Abstract

Scopo dello studio era valutare le proprietà meccaniche dei materiali compositi fotopolimerizzabili modificati con l’aggiunta di fluoruro di calcio. Lo studio ha utilizzato un materiale composito fotopolimerizzabile sperimentale (ECM) e un materiale composito fotopolimerizzabile fluente disponibile in commercio (FA) che sono stati modificati con fluoruro di calcio anidro allo 0,5-5,0% in peso., La morfologia dei campioni e l’uniformità della distribuzione CaF2 sono stati analizzati utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia dispersiva di energia (EDS). Le proprietà meccaniche sono state testate dopo 24 ore di conservazione dei campioni in condizioni asciutte o bagnate. L’ECM secco immagazzinato arricchito con 0,5-1,0 wt% CaF2 ha mostrato valori di resistenza alla trazione più elevati, mentre lo stoccaggio dell’acqua di tutti i campioni ECM modificati ha diminuito la loro resistenza alla trazione. La massima durezza Vickers testata dopo lo stoccaggio a secco è stata osservata per il contenuto di 2,5 wt% CaF2 in ECM. L’aggiunta di 2.0-5.,0 wt% CaF2 a FA causato significativa diminuzione della resistenza alla trazione dopo lo stoccaggio a secco e la diminuzione complessiva resistenza alla trazione di campioni FA modificati dopo lo stoccaggio dell’acqua. Il contenuto di 2.0 wt% CaF2 in FA ha portato alla massima durezza Vickers testato dopo lo stoccaggio a umido. Il materiale composito disponibile in commercio (FA), non modificato con aggiunta di fluoro, ha dimostrato nel complesso proprietà meccaniche significativamente più elevate.

1., Introduzione

Sebbene lo sviluppo costante nella scienza dei materiali dentali, non è stato trovato materiale ricostruttivo che ripristini perfettamente i tessuti dentali duri. Tra le caratteristiche principali del materiale ricostruttivo ideale ci sono la capacità di creare un legame durevole con il tessuto dentale duro, la biocompatibilità, le proprietà fisiche e meccaniche adeguate e una buona estetica. Il materiale composito possiede la maggior parte di queste caratteristiche, ma subisce varie modifiche della composizione chimica che migliorerebbero le prestazioni cliniche inclusa la prevenzione della carie secondaria., Oggigiorno, uno degli obiettivi principali nella scienza dei materiali dentali è l’introduzione nella composizione del materiale composti con attività antibatterica come clorexidina digluconato (CHG), clorexidina acetato (CHA), ammonio quaternario dimetacrilato (QADM) o fosfato di calcio amorfo (ACP). Un’altra tendenza è la modifica dei materiali di restauro con composti di fluoro come NaF, CaF2, SnF2, SrF2, KF, che rilascerebbero ioni fluoruro e contribuirebbero alla remineralizzazione del tessuto dentale all’interno della cavità e nell’ambiente circostante il restauro ., L’effetto cariostatico degli ioni fluoruro è ampiamente documentato e clinicamente dimostrato e incoraggia i ricercatori a sviluppare nuovi materiali di restauro a base di fluoro . Al fine di migliorare l’attività degli ioni fluoruro, è stata introdotta la combinazione con composti di calcio .

Kulshrestha et al. dimostrato che le nanoparticelle CaF2 (CaF2-NPs) mostrano una forte attività antibatterica contro S. mutans con conseguente riduzione di quasi il 90% della formazione di biofilm, riduzione dell’acido batterico e produzione di esopolisaccaridi. A pH basso, gli ioni fluoruro e idrogeno si legano creando acido fluoridrico (HF)., L’HF penetra nella membrana batterica, si dissocia all’interno dei batteri e causa l’acidificazione del citoplasma e l’inibizione degli enzimi (enolasi e ATPasi) . I fluoruri in concentrazioni molto elevate (3040-5700 ppm) causano la morte cellulare dei batteri . Inoltre, il fluoro influenza negativamente anche il metabolismo e l’adesione delle cellule batteriche . In presenza di nanoparticelle di fluoruro di calcio, i microbi hanno mostrato una diminuzione dell’adesione alla superficie del dente e al biofilm e una maggiore sensibilità all’ambiente acido., Inoltre, le nanoparticelle CaF2 frenano la formazione di biofilm e di conseguenza riducono lo sviluppo delle lesioni della carie, a causa del grande rilascio di ioni fluoro e della sua influenza sui batteri.

