Wytrzymałość mechaniczna materiałów złożonych wzmocnionych włóknem szklanym w zależności od systemów łączących

Czas. Stomatol., 2010, 63, 4, 259-266 2010 Polish Dental Society http://www.czas.stomat.net Wytrzymałość mechaniczna materiałów złożonych wzmocnionych włóknem szklanym w zależności od systemów łączących Mechanical properties of composite materials reinforced with glass fibers as related to bonding agents Zbigniew Raszewski¹, Danuta Nowakowska 2, 3 1 Z Zhermapol Dental Materials Prezes: dr n. farm. W. M. Zabojszcz; 2,3 Z Zakładu Materiałoznawstwa², AM we Wrocławiu p.o. kierownika: dr n. med. D. Nowakowska; 3 Z Katedry Protetyki Stomatologicznej AM we Wrocławiu Kierownik: dr hab. n. med. H. Panek, prof. nadzw. Summary Aim of the study: To investigate the flexural strength of composite materials reinforced with glass fibers whose surface was wetted with different generations of bonding agents, and to assess the optimal fiber wetting time. Material and methods: Six composite materials were reinforced with unidirectional glass fiber wetted with bonding agents. The samples were left for an interval of 1 to 20 minutes and then polymerized. Five specially prepared research samples were used for each series of trials. Five samples not reinforced with glass fibers constituted the control group. The test was performed in Instron type 4411 tensile testing machine. Results: The best results for flexural strength were obtained when glass fibers were wetted with 5 th -generation bonding agents for 10 minutes. Conclusions: Composite resins reinforced with glass fibers wetted for 10 minutes by 5 th -generation bonding agents may find a wide application in restorative dentistry, especially in molars exposed to high compressive loads. Streszczenie Cel pracy: określenie wytrzymałości na zginanie materiałów złożonych wzmocnionych włóknami szklanymi, których powierzchnia została nasączona systemami łączącymi różnych generacji oraz ustalenie optymalnego czasu zwilżania włókna. Materiał i metody: zbadano sześć materiałów złożonych wzmocnionych jednokierunkowymi włóknami szklanymi zwilżonymi systemami łączącymi w czasie od 1 do 20 minut i polimeryzowanymi. Do każdej serii badań użyto po 5 odpowiednio przygotowanych próbek. Grupę kontrolną stanowiło po 5 próbek materiałów niewzmocnionych. Badanie wykonano w zrywarce typu Instron 4411. Wyniki: najlepsze wyniki uzyskano dla włókien szklanych zwilżanych 10 minut przez systemy łączące V generacji. Wnioski: materiały złożone wzmocnione włóknami szklanymi nasączanymi przez 10 minut systemami łączącymi V generacji mogą znaleźć szerokie zastosowanie w stomatologii odtwórczej, w przypadku zębów trzonowych, gdzie występują duże obciążenia mechaniczne. KEYWORDS: composite resin materials, glass fibers, bonding agents HASŁA INDEKSOWE: materiały złożone, włókna szklane, systemy łączące 259

Z. Raszewski, D. Nowakowska Czas. Stomatol., Wstęp Stosowane powszechnie w stomatologii materiały złożone, ze względu na ich stosunkowo małą odporność na złamanie, próbuje się wzmocnić różnego typu materiałami [1-4]. Najczęściej stosowane są w tym celu włókna szklane, węglowe, poliaramidowe (kevlarowe) i polietylenowe [1, 5, 9, 10, 16, 19, 21-23]. Aby skutecznie zwiększyć tę odporność powstałego kompleksu żywica/ włókno, należy zapewnić odpowiednie wiązanie między żywicą metakrylanową a materiałem wzmacniającym. W przypadku włókien szklanych są one poddawane procesowi silanizacji, aby uzyskać właściwe połączenie pomiędzy włóknem, a żywicami metakrylowymi używanymi do ich przesączania [1, 7, 9]. W celu polepszenia właściwości