DOI: https://doi.org/10.3390/ma17215368
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39517645
تاريخ النشر: 2024-11-02
المؤلف: Noor Kamourieh وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تقييمت هذه الدراسة المختبرية قوة الكسر للمواد المركبة المدعمة بالألياف القصيرة (sFRCs) بسمك مختلف (2 مم، 3 مم، و4 مم) لتقييم إمكانياتها كبدائل للعاج. تم اختبار ما مجموعه 60 عينة وفقًا لمعايير ISO4049، وكشفت النتائج أن مركب EXF أظهر قوة كسر أكبر بكثير من مركب EXP، بقيم متوسطة تبلغ 2.49 ميجا باسكال.م$^{1/2}$ (95% CI: 2.25، 2.73) مقابل 2.13 ميجا باسكال.م$^{1/2}$ (95% CI: 1.95، 2.31)، على التوالي (F(1,54) = 21.28؛ p < 0.001). بشكل ملحوظ، عند عمق 2 مم، أظهر EXF قوة كسر متوسطة قدرها 2.72 ميجا باسكال.م$^{1/2}$ (95% CI: 2.49، 2.95)، بينما كان لدى EXP متوسط قدره 1.90 ميجا باسكال.م$^{1/2}$ (95% CI: 1.78، 2.02)، مما يدل على تأثير تفاعلي كبير (F(2,54) = 7.93؛ p < 0.001). أظهرت كلا المادتين قيم قوة كسر ضمن النطاق المقبول للعاج (1.79-3.08 ميجا باسكال.م$^{1/2}$)، مع ملاحظات حول آليات انحراف الشقوق والجسور. تشير النتائج إلى أن sFRCs تمتلك قوة كسر قابلة للمقارنة مع العاج الطبيعي، مما يجعلها مرشحة مناسبة لاستبدال العاج في التطبيقات السريرية. يجب على الأطباء أخذ عمق التجويف الأمثل في الاعتبار عند اختيار sFRCs: يُفضل استخدام EXF للتعويضات بعمق 2 مم، بينما يمكن استخدام أي من EXF أو EXP لعمق 3-4 مم. تؤكد الدراسة على إمكانيات sFRCs لتوفير ترميمات تحاكي الطبيعة تقلل من خطر الفشل الكارثي، مما يعزز النتائج السريرية. يُوصى بمزيد من البحث لتعميق الفهم ودعم القرارات السريرية المستندة إلى الأدلة بشأن استخدام sFRCs.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات الجوهرية التي تواجه الترميمات السنية، والتي تكون عرضة للتدهور مع مرور الوقت. للتخفيف من فشل العلاج، هناك حاجة ملحة لمواد الأسنان التي تتماشى مع مبادئ طب الأسنان الأقل تدخلاً (MID) والمحاكاة الحيوية، مع التركيز على الحفاظ على بنية السن الطبيعية. ظهرت المواد المركبة المدعمة بالألياف القصيرة (sFRCs)، التي تم تقديمها في عام 2013، كمواد واعدة مصممة لتكرار خصائص العاج، خاصة في قدرتها على مقاومة الفشل الميكانيكي. تتضمن هذه المركبات ألياف زجاجية E لتعزيز خصائصها الميكانيكية، مما يخلق شبكة بوليمر شبه متداخلة (semi-IPN) تحسن من القوة.
تؤكد الورقة على أهمية تقييم قوة الكسر (المشار إليها بـ $K_{IC}$) لـ sFRCs مقارنة بالعاج الطبيعي، حيث أن هذه الخاصية حاسمة لضمان طول عمر وفعالية الترميمات السنية تحت قوى المضغ، التي يمكن أن تتراوح من 8 إلى 880 نيوتن. أظهرت الدراسات السابقة أن قوة الكسر للعاج تختلف بناءً على طرق الاختبار، مع قيم تم الإبلاغ عنها تتراوح بين 1.79 و3.08 ميجا باسكال·م$^{1/2}$. يهدف المؤلفون إلى التحقيق في كيفية تأثير أعماق مختلفة من sFRCs على قوة كسرها، وبالتالي تقييم إمكانياتها كبدائل تحاكي العاج في التطبيقات السريرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تقييم قوة الكسر لمادتين، everX posterior (EXP) وeverX Flow (EXF)، لتحديد ملاءمتهما لاستعادة الأسنان الخلفية بعمق مختلف. تم الالتزام بالاختبارات بإرشادات المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO)، وبالتحديد ISO4049، مع تعديلات على حجم العينة وإنشاء الشقوق المسبقة. تم حساب تقدير مجمع لقوة الكسر للمواد المركبة المدعمة بالألياف القصيرة (sFRCs) عند 2.62 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\) (SD 0.45)، مع حجم عينة من عشرة مما أسفر عن دقة ±0.28 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\). لتقييم المقارنة بين EXP وEXF، تم تحديد حجم عينة من 30 لتوفير قوة 80% عند مستوى دلالة 5% لاكتشاف فرق قدره 0.11 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\).
