Ensayos mecánicos cuasiestáticos para el diseño y la fabricación asistidos por ordenador Carillas oclusales cementadas con material análogo de dentina fresado

Resumen

Se desarrolló una prueba cuasiestática de carga a fractura con una bola de acero inoxidable no fija para determinar la resistencia a la fractura de restauraciones posteriores mínimamente invasivas de diseño y fabricación asistidas por computadora cementadas con materiales análogos de dentina. Esta prueba modela el régimen de carga típico responsable de la fractura de las restauraciones dentales.

Resumen

Bajo los regímenes de tratamiento mínimamente invasivos actuales, la preparación dental menor y la restauración cerámica biomimética más delgada se utilizan para preservar la vitalidad, la estética y la función del diente restaurado. Ya están disponibles nuevos materiales cerámicos de diseño asistido por ordenador y fabricación asistida por ordenador (CAD/CAM). Para garantizar la longevidad, un dentista debe conocer la resistencia mecánica de estos productos recién lanzados en comparación con la cerámica de matriz de vidrio relativamente frágil. Además, se ha promovido un sustituto dental para la investigación en laboratorio, especialmente después de la pandemia, y se requiere más apoyo probatorio para su aplicación.

Este estudio desarrolló un protocolo de laboratorio para una prueba monótona de carga a fractura para determinar la resistencia a la fractura de carillas oclusales CAD/CAM de 1 mm de espesor. Los troqueles maestros se fresaron a partir de laminado de fibra de vidrio de alta presión, que tiene un módulo elástico y una fuerza de unión similares a los de la dentina hidratada. Se montaron en tapas de extremo de cloruro de polivinilo (PVC) con resina epoxi de curado en frío. Las carillas oclusales, también llamadas restauraciones de mesa, se fresaron a partir de bloques de disilicato de litio (LD) y nanocerámica de resina (RNC) y se cementaron en matrices maestras preparadas utilizando cemento de resina adhesiva de doble curado. Se dejaron curar completamente almacenándolos en agua destilada durante 48 h a 37 °C.

A continuación, todas las muestras se colocaron en una máquina de ensayo universal y se cargaron a través de una bola de acero inoxidable no fija de 5,5 mm que permite el movimiento lateral como ocurriría contra los dientes antagonistas. Se aplicó compresión a una velocidad de 1 mm/min y se generó el gráfico de carga-desplazamiento. La capacidad de carga máxima promedio de las restauraciones en el grupo RNC (3,212.80 ± 558.67 N) fue significativamente mayor que en el grupo LD (2727.10 ± 472.41 N) (p < 0.05). No se encontró despegue durante la prueba. Ambos materiales CAD/CAM pueden tener una distribución de defectos similar. Se encontraron grietas en el cono hertziano en el sitio de carga, mientras que las grietas radiales que se propagan desde la superficie de cementación se encontraron cerca del margen en ambos grupos.

Introducción

En la actualidad, las restauraciones sin metal son muy preferidas en la dentición anterior y posterior debido a sus excelentes características ópticas y biocompatibilidad¹. Sin embargo, el principal inconveniente de estos materiales es su susceptibilidad a la fractura². La mayoría de las cerámicas son vulnerables a las grietas generadas por tensiones de tracción, incluso bajo baja deformación³. Las fracturas de las prótesis cerámicas dentales suelen desarrollarse a partir de un lento crecimiento de grietas radiales debido a la exposición prolongada a las tensiones de tracción generadas durante la masticación⁴. Sus debilidades se intensifican con fallas o defectos intrínsecos dentro de los materiales y fallas extrínsecas de la fabricación y el posprocesamiento⁵. La resistencia a la flexión, es decir, la capacidad de soportar la tensión de tracción, de los materiales dentales CAD/CAM puede lograrse y compararse mediante pruebas estándar como las pruebas de flexión uniaxiales (flexión de 3 o 4 puntos) y biaxiales (bola en anillo, anillo en anillo y pistón en tres bolas). Mientras tanto, la tenacidad a la fractura, la capacidad de un material para resistir el crecimiento de grietas, se puede derivar de una viga de muesca de un solo filo y una prueba de indentación. Sin embargo, estas pruebas no pueden predecir y representar completamente el comportamiento de las prótesis cementadas con diferentes configuraciones anatómicas⁶. Se han introducido otros ensayos mecánicos monótonos o dinámicos para justificar su realización con diversos aspectos clínicos ^7,8.

