Эстетическая стоматология

Моделирование ультратонких окклюзионных виниров

Pascal Magne, Kyle Stanley, Luís Henrique Schlichting

  706

Цель. Данное исследование было направлено на сравнение показателей напряжения, возникающего внутри керамических и ультратонких композитных окклюзионных виниров, применяющихся для восстановления прогрессирующих эрозивных поражений твердых тканей зуба.

Материалы и методы. Интактный моляр верхней челюсти был оцифрован с помощью микро-КТ сканера. С помощью программы интерактивной обработки изображений (Mimics) 2D изображение было конвертировано в 3D модель. Стандартные триангулированные текстовые файлы (STL файлы) поверхности эмали и дентина были экспортированы в программное обеспечение 3-matic для выполнения операций по проектированию и сшиванию. Твердые трехмерные (3-D) модели, полученные через программу конечных элементов (Marc/Mentat) подверглись нелинейному контактному анализу для имитации окклюзионной нагрузки в 200 Н и 800 Н. Значения максимального главного напряжения и предел прочности при растяжении использовались для расчета риска перелома и для проверки имеющихся экспериментальных данных.

Результаты. Были отмечены различия в распределении напряжений при 200 Н (максимальное значение 21.59, 28.63, 31.04 МПа) и 800 Н (96.16, 115.73, 134.90 МПа) для всех реставрационных материалы (MZ100, Empress CAD and e.max CAD, соответственно). Высокое напряжение растяжения (измеряемое в центральной борозде) было обнаружено при 800 Н у керамических окклюзионных виниров, показывающих пики окклюзионного напряжения на 17–29% выше чем композиты.

Значение. Ультратонкие композитные (MZ100) и дисиликат лития (e.max CAD) окклюзионные виниры представляют собой консервативную альтернативу традиционным онлей вкладкам и полным коронкам при лечении тяжелого эрозивного поражения на задних зубах.

Введение

Эмаль, как внешний барьер, предназначена противостоять разнообразным агрессивным факторам полости рта (механическим, химическим, биологическим, и термическим) на протяжении всей жизни человека. Она действует как щит, защищая более мягкий дентин от изнашивания. Истончение эмали в течение всей жизни это естественный процесс, являющийся результатом старения. Однако преждевременная или ускоренная потеря толщины эмали, может произойти вследствие гастро-эзофагального рефлюкса или булимии в подростковом возрасте и даже в детстве и повлечь за собой деструктивные последствия.

Ультратонкие адгезивные виниры на задних зубах представляют собой консервативную альтернативу онлей вкладкам и полным коронкам при лечении тяжелого эрозивного поражения. Доказательства и здравый смысл говорят, что зубы с тяжелой степенью эрозии требуют безретенционного препарирования и прочных реставрационных материалов. Комбинация CAD/CAM технологий и современный адгезивный протокол (например, немедленное запечатывание дентина) кажется правильным подходом к смене парадигмы.

Только адгезивная керамика и композиты возможно способны соответствовать вышеупомянутым требованиям максимального сохранения тканей и эстетики. Развитие более прочной керамики (например, стеклокерамика на основе дисиликата лития), но все еще поддающейся травлению и механической обработке, имеет расширенные показания для адгезивных керамических реставраций. За последнее десятилетие производство композитов существенно улучшилось благодаря улучшенной связи между составляющими фазами (включая соответствующую передачу напряжения) и различные методы дополимеризации.

Следует отметить важность знания о распределении напряжений под циклической нагрузкой в крайне сложных и анизотропных структурах таких как отреставрированный зуб, и особенно для клинического прогнозирования новых реставративных процедур. Экспериментальные нагрузка-отказ методы должны сопровождаться недеструктивными подходами, таким как тест на усталость и метод конечных элементов (FE).

Поэтому цель настоящего исследования заключалась в оценке влияния CAD/CAM реставрационных материалов (керамических против композитных) на распределение напряжений в ультратонких винирах. Нулевая гипотеза была в том, что нет влияния материала на распределение напряжений в ультра-тонких окклюзионных винирах (толщиной 0,6 мм).

Материалы и методы

Согласно прежнему и проверенному протоколам, в три этапа осуществлено создание 3-D FE модели (конечных элементов) удаленного первого моляра верхней челюсти. Необработанные микро КТ срезы полученные через Digisens (Ferney-Voltaire, France) с размером вокселя 13.67 микрон.

Медицинская программа интерактивной обработки изображений (Mimics 9.0; Materialise, Leuven, Belgium) позволила выявить различные твердые ткани, визуализирующиеся на сканах. Mimics включает расширенные функции визуализации и сегментациии на основе порога плотности изображения. Каждый 3-D объект создается путем выращивания пороговой области на всей массе скана. Каждый образующийся шаблон (эмали, дентина) преобразуется в 3-D файл (STL, билинейный и нелинейный интерполяционный алгоритм) используя Mimics STL + модуль. Пульповая камера и корневые каналы были обозначены как пустое пространство (без упругости) в дентине.