samych włókien, na ogół używa się żywic metakrylanowych, które zapobiegają samoczynnemu ich rozplataniu oraz ułatwiają proces aplikacji. Są to żywice powszechnie stosowane jako matryca organiczna materiałow złożonych (Bis GMA, UDMA, TEGDMA) [6, 7, 10, 16, 19, 23]. W warunkach klinicznych lekarze stomatolodzy bardzo często do przesączania włókien szklanych używają różnego typu systemy łączące. Jak wiadomo, systemy VI i VII generacji (samowytrawiające) w znaczący sposób różnią się składem chemicznym od materiałów V czy IV generacji. Systemy samowytrawiające mają w swoim składzie wodę oraz aceton lub etanol. O ile jednak aceton i etanol, zmniejszając lepkość żywic metakrylanowych używanych w systemach łączących, ułatwiają ich przesączanie przez tkanki zęba lub włókna, woda może jednak przeszkadzać w procesie impregnacji włókien [5, 8, 11, 16, 19]. Cel pracy Celem badań było określenie wytrzymałości na zginanie materiałów złożonych wzmocnionych włóknami szklanymi przesączonymi różnymi systemami łączącymi oraz określenie optymalnego czasu potrzebnego do właściwego nasączenia włókna przez żywicę. Za pomocą wytrzymałości na zginanie oceniano odporność na złamanie. Materiał i metody Materiał badań stanowiło 6 powszechnie używanych materiałów złożonych wraz z zalecanymi do nich przez producentów systemami łączącymi oraz wiązka równoległych włókien szklanych. Przygotowanie próbek obejmowało 3 etapy: 1. Silanizacja włókien szklanych Do badań użyto włókna szklane o średnicy pojedynczego włókna 18 µm, natomiast szerokość wiązki wynosiła 2 mm, zaś jej grubość 0,2 mm. Wiązka włókien była spleciona splotem prostym 1 do 1. Włókna przemywano w gorącej wodzie w celu oczyszczenia ich powierzchni z pozostałości środków używanych podczas procesu produkcyjnego. Na ogół są to oleje lub skrobia mające na celu zmniejszenie oporów podczas procesu splatania włókien. Silanizację szklanych włókien wykonano przez ich umieszczenie na 1 godzinę w 1% roztworze metakrylanu trójmetoksysilanopropylowego (TMPSMPA Fluka, Niemcy) w alkoholu izopropylowym (Alchem, Polska) z niewielką ilością kwasu octowego, w celu uzyskania ph=4,5. W dalszej kolejności włókna wyjmowano z roztworu i suszono przez 24 godziny w temperaturze 100ºC [4, 14, 16, 24]. 260

2010, 63, 4 Wytrzymałość materiałów złożonych 2. Pokrycie włókien szklanych systemem łączącym W pierwszej serii przygotowano 6 grup, liczących po 10 pokrytych silanem próbek włókien szklanych. Umieszczono je na płytce szklanej, nasączono systemem łączącym X Bond (Dentsply, USA) i pozostawiono pod przykryciem z folii aluminiowej. Następnie kolejne grupy włókien polimeryzowano po upływie odpowiednio: 1, 2, 5, 10, 15 i 20 minut. Czas polimeryzacji wszystkich próbek, za pomocą lampy diodowej Smartdent (Bułgaria) o mocy 700 mv/cm 2, wynosił 40 sekund. Po całkowitym utwardzeniu, włókna cięto nożyczkami na odcinki o długości 25 mm. W drugiej serii do nasączenia włókien szklanych użyto systemy łączące różnych generacji (tab. 1). Czas przesączania wynosił 5 minut. 3. Wykonanie próbek z materiałów złożonych Badano 6 materiałów złożonych, w tym 5 kondensowanych: T Econom (Ivoclar Vivadent, Lichtenstein), FulFill (Densply, USA), Diafill (Diadent, Korea), Gradia (GC, Japonia) i Quadrat (Cavex, Holandia) oraz 1 kompozyt płynny (Revolution (Kerr, USA), w kolorze A-3. W celu określenia ich wytrzymałości na zginanie wszystkie próbki wykonano w formie metalowej o wymiarach 2 x 2 x 40 mm, zgodnie z normą EN ISO 10477 [11]. Na płytce szklanej umieszczono folię polietylenową a następnie formę metalową. Do pierwszej serii badań przygotowano włókna szklane