Il calcio, come elemento di costruzione dello smalto, induce anche la remineralizzazione. L’introduzione di fluoruro di calcio nei materiali compositi dentali è pienamente giustificata con la prevenzione della carie secondaria. Tuttavia, l’influenza dei composti del fluoro sulle prestazioni meccaniche dei materiali modificati è in discussione e richiede ulteriori studi.,

Dato ampio e positivo effetto degli ioni fluoruro sui tessuti dentali, è importante ottimizzare il contenuto di fluoro nei materiali compositi in modo da indurre proprietà cariostatiche, ma senza deterioramento delle proprietà meccaniche del materiale.

2. Scopo dello studio

Lo scopo era quello di valutare i parametri meccanici di due materiali compositi fotopolimerizzabili modificati con l’aggiunta di fluoruro di calcio.

3., Materiali e metodi

Per entrambi i materiali testati, sono stati istituiti 6 gruppi di studio in base alla quantità di CaF2 aggiunta al materiale ECM e Flow-Art (Tabelle 1 e 2). Per ogni materiale testato, i campioni senza aggiunta di CaF2 fungevano da gruppo di controllo.

Tutte le miscele sono state fatte sulla base di 5,00 g di composito flowable, Flow-Art o ECM. Piccole porzioni (0,020-0,025 g) di fluoruro di calcio sono state pesate su una bilancia analitica e accuratamente macinate con il composto di base (FA o ECM) in una malta di agata, fino a raggiungere l’omogeneità desiderata.,

Campioni di materiali modificati sono stati fabbricati utilizzando stampi in silicone. Per la prova di resistenza alla trazione, sono stati fabbricati stampi cilindrici (3,0 mm di spessore e 6,0 mm di diametro). I materiali compositi sono stati applicati a strati e polimerizzati per 20 secondi per strato con lampada polimerizzante Megalux con modalità soft-start (Mega-Physic Dental, Germania). Per la prova di durezza, i dischi compositi 2.0 mm spessi e 8.0 mm di diametro sono stati fabbricati, facendo uso delle muffe del silicone, nella tecnica di stratificazione come descritto sopra.,

Successivamente, tutti i campioni sono stati controllati e l’eccesso di materiale è stato rimosso mediante lucidatura con carte SiC da 140 e 320 gritt. Per ogni test sono stati preparati 24 campioni di materiali testati. I campioni sono stati conservati in acqua distillata (sottogruppo 1, 12 campioni) e in condizioni asciutte (sottogruppo 2, 12 campioni) per 24 ore.

Per la valutazione SEM-EDS, campioni a forma di disco (3,0 mm di spessore e 6,0 mm di diametro) sono stati fabbricati con tecnica di stratificazione come descritto sopra., Dopo 24 ore tutti i campioni sono stati lucidati con carte SiC da 140 a 2400 gritt e poi lucidati con paste diamantate da 6 μ, 3 μ e 1 μ.

3.1. Resistenza alla trazione

La resistenza alla trazione dei materiali è stata testata con la prova di resistenza alla trazione diametrale (DTS) nella macchina di prova universale (Zwick Z020, Zwick/Röell, Germania), alla velocità della traversa di 0,5 mm/min. La forza applicata, nel piano della sua applicazione, ha causato tensioni di trazione nel materiale. La forza massima, causando la frattura del campione, è stata registrata dal computer., I valori di DTS sono stati calcolati dalla formula: dove è la forza massima applicata, è il diametro del provino ed è l’altezza del provino .