تم إعداد العينات في قوالب من بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) بأبعاد مصممة لتكرار أعماق التجويف النموذجية في الأسنان الخلفية (3-6 مم). تم معالجة كل عينة باستخدام تقنية نافذة إشعاعية متداخلة بزاوية 9 مع ضوء معالجة LED بقوة 700 مW/cm². تم إدخال شق مسبق حاد بحوالي 0.1 مم، وتم تأكيد أعماق الشقوق باستخدام ميكروسكوب ثلاثي الأبعاد. تم تقييم قوة الكسر باستخدام اختبار انحناء ثلاثي النقاط داخل آلة اختبار عالمية، مع تسجيل القوة المطلوبة للكسر بالنيوتن لحساب القوة في ميجا باسكال·م\(^{1/2}\). بعد الاختبار، تم تحليل العينات تحت ميكروسكوب إلكتروني مسح (SEM) لفحص انتشار الكسر.
النتائج
تشير النتائج المعروضة في الجدول 3 إلى أن متوسط قوة الكسر لـ EXF (2.49 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)، SD 0.39 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)) أعلى بكثير من تلك الخاصة بـ EXP (2.13 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)، SD 0.29 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)). بشكل ملحوظ، عند عمق 2 مم، وصلت متوسط قوة الكسر لـ EXF إلى 2.72 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)، بينما سجلت EXP متوسطًا قدره 1.90 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)، مع تأكيد التحليل الإحصائي (ANOVA) لوجود فرق كبير (F(1,54) = 21.28؛ p < 0.001). أظهرت كلا المادتين أداءً مشابهًا عند أعماق 3 مم و4 مم، وكانت جميع النتائج ضمن نطاق قوة الكسر المقبول للعاج (1.79-3.08 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\)). كشفت الفحوصات الإضافية للعينات المكسورة أنه بينما بقي معظمها سليمًا، تعرضت خمس عينات من EXF عند 4 مم لفشل كارثي. أظهرت تحليلات الميكروسكوب الإلكتروني المسح (SEM) أنماط كسر مميزة، حيث عرضت EXF نمطًا فوضويًا ومتعرجًا مقارنةً بالشقوق الأكثر استقامة لـ EXP. كما أشارت نتائج SEM إلى أن الألياف في EXF كانت أقصر وأكثر توزيعًا بشكل عشوائي، مما ساهم في ارتفاع قوة الكسر من خلال آليات مثل جسر الألياف وسحبها، مما أعاق بشكل فعال انتشار الشقوق. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على الخصائص الميكانيكية المتفوقة لـ EXF مقارنةً بـ EXP، خاصة عند الأبعاد الأصغر.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الدراسة الضوء على أن كلا المادتين التجريبيتين، EXP وEXF، حققتا قيم قوة كسر قابلة للمقارنة مع العاج الطبيعي، حيث تقع ضمن النطاق المحدد من 3.08 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\) إلى 1.79 ميجا باسكال·م\(^{1/2}\). تم بدء انتشار الشق باستخدام شق مسبق ضئيل، وفقًا لمعايير ISO، والتي تهدف إلى تكرار الشقوق ذات الصلة سريريًا. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تشير إلى أن قوة الكسر للمواد المركبة المدعمة بالألياف القصيرة (sFRCs) تعادل قوة العاج. بشكل ملحوظ، أظهر EXF أداءً متفوقًا عند سمك 2 مم، مما يجعله مفضلًا للتجاويف الضحلة، بينما أظهرت كلا المادتين فعالية مشابهة عند السماكات الأكبر.
