Essais mécaniques quasi-statiques pour la conception assistée par ordinateur et la fabrication de facettes occlusales cimentées sur un matériau analogue à la dentine fraisée

Résumé

Un essai de charge à la rupture quasi-statique avec une bille en acier inoxydable non fixée a été mis au point pour déterminer la résistance à la rupture des restaurations postérieures mini-invasives de conception et de fabrication assistées par ordinateur cimentées à des matériaux analogues à la dentine. Ce test modélise le régime de charge typique responsable de la fracture des restaurations dentaires.

Résumé

Dans le cadre des régimes de traitement mini-invasifs actuels, une préparation dentaire mineure et une restauration en céramique biomimétique plus mince sont utilisées pour préserver la vitalité, l’esthétique et la fonction de la dent restaurée. De nouveaux matériaux de conception assistée par ordinateur et de fabrication assistée par ordinateur (CAD/CAM) de type céramique sont maintenant disponibles. Pour garantir la longévité, un clinicien dentaire doit connaître la résistance mécanique de ces produits nouvellement lancés par rapport à la céramique à matrice de verre relativement fragile. De plus, un substitut dentaire a été promu pour l’investigation en laboratoire, en particulier après la pandémie, et davantage de preuves sont nécessaires pour son application.

Cette étude a développé un protocole de laboratoire pour un test de charge à la rupture monotone afin de déterminer la résistance à la rupture des facettes occlusales CAD/CAM de 1 mm d’épaisseur. Les matrices maîtresses ont été usinées à partir d’un stratifié de fibre de verre haute pression, qui a un module d’élasticité et une force d’adhérence similaires à ceux de la dentine hydratée. Ils ont été montés dans des embouts en polychlorure de vinyle (PVC) avec de la résine époxy durcissable à froid. Les facettes occlusales, également appelées restaurations de table, ont été fraisées à partir de disilicate de lithium (LD) et de blocs de nanocéramique de résine (RNC) et cimentées sur des matrices mères préparées à l’aide d’un ciment résine adhésif à double polymérisation. Ils ont été laissés durcir complètement en les stockant dans de l’eau distillée pendant 48 h à 37 °C.

Tous les échantillons ont ensuite été placés dans une machine d’essai universelle et chargés à l’aide d’une bille en acier inoxydable non fixe de 5,5 mm qui permet un mouvement latéral comme cela se produirait contre les dents antagonistes. La compression a été appliquée à un taux de 1 mm/min, et le graphique charge-déplacement a été généré. La capacité de charge maximale moyenne des restaurations dans le groupe RNC (3 212,80 ± 558,67 N) était significativement plus élevée que dans le groupe LD (2727,10 ± 472,41 N) (p < 0,05). Aucun décollement n’a été constaté lors du test. Les deux matériaux CAD/CAM peuvent avoir une distribution de défauts similaire. Une fissure conique hertzienne a été trouvée au site de chargement, tandis que des fissures radiales se propageant à partir de la surface de cimentation ont été trouvées près de la marge dans les deux groupes.

Introduction

Les restaurations sans métal sont aujourd’hui très préférées dans les dentitions antérieures et postérieures en raison de leurs excellentes caractéristiques optiques et de leur biocompatibilité¹. Cependant, l’inconvénient majeur de ces matériaux est leur susceptibilité à la rupture². La plupart des céramiques sont vulnérables aux fissures générées par les contraintes de traction, même sous une faible déformation³. Les fractures des prothèses dentaires en céramique se développent généralement à partir d’une croissance lente des fissures radiales en raison d’une exposition à long terme aux contraintes de traction générées lors de la mastication⁴. Leurs faiblesses s’intensifient avec des défauts ou des défauts intrinsèques dans les matériaux et des défauts extrinsèques de fabrication et de post-traitement⁵. La résistance à la flexion, c’est-à-dire la capacité à résister aux contraintes de traction, des matériaux CFAO dentaires peut être obtenue et comparée par des essais standard tels que les essais de flexion uniaxiale (flexion en 3 ou 4 points) et biaxiale (bille sur anneau, anneau sur anneau et piston sur trois billes). Pendant ce temps, la ténacité à la rupture, la capacité d’un matériau à résister à la croissance des fissures, peut être dérivée d’une poutre à encoche à un seul bord et d’un essai d’indentation. Cependant, ces tests ne peuvent pas entièrement prédire et représenter le comportement des prothèses cimentées avec différentes configurations anatomiques⁶. D’autres essais mécaniques monotones ou dynamiques ont été introduits pour justifier leurs performances avec divers aspects cliniques ^7,8.