przesączone systemem łączącym X Bond i utwardzone w określonym czasie (od 1 do 20 minut). Do formy metalowej włożono około 1 mm warstwę materiału Fulfill i na jej powierzchni ułożono włókno szklane, następnie naniesiono drugą warstwę materiału złożonego, tak, aby wypełnić formę. Całość przykryto folią polietylenową i sprasowano w prasie hydraulicznej (Zhermack, Włochy) pod obciążeniem 1000 kg, przez 2 minuty, aby uzyskać próbki o jednakowej grubości. Następnie próbki wraz z zatopionym w środku włóknem polimeryzowano przez 40 sekund z obydwu stron. Po utwardzeniu próbki wyjęto z formy. Do drugiego badania przygotowano po 10 próbek każdego z materiałów złożonych niewzmacnionych włóknami szklanymi jako materiał odniesienia. Do trzeciej serii badań przy- T a b e l a 1. Systemy łączące zastosowane w badaniach System łączący Skład chemiczny Generacja T Econom Bond (Ivoclar Vivadent) HEMA, dimetakrylany, katalizatory, SiO2 XP Bond (Dentsply) HEMA, butanol, ester fosforowy dipentaetrytolu V Xeno III (Densply) z grupami akrylowymi UDMA, TEGDMA VI Simulate II (Kerr) HEMA, etanol, dimetakrylany, katalizatory VI Diabond (Diadent) Etanol, dimetakrylany V G Bond (GC) HEMA, UDMA, katalizatory VII Quadrat Bond(Cavex) Aceton, 4 META, UDMA, TEGDMA, katalizatory HEMA, etanol, kwas maleinowy, kopolimer kwasu maleinowego, HEMA V V 261

Z. Raszewski, D. Nowakowska Czas. Stomatol., gotowano po 10 próbek włókien szklanych przesączonych różnymi systemami łączącymi z określonymi materiałami złożonymi: T Econom + T Econom Bond, FulFill + X Bond, FulFill + Xeno II, Diafill + Diabond, Gradia + G Bond i Quadrat + Quadrat Bond. W każdej serii badawczej pierwsze 5 próbek umieszczono w wodzie destylowanej na okres 7 dni w temperaturze 37 C, natomiast pozostałe 5 próbek przechowywano w temperaturze pokojowej przez 24 godziny. Badanie odporności na złamanie Test odporności na złamanie wykonano stosując model zginania trójpunktowego, co zostało szczegółowo przedstawione w normie EN ISO 10477 [11]. Jako urządzenie pomiarowe zastosowano zrywarkę typu Instron 4411 (Instron Corp, Anglia), w rozstawie podpór 20 mm i prędkości przesuwu głowicy wynoszącej 5 mm/min [11]. Próbki badano w laboratorium firmy Zhermapol. Test kończono z chwilą złamania się próbki. Schemat badania przedstawiono na ryc. 1. Naprężenie określające wytrzymałość na zginanie obliczano z poniższego wzoru: ơ f = 3F m l /2bh 2 ơ f wytrzymałość na zginanie F m maksymalna siła w momencie złamania próbki l odległość pomiędzy podporami (20 mm) b szerokość próbki (2 mm) h grubość próbki (2 mm) Wyniki Wyniki uzyskane w poszczególnych seriach przedstawiono na rycinach 1-3. Wyniki wytrzymałości na zginanie uzyskane w pierwszej serii próbek wykonanych z materiałów FulFill i X Bond (ryc. 2) wskazały, że najwyższe wartości wytrzymałości mechanicznej osiągnięto Ryc. 1. Schemat badania wytrzymałości na zginanie; F siła działająca na próbkę (strzałka oznacza kierunek przyłożonej siły), l odległość pomiędzy podporami w łamanej próbce, b szerokość próbki, h grubość próbki. Ryc. 2. Wpływ czasu nasączania włókna szklanego na wytrzymałość na zginanie materiału złożonego FullFill + X Bond. dla próbek, gdzie włókno szklane przesączono i pozostawiono przed utwardzeniem pod przykryciem przez 10 minut. Wartości te wynoszą dla tego układu 244,5±14,2 MPa po 24 godzinach od momentu utwardzenia i 229,2±11,4 MPa po 7 dniach przechowywania w wodzie destylowanej o temperaturze 37 C. Najniższe wartości wytrzymałości na zginanie wykazały próbki, które były nasączane systemem łączącym przez 1 minutę 180,2±7,9 MPa (23 C, 24 godziny) i 167,8±7,9 (37 C, woda, 7 dni). W drugiej serii badawczej najlepsze wyniki odporności na złamanie uzyskano dla próbek składających się z materiału Diafill + system łączący Diabond wzmocnionych włóknem szklanym (249,4±6,2 MPa); ryc. 3. 262

