Chayka V.G.¹, Muntian L.M.¹,Tymoshenko O.V.², Koval V.V.²

¹National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsya, Ukraine

²National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute»

Influence of cyclic loading on the properties

of elastic materials used in soft pads for removable dentures

Резюме. Проведены экспериментальные исследования стоматологического эластичного материала для мягких прокладок протезов Vertex soft (Vertex Dental, Голландия) на основе полиметилметакрилата горячей полимеризации. Получена зависимость влияния циклической компрессионной нагрузки на прочность соединения амортизационного слоя с полимерной основой. Установлена зависимость роста модуля упругости и уменьшения удлинения прокладочного эластичного материала Vertex soft от количества циклов нагрузки.

Ключевые слова: съемные протезы, эластичные материалы, адгезия, циклические нагрузки.

Современная стоматология. – 2013. – №2. – С. 82–85.

Summary. This study evaluated the dependence of the influence of cyclic compressive loading on the bond strength of amortization layer with a polymer base. There were observed the dependence of increasing of the elastic modulus and the dependence of decreasing of elongation of lining elastic material Vertex soft (Vertex Dental, Netherlands) based on hot polymerizing polymethylmethacrylate to the number of load cycles.

Keywords: removable dentures, elastic materials, adhesion, cyclic loading.

Sovremennaya stomatologiya. – 2013. – N2. – P. 82–85.

В практике ортопедической стоматологии накоплен многолетний опыт использования эластомеров в качестве эластичной прокладки в комбинированных базисах зубных протезов. Эластичные прокладочные материалы широко используются для базисов съемных протезов для избегания болевых ощущений и улучшения конгруэнтности между протезом и слизистой оболочкой полости рта [11]. Они выступают в качестве «подушки» и обеспечивают равномерное распределение функциональной нагрузки на слизистую оболочку ротовой полости [15].

Необходимое условие для функционирования прокладки – ее прочное соединение с материалом базиса протеза, но в отличие от твердых базисных пластмасс эластичные материалы не могут так длительно сохранять свои физико-химические свойства. В процессе использования съемного протеза эластичную прокладку меняют несколько раз. Одна из самых распространенных проблем, ограничивающих использование эластичных прокладочных материалов, – потеря соединения с базисом протеза [9, 10, 12, 17].

Поскольку неудачное лечение с использованием эластичных прокладочных материалов часто является результатом разрыва соединения между прокладочным материалом и базисом протеза, измерение прочности их соединения очень важно в поиске решения данной проблемы [14].

За последние 20 лет многие исследования в разделе стоматологических биоматериалов были сосредоточены на разработке новых прямых и косвенных стоматологических реставрационных материалов и компонентов. Хотя многие физические и химические параметры этих материалов хорошо охарактеризованы (например, коэффициенты расширения, прочность, твердость, растворимость и т.д.), однако как они отвечают на различные виды износа в полости рта изучено не полностью [21].

При разработке новых стоматологических реставрационных материалов производители должны предусмотреть свойства этих материалов и прогнозировать их эксплуатационную эффективность в ротовой полости. Клинические испытания зачастую трудно выполнить – они дорогостоящие и занимают много времени (до двух-трех лет) [13].

Как альтернативу можно использовать жевательные симуляторы, которые при относительно низкой стоимости позволят ускорить изучение степени износа конструкционного материала [16]. Несмотря на определенные ограничения в лабораторных исследованиях, испытание на циклические нагрузки жевательных движений является объективным методом для прогнозирования клинической эффективности стоматологических материалов [18–20].

Цель исследования – изучение особенностей влияния циклической нагрузки на свойства эластичного материала для мягких прокладок съемных протезов Vertex soft (Vertex Dental, Голландия) как элемента конструкции полных съемных пластиночных протезов с амортизационными свойствами.

Материалы и методы

Исследовался стоматологический эластичный материал для мягких прокладок протезов Vertex soft (Vertex Dental, Голландия) на основе полиметилметакрилата горячей полимеризации. Набор пластмассы Vertex soft включает акриловый полимер, цветные пигменты (порошок), акриловый мономер, этиленгликольдиметакрилат, пластификатор ацетилтрибутилцитрат (жидкость).

Для исследования изготавливали по ТУ образцы в виде цилиндров 12,3 умножить 40 мм с амортизационным слоем толщиной 1,5 мм (рис. 1). Амортизационный слой между слоями базисной пластмассы Фторакс (АО «СТОМА», Украина) является конструкционным элементом полных съемных пластиночных протезов с амортизационными свойствами собственной конструкции (Патенты на полезную модель UA №53372 2010 г., UA №58807 2011 г., UA №58823 2011 г.). Изготовление и полимеризацию образцов эластичных материалов проводили согласно инструкции производителя.

Для изучения основных закономерностей упругопластического деформирования, повреждаемости и разрушения амортизационного материала в условиях линейного напряженного состояния принята программа нагрузки образцов путем приложения осевой силы Р (t) по программе малоцикловой нагрузки в условиях мягкого режима (рис. 2). Получены кривые деформирования при циклической нагрузке в координатах усилие Р и абсолютная деформация дельтаl (рис. 3).