Un test de charge à la fracture ou de « craquement de la couronne » a été largement utilisé en dentisterie pour étudier et comparer les résistances des restaurations en céramique à géométries complexes ^9,10. La compression uniaxiale monotone est exercée de manière quasi statique sur les restaurations dans une direction verticale ou latérale jusqu’à ce qu’une fracture catastrophique se produise. La résistance à la rupture du matériau peut être déterminée à partir de la force de charge maximale, tandis que les modes de rupture, y compris le site et la direction de la ou des fissures, peuvent être examinés au microscope. Une bonne restauration doit être capable de résister à la fois aux contraintes de compression et de traction de la force de morsure maximale volontaire, à la force masticatoire la plus élevée générée par les muscles élévateurs de la mâchoire sous l’influence de la biomécanique craniomandibulaire et de la voie réflexe^11,12, qui pourrait aller jusqu’à 900 N dans les dents postérieures³. De plus, le bruxisme peut involontairement augmenter la force à 1 200 N dans la même région¹³. En plus des propriétés du matériau (c’est-à-dire le module d’élasticité), les géométries, les épaisseurs, le ciment adhésif et la répartition des défauts influencent la résistance de toute prothèse¹⁴. Cependant, des arguments ont été soulevés sur la pertinence clinique de ces tests en raison des forces élevées non cliniques et des mécanismes de défaillance qui sont similaires aux situations cliniques ^6,14. Un test de résistance à la fatigue impliquant une analyse des contraintes par paliers et une condition intrabuccale peut être une approche plus réaliste pour prédire la longévité des restaurations dentaires⁷. Néanmoins, la charge à la rupture reste un test in vitro rapide, simple et reproductible pour comparer les résistances des nouveaux matériaux céramiques CAD/CAM lancés sur le marché où les données du fabricant peuvent ne pas être fiables 15,16,17. Le résultat peut refléter la tolérance de la prothèse aux forces extrêmes des activités parafonctionnelles et des situations cliniques inattendues telles que mordre sur des graines dures ou des graviers, ce qui provoque également une défaillance des prothèses dentaires 18,19,20,21.

Avec leur utilisation croissante pour réhabiliter les dents postérieures, les performances mécaniques des facettes occlusales fabriquées à partir de matériaux CAD/CAM fraisés et imprimés ont été étudiées pour divers aspects, notamment les types de matériaux, les conceptions prothétiques, la conception de la préparation du pilier dentaire, les épaisseurs, les traitements de surface, le collage et le système de ciment de scellement^22,23. Cependant, les données sont encore limitées et les matériaux d’essai sont issus de la céramique à matrice de verre et des matériaux composites conventionnels CAD/CAM. Un matériau hybride alternatif, la résine nanocéramique, est maintenant disponible. Il prétend incorporer la résistance des charges nanocéramiques et la résilience de la matrice de résine, ce qui peut convenir à une restauration mince et peu invasive. Cependant, ses performances mécaniques, en particulier dans la région des molaires, nécessitent davantage de preuves à l’appui pour des implications cliniques.

Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas eu de matériaux pouvant remplacer les dents naturelles dans les tests de laboratoire. Stratifié en fibre de verre haute pression (National Electrical Manufacturers Association ; NEMA grade G10) avec le nom commercial de Garolite est proposé comme matériau analogue de la dentine pour les essais mécaniques des céramiques dentaires depuis 2010¹⁴. Il s’agit d’un matériau composite thermodurcissable composé de plusieurs couches de fibre de verre imbibées de résine époxy sous haute pression. Il peut résister à des conditions de stress élevées avec des propriétés élastiques, un comportement à la fatigue et des forces de liaison adhésive similaires à ceux de la dentine hydratée^14,24. Elle offre des avantages par rapport aux dents naturelles en ce qui concerne la préparation des échantillons, la normalisation et l’autorisation éthique, avec des économies de temps dues à la réduction des problèmes de biosécurité²⁴. Le traitement de surface peut être effectué par gravure avec de l’acide fluorhydrique à 5 % ou 10 % de 60 s à 90 s et l’application d’un agent de couplage silane^14,24. Néanmoins, les études sur les prothèses cimentées avec ce matériau sont limitées et la fiabilité des preuves existantes est encore discutable^24,25.

