Einfluss von Fertigungstechniken und Polierverfahren auf die Oberflächenrauheit von Prothesenbasiskunststoffen

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, um die Auswirkungen verschiedener Herstellungsmethoden (wärmepolymerisiertes PMMA, CAD-CAM-frästes PMMA und 3D-gedrucktes Harz) und Poliertechniken (Siliziumkarbid-Schleifpapiere der Körnung 600, 800 und 1000) auf die Oberflächenrauheit (Ra) von Kunststoffbasismaterialien, die für Totalprothesen verwendet werden, zu bewerten.

Zusammenfassung

Ziel dieser Studie war es, den Einfluss verschiedener Fertigungstechniken und Polierverfahren auf die Oberflächenrauheit (Ra) von kunststoffbasierten Materialien zu bewerten, die bei der Herstellung von Totalprothesen verwendet werden. Insgesamt wurden 90 Proben aus drei verschiedenen Harzmaterialien hergestellt: wärmepolymerisiertes Polymethylmethacrylat (PMMA)-Harz, CAD-CAM-gefrästes PMMA-Harz und 3D-gedrucktes Harz (n = 30). Jedes Exemplar hatte einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 2 mm. Die Werte der Oberflächenrauheit (Ra) der Proben wurden nach der Herstellung zunächst mit einem Kontaktprofilometer bestimmt. Anschließend wurde jede Gruppe von Proben mit Siliziumkarbid-Schleifpapieren der Körnung 600, 800 und 1000 unter fließendem Wasser poliert. Anschließend wurde eine zweite Messung der Werte der Oberflächenrauheit (Ra) durchgeführt. Die Daten wurden statistisch mit dem Kruskal-Wallis-Test, dem Mann-Whitney-U-Test, dem Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test und dem t-Test für gepaarte Stichproben (p = 0,05) analysiert. Es wurde ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen in Bezug auf die Oberflächenrauheit (Ra) vor dem Polierprozess festgestellt (p < 0,001). Es wurde jedoch kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den gefrästen und wärmepolymerisierten PMMA-Basismaterialien nach dem Polierprozess beobachtet. Die 3D-gedruckten Proben zeigten die deutlichste Verbesserung der Oberflächenrauheit aufgrund des Polierprozesses. Dennoch blieb ihre Oberflächenrauheit im Vergleich zu den anderen Proben statistisch signifikant höher, sowohl vor als auch nach dem Polieren (p < 0,001). Es wurde beobachtet, dass die Herstellungsmethode von Totalprothesenbasismaterialien die Oberflächenrauheit beeinflusst. Die Oberflächenrauheitswerte der im 3D-Druckverfahren hergestellten Grundwerkstoffe waren sowohl vor als auch nach dem Polieren höher als bei denen mit gefrästem und wärmepolymerisiertem PMMA-Harz.

Einleitung

Die Versorgung zahnloser Bereiche wird in der Regel durch den Einsatz von teil- oder herausnehmbarem Teil- oder Totalprothesen erreicht, die eine wichtige Alternative in Fällen darstellen, in denen implantatgetragene festsitzende Prothesen aufgrund anatomischer Faktoren oder patientenbezogener Bedingungen wie wirtschaftlichen Zwängen oder systemischen Erkrankungen nicht möglich sind¹. Die in diesen Prothesen verwendeten Basismaterialien sind in der Regel Harze, die Polymethylmethacrylat (PMMA) enthalten. PMMA ist ein kostengünstiges Material, das für seine einfache Verarbeitung, Reparierbarkeit und Polierbarkeit geschätzt^{wird 2}. Es zeigt auch günstige physikalisch-chemische Eigenschaften und zufriedenstellende ästhetische Ergebnisse³. Verschiedene Herstellungsmethoden, wie z. B. das Gießen von Flüssigharzen und Formfülltechniken wie Kompression und Spritzguss, wurden eingesetzt, um herausnehmbare Prothesen aus PMMA-Kunststoff herzustellen.