3.2. Durezza

La durezza è stata misurata utilizzando il metodo di prova di durezza Vickers. Il metodo prevede il penetratore Vickers, a forma di piramide di diamante a 136°, forzato nel campione testato con applicazione di carico definita e dimensioni di misurazione della rientranza in seguito. I valori ottenuti dalla prova sono nelle unità note come numeri di durezza Vickers (VHN, kg/mm2).,

Per eseguire il test di durezza Vickers, è stato utilizzato il microhardness tester Indentec ZHµ-SHµ (Zwick/Röell, Germania) con misurazione automatica della rientranza. Il penetratore è stato forzato in campioni testati con il carico di 1 kg per 10 secondi. La distanza tra il bordo di ogni impronta rientranze era almeno tre volte più a lungo la diagonale del segno lasciato dal penetratore . La durezza Vickers è stata calcolata con la formula: dove è il carico applicato ed è la lunghezza media della diagonale lasciata dal penetratore .

3.3., Analisi SEM-EDS

I campioni di microstruttura e composizione chimica sono stati osservati utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) (S-4700, 15 kV, Hitachi, USA) con rivelatore di spettroscopia a dispersione elementare (EDS) (EDS Thermo NORAN, Thermo Fisher Scientific, USA). I campioni sono stati rivestiti con lega di platino-palladio prima del test. I campioni sono stati analizzati in condizioni di alto vuoto. Le immagini SEM sono state prese da aree rappresentative di ciascun esemplare con due ingrandimenti diversi (×1000 e ×5000). EDS spettri e mappe degli elementi sono stati presi a ×5000 ingrandimento.

3.4., Analisi statistica

Nel corso dell’analisi statistica sono stati eseguiti i seguenti test di significatività: il test di Shapiro-Wilk per la normalità; il test di Levene per l’omogeneità delle varianze; un’analisi unidirezionale e bidirezionale della varianza (ANOVA) senza replica; il test di Mann-Whitney ranks-sum -; il test di Kruskal-Wallis equality-of-populations rank; modelli lineari generalizzati.

Un livello di è stato considerato statisticamente significativo. L’analisi statistica dei risultati dello studio è stata effettuata utilizzando la Stata® / Special Edition, versione 14.,1 pacchetto software (StataCorp LP, College Station, Texas, Stati Uniti d’America).

4. Risultati

4.1. Resistenza alla trazione diametrale

I risultati dei test di resistenza alla trazione diametrale per campioni ECM e FA immagazzinati in aria e acqua distillata sono riportati nella Tabella 3.

Tra i campioni ECM conservati in condizioni asciutte, i valori di DTS nel gruppo ECM 0.5 e ECM 1.0 erano statisticamente superiori rispetto agli altri gruppi testati, mentre per il sottogruppo conservato in acqua, i valori di DTS più alti di tutti i gruppi testati sono stati osservati nel gruppo di controllo.

Per i campioni FA conservati in condizioni asciutte, solo il gruppo FA 1.,0 ha mostrato valori DTS significativamente più alti rispetto al gruppo di controllo, mentre, per i gruppi FA 2.0, FA 2.5 e FA 5.0, i valori DTS erano statisticamente inferiori rispetto ad altri gruppi di test. Tra i campioni FA conservati in acqua, il gruppo di controllo ha mostrato valori DTS statisticamente più elevati rispetto agli altri gruppi testati.

4.2. Durezza

I risultati dei test di durezza Vickers per campioni ECM e FA conservati in condizioni asciutte e in acqua distillata sono riportati nella Tabella 4.

Per i campioni ECM conservati in condizioni asciutte, i valori di durezza nel gruppo ECM 2.5 erano statisticamente superiori rispetto ad altri gruppi testati., Per i campioni ECM conservati in acqua, i valori di durezza nei gruppi ECM 0,5 ed ECM 1,5 erano statisticamente superiori rispetto ad altri gruppi testati.

Tra i campioni FA conservati in condizioni asciutte, solo i valori di durezza nel gruppo FA 1.0 erano statisticamente superiori rispetto ad altri gruppi testati. D’altra parte, per i campioni conservati in acqua, il gruppo FA 2.0 ha mostrato una durezza superiore rispetto ad altri gruppi testati.