Из-за пропорций и соединений треугольников в нативных STL, эти файлы непригодны для использования метода конечных элементов. Уменьшение количества треугольников и одновременно улучшая качество треугольников при сохранении геометрии автоматически достигается с модулем Remesh, включенного в Mimics.

Усовершенствованный дизайн STL и объединенное программное обеспечение (3-matic 4.2, Materialise, Leuven Belgium) использовались для получения дополнительных соединенных частей, моделирующих препарирование под окклюзионные виниры и создающих идеальную конгруэнтность межплоскостного соединения различных слоев (эмали, дентина, пломбировочного материала, цилиндрическое твердое основание, имитирующее кость). Последовательно было произведено объединение 4 частей в один STL файл, названный «Сборка». Созданы самопересекающиеся кривые для разделения всех треугольников при пересечении внутри сборки. Используя вид в разрезе для просмотра внутри сборки, все нежелательные поверхности удалили. Затем окончательная сборка была переработана, используя модуль Remesh программы 3-matic. Самопересекающиеся кривые были сохранены и допустимые изменения из оригинальных данных уточнены (качество треугольников не отличалось от оригинальных данных). Как в Mimics Remesh, качество определяется как мера треугольника соотношение высоты/основания (определяется как 0.3), так что файл может быть импортирован в пакет программы анализа конечных элементов без генерации ошибок. Наконец, переработанная сборка может снова разделена с указанием собственных поверхностей составляющих каждую часть (окклюзионные виниры, эмали, дентина и кости), разделяя и копируя их как новую окончательную STL часть.

Точная конструкция и размеры окклюзионных виниров были воспроизведены в существующем эксперименте, который был использован в процессе проверки модели анализа конечных элементов (см. раздел 3). Сборка состоит из препарированного зуба (окклюзионное уменьшение высоты по средством полного удаления окклюзионной эмали) и 0.6 мм онлей вкладка (Рис. 1А и Б).

Безымянный.jpgРис.1. - Изображение финальной сетки, используемой автоматической объемной сетки сгенерированной  в Mentat. (А) Препаровка зуба имитирующая прогрессирующую окклюзионную эрозию. (B) Реставрация зуба ультратонкими окклюзионными винирами и нагрузка сферой как показано в Mentat ( предварительная обработка); все узлы на нижней поверхности фиксированного основания были обозначены  как фиксированные с нулевым смещением в трех измерениях. (С) Сфера нагрузки была установлена для движения вдоль оси Z при касании мезиобуккального,  мезиолингвального и дистобуккального бугоров.

В-четвертых, окончательные файлы STL всех частей были импортированы в программный пакет анализа конечных элементов (MSC.Marc/MSC.Mentat; MSC Software, Santa Ana, Calif) для построения объемной сети (общее 131,853 элементов/26,770 узла) и определение свойств материала согласно имеющимся данным (Таблица 1). Автоматическое построение сети, используя тетраэдральной сетки (тетраэдные элементы с пирамидальной формой и 4 узловыми точками), идеально достигается с помощью триангуляционных файлов сгенерированных в 3-matic.

  Модуль упругости (ГПа)  Коэффициент Пуассона 
 Эмаль 84.1 0.30
 Дентин 18.6 0.3
 Кость 14.7 0.30
 MZ100 16 0.24
 Empress CAD 62 0.21
e.max CAD  95 0.30
Таблица 1: Свойства материалов.

Узлы на нижней поверхности фиксированного основания были обозначены как фиксированные узлы в трех точках с нулевым смещением. Для моделирования использования адгезивных цементов, зуб и реставрационные материалы рассматривались как соединенные. Одинаковая наклонная нагрузка была применена к мезиобуккальному, мезиолингвальному и дистобуккальному буграм (трехточечный контакт) через твердое тело,7 мм в диаметре шар располагался как можно ближе к зубу (Рис. 1Б и В). Зуб был определен как деформируемое тело. Контакт между телами определялся автоматически с помощью имитации анализа конечных элементов во время статической механической нагрузки (без инерции). Движение твердого шара происходило вдоль оси Z до достижения цели нагрузки, и измерялось в 200 Н и 800 Н на шар. Распределение напряжения и деформации было решено с помощью MSC.Marc solver (MSC Software). Эти конкретные предельные условия, протокол нагрузки и конфигурации, были выбраны потому что воспроизводили предыдущий эксперимент.