La prueba de carga para fracturar o "crujir la corona" se ha utilizado ampliamente en odontología para investigar y comparar las resistencias de las restauraciones cerámicas con geometrías complejas ^9,10. La compresión uniaxial monotónica se ejerce de forma cuasivatica sobre las restauraciones en dirección vertical o lateral hasta que se produce una fractura catastrófica. La resistencia a la fractura del material se puede determinar a partir de la fuerza de carga máxima, mientras que los modos de fractura, incluido el sitio y la dirección de las grietas, se pueden examinar microscópicamente. Una buena restauración debe ser capaz de soportar tanto el esfuerzo de compresión como el esfuerzo de tracción de la fuerza máxima de mordida voluntaria, la fuerza masticatoria más alta generada por los músculos elevadores mandibulares bajo la influencia de la biomecánica craneomandibular y la vía refleja^11,12, que puede ser de hasta 900 N en los dientes posteriores³. Además, el bruxismo puede aumentar involuntariamente la fuerza a 1.200 N en la misma región¹³. Además de las propiedades del material (es decir, el módulo elástico), las geometrías, los espesores, el cemento adhesivo y la distribución de defectos influyen en la resistencia de cualquier prótesis¹⁴. Sin embargo, se han planteado argumentos sobre la relevancia clínica de estas pruebas debido a las altas fuerzas no clínicas y a que los mecanismos de fracaso son disímiles a las situaciones clínicas ^6,14. Una prueba de resistencia a la fatiga que involucre el análisis de estrés escalonado y la condición intraoral puede ser un enfoque más realista para predecir la longevidad de las restauraciones dentales⁷. Sin embargo, la carga a fractura sigue siendo una prueba in vitro rápida, sencilla y repetible para comparar las resistencias de los nuevos materiales cerámicos CAD/CAM lanzados al mercado en los que los datos del fabricante pueden no ser fiables 15,16,17. El resultado puede reflejar la tolerancia de la prótesis a fuerzas extremas provenientes de actividades parafuncionales y situaciones clínicas inesperadas, como la mordedura de semillas duras o gravas, lo que también provoca fracaso en las prótesis dentales 18,19,20,21.

Con su uso cada vez mayor para rehabilitar los dientes posteriores, se ha investigado el rendimiento mecánico de las carillas oclusales hechas de materiales CAD/CAM fresados e impresos para varios aspectos, incluidos los tipos de materiales, los diseños protésicos, el diseño de la preparación de pilares dentales, los espesores, los tratamientos superficiales, la unión adhesiva y el sistema de cemento de cementación^22,23. Sin embargo, los datos aún son limitados y los materiales de prueba provienen de cerámica de matriz de vidrio y materiales compuestos CAD/CAM convencionales. Ahora está disponible un material híbrido alternativo, la nanocerámica de resina. Afirma incorporar la fuerza de los rellenos nanocerámicos y la resistencia de la matriz de resina, que puede ser adecuada para una restauración delgada y mínimamente invasiva. Sin embargo, su rendimiento mecánico, especialmente en la región molar, requiere más evidencia de apoyo para las implicaciones clínicas.

Hasta ahora, los investigadores no han tenido materiales que puedan sustituir a los dientes naturales en pruebas de laboratorio. Laminado de fibra de vidrio de alta presión (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos; NEMA grado G10) con el nombre comercial de Garolite ha sido propuesto como un material análogo de la dentina para las pruebas mecánicas de cerámicas dentales desde 2010¹⁴. Es un material compuesto termoestable compuesto por varias capas de fibra de vidrio empapada en resina epoxi a alta presión. Puede soportar condiciones de alta tensión con propiedades elásticas, comportamiento a la fatiga y resistencias de unión adhesiva similares a las de la dentina hidratada^14,24. Proporciona ventajas sobre los dientes naturales en cuanto a la preparación de muestras, la estandarización y la autorización ética, con ahorros de tiempo debido a la reducción de las preocupaciones de bioseguridad²⁴. El tratamiento de la superficie se puede realizar mediante grabado con ácido fluorhídrico al 5% o al 10% de 60 s a 90 s y aplicando un agente de acoplamiento de silano^14,24. Sin embargo, los estudios sobre prótesis cementadas con este material son limitados y la fiabilidad de la evidencia existente sigue siendo cuestionable ^24,25.