Unter den traditionellen Verfahren ist das Formpressen, auch bekannt als Kolbenpressverfahren, die am häufigsten verwendete Herstellungstechnik. Dabei wird das Harzmaterial in eine Form innerhalb eines Kolbens gegeben und anschließend unter Druck gepresst, um die Form zu füllen und die gewünschte Form zu erreichen. Das seit vielen Jahren gebräuchliche Verfahren der Kolbenpackungspresse bietet Vorteile wie einfache Anwendung und niedrige Kosten. Es hat jedoch auch gewisse Nachteile, darunter die Notwendigkeit von Handarbeit und zeitaufwändigen Schritten in Laborverfahren, die Anfälligkeit für menschliche Fehler, das Risiko, beim Mischen und Verarbeiten des Harzes keine homogene Struktur zu erreichen, und die Polymerisationsschrumpfung. Mit dem Aufkommen von CAD/CAM-Technologien (Computer Aided Design Manufacturing) wurden jedoch auch subtraktive Fertigungstechniken wie Fräsen für ihre Herstellung eingesetzt⁴. Studien haben gezeigt, dass Prothesengrundmaterialien, die mit der Frästechnik hergestellt werden, eine höhere Biegefestigkeit und Basisanpassung aufweisen als solche, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden ^5,6. Diese Verbesserungen sind auf die erhöhten Druck- und Temperaturniveaus zurückzuführen, die bei der Herstellung von gefrästen PMMA-Scheiben angewendet werden, was letztendlich zu einem kompakteren Material mit einer geringeren Anzahl von Hohlräumen führt ^7,8,9.

Die Erforschung der physikalischen Eigenschaften von Materialien, die durch subtraktive Fertigung in der Zahnmedizin hergestellt werden, hat eine Reihe von Vorteilen ergeben, darunter eine verbesserte Passform, eine längere Haltbarkeit und eine verbesserte Dimensionsstabilität ^5,10,11,12. Dennoch wurden erhebliche Nachteile festgestellt, darunter die Entstehung erheblicher Abfallmengen beim Mahlen und die damit verbundenen hohen Kosten¹³. Um diesen Herausforderungen sowie der bei konventionell hergestellten Prothesenbasen beobachteten Polymerisationsschrumpfung zu begegnen, haben sich additive Fertigungsverfahren, insbesondere der dreidimensionale (3D) Druck, als praktikable Alternative herausgestellt. 3D-gedruckte Prothesenbasismaterialien bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter optimierte Produktionsprozesse, verbesserte Dimensionsstabilität und minimaler Materialabfall, was sie als vielversprechende alternative Herstellungsmethode positioniert ^8,14,15. Es wird jedoch die Hypothese aufgestellt, dass Prothesenbasen, die durch 3D-Druck hergestellt werden, im Vergleich zu solchen, die mit konventionellen oder Frästechniken hergestellt werden, eine höhere Neigung zur Verfärbung aufweisen^{können 16}. Eine solche Verfärbung könnte Auswirkungen auf die langfristige Ästhetik und die Patientenzufriedenheit haben und eine weitere Untersuchung der Materialzusammensetzung und der Oberflächenbehandlungen rechtfertigen, die bei 3D-gedruckten Prothesenbasen verwendet werden. Eine der Hauptursachen für Verfärbungen von 3D-gedruckten Materialien ist ihre von Natur aus raue Oberfläche. Prothesenbasen mit rauen Oberflächen sind anfälliger für Flecken und Verfärbungen. Darüber hinaus bietet die Oberflächenrauheit ein Milieu, das die Ansammlung von Biofilmen begünstigt und die Adhärenz von Mikroorganismen wie Candida albicans erhöht. Diese mikrobielle Anhäufung ist sowohl für die Mundhygiene als auch für die allgemeine Gesundheit gefährlich, was die Bedeutung der Optimierung der Oberflächenglätte von Prothesengrundstoffen unterstreicht 17,18,19.