Исследования проводили из расчета нагрузки сжатия 350 Н/см² на зуб. Учитывая, что площадь жевательной поверхности первого моляра в среднем 0,6 см², расчетное напряжение составит 5,84 МПа и для образца диаметром 12 мм усилие будет равно 660 Н.

По данным многих исследователей, человек в течение суток совершает 800–1500 жевательных движений [1, 3–5, 7, 8, 16]. Нами взято за основу 1400 жевательных движений за сутки [16], поэтому за год их количество составит 511000.

Образцы были разделены на четыре группы согласно количеству циклических нагрузок, которым они подвергались: 1000, 10000, 100000 и 540000. После циклической нагрузки образцов проводились испытания на растяжение. По их результатам определялась прочность сцепления амортизационного слоя с базисным материалом для каждого образца [2].

На кафедре динамики и прочности машин и сопротивления материалов НТУУ «Киевский политехнический институт» на основе современных компьютерных технологий и микропроцессорной техники разработана программа экспериментальных исследований. Для ее реализации применяли универсальную испытательную установку Bi-02-112 производства индийской фирмы «Bangalore Integrated System Solutions (P) Ltd», которая позволяет проводить нагрузки образцов конструкционных материалов путем статического и повторно-переменного приложения осевой силы N и крутящего момента M_кр по различным программам в условиях мягкого и жесткого режимов (рис. 4). Установка имеет следующие характеристики: максимальное осевое усилие – 500 кН, единица измерения продольной деформации по траверсе – 0,01 мм, единица измерения продольной деформации по экстензометру – 0,001 мм, максимальная частота нагрузки – до 10 Гц.

Образцы закрепляли в самоцентрирующихся захватах машины, позволяющих избежать перекоса (продольная ось образца совпадала с направлением действия силы) приложения силы (рис. 5). Скорость движения траверсы 1,25 мм/мин. Испытания проводились при частоте нагрузки 3 Гц.

Показатель прочности соединения амортизационного слоя с базисным материалом (напряжения) сигма (МПа) вычисляли по формуле: сигма=N/F, где N – осевая сила, Н; F – площадь соединения между твердой базисной пластмассой и эластичной прослойкой образца, мм².

Относительная деформация определялась по формуле: эпсилон=дельта l/l, где дельта l – абсолютная деформация, мм; l – базовая длина слоя, мм.

За результат принимали среднее арифметическое испытаний четырех образцов.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований обработаны с помощью метода математического статистического анализа при Р=90% в программе STATISTICA v.6.0 и представлены на рис. 6–8.

По экспериментальным данным получено четыре графика изменения модуля упругости первого рода (Е) от количества циклов нагрузки (N): 1000 циклов, 10000, 100000 циклов и 540000 циклов (рис. 6 а –г).

На рис. 7 приведены графики изменения уровня упругой деформации (эпсилон) от количества циклов нагрузки (N): 1000 циклов, 10000, 100000 и 540000 циклов.

Рост модуля упругости и уменьшение уровня упругой деформации в зависимости от количества циклов при нагрузке на сжатие свидетельствует о том, что происходит «окоченение» материала.

После 1000 циклических нагрузок (что равнозначно 17 часам пользования протезом) адгезионная прочность составила 7,85±2,42 МПа (рис. 8). При 10000 циклических нагрузок (7 суток пользования протезом) адгезионная прочность составила 7,99±3,36 МПа, то есть увеличилась на 1,78%, что, возможно, является результатом увеличения модуля жесткости эластичного материала. После выполнения 100000 циклических нагрузок (2 месяца и 4 дня пользования протезом) адгезионная прочность составила 9,26±2,33 МПа, то есть увеличилась на 17,96%. При выполнении 540000 циклических нагрузок (1 год и 20 дней пользования протезом) адгезионная прочность выросла до 9,45±2,91 МПа, т.е. увеличилась на 20,4%, что свидетельствует об уплотнении материала, росте силы адгезии между эластичной прокладкой и базисной пластмассой.

В результате проведенной работы выявлен рост характеристик упругости, этот рост в свою очередь ведет к незначительному спаду характеристик пластичности. Следовательно, изучаемый эластичный материал под действием циклической нагрузки на сжатие становится жестче и тверже.

Не происходило изменений цвета материала, нарушения и отслоения от базиса.

После выполнения программ нагрузки конструкция образцов сохраняла свою целостность, что соответствует высокой адгезии эластичного прокладочного материала в комбинированных базисах зубных протезов. Это указывает на возможное увеличение срока эксплуатации конструкции съемного протеза.

При испытании на растяжение после циклической нагрузки образцы характеризовались адгезионным типом разрыва в 100%, что является возможным следствием образования микроразрывов на границе соединения между эластичной и твердой пластмассой.

Условия лабораторных исследований отличаются от реальных условий пользования двухслойными протезами в полости рта, где на эластичные материалы влияют циклические изменения уровня pH, влажности и температуры, присутствие микроорганизмов и компонентов пищевых продуктов. Однако полученные результаты лабораторных исследований роста адгезии