En este estudio, se desarrolló un protocolo de laboratorio para una prueba monótona de carga a fractura de carillas oclusales de 1 mm de espesor cementadas a las matrices maestras fresadas a partir de material análogo de dentina contra una bola de acero inoxidable no fijada. Se cuantificaron y compararon estadísticamente las capacidades de carga máximas de dos materiales dentales CAD/CAM: disilicato de litio (LD) - IPS e.max CAD y nanocerámica de resina (RNC) - Lava Ultimate, con n = 15 por grupo, mediante una prueba t independiente de dos muestras y un análisis estadístico de Weibull. Los patrones de fractura también se investigaron bajo estereoscopía óptica y microscopía electrónica de barrido. La hipótesis del estudio fue que este era un método apropiado para modelar el fracaso de las carillas oclusales en aplicaciones clínicas. La hipótesis estadísticamente nula fue que no debería haber diferencia en las capacidades de carga máximas entre las carillas oclusales fabricadas con los dos materiales.

Protocolo

1. Fabricación de análogos dentales

1. Reducir anatómicamente la superficie oclusal de un primer molar mandibular tipodonte (con raíz bifurcada) en 1 mm y biselar el margen con fresas de diamante gruesas y finas.
2. Escanee el error tipográfico preparado con un escáner de laboratorio dental.
3. Abra el archivo escaneado con OrthoAnalyzer en el software CAD. En la ventana del kit de herramientas Sculpt , haga clic en la herramienta Cuchillo de cera y establezca su diámetro y nivel en 2,6 mm y 63 μm, respectivamente. Tire gradualmente de cada superficie de la raíz entre sí para fusionar las raíces bifurcadas en una sola raíz para facilitar el proceso de molienda (Figura 1).
4. Fresar las matrices análogas de dientes de un laminado de fibra de vidrio de alta presión (n = 30) (Garolita, Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos [NEMA] grado G10) utilizando una fresadora de cinco ejes (Figura 2).

2. Montaje

1. Utilice cualquier software CAD adecuado (por ejemplo, Autodesk Inventor Professional 2025) para diseñar una plantilla que se ajuste a la sección de la raíz del diente del modelo y al espacio dentro de las tapas de los extremos de PVC para garantizar la posición y orientación estandarizadas de la muestra de prueba.
2. Imprima una plantilla por toque de prueba en PMMA o material de módulo similar utilizando una impresora 3D.
3. Combine las piezas de la raíz y los troqueles con la tapa del extremo de PVC, normalmente de 25 mm de diámetro interior, 21,5 mm de alto y 5,5 mm de grosor de pared.
4. Mezcle la resina epoxi de baja viscosidad de curado en frío y viértala hasta la región de unión del esmalte cementoso de los dientes modelo. Tenga cuidado de no contaminar la superficie oclusal de los dientes del modelo con la resina que fluye. Dejar reposar completamente a temperatura ambiente durante al menos 24 h (Figura 3).

3. Fabricación de carillas oclusales

1. Importe el archivo escaneado del diente análogo al software CAD.
2. En Instrucciones, determine la dirección de inserción de la carilla oclusal.
3. En Interfaces, seleccione Línea de margen y marque la línea de margen del análogo de diente escaneado. A continuación, seleccione Interfaz de troquel | Avance la configuración y ajuste el espacio de cemento a 0,025 mm y el espacio de cemento adicional a 0,050 mm.
4. En Diseño de anatomía, diseñe una carilla oclusal de 1 mm de grosor utilizando una plantilla de Smile Library y ajústela con las herramientas de Sculpt.
5. Fresar los bloques de disilicato de litio (IPS e.max CAD) y nanocerámica de resina (Lava Ultimate) (n=15 por grupo) utilizando una fresadora de cinco ejes y siguiendo las instrucciones del fabricante (Figura 4).