Die erhöhte Oberflächenrauheit, die bei Prothesenbasen, die im 3D-Druck hergestellt werden, im Vergleich zu solchen, die mit herkömmlichen wärmehärtenden oder gefrästen Verfahren hergestellt werden, beobachtet wird, ist auf die inhärenten Eigenschaften des Herstellungsprozesses zurückzuführen. Der 3D-Druck beruht auf einer schichtweisen Fertigungstechnik, bei der jede Schicht mikroskopisch kleine Spuren auf der Oberfläche hinterlässt, die zu Oberflächenunregelmäßigkeiten beitragen^14,17. Dieser Effekt verstärkt sich bei Druckern mit niedrigerer Auflösung, wodurch sich die Oberflächenrauheit weiter verschlimmert⁴. Darüber hinaus werden die im 3D-Druck verwendeten Photopolymerharze einer lichtinduzierten Polymerisation unterzogen, die in einigen Bereichen möglicherweise keine vollständige Polymerisation erreicht, was zu Oberflächenfehlern führt ^2,15. Eine unzureichende Polymerisation oder unzureichende Nachbearbeitung kann dieses Problem weiter verschärfen³. Darüber hinaus können die Beschaffenheit von Photopolymerharzen und die damit verbundenen schnellen Polymerisationsreaktionen die Materialhomogenität beeinträchtigen und dadurch die Oberflächenglätte beeinträchtigen ^5,13. Im Gegensatz dazu wird bei der subtraktiven Frästechnik Material von einem vorgefertigten Block abgetragen, was aufgrund der hohen Präzision der Fräser und des kontinuierlichen Schneidprozesses zu einer gleichmäßigeren und glatteren Oberfläche führt^16,11. Schließlich werden die beim 3D-Druck erforderlichen Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen und Polieren möglicherweise nicht immer mit ausreichender Strenge durchgeführt, so dass verbleibende Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche zurückbleiben ^8,10. Zusammengenommen erklären diese Faktoren die erhöhte Oberflächenrauheit, die mit 3D-gedruckten Prothesenbasen verbunden ist. Fortschritte bei der Druckerauflösung, der Materialoptimierung und effektiveren Nachbearbeitungsprotokollen sind jedoch vielversprechend, um diese Oberflächenmängel zu mildern⁹.

Die 3D-Drucktechnologie kann auch Herausforderungen mit sich bringen, wie z. B. das "Treppenstufen-Phänomen", das sich besonders bei gekrümmten Oberflächen zeigt. Dieses Problem tritt auf, wenn es der gedruckten Oberfläche an Glätte mangelt und stattdessen eine geschichtete, stufenartige Struktur anstelle einer glatten Oberfläche aufweist, was sich negativ auf die Farbstabilität der verwendeten Materialien in ästhetisch kritischen Bereichen auswirken kann^20,21. Es wurde eine Vielzahl von Techniken zur Reduzierung der Oberflächenrauheit von Prothesenbasen vorgeschlagen. Dazu gehören das mechanische Polieren mit Wasserschleifpapier, die Anwendung spezieller chemischer Mittel und eine Kombination beider Ansätze 17,22,23,24.

Trotz des Vorhandenseins zahlreicher Studien, die die Eigenschaften von herausnehmbaren Prothesenbasen verglichen haben, gab es einen Mangel an detaillierten Untersuchungen der Oberflächenrauheit, einem Schlüsselfaktor, der zur Verfärbung beiträgt, bei verschiedenen Herstellungsmethoden. Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss moderner prothesenbasierter Fertigungstechniken und mechanischer Polierverfahren auf die Oberflächenrauheit zu bewerten. Die anfängliche Nullhypothese, die getestet werden soll, ist, dass es keinen erkennbaren Unterschied in der Oberflächenrauheit von Prothesenbasismaterialien gibt, die durch 3D-Druck, Fräsen oder konventionelle Verfahren hergestellt werden. Die zweite Nullhypothese besagt, dass mechanisches Polieren keinen Einfluss auf die Oberflächenrauheit von Prothesengrundmaterialien hat.