Результаты

Постобработанные файлы были прочитаны на MENTAT. Значения максимального главного напряжения (расположенный в центральный борозде и косом гребне) смотрите Табл. 2 и Рис. 2 и 3. Аналогичное распределение напряжений наблюдалось при низкой нагрузке (200 Н) с максимальными пиковыми значениями от 28.6 до 31 МПа (центральная борозда) для обоих керамических материалов, в то время как для композитов не достигало не более 21.6 МПа. Заметные различия наблюдались при высокой нагрузке (800 Н), керамические окклюзионные виниры показали пики напряжения на 17–28.8% выше чем композиты. Все реставрации показывали концентрацию стресса в таких вогнутостях как центральная и вторичные борозды с рассеиванием стресса в сторону выпуклой формы.

Безымянный.jpgРис. 2:  Максимальное главное напряжение (МПа), наблюдаемое в Mentat при 200 Н окклюзионной нагрузки. Обратите внимание  на небольшое различное распределение напряжения с более высоким напряжением  растяжения на окклюзионной поверхности (центральная борозда и косой гребень) для керамических реставраций. Цветное, напряжение растяжения; серое, компрессионное напряжение. Безымянный.jpgРис. 3: Ключевое максимальное напряжение (МПа), наблюдаемое в Mentat при окклюзионной нагрузке в 800 Н. Обратите внимание на различное распределение  напряжения с более высокимком прессионным напряжением на окклюзионной поверхности (центральная борозда и косой  гребень) для керамических реставраций.

 Реставрационный материал  200 Н окклюзионная нагрузка  800 Н окклюзионная нагрузка 
 MZ100 21.6 96.0
 Empress CAD 28.6 115.7
 e.max CAD 31.0 134.9
Таблица 2: Максимальное главное напряжение в центральной борозде.

Модель анализа конечных элементов в настоящей работе является воспроизведением условий реставрации, смоделированных в предыдущем эксперименте в котором окклюзионные виниры первые потерпели неудачу при нагрузки 800 Н и 0.6 мм толщиной. На Рис. 4 показаны различия в выживаемости всех трех реставрируемых материалов, подвергнувшихся циклической нагрузки. В то время как ни один из Empress CAD и только 20% e.max CAD окклюзионных виниров смогли пережить нагрузку в 800 Н при толщине 0.6 мм (средняя неудача при 800 Н), композитные онлей вкладки продемонстрировали выживаемость 90% при тех же условиях.

Безымянный.jpg Рис. 4: Таблица выживаемости для композитных (0.6 мм толщина) (MZ100; 3M ESPE, St. Paul, Minn;) и керамических (Empress CAD and e.max CAD; Ivoclar Vivadent AG, Schaan, Liechtenstein) окклюзионных виниров при лечении прогрессирующей эрозии моляров с такой же реставрационной конструкцией, что и  в настоящем исследовании. Заштрихованная зона представляет собой этапы нагрузки,  воспроизведенные в  анализе конечных элементов. Репродукция рисунка под названием "Таблица выживаемости,  распределение материалов  на каждый шаг нагрузки (n=10)" было одобрено редакционным советомThe Journal of Prosthetic Dentistry, Incorporated,  25 октября 2011 года.

Так как все трещины начинаются с окклюзионной поверхности, запас прочности в соответствующей модели анализа конечных элементов может быть подсчитан по следующей формуле:

-ConvertImage (1).jpg

Запас прочности это — показатель того, сколько еще может вынести структура при нагрузке. Если запас прочности 0, то структура не сможет вынести дополнительную нагрузку перед разрушением. В случае 1, структура может противостоять одной дополнительной нагрузке, равной силе максимальной нагрузке, которой она разработана противостоять (Таб. 3). Эти результаты согласуются с анализом выживаемости в эксперименте на усталость материала.

 Реставрационные материалы 200 Н окклюзионная нагрузка   800 Н окклюзионная нагрузка
 MZ100 4.09 0.14
 Empress CAD 0.43 -0.64
 e.max CAD 3 -0.08
Таблица 3: Запас прочности.

Обсуждение

Нулеваягипотезабылаопровергнутасогласнорезультатамэтогосмоделированногоисследования, композит MZ100 имел более низкую концентрацию стресса, чем керамика Empress CAD и e.max CAD. Исследование также подтверждает результаты предыдущих исследований, показывая целесообразность лечения эрозий тяжелой степени на задних зубах с помощью минимально инвазивных CAD/CAM керамик и композитов.