4.3. Analisi SEM-EDS

L’analisi SEM-EDS dei compositi studiati è stata condotta per visualizzare la morfologia dei materiali e la distribuzione di CaF2 nel volume del campione., Sono state osservate differenze significative nella struttura interna tra ECM e FA. Problemi nell’ottenere immagini SEM soddisfacenti di buona qualità per i campioni ECM sono evidenti (Figura 1). Le difficoltà incontrate sono probabilmente collegate alla specifica composizione ECM, cioè un carico di riempimento molto basso (solo 35 wt.% ) e le sue dimensioni fini. Tuttavia alcuni agglomerati di silice possono essere osservati alle immagini. L’intensità del picco di ioni calcio sugli spettri EDS per i campioni ECM cambia con l’aumento del contenuto di fluoruro di calcio e raggiunge i valori più alti per l’ECM modificato con 5.,0% in peso di CaF2.

Tutti i campioni FA (Figura 2) hanno mostrato particelle di riempimento di vetro uniformemente distribuite di varie dimensioni in tutto il volume dei campioni. Non sono stati osservati cambiamenti significativi nella microstruttura dei materiali dopo la modifica con CaF2. Le differenze tra il contenuto di calcio per il materiale Flow-Art modificato con fluoruro di calcio erano molto difficili da notare sugli spettri EDS a causa del contenuto di calcio in uno dei riempitivi di vetro in composito FA.

5., Discussione

La modifica dei materiali compositi mediante introduzione di composti fluorurati sembra essere un campo di ricerca molto promettente. Questi composti mostrano comprovata attività antibatterica e cariostatica . Si prevede che i materiali compositi modificati con composti di fluoruro come il fluoruro di calcio dimostrino anche attività antibatterica e cariostatica. Un altro problema clinico molto importante sono le proprietà meccaniche di tali materiali compositi arricchiti di fluoro. Nell’attuale studio sono stati testati due materiali compositi a base di resina: uno disponibile in commercio e uno sperimentale.,

Il materiale composito disponibile in commercio, fornito dal produttore, ha dimostrato nel complesso proprietà meccaniche significativamente più elevate (DTS, HV) rispetto a quelle sperimentali. La Flow-Art ha mostrato una resistenza alla trazione diametrale superiore a 30 MPa, mentre per il materiale sperimentale il valore variava da 18 a 30 MPa. I valori medi di DTS per i materiali compositi comuni superano 30 MPa . Pertanto, il materiale composito sperimentale testato nello studio non sarebbe applicabile in aree di carico occlusale sostanziale.

Il materiale Flow-Art ha mostrato durezza a HV 45-50, mentre la durezza ECM scende sotto HV 30., Le differenze tra i valori di durezza per vari contenuti di CaF2 non sono significative e possono indicare che l’aggiunta di fluoruro di calcio non modifica le condizioni di polimerizzazione e non interferisce con il processo di polimerizzazione. I materiali compositi utilizzati in odontoiatria devono dimostrare una durezza minima a livello di HV 40-50 . Lo scopo di un materiale riparativo dovrebbe essere quello di imitare perfettamente il tessuto che deve sostituire, vale a dire smalto e dentina. I valori medi di durezza dei tessuti dentali vanno da 250 a 360 VHN per lo smalto e da 50 a 70 KHN per la dentina ., Tuttavia, questi valori mostrano variazioni significative, sebbene nella dentina siano meno pronunciati. Craig e Peyton hanno riferito che la durezza dello smalto varia da a VHN; Collys et al. ha riferito che la durezza dello smalto varia da a ; e Wilson e Amore hanno riferito che la durezza dello smalto varia da a . La microdurezza dello smalto occlusale variava da 359 a 424 VHN e quella dello smalto cervicale da 227 a 342 VHN ., Variazioni nei valori di durezza possono derivare da caratteristiche istologiche, composizione chimica dei tessuti dentali e preparazione del campione e carico o errore di lettura nella lunghezza di indentazione (IL). La maggior parte dei compositi dentali convenzionali raggiunge una durezza superficiale superiore di HV 70-110 . Dati i buoni risultati della prova di durezza, il materiale commerciale (FA) potrebbe essere utilizzato come materiale composito riparatore universale. Ma per il materiale composito sperimentale, la durezza bassa restringe la sua applicazione clinica al materiale di rivestimento o come materiale riparatore dei denti decidui e della classe V.,