Protokoll

Die Details zu den verwendeten Reagenzien, Geräten und Software sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Vorbereitung der Probe

1. Herstellung von wärmepolymerisierten PMMA-Scheiben
   1. Erstellen Sie ein Wachsmodell mit den Maßen 2 mm Höhe und 10 mm Breite. Gießen Sie geschmolzenes Wachs in einen 2 mm hohen und 10 mm breiten Metallring und lassen Sie es abkühlen. Sobald es erstarrt ist, entfernen Sie es vom Ring, um ein 2 mm x 10 mm großes Wachsmodell zu erhalten.
   2. Gießen Sie Gips in den unteren Teil eines zweiteiligen Kolbens.
   3. Legen Sie das vorbereitete Wachsmodell so in den Gips, dass es halb eingebettet ist. Bevor der obere Teil des Kolbens mit Gips gefüllt wird, wird eine Trennflüssigkeit aufgetragen (siehe Materialtabelle).
      HINWEIS: Verhindern Sie, dass die beiden Putzschichten zusammenkleben.
   4. Schließen Sie den oberen Teil des Kolbens und gießen Sie Gips darüber, um die Oberseite des Wachsmodells zu sichern. Sobald der Gips vollständig ausgehärtet ist, erhitze den Kolben, damit das Wachsmodell schmelzen kann, und nimm es dann aus der Form.
      HINWEIS: Anstelle des Wachses bildet sich ein Hohlraum, der es ermöglicht, das Acrylmaterial in diesen Raum zu gießen.
   5. Mischen Sie die Flüssigkeit und das Pulver aus hitzepolymerisiertem Acryl in einem Verhältnis von 22,5 g Pulver zu 10 mL Flüssigkeit. Packen Sie das Acryl in den Hohlraum innerhalb des Kolbens.
   6. Nachdem das Acrylmaterial in die Form gegeben wurde, wird der Kolben 45 Minuten lang in kochendem Wasser bei 100 °C polymerisiert.
   7. Nachdem die Polymerisation abgeschlossen ist, öffnen Sie den Kolben und entfernen Sie vorsichtig die Acrylscheibe vom Gips. Reinigen Sie die Acrylscheibe mit Wasserdampf von Putzresten und spülen Sie sie mit destilliertem Wasser ab.
2. Herstellung von CAD-CAM gefrästen Polymethylmethacrylat-Harzscheiben
   1. Verwenden Sie eine Konstruktionssoftware (siehe Materialtabelle), um eine Scheibe mit einer Höhe von 2 mm und einer Breite von 10 mm zu entwerfen.
   2. Setzen Sie die 98,5 mm/25 mm CAD/CAM gefräste PMMA-Scheibe in die Fräseinheit ein. Positionieren Sie das Design 2 mm x 10 mm in der Software auf der Scheibe und stellen Sie sicher, dass ein Abstand von 4 mm für das Fräswerkzeug vorhanden ist.
   3. Trennen Sie die Acrylscheiben mit einem scharfen Hartmetallbohrer vom Block. Reinigen Sie die Acrylscheiben mit Dampf von Rückständen und spülen Sie sie mit destilliertem Wasser ab.
3. Herstellung von 3D-gedruckten Polymethylmethacrylat-Harzscheiben
   1. Exportieren Sie das Scheibendesign mit einer Höhe von 2 mm und einer Breite von 10 mm aus der Designsoftware im STL-Format (Standard Tessellation Language) und importieren Sie es in die Software des 3D-Druckers.
   2. Platzieren Sie die Stützstrukturen in einem 45-Grad-Winkel auf den Scheibenflächen. Wählen Sie eine Schichtdicke von 0,5 mm Mikrometer, die für herausnehmbaren Zahnersatz empfohlen wird. Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit auf 20-30 mm/s ein.
   3. Öffnen Sie die Abdeckung des Druckers. Setzen Sie das Vollprothesenharz ein. Schließen Sie die Abdeckung des Druckers.
   4. Drücken Sie die Schaltfläche Genehmigen für die Build-Zeit, die auf dem Bildschirm angezeigt wird. Auf dem Bildschirm wird die Meldung "Bestätigen Sie, dass der Build-Bereich frei ist" angezeigt. Fangen Sie jetzt an zu bauen?" Drücken Sie die Taste Ja .
      HINWEIS: Nach Abschluss des 3D-Drucks werden die gedruckten Prothesen- oder Zahnteile in der Regel halb ausgehärtet. Zu diesem Zeitpunkt hat das Material noch nicht seine vollen mechanischen Eigenschaften erreicht und kann noch weiche Stellen aufweisen.
   5. Reinigen Sie die Scheiben vor dem Nachhärten 20 Minuten lang mit Isopropylalkohol (IPA), um überschüssiges Harz zu entfernen und ein glatteres Finish zu erzielen.
   6. Legen Sie die Discs in eine Nachhärtungseinheit, die eine ultraviolette (UV) Lichtquelle verwendet. Dieses Gerät emittiert UV-Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und sorgt so für eine gleichmäßige Aushärtung des Materials innerhalb von 30 Minuten.
      HINWEIS: Die Aushärtungseinheit emittiert in der Regel 360-Grad-UV-Licht.
   7. Trennen Sie die produzierten Scheiben mit einem scharfen Hartmetallbohrer von den Druckstützen. Reinigen Sie die Acrylscheiben mit Dampf von Rückständen und spülen Sie sie mit destilliertem Wasser ab.