Dans cette étude, un protocole de laboratoire pour un test monotone de charge à la rupture de facettes occlusales de 1 mm d’épaisseur cimentées aux matrices maîtresses usinées à partir d’un matériau analogue à la dentine contre une bille d’acier inoxydable non fixée a été développé. Les capacités de charge maximales de deux matériaux dentaires CAD/CAM : le disilicate de lithium (LD) - IPS e.max CAD et la résine nanocéramique (RNC) - Lava Ultimate, avec n = 15 par groupe, ont été quantifiées et comparées statistiquement par le biais d’un test t indépendant de deux échantillons et d’une analyse statistique Weibull. Les modèles de fracture ont également été étudiés par stéréomicroscopie optique et microscopie électronique à balayage. L’hypothèse de l’étude était qu’il s’agissait d’une méthode appropriée pour modéliser l’échec des facettes occlusales dans les applications cliniques. L’hypothèse nulle statistique était qu’il ne devrait pas y avoir de différence dans les capacités de charge maximales entre les facettes occlusales fabriquées à partir des deux matériaux.

Protocole

1. Fabrication analogique de la dent

1. Réduire anatomiquement la surface occlusale d’une première molaire mandibulaire typodonte (avec racine bifurquée) de 1 mm et biseauter le bord à l’aide de fraises diamantées grossières et fines.
2. Numérisez le typodonte préparé à l’aide d’un scanner de laboratoire dentaire.
3. Ouvrez le fichier numérisé avec OrthoAnalyzer dans le logiciel de CAO. Dans la fenêtre de la boîte à outils Sculpt , cliquez sur l’outil Couteau à cire et réglez son diamètre et son niveau sur 2,6 mm et 63 μm, respectivement. Tirez progressivement chaque surface racinaire l’une vers l’autre pour fusionner les racines bifurquées en une seule racine afin de faciliter le processus de broyage (Figure 1).
4. Fraisez les matrices analogiques de la dent à partir d’un stratifié de fibre de verre haute pression (n = 30) (Garolite, National Electrical Manufacturers Association [NEMA] grade G10) à l’aide d’une fraiseuse à cinq axes (Figure 2).

2. Montage

1. Utilisez un logiciel de CAO approprié (par exemple, Autodesk Inventor Professional 2025) pour concevoir un gabarit qui s’adapte à la section de la racine de la dent du modèle et à l’espace à l’intérieur des embouts en PVC afin d’assurer une position et une orientation normalisées de l’échantillon d’essai.
2. Imprimez un gabarit par pouce-test en PMMA ou en matériau à module similaire à l’aide d’une imprimante 3D.
3. Combinez les parties de racine et les matrices avec l’embout en PVC, généralement de 25 mm de diamètre intérieur, 21,5 mm de hauteur et 5,5 mm d’épaisseur de paroi.
4. Mélangez la résine époxy à faible viscosité durcissable à froid et versez-la jusqu’à la région de jonction cémento-émail des dents du modèle. Veillez à ne pas contaminer la surface occlusale des dents du modèle avec la résine qui coule. Laisser reposer complètement à température ambiante pendant au moins 24 h (Figure 3).

3. Fabrication de facettes occlusales

1. Importez le fichier numérisé de tooth analog dans le logiciel de CAO.
2. Sous Directions, déterminez le sens d’insertion de la facette occlusale.
3. Sous Interfaces, sélectionnez Ligne de marge et marquez la ligne de marge de l’analogue de la dent numérisée. Ensuite, sélectionnez Interface de matrice | Avancez les réglages et ajustez l’écart de ciment à 0,025 mm et l’espace de ciment supplémentaire à 0,050 mm.
4. Sous Conception d’anatomie, concevez un facette occlusale de 1 mm d’épaisseur à l’aide d’un modèle de la bibliothèque Smile et ajustez-la à l’aide des outils de Sculpt.
5. Broyer les blocs de disilicate de lithium (IPS e.max CAD) et de nanocéramique de résine (Lava Ultimate) (n = 15 par groupe) à l’aide d’une fraiseuse à cinq axes et en suivant les instructions du fabricant (Figure 4).

4. Collage et scellement

1. Nettoyez toutes les matrices maîtresses pendant 90 s dans une machine à ultrasons et faites sécher à l’air. Ensuite, appliquez de l’acide fluorhydrique à 5 % sur la surface occlusale pendant 60 secondes, rincez abondamment à l’eau et laissez sécher à l’air.
2. Pour le groupe LD, gravez la surface interne avec de l’acide fluorhydrique à 5 % pendant 20 s, rincez abondamment à l’eau et séchez à l’air.
3. Pour le groupe RNC, abraser à l’air avec une granulométrie de poudre d’oxyde d’aluminium de 50 μm à 2 bars (200 kPa, 30 psi) pendant 10 s. Enlevez l’excès de sable avec de l’alcool et laissez sécher à l’air.
4. Appliquez du silane, un agent de liaison universel, et chargez du ciment adhésif à double durcissement sur la taille-douce de restauration. Placez la restauration sur les matrices mères préparées en les chargeant sous une tête de compression remplie de silicone dans une machine d’essai universelle avec une charge de 40 N.
5. Durcir avec une diode électroluminescente (LED) en utilisant une intensité lumineuse en mode normal de 1 000-1 200 mW/cm² pendant 1-2 s. Retirez l’excès de ciment, continuez la lampe à polymériser sur chaque surface pendant 20 s et laissez-la dans la machine d’essai universelle pendant 5 min.
6. Retirer de la machine d’essai universelle et laisser dans de l’eau distillée à 37 °C pendant 48 h pour permettre au ciment de durcir complètement.
7. Avant le test, utilisez des marqueurs permanents fins pour tracer trois lignes de référence médiales-latérales (sinistrale, centrale et dextre) et trois lignes de référence antéro-postérieures (supérieure, centrale et inférieure) de différentes couleurs à l’aide de marqueurs permanents fins.