تؤكد الدراسة أيضًا على دور اتجاه الألياف وسلوكها في تعزيز قوة الكسر، حيث أظهر EXF نمط كسر أكثر عدم انتظام مما أخر انتشار الشقوق. تشير النتائج إلى أن الألياف الزجاجية E الموجهة بشكل عشوائي تعمل كـ “موقفات” و”منحرفات” فعالة للشقوق، مما يساهم في مرونة المادة. علاوة على ذلك، تدعو النتائج إلى استخدام EXF كمواد أساسية تحت الترميمات غير المباشرة، نظرًا لخصائصها الميكانيكية المتفوقة وإمكانية حدوث فشل أكثر قابلية للإصلاح. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن sFRCs هي مواد مناسبة لاستبدال العاج، مع توصيات محددة لتطبيقها بناءً على عمق التجويف، مما يوفر للأطباء إرشادات مستندة إلى الأدلة لدمج هذه المواد في الممارسة العملية.
القيود
واجهت الدراسة عدة قيود قد تؤثر على تعميم نتائجها. أولاً، القيود المتعلقة بالوقت والموارد المتاحة حدت من نطاق البحث. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم توفر الأنسجة البشرية، وبشكل خاص العاج، استدعى استخدام مواد بديلة، مما قد يؤثر على النتائج. تشير هذه القيود أيضًا إلى أن الحصول على الأنسجة البشرية كان سيتطلب موافقات أخلاقية أكثر صرامة، مما يعقد تصميم الدراسة.
علاوة على ذلك، يجب الاعتراف بالقيود الجوهرية للدراسات المختبرية، حيث قد لا تكون النتائج المستخلصة قابلة للتطبيق مباشرة على الظروف الحية. يمكن أن تؤثر الفروق بين البيئات المختبرية والبيئات البيولوجية على ترجمة هذه النتائج إلى الممارسة السريرية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث الذي يسد هذه الفجوة.
DOI: https://doi.org/10.3390/ma17215368
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39517645
Publication Date: 2024-11-02
Author(s): Noor Kamourieh et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
This in vitro study evaluated the fracture toughness of short fibre-reinforced composites (sFRCs) at varying thicknesses (2 mm, 3 mm, and 4 mm) to assess their potential as dentine substitutes. A total of 60 samples were tested according to ISO4049 standards, revealing that the EXF composite exhibited significantly greater toughness than the EXP composite, with mean values of 2.49 MPa.m$^{1/2}$ (95% CI: 2.25, 2.73) versus 2.13 MPa.m$^{1/2}$ (95% CI: 1.95, 2.31), respectively (F(1,54) = 21.28; p < 0.001). Notably, at a 2 mm depth, EXF showed a mean toughness of 2.72 MPa.m$^{1/2}$ (95% CI: 2.49, 2.95), while EXP had a mean of 1.90 MPa.m$^{1/2}$ (95% CI: 1.78, 2.02), indicating a significant interaction effect (F(2,54) = 7.93; p < 0.001). Both materials demonstrated fracture toughness values within the accepted range for dentine (1.79-3.08 MPa.m$^{1/2}$), with mechanisms of crack deflection and bridging observed. The findings suggest that sFRCs possess fracture toughness comparable to natural dentine, making them viable candidates for dentine replacement in clinical applications. Clinicians should consider the optimal cavity depth when selecting sFRCs: EXF is preferred for 2 mm replacements, while either EXF or EXP is suitable for depths of 3-4 mm. The study underscores the potential of sFRCs to provide biomimetic restorations that mitigate the risk of catastrophic failures, thereby enhancing clinical outcomes. Further research is recommended to deepen understanding and support evidence-based clinical decisions regarding the use of sFRCs.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the inherent challenges faced by dental restorations, which are prone to deterioration over time. To mitigate treatment failures, there is a pressing need for dental materials that align with the principles of minimally invasive dentistry (MID) and biomimetics, focusing on preserving the natural tooth structure. Short fibre-reinforced composites (sFRCs), introduced in 2013, have emerged as promising materials designed to replicate the properties of dentine, particularly in their resilience to mechanical failure. These composites incorporate E-glass fibres to enhance their mechanical properties, creating a semi-interpenetrating polymer network (semi-IPN) that improves toughness.
The paper emphasizes the importance of assessing the fracture toughness (denoted as $K_{IC}$) of sFRCs in comparison to natural dentine, as this property is critical for ensuring the longevity and effectiveness of dental restorations under masticatory forces, which can range from 8 to 880 Newtons. Previous studies have shown that the fracture toughness of dentine varies based on testing methods, with values reported between 1.79 and 3.08 MPa·m$^{1/2}$. The authors aim to investigate how varying depths of sFRCs affect their fracture toughness, thereby evaluating their potential as biomimetic replacements for dentine in clinical applications.