2. Messung der Oberflächenrauheit

HINWEIS: Führen Sie Messungen der Oberflächenrauheit der Proben sowohl vor als auch nach dem Poliervorgang durch.

1. Kalibrierung des Profilometers
   1. Halten Sie die Ein -/Aus-Taste gedrückt, um das Gerät einzuschalten. Sobald der Hauptbildschirm angezeigt wird, drücken Sie die Start-Taste.
      HINWEIS: Die Scannerspitze wird mit der Meldung "Returning" geöffnet.
   2. Öffnen Sie das Kalibrierungsfenster, ohne den grauen Bereich zu berühren, und positionieren Sie es unter der Scannerspitze, wobei der Text zum Benutzer zeigt.
      HINWEIS: Platzieren Sie die Scannerspitze auf dem grauen, matten Bereich.
   3. Drücken Sie die Menü- /Eingabetaste auf dem Bedienfeld, um die Kalibrierung zu starten. Wählen Sie die Option Kalibmessung und drücken Sie die Start-Taste.
      HINWEIS: Drücken Sie nach Abschluss der Kalibrierung zweimal die rote Taste, um zum vorherigen Menü zurückzukehren, und drücken Sie die blaue Taste, um das Hauptmenü zu öffnen.
   4. Passen Sie die Einstellungen für die Anzeige der Oberflächenrauheit so an, dass sie 0,5 mm abdecken, mit einem Grenzwert von 0,8 mm, bei einer Geschwindigkeit von 0,25 mm/s und einer Auflösung von 0,01 μm.
2. Messung der Oberflächenrauheit der Proben
   1. Legen Sie die Probe so auf die Platte, dass ihre Oberfläche die Scannerspitze berührt.
      HINWEIS: Wenn der Kontakt nicht hergestellt wird, wird eine rote Warnung auf dem Bildschirm angezeigt. Es wird keine Messung durchgeführt, es sei denn, der Kontakt wird hergestellt und die Anzeige leuchtet blau.
   2. Sobald die Scannerspitze den Oberflächenscan abgeschlossen hat, speichern Sie die auf dem Bildschirm angezeigten numerischen Daten in einer Excel-Datei.
      HINWEIS: Messen Sie jede Probe dreimal und notieren Sie die Werte. Schalten Sie das Gerät nach Abschluss der Messungen aus, indem Sie die Ein- / Aus-Taste gedrückt halten, wenn der Bildschirm dunkel wird, und dann die Starttaste einmal drücken.