2010, 63, 4 Wytrzymałość materiałów złożonych do V generacji. Najniższe wartości uzyskano dla materiału Gradia + G Bond (135,9±7,3). Natomiast odporność na złamanie płynnego materiału kompozytowego Revolution wzrosła dwukrotnie po wzmocnieniu go za pomocą wiązki włókien szklanych. Omówienie wyników i dyskusja Ryc. 3. Wytrzymałość na zginanie materiałów złożonych wzmacnianych włóknem szklanym (po 24 godzinach). Natomiast w trzeciej serii badań, kiedy to próbki składające się z materiału złożonego i włókna szklanego przesączonego określonym systemem łączącym przechowywano przez 7 dni w wodzie o temperaturze 37 C, największą wytrzymałość uzyskano dla kompleksu T Econom i T Econom Bond (231,1±4,5 MPa); ryc. 4. Bardzo podobne wartości uzyskano dla Ryc. 4. Wytrzymałość na zginanie materiałów złożonych wzmacnianych włóknem szklanym przechowywanych przez 7 dni w wodzie. materiałów Fullfill + X Bond (229,2±7,6) oraz Diafill i Diabond (225,4±7,2 MPa). Wszystkie systemy łączące tych kompleksów należały Materiały wzmocnione różnego typu włóknami, w stomatologii stosuje się w sytuacjach wymagających zwiększenia odporności na złamanie (wkłady koronowo-korzeniowe, nakłady, korony, mosty, szyny stabilizujące). Liczni autorzy badali wpływ ułożenia i liczby różnych włókien w materiałach złożonych [1, 5, 7-9, 10, 14, 21, 22]. Istnieją doniesienia na temat właściwego nasączania włókien przez specjalnie przeznaczone do tego żywce (Stick Bond), jednak wielu lekarzy stomatologów stosuje do tego celu dostępne systemy łączące. W piśmiennictwie brak jest publikacji mówiących o tym, jaki czas należy zastosować, aby bond mógł właściwe przesączyć strukturę włókien. Podczas przygotowywania próbek wzmocnionych włóknem szklanym zastosowano dłuższy czas fotopolimeryzacji niż czasy zalecane przez producentów, w celu całkowitego utwardzenia próbek i spolimeryzowania żywicy, która znajdowała się pomiędzy włóknami. Wprowadzenie równoległej wiązki włókien wykonanych z różnych materiałów wzmacnia materiał złożony [5, 9, 10, 12, 15, 16, 18, 21-23]. Liczne badania wskazują, że dodatek włókien szklanych, aramidowych czy polietylenowych zwiększa odporność na zginanie nawet osiem razy przy zawartości około 8-12% włókien wewnątrz próbek [5, 23]. W przypadku włókien szklanych, których wytrzymałość na rozciąganie jest wysoka i wynosi od 300 do 400 MPa [7, 10, 22 24], problem stanowi 263

Z. Raszewski, D. Nowakowska Czas. Stomatol., hydroliza silanów na powierzchni włókna, co osłabia połączenia pomiędzy kompozytem a włóknem [6, 7, 13, 18, 19]. Podczas stosowania wszystkich typów włókien autorzy zwracają uwagę na dokładne ich przesączanie za pomocą monomerów lub specjalnych żywic [5, 19, 22, 23]. Wytrzymałość na zginanie materiałów złożonych wzmacnianych włóknami szklanymi wzrasta o ponad 100% w przypadku zastosowania systemów łączących V generacji. Materiały tej generacji składają się bowiem wyłącznie z samych żywic metakrylanowych (HEMA, TEGDMA, Bis GMA), które mogą polimeryzować z wiązaniami metakrylanowymi zawartymi w silanizowanym włóknie szklanym. Dodatkowo metakarylan 2 hydroksyetylu (HEMA) i dimetakrylan glikolu trójetylenowego (TEGDMA) posiadają bardzo małą lepkość i w łatwy sposób mogą przenikać w głąb struktury włókien szklanych. Związki te są jednak stosunkowo lotne i z biegiem czasu mogą częściowo odparować z powierzchni włókna, dlatego