La durezza dei materiali a base di resina dipende molto dalla quantità e dalla durezza delle particelle di riempimento; pertanto i materiali compositi con alto contenuto di riempitivo dimostrano una resistenza favorevole ai carichi occlusali . Anche i risultati presentati nel presente studio confermano tali risultati. Il materiale di durezza inferiore, ECM, conteneva meno riempitivo inorganico rispetto al materiale che presenta valori di durezza più elevati (Flow-Art).,

Considerando l’influenza del contenuto di fluoruro di calcio sulle prestazioni di Flow-Art, è stato notato che le migliori proprietà meccaniche del materiale modificato sono state ottenute allo 0,5% di contenuto CaF2, dopo lo stoccaggio a secco e umido. Tale percentuale di CaF2 oltre alla composizione del materiale non ha deteriorato i parametri meccanici testati, consentendo l’accettazione clinica. Nel caso del materiale sperimentale, il contenuto di fluoruro di calcio 1.0% è stato trovato ottimale in condizioni di stoccaggio a secco e sia 0.5% e 1.0% CaF2 contenuto, dopo lo stoccaggio dell’acqua., In ogni gruppo, le proprietà meccaniche del materiale sono rimaste simili a quelle del materiale sperimentale non modificato. Tuttavia, la resistenza meccanica dell’ECM modificato e non modificato era inadeguata per il carico occlusale. Tale materiale non può servire come materiale riparatore universale.

Date le difficoltà con dispersione omogenea di additivi inorganici in matrice organica altamente viscosa, la quantità di riempitivi in materiale composito sperimentale (ECM) è stata deliberatamente abbassata al 35% in peso. Pertanto, il materiale composito di bassa viscosità ottenuto serviva solo come base per l’introduzione del fluoruro di calcio., Sembra che qualsiasi cambiamento nelle proprietà meccaniche di ECM (con basso contenuto di riempitivo), causato dall’introduzione di quantità relativamente piccole di CaF2, sarebbe più facile da rilevare. D’altra parte, come per il materiale composito Flow-Art, con un contenuto di riempimento relativamente elevato, una piccola quantità di additivi non modificherebbe le alte prestazioni del materiale o questi cambiamenti sarebbero difficili da rilevare. I risultati dello studio sembrano confermare questa ipotesi: i cambiamenti nelle proprietà meccaniche del composito FA sono presenti a 2.0 o superiore in peso% Aggiunta CaF2., Valori DTS di FA è sceso in modo significativo quando il contenuto percentuale CaF2 era alto (5.0 wt%). Si sospetta che la diminuzione delle proprietà meccaniche di FA sia dovuta al collasso e alla disintegrazione del sistema di riempitivi a matrice. Tuttavia, nessun cambiamento nella microdurezza osservata può indicare, anche se solo indirettamente, che l’aggiunta di fluoruro di calcio non ha violato/interrotto la polimerizzazione del composito Flow-Art.