3. Polierverfahren

1. Legen Sie ein Siliziumkarbid-Schleifpapier der Körnung 600 auf die Schleif-/Poliermaschine.
2. Schalten Sie die Wasserversorgung der Maschine ein. Tragen Sie die Proben 10 s lang auf das rotierende Schleifpapier auf, wobei Sie sicherstellen, dass die gesamte gemessene Oberfläche in Kontakt kommt.
3. Wiederholen Sie den Vorgang nacheinander mit Siliziumkarbid-Schleifpapieren der Körnung 800 und 1000, wobei für jede Probe ein frisches Blatt verwendet wird. Reinigen Sie die Acrylscheibe mit Dampf von Rückständen und spülen Sie sie mit destilliertem Wasser ab.

4. Statistische Auswertung

1. Führen Sie statistische Analysen durch.
2. Wenden Sie den Kruskal-Wallis-Test und den paarweisen Mann-Whitney-U-Test (mit Bonferroni-Korrektur) an, um signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen zu bestimmen.
3. Betrachten Sie einen p-Wert unter 0,05 als statistisch signifikant.

Ergebnisse

Die Messung der Oberflächenrauheitswerte in den Studiengruppen vor dem Poliervorgang ergab folgende Werte: 2,13 (IQR 0,84) für die HP-Gruppe, 4,21 (2,73) für die 3D-gedruckte Gruppe und 0,99 (0,54) für die ML-Gruppe. Nach dem mechanischen Polierverfahren wurde in allen Gruppen eine Abnahme der Oberflächenrauheit beobachtet, wobei die Messung der SR-Werte nach dem Polieren zu folgenden Ergebnissen führte: 0,29 (0,06) für die HP-Gruppe, 0,41 (0,05) für die 3D-gedruckte Gruppe und 0...

Diskussion

In dieser Studie wurde der Einfluss verschiedener Fertigungstechniken und Polierverfahren auf die Oberflächenrauheit (Ra) von kunststoffbasierten Materialien, die bei der Herstellung von Totalprothesen verwendet werden, gründlich untersucht. Die statistische Analyse ergab signifikante Unterschiede in den Oberflächenrauheitswerten über alle Gruppen hinweg, wobei die im 3D-Druck hergestellten Proben sowohl vor als auch nach dem Polieren die höchsten Rauheitswerte aufwiesen. D...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-dimensionally printed resin	Dentabase, Asiga, Australia	https://www.asiga.com/materials-dental/	complete denture material
Asiga Composer Software	Asiga, Australia	https://www.asiga.com/software-composer/	3D Printer software
CAD-CAM milled polymethyl methacrylate resin	M-PM Disc, Merz Dental, Germany	A2: SKU 1019085	complete denture material
Curing unit	Lilivis, Huvitz, South Korea	https://www.medicalexpo.com/prod/huvitz/product-80194-1066733.html	3D light curing
Exocad software	Align Technology, Germany	https://exocad.com/company/about-us/	desing software
Grinder/Polisher machine	Buehler Inc, Phoenix Beta, Germany		polishing
Milled Unit	Dentifa PRO2,IFA Machinery Design Engineering Services Industry and Trade Ltd. Co., Turkey	http://www.dentifa.com/	Milling of the CAD-CAM milled polymethyl methacrylate resin discs
Polimerized polymethyl methacrylate resin	Probase, Ivoclar, Liechtenstein	https://www.ivoclar.com/en_us/products/removable-prosthetics/probase-hot-cold	complete denture material
Profilometer	Surftest SJ-210, Mitutoyo, Japan	178-561-12A	surface roughness measurement
Separating agent	Ivoclar Vivadent Separating Fluid	https://www.ivoclar.com/en_li/products/removable-prosthetics/probase-hot-cold	separating agent
SPSS28 software	IBM Corp., Armork, NY,USA	https://www.ibm.com/spss	statistical analyses