próbki, które zostały nasączone X Bondem i pozostawione przez 15 i 20 minut przed spolimeryzowaniem, wykazały zmniejszenie odporności na złamanie w stosunku do próbki przesączanej przez 10 minut. Natomiast systemy łączące samowytrawiające naniesione na powierzchnię włókien szklanych powodują wzmocnienie odporności, ale w mniejszym stopniu (o około 50-60%). Wynika to z faktu, że w swoim składzie chemicznym zawierają wodę, aceton lub etanol, które migrują w głąb włókien i nie mogą odparować. Po naświetleniu lampą nie ulegają polimeryzacji rodnikowej, gdyż nie posiadają wiązań podwójnych. W konsekwencji powoduje to osłabienie całego układu włókno/system łączący/materiał złożony. Jak wykazano w przedstawionych badaniach, po 7 dniach przechowywania w wodzie wytrzymałość na zginanie materiałów wzmocnionych włóknem szklanym uległa zmniejszeniu o 10 do 15%. Jest to związane z sorpcją wody przez materiał, która powoduje jego niewielkie uplastycznienie. Proces ten obserwuje się dla wszystkich materiałów złożonych wzmacnianych różnego typu włóknami i jest zgodny z danymi uzyskanymi przez innych badaczy [16, 21, 22, 24]. Autorzy, którzy oceniali wpływ przesączania włókien szklanych przez systemy łączące uzyskali bardzo różne wyniki, np. 570 MPa dla Fluorobondu i 224 MPa dla Singel Bondu, ale przy mniejszej szybkości głowicy łamiącej wynoszącej 1 mm/min. Z kolei Ellakwa i wsp. [6] przesączali włókna wykonane z polietylenu uzyskując nieco niższe wartości, bo w granicach od 169 do 266 MPa, co dawało prawie 3-krotny wzrost wytrzymałości w stosunku do materiału złożonego, który wzmocniono włóknem polietylenowym bez uprzedniego przesączenia (75 MPa). Natomiast silanizacja włókien polietylenowych nie powodowała poprawy ich adhezji do materiału złożonego. Ci sami autorzy badali również wpływ wzmocnienia materiału złożonego przez włókna szklane i kwarcowe nasączane systemami łączącymi i uzyskali wzrost wytrzymałości o 120%, natomiast silanem i systemem łączącym o 360% [5]. Tirapelli i wsp. [18] oraz Uzun i Keyf [21] przechowywali próbki materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami szklanymi przez 6 miesięcy w wodzie i po tym okresie zaobserwowali osłabienie ich wytrzymałości o około 20%. W badaniach własnych czas przechowywania próbek w wodzie był o wiele krótszy (7 dni), ale już po tym czasie zaobserwowano spadek wytrzymałości na zginanie o około 10%. 264

2010, 63, 4 Wytrzymałość materiałów złożonych Podsumowanie Na podstawie wykonanych badań można stwierdzić, że materiały złożone wzmocnione włóknami szklanymi przesączanymi przez 10 minut systemami łączącymi V generacji, osiągają najwyższe wartości wytrzymałości na zginanie, a tym samym odporności na złamanie, spośród badanych i dlatego powinny być szeroko stosowane w stomatologii odtwórczej. Piśmiennictwo 1. Bitter K, Neumann K, Kielbassa A M: Effects of pretreatment and thermocycling on bond strength of resin core materials to various fiber-reinforced composite posts. J Adhes Dent 2008, 10, 6: 481-489. 2. Boczkowska A, Kapuściński J, Lademann Z, Witemberg-Petrzyk D, Wojciechowski S: Włókna szklane. w: Kompozyty. WPW, Warszawa 2003, str. 35-55. 3. Bukowska D: Włókna szklane w stomatologii estetycznej. Mag Stom 2000, 7-8: 30-33. 4. D Arcangelo C, D Amario M, Vadini M, De Angelis F, Caputi S: Influence of surface treatments on the flexural properties of fiber posts. J Endod 2007, 33, 7: 864-867. 5. Ellakwa A E, Shortall A C, Marquis P M: Influence of fiber type and wetting agent on the flexural properties of an indirect fiber reinforced composite. J Prosthet Dent 2002, 88, 5: 485-490. 