4. Unión y cementación

1. Limpie todos los troqueles maestros durante 90 s en una máquina ultrasónica y séquelos al aire. A continuación, aplique ácido fluorhídrico al 5% en la superficie oclusal durante 60 s, enjuague bien con agua y seque al aire.
2. Para el grupo LD, grabe la superficie interna con ácido fluorhídrico al 5% durante 20 s, enjuague a fondo con agua y seque al aire.
3. Para el grupo RNC, abrasión por aire con polvo de óxido de aluminio de 50 μm de tamaño de grano a 2 bares (200 kPa, 30 psi) durante 10 s. Retire el exceso de arena con alcohol y seque al aire.
4. Aplique silano, un agente adhesivo universal, y cargue cemento adhesivo de doble curado sobre el calcado de restauración. Coloque la restauración en los troqueles maestros preparados cargándolos debajo de un cabezal de compresión relleno de silicona en una máquina de pruebas universal con una carga de 40 N.
5. Curado con un diodo emisor de luz (LED) utilizando la intensidad de la luz en el modo normal de 1.000-1.200 mW/^cm2 durante 1-2 s. Retire el exceso de cemento, continúe la luz de polimerización en cada superficie durante 20 s y déjela en la máquina de prueba universal durante 5 minutos.
6. Retirar de la máquina de ensayo universal y dejar en agua destilada a 37 °C durante 48 h para permitir que el cemento se cure completamente.
7. Antes de realizar la prueba, use marcadores permanentes finos para dibujar tres líneas de referencia medial-laterales (sinistral, central y dextral) y tres líneas de referencia antero-posteriores (superior, central e inferior) en diferentes colores usando marcadores permanentes finos.

5. Ensayos mecánicos cuasiestáticos

1. Coloque la muestra de prueba en el centro de la platina inferior de una máquina de prueba mecánica con una celda de carga de 5 kN configurada para pruebas de compresión.
2. Coloque una bola de acero inoxidable de 5,5 mm de diámetro en la fosa central de la restauración en la intersección de las líneas de referencia centrales (Figura 5).
3. Coloque un anillo acrílico protector alrededor de la muestra y un protector de desechos frente a la máquina de prueba para limitar los desechos voladores.
4. Baje la cruceta hasta que esté casi en contacto con la bola de acero y cero carga y desplazamiento.
5. Aplicar compresión a 1 mm/min hasta que la restauración se fracture, indicada por una caída brusca de la carga. Registre esta carga (Figura 5).
6. Después de la fractura, retire el escudo y el anillo acrílico, y recoja con cuidado la muestra de prueba y sus fragmentos. Las líneas coloreadas ayudan a colocar los fragmentos cerámicos en sus posiciones originales para su posterior análisis (Figura 5).
7. Coloque la siguiente muestra de prueba y siga los pasos 5.2-5.6 hasta que se completen los grupos.

6. Análisis estadístico

1. Rellene las hojas de trabajo de Minitab con los códigos de material y los valores de carga máxima (N) recuperados del experimento en la primera y segunda columna, respectivamente.
2. Realice una prueba t independiente para dos muestras seleccionando Estadísticas | Estadísticas Básicas | T de 2 muestras. Establezca el nivel de confianza en 95% y suponga varianzas iguales.
3. Cree el gráfico de distribución de Weibull seleccionando Estadísticas | Fiabilidad/Supervivencia | Análisis de distribución (censura de derechas) | Gráfico de ID de distribución. Elija los valores máximos de carga en el cuadro Variable , marque y elija los nombres de los materiales en el cuadro Por variable , especifique la distribución como Weibull y haga clic en Aceptar.
4. Realice el análisis estadístico de Weibull seleccionando Estadísticas | Fiabilidad/Supervivencia | Análisis de distribución (censura de derechas) | Análisis de distribución paramétrica | Weibull | Gráficos. Elija la gráfica de probabilidad | Muestre los intervalos de confianza en las gráficas anteriores y haga clic en Aceptar.