5. Essais mécaniques quasi-statiques

1. Positionnez l’éprouvette au centre du plateau inférieur d’une machine d’essai mécanique avec un capteur de pesage de 5 kN configuré pour les essais de compression.
2. Placez une bille en acier inoxydable de 5,5 mm de diamètre dans la fosse centrale de la restauration à l’intersection des lignes de référence centrales (Figure 5).
3. Placez un anneau de protection en acrylique autour de l’échantillon et un bouclier anti-débris devant la machine d’essai pour limiter les débris volants.
4. Abaissez la traverse jusqu’à ce qu’elle soit presque en contact avec la bille d’acier et qu’elle soit à charge et déplacement nuls.
5. Appliquez une compression à 1 mm/min jusqu’à ce que la restauration se fracture, indiquée par une chute soudaine de la charge. Enregistrez cette charge (Figure 5).
6. Après la fracture, retirez le bouclier et l’anneau en acrylique et prélevez soigneusement l’échantillon d’essai et ses fragments. Les lignes colorées aident à placer les fragments de céramique dans leurs positions d’origine pour une analyse ultérieure (Figure 5).
7. Placez l’échantillon d’essai suivant et suivez les étapes 5.2 à 5.6 jusqu’à ce que les groupes soient complets.

6. Analyse statistique

1. Remplissez les feuilles Minitab avec les codes de matériau et les valeurs de charge maximale (N) récupérées de l’expérience dans la première et la deuxième colonne, respectivement.
2. Effectuez un test t indépendant pour deux échantillons en sélectionnant Stat | Statistiques de base | 2 échantillons t. Définissez le niveau de confiance à 95 % et supposez des variances égales.
3. Créez le tracé de distribution de Weibull en sélectionnant Statistiques | Fiabilité/Survie | Analyse de la distribution (censure à droite) | Tracé de l’ID de distribution. Choisissez les valeurs de charge maximales dans la zone Variable , cochez et choisissez les noms des matériaux dans la zone Par variable , spécifiez la distribution en tant que Weibull, puis cliquez sur OK.
4. Effectuez l’analyse statistique de Weibull en sélectionnant Stat | Fiabilité/Survie | Analyse de la distribution (censure à droite) | Analyse de distribution paramétrique | Weibull | Graphiques. Choisissez le graphique de probabilité | Affichez les intervalles de confiance sur les graphiques ci-dessus et cliquez sur OK.

7. Analyse fractographique

1. Pour la stéréomicroscopie, montez la caméra oculaire et capturez des images (20x) des vues aériennes et latérales des échantillons via le logiciel de stéréomicroscopie.
2. Pour la microscopie électronique à balayage, coupez l’échantillon à la jonction cémento-émail (CEJ), placez-le dans un bain d’acétone dans un nettoyeur à ultrasons, puis séchez-le à l’air. Habillage et capture des images (grossissement de 250-300) des vues aériennes et latérales des échantillons.

Résultats

Le calcul de la taille de l’échantillon a été effectué à l’aide du logiciel référencé, qui a généré une taille d’effet de 0,39 et suggéré une taille d’échantillon minimale de n = 13 par groupe. Cependant, une taille d’échantillon de n = 15 a été choisie dans cette étude pour détecter la différence de 5 %. L’hypothèse nulle a été rejetée. Malgré une plus grande résistance à la flexion, les valeurs moyennes de la force de charge maximale des facettes ...

Discussion

Ces dernières années, les facettes occlusales mini-invasives ont reçu de plus en plus d’attention dans la dentisterie restauratrice contemporaine. Ces restaurations sont généralement fabriquées à partir de céramiques monolithiques à matrice de verre CAD/CAM, de matériaux polycristallins et hybrides²⁶. La préparation conservatrice des dents, la facilité d’accès et la visibilité pendant la préparation des dents, la prise d’empreintes et le scell...

matériels

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