Results indicated that everX Flow exhibited the lowest wear depth (20.4 μm) and the highest fracture toughness (2.8 MPa m\(^{1/2}\)), while Fibrafill Flow and Fibrafill Dentin had the lowest flexural strength values (92 MPa and 98 MPa, respectively). Notably, everX Flow also demonstrated the highest polymerization shrinkage stress (5.3 MPa) and significantly greater fracture resistance (3870 ± 260 N) compared to other SFRCs. The findings reveal substantial differences in the characteristics of the evaluated composites, with some SFRCs performing comparably to conventional PFCs, while others exhibited superior properties.
Introduction
The introduction outlines the increasing reliance on particulate-filled composites (PFCs) for dental restorations due to their aesthetic appeal, cost-effectiveness, and ability to bond with enamel and dentin. Despite their advantages, PFCs exhibit limitations in toughness, particularly in large restorations subjected to significant mechanical loads, leading to ongoing debates regarding their suitability for high-load-bearing applications. This has spurred interest in enhancing restorative composites, particularly through the use of short fiber-reinforced composites (SFRCs), which aim to mimic the natural structure of teeth by combining SFRCs to replace dentin and PFCs for enamel.
Research indicates that SFRCs demonstrate superior mechanical properties, especially fracture toughness, compared to conventional PFCs, making them less prone to catastrophic failure under stress. The introduction highlights the variability among commercially available SFRCs, influenced by factors such as fiber geometry and bonding to the polymer matrix. A new SFRC product launched in 2022 claims to address the weaknesses of PFCs, emphasizing the need for comparative studies to evaluate the mechanical and physical properties of these materials. The study aims to assess five commercially available SFRCs against a conventional PFC, testing the null hypothesis that material type does not affect the properties of SFRCs.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their study, specifically highlighting the conventional polymer fiber composites (PFC) and steel fiber reinforced composites (SFRC) listed in Table 1. The handling of these composites adhered strictly to the manufacturers’ guidelines, ensuring compliance with recommended application techniques, layer thickness, and curing protocols. Furthermore, the methodologies for materials testing and the criteria for sample size selection were aligned with established practices from previous research, as referenced in studies [14, 15, 21]. This adherence to standard procedures underscores the reliability and validity of the experimental approach taken in the study.
Results
The results presented in Table 2 summarize the average scores for the tested particulate-filled composites (PFCs) and short fiber-reinforced composites (SFRCs) regarding fracture toughness, flexural strength, flexural modulus, and degree of conversion (DC%). The composite everX Flow exhibited superior performance, significantly outperforming all other tested materials (p < 0.05) with a fracture toughness of $2.8 \, \text{MPa} \, \text{m}^{1/2}$ and a flexural strength of $147 \, \text{MPa}$. In contrast, the Essentia and Fibrafill composites recorded the lowest fracture toughness values at $1.1 \, \text{MPa} \, \text{m}^{1/2}$, with Essentia also showing the lowest DC% at 42.1. Additionally, crowns fabricated from everX Flow (3870 ± 260 N) and everX Posterior (3560 ± 523 N) demonstrated significantly higher fracture resistance compared to other PFCs and SFRCs (p < 0.05). The fracture patterns observed in the crown specimens predominantly exhibited cracking, while those made from Essentia, Alert, Fibrafill Flow, and Fibrafill Dentin displayed catastrophic crushing patterns. Scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed variations in fiber aspect ratios among the SFRCs, contributing to their differing toughening capacities. Elemental mapping analysis indicated that the Fibrafill composite contains submicron scale silica fibers, further elucidating the mechanical performance disparities among the tested materials.
Discussion
In this study, five commercially available short fiber-reinforced composites (SFRCs) were evaluated for their mechanical properties, specifically focusing on fracture toughness and flexural strength. The results indicated that the hypothesis asserting no effect of material type on SFRC properties was invalid, as significant variations were observed. Notably, the micrometer-scale SFRC, everX Flow, exhibited the highest fracture toughness (2.8 MPa m\(^{1/2}\)) and flexural strength (147 MPa), outperforming all other tested composites. This aligns with previous findings that highlighted the superior mechanical properties of everX Flow compared to conventional filling materials. The study also emphasized the importance of fiber characteristics, such as length and aspect ratio, in enhancing the mechanical performance of SFRCs, with shorter fibers showing reduced effectiveness in comparison to longer fibers.
Additionally, the investigation revealed that the wear resistance of the composites varied, with everX Flow demonstrating the lowest wear depth (20.4 µm), suggesting its suitability for clinical applications without additional surface coverage. The study’s findings also indicated that the load-bearing capacity of crowns made from micrometer and millimeter-scale SFRCs was significantly higher, attributed to their fracture toughness. However, the study acknowledged limitations, including the use of quasi-static loading rather than cyclic loading, which may not fully replicate clinical conditions. Overall, the research concluded that while some SFRCs performed comparably to conventional composites, others exhibited superior mechanical properties, highlighting the need for careful selection based on specific clinical requirements.