7. Análisis fractográfico

1. Para la microscopía estereoscópica, monte la cámara del ocular y capture imágenes (20x) de las vistas aéreas y laterales de las muestras a través del software de microscopía estereoscópica.
2. Para la microscopía electrónica de barrido, corte la muestra hasta la unión del esmalte cementoso (CEJ), colóquela en un baño de acetona en un limpiador ultrasónico y luego séquela al aire. Recubrimiento de oro y captura de imágenes (250-300 aumentos) de las vistas aéreas y laterales de las muestras.

Resultados

El cálculo del tamaño de la muestra se realizó utilizando el software referenciado, que generó un tamaño del efecto de 0,39 y sugirió un tamaño mínimo de la muestra de n = 13 por grupo. Sin embargo, en este estudio se eligió un tamaño de muestra de n = 15 para detectar la diferencia del 5%. La hipótesis nula fue rechazada. A pesar de tener mayor resistencia a la flexión, los valores medios de la fuerza de carga máxima de las carillas oclusales de 1 mm de espesor (n = 15 por ...

Discusión

En los últimos años, las carillas oclusales mínimamente invasivas han recibido cada vez más atención en la odontología restauradora contemporánea. Estas restauraciones suelen fabricarse a partir de materiales monolíticos de cerámica de matriz de vidrio CAD/CAM, policristalinos e híbridos²⁶. La preparación conservadora de los dientes, la facilidad de acceso y visibilidad durante la preparación de los dientes, la toma de impresiones y la cementación, y ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printing (SLA)	Formlabs, Somerville, MA, USA		Form3+
3Shape Dental Designer CAD software	3Shape A/S, Copenhagen, Denmark		CAD software for tooth analog and veneers
5% hydrofluoric acid	Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein		IPS Ceramic Etching Gel
Alumina powder	Ronvig Dental Mfg. A/S, Daugaard, Denmark
Bluehill Universal materials testing software	Instron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USA
CamLabLite software	Bresser UK Ltd, Kent, UK		Stereomicroscopy Software
Cold-curing low-viscosity epoxy resin	Struers SAS, Champigny-sur-Marne, France
Dual-cure resin cement	3M, Saint Paul, MN, USA		Rely X Ultimate Adhesive Resin Cement
Eyepiece camera	ToupTek Photonics Co., Ltd., Hangzhou, China
High-pressure fibreglass laminate discs  (G10)	PAR Group Ltd, Lancashire, UK
IPS e.max CAD	Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein	YB54G9/605330	Low translucency, A3, C14
Laboratory scanner	3Shape A/S, Copenhagen, Denmark		D900L
Lava Ultimate	3M ESPE, Saint Paul, MN, USA	9541467/3314A3-LT	Low translucency, A3, 14L
Light-emitting diode (LED) curing light	Woodpecker Medical Instrument, Guilin, China
Milling machine	VHF camfacture AG, Amnnerbuch, Germany		VHF S2
Minitab 18	Minitab Inc, State College, PA, USA
nQuery Advisor Version 9.2.10	Statistical Solutions Ltd., CA, USA		Statistical Software
Polyvinyl chloride end cap	Plastic Pipe Shop Ltd, Stirling, UK		25 mm X 21.5 mm;
Scanning electron microscope	Tescan, Brno, Czech Republic		Tescan Vega
Silane coupling agent	3M, Saint Paul, MN, USA		RelyX Ceramic Primer
Autodesk Inventor Professional 2024	Autodesk, San Francisco, CA, USA		CAD software for jig
Sputter vacuum coater	Quorum, East Sussex, UK		MiniQS Sputter Coater
Stata18	StataCorp LLC, College Station, TX, USA
Stereomicroscope	Carl Zeiss AG, Oberkoche, Germany		Zeiss Stemi 508
Typodont mandibular first molar	Frasaco GmbH, Tettnang, Germany		ANA-4 Z3RN-36
Universal dental bonding agent	3M, Saint Paul, MN, USA		Scotch Bond Universal Adhesive
Universal testing machine	Instron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USA		Intron 5900-84