6. Ellakwa A E, Shortall A C, Shehata M K, Marquis P M: Influence of bonding agent composition on flexural properties of an ultra-high molecular weight polyethylene fiberreinforced composite. Oper Dent 2002, 27, 2: 184-191. 7. Gajdus P, Hędzelek W, Leda H: Wpływ wybranych wysokowytrzymałych włókien sztucznych o modyfikowanej i niemodyfikowanej powierzchni na właściwości mechaniczne polimetakrylanu metylu. Prot Stom 2000, 50, 3: 161-165. 8. Gőhring T N, Gallo L, Lüthy H: Effect of water storage, thermocycling, the incorporation and site of placement of glass fibers on flexural strength of veneering composite. Dent Mater 2005, 21: 761-772. 9. Goldberg A J, Bustone C J: The use of continuous fiber reinforcement in dentistry. Dent Mater 1992, 8: 197-202. 10. Guteridge D L: The effect of including ultra high modulus poly ethylene fiber on the impact strength of acrylic resins. Br Dent J 1988, 164: 177-180. 11. ISO standard 10 477 /2006 Dental filling materials. 12. Lassila L V, Tezvergil A, Lahdenpera M, Alander P, Shinya A, Vallittu P K: Evaluation of some properties of two fiber-reinforced composite materials. Acta Odontol Scand 2005, 63: 196-204. 13. Murphy J: Reinforced plastic handbook. Oxford: Elsevier Science Ltd, 1998, 254- -298. 14. Ozcan M, Kumbuloglu O, User A: Fracture strength of fiber-reinforced surface retained anterior cantilever restorations. Int J Prosthodont 2008, 21, 3: 228-232. 15. Pastila P, Lassila LV, Jokinen M, Vuorinen J, Vallittu P K, Mäntylä T: Effect of short-term water strokage on the elastic properties of some dental restorative materials A resonsnt ultrasound spectroscopy tudy Dent Mater 2007, 7: 878-884. 16. Perdigão J, Gomes G, Lee I K: The effect of silane on the bond strengths of fiber posts. Dent Mater 2006, 22, 8: 752-758. 17. Segerstrőm S, Ruyter I E: Mechanical and physical properties of carbon graphite fiber reinforced polymer intended for implant supra structures. Dent Mater 2007, 23: 1150- -1156. 18. Tirapelli C, Ravagnani C, Panzeri F C, Panzeric H: Fiber-reinforced composites: effect of fiber position, fiber framework, and wetting agent on flexural strength. Int J Prosthodont 2005, 18, 3: 201-202. 265

Z. Raszewski, D. Nowakowska Czas. Stomatol., 19. Tsushima S, Gomi H, Shinya A, Yokoyama D, Vallittu P K, Shinya A: Effect of commercially available bonding agents impregnated with fibers on bending strength of hybrid resin. Dent Mater J 2008, 27, 5: 723-729. 20. Turoszowski C: Mosty kompozytowe konstrukcji własnej w odbudowie przedtrzonowców metodą bezpośrednią. Mag Stom 2003, 6, 140: 10-16. 21. Uzun G, Keyf F: The effect of fiber reinforcement type and water storage on strength properties of a provisional fixed partial denture resin. J Biomater Appl 2003, 17, 4: 277-286. 22. Valittu P K: Experiences of the use of glass fibers with multiphase acrylic resins systems. w Vallittu PK, editor. The first symposium of fiber reinforced plastic in dentistry in the proceedings of the 22 nd annual EPA conference- 1998. Paper II. 23. Wagner L: Włókna szklane i rodzaje włókien sztucznych. w: Zastosowanie włókien sztucznych w stomatologii. Bestom, Łódź, 2008, str. 5 15 i 32-55. 24. Yenisey M, Kulunk S: Effects of chemical surface treatments of quartz and glass fiber posts on the retention of a composite resin. J Prosthet Dent 2008, 99, 1: 38-45. Adres autorów: 02-981 Warszawa, ul. Augustówka 14 Tel.: 22 8588272 Fax: 22 6420714 e-mail: zbigniew.raszewski@zhermapol.pl 50-425 Wrocław, ul. Krakowska 26 Tel.: 71 7840291 Fax: 71 7840292 e-mail: panek@prostom.am.wroc.pl Paper received 18 September 2009 Accepted 7 May 2010 266