Настоящее исследование заимствует дизайн предыдущего эксперимента по моделированию усталости, с тремя упрощениями. Первое, композитный цемент и адгезив были опущены в цифровой модели потому что подогретый фотополимерный композит (Filtek Z100, 3M-ESPE) использовался как связывающий агент в эксперименте. В отличие от обычных фиксирующих материалов, модуль эластичности у Filtek Z100 (16 ГПа) аналогичный дентину (18.6 ГПа), что оправдывает его отсутствие в цифровом анализе. Что касается адгезивного слоя (примерно 5 ГПа, 100 мкм толщиной)кажется работает как утилизатор напряжения и значительно улучшает адаптацию к дентину. Это, тем не менее, очень тонкий слой для включения его в анализ. На самом деле композитный цемент и адгезив также были опущены в предыдущих публикациях, и строгая корреляция наблюдалась между виртуальной средой и реальной в этих экспериментах, все это призвало авторов следовать той же методологии. Во-вторых, шарик (исполнительный механизм) был принят как твердое тело (недеформируемое с бесконечным модулем эластичности) с целью убрать незначительные переменные (на основе предыдущих подтвержденных моделей), которые затруднили и замедлили бы анализ. В-третьих, только нагрузки в 200 Н и 800 Н смоделированы(вместо 200 Н до 1400 Н в эксперименте), которые покрывают реальные окклюзионные нагрузки на задних зубах, а именно от 8 Н до 880 Н, от жевания и глотания до бруксизма. Обе нагрузки в 200 Н и 800 Н имели строгую корреляцию между цифровой моделью и экспериментом усталости (Рис. 4 и Табл.3). Например: запас прочности представленный для MZ100 на 200 Н предсказывает запас нагрузки в 4 раза, что подтверждается в таблице выживаемости, графике рассевиомости эксперимента усталости (Рис. 4). Таким же образом, при 800 Н, керамические e.max CAD представляет отрицательный запас прочности, т. е. напряжение растяжения слегка превышает предел прочности на растяжение, подтверждают выживаемость только 20% в эксперименте на усталость. Таким образом, модель можно считать достоверной.

На цифровой модели было показано, что композиты лучше рассеивают напряжения, как подтверждено экспериментом на усталость. Действительно, прочность и толщина материала имеют ограниченное влияние на его разрушение, вызванное напряжением растяжения, который более чувствителен к соотношению модулей эластичности материала, фиксирующего материала и дентина. Относительное сходство модулей упругости композита (16–20 МПа) и дентина (18,5 ГПа), могут играть ключевую роль при выполнении реставрации зубов. Кроме того, выводы (по цифровой модели и усталостному эксперименту), кажется, коррелируют с работой по разрушению различных материалов (K1c2/Emod): ParadigmMZ100 (141 J/m2) >e.max CAD (83 J/m2) >EmpressCAD (21 J/m2)(полученных из дополнительных испытаний). Работа по разрушению представляет собой энергию, используемую в процессе трещины, в которой генерируется новая поверхность и учитывается модуль эластичности материала.

Из-за высокой прочности, e.max CAD реставрации начали трескаться на этапе выше чем Empress CAD реставрации. Среди группы керамики, только e.max CAD успешно прошел первую часть испытания на усталость (подтверждено в цифровом моделировании)и можно считать показан для ультратонких окклюзионных виниров при нормальных окклюзионных условиях. CAD / CAM композиты (MZ100) могут быть рекомендованы для изготовления ультратонких окклюзионные виниров на задних зубах даже у пациентов с высокими окклюзионными нагрузками. С практической точки зрения, дополнительные преимущества такого материала включают дружественные свойства износа эмали антагонистов, более простого подбора цвета и лучшей припасовки тонких слоев над керамическими материалами.

В данном исследовании была смоделирована идеальная статическая окклюзия. Дополнительные работы должны включать загрузку одного бугра с целью изучения динамических эффектов нагрузки. В дальнейших исследованиях следует также оценить ультратонкие окклюзионные виниры после распространения трещины(механика разрушения), так как ни один образец не подвергся полному разрушению в оставшейся части зуба в эксперименте на усталость. Трещины были ограничены реставрацией и оставшейся эмалью, независимо от используемого материала. Числовое моделирование отражает ту же схему, как периферическая эмаль показывает очень низкое напряжение при 200N (рис. 2), но напряжение растяжения в диапазоне 20–25 MPa при 800N (Рис. 3).Эмаль была полностью удалена на окклюзионной поверхности в настоящей работе. Дополнительное моделирование также может оценить влияние материала на ультратонкие оккклюзионные виниры, приклеенные на зубы с тяжелой эрозией с присутствием остаточной эмали на оккклюзионной поверхности. Наконец, необходимы клинические исследования, чтобы подтвердить правильность этого ультраконсервативного подхода.

Выводы

Это исследование описывает использование модели конечных элементов для анализа новых предложенных реставраций. Модель была подтверждена путем сравнения полученных результатов с недавно наблюдаемыми данными из моделируемой окклюзионной нагрузки. С ограничениями компьютерного моделирования, минимально инвазивные CAD/CAM композит и литий дисиликат стеклокерамика хорошо себя зарекомендовали для лечения тяжелых эрозивных поражений на задних зубах с помощью ультратонких окклюзионных виниров.

Игорь Лукиных

Комментарии