Una ricerca simile è stata condotta da Xu et al. ., Hanno valutato le proprietà meccaniche e il rilascio di ioni fluoruro da materiale composito sperimentale modificato con nanoparticelle di fluoruro di calcio incorporate in matrice polimerica. Il composito sperimentale modificato contenente 10 wt% o 20 wt% CaF2 ha mostrato valori TFS e modulo di elasticità più elevati rispetto a due materiali commerciali (Vitremer, Heliomolar). Valori di rilascio di ioni fluoruro relativamente elevati combinati con un contenuto di fluoro relativamente basso nel filler sono stati spiegati con piccole dimensioni delle nanoparticelle di filler (1,0 µm).,

I materiali dentali utilizzati per il restauro dei tessuti dentali duri devono presentare proprietà meccaniche stabili in ambienti umidi della cavità orale. Nello studio, è stato effettuato il confronto delle proprietà meccaniche dei materiali in condizioni sia asciutte che bagnate. La durezza di entrambi i materiali testati era significativamente inferiore dopo lo stoccaggio dell’acqua, mentre i valori DTS non mostravano tale relazione. Solo ECM ed ECM modificati con 5.0 wt % CaF2 presentavano una resistenza alla trazione significativamente più elevata dopo lo stoccaggio a secco.,

Il deterioramento delle proprietà meccaniche dei materiali dopo lo stoccaggio dell’acqua, rispetto allo stoccaggio a secco, è probabilmente causato dalla degradazione idrolitica. L’acqua induce l’allentamento della rete polimerica. Mentre le resine dimetacriliche reticolate vengono gonfiate con acqua, i legami estere subiscono l’idrolisi che causa l’indebolimento e la degradazione della rete. Inoltre, in condizioni di bagnato, monomeri e oligomeri precedentemente non reagiti possono essere rilasciati nell’ambiente esterno, acqua. Anche se CaF2 è altamente insolubile in acqua, può essere lisciviato dalla matrice indebolita composita all’ambiente idrico., Ciò può portare all’aumento della microporosità della superficie composita e al deterioramento delle sue proprietà meccaniche come DTS e durezza. L’effetto è stato osservato nello studio ed è stato più evidente nel caso di ECM a causa del suo alto contenuto di resina responsabile dell’assorbimento di acqua.

La degradazione idrolitica dei materiali compositi è presente principalmente nella matrice organica e nell’interfaccia matrice-riempitivo. La velocità e la suscettibilità del materiale composito alla degradazione idrolitica dipendono dal contenuto percentuale di resine e dalla loro qualità di legame con le particelle di riempimento., Considerando il più alto contenuto di resina nel materiale composito sperimentale rispetto a quello commerciale (Flow-Art), si presume che il primo sia più suscettibile alla degradazione idrolitica.

I risultati dello studio mostrano che le proprietà meccaniche dei materiali compositi a base di fluoro dipendono dalla fonte, non dalla quantità di composto di fluoro aggiunto e possono essere mantenute dalla dimensione corretta delle particelle di additivi e dal contenuto / volume di riempitivo. Il presente studio ha indicato che l’introduzione di 0,5-1,0% di sale di fluoruro solubile in peso nei materiali testati non ha indotto effetti negativi sulle loro proprietà meccanico-fisiche., Tuttavia, a causa di elevate sollecitazioni occlusali nella cavità orale, questi materiali non possono essere utilizzati nel restauro di tutte le cavità di classe. L’indicazione per l’uso di tali materiali a base di fluoro potrebbe includere cavità di classe V nei denti permanenti e tutte le classi di cavità nei denti decidui. Inoltre, i materiali compositi fluidi a base di fluoro possono servire come rivestimento di base che non sono sottoposti a forze occlusali elevate. Nelle cavità profonde, l’uso del materiale con effetto remineralizzante e batteriostatico sembra essere clinicamente giustificato.

6., Conclusioni

Le migliori proprietà meccaniche dei materiali compositi flowable modificati con CaF2 sono state ottenute quando 0.5 wt% CaF2 è stato aggiunto al composito commerciale e 1.0 wt% al composito sperimentale. La durezza dei materiali testati dopo lo stoccaggio a secco era superiore a quella dello stoccaggio dell’acqua. Il materiale composito disponibile in commercio ha mostrato proprietà meccaniche superiori a quella sperimentale. Ulteriori studi sui materiali compositi a base di fluoro dovrebbero essere condotti, tra cui il rilascio di ioni e la valutazione delle proprietà microbiologiche.,

Interessi concorrenti

Gli autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.