Methods
In this study, the fracture toughness of two materials, everX posterior (EXP) and everX Flow (EXF), was evaluated to determine their suitability for restoring posterior teeth at varying depths. The testing adhered to the International Organization for Standardization (ISO) guidelines, specifically ISO4049, with modifications for sample size and pre-crack creation. A pooled estimate of fracture toughness for short fiber-reinforced composites (sFRCs) was calculated at 2.62 MPa·m\(^{1/2}\) (SD 0.45), with a sample size of ten yielding a precision of ±0.28 MPa·m\(^{1/2}\). For comparative analysis between EXP and EXF, a sample size of 30 was determined to provide 80% power at a 5% significance level to detect a difference of 0.11 MPa·m\(^{1/2}\).
Samples were prepared in Polytetrafluoroethylene (PTFE) molds with dimensions designed to replicate typical cavity depths in posterior teeth (3-6 mm). Each sample was cured using a 9 overlapping irradiation window technique with a 700 mW/cm² LED curing light. A sharp pre-crack of approximately 0.1 mm was introduced, and crack depths were confirmed using a 3D microscope. Fracture toughness was assessed using a 3-point bend test within a universal testing machine, recording the force required for fracture in Newtons to calculate toughness in MPa·m\(^{1/2}\). Post-testing, samples were analyzed under a scanning electron microscope (SEM) to examine fracture propagation.
Results
The results presented in Table 3 indicate that the mean fracture toughness of EXF (2.49 MPa·m\(^{1/2}\), SD 0.39 MPa·m\(^{1/2}\)) is significantly higher than that of EXP (2.13 MPa·m\(^{1/2}\), SD 0.29 MPa·m\(^{1/2}\)). Notably, at a depth of 2 mm, the mean fracture toughness for EXF reached 2.72 MPa·m\(^{1/2}\), while EXP recorded a mean of 1.90 MPa·m\(^{1/2}\), with statistical analysis (ANOVA) confirming a significant difference (F(1,54) = 21.28; p < 0.001). Both materials exhibited similar performance at depths of 3 mm and 4 mm, and all results fell within the accepted fracture toughness range for dentine (1.79-3.08 MPa·m\(^{1/2}\)). Further examination of the fractured samples revealed that while most remained intact, five EXF samples at 4 mm experienced catastrophic failure. Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis illustrated distinct fracture patterns, with EXF displaying a chaotic, zig-zagging pattern compared to the straighter fractures of EXP. The SEM results also indicated that the fibers in EXF were shorter and more randomly distributed, contributing to its higher fracture toughness through mechanisms such as fiber bridging and pull-out, which effectively interrupted crack propagation. Overall, these findings highlight the superior mechanical properties of EXF over EXP, particularly at smaller dimensions.
Discussion
The discussion section of the study highlights that both experimental materials, EXP and EXF, achieved fracture toughness values comparable to natural dentine, falling within the established range of 3.08 MPa·m\(^{1/2}\) to 1.79 MPa·m\(^{1/2}\). The crack propagation was initiated using a minimal precrack, adhering to ISO standards, which aimed to replicate clinically relevant fractures. The findings align with previous studies indicating that the fracture toughness of short fiber-reinforced composites (sFRCs) is on par with dentine. Notably, EXF demonstrated superior performance at a thickness of 2 mm, making it preferable for shallower cavities, while both materials exhibited similar efficacy at greater thicknesses.
The study also emphasizes the role of fiber orientation and behavior in enhancing fracture toughness, with EXF showing a more irregular crack pattern that prolonged crack propagation. The results suggest that the randomly oriented E-glass fibers act as effective “crack stoppers” and “deflectors,” contributing to the material’s resilience. Furthermore, the findings advocate for the use of EXF as a base material beneath indirect restorations, given its superior mechanical properties and potential for more repairable failures. Overall, the study concludes that sFRCs are suitable dentine replacement materials, with specific recommendations for their application based on cavity depth, thus providing clinicians with evidence-based guidance for incorporating these materials into practice.
Limitations
The study faced several limitations that may impact the generalizability of its findings. Primarily, constraints related to time and available resources restricted the scope of the research. Additionally, the unavailability of human tissue, specifically dentine, necessitated the use of alternative materials, which could have influenced the results. This limitation also implies that obtaining human tissue would have required more rigorous ethical approvals, further complicating the study design.
Moreover, the inherent limitations of in vitro studies must be acknowledged, as the results obtained may not be directly applicable to in vivo conditions. The differences between laboratory settings and biological environments can affect the translation of these findings to clinical practice, highlighting the need for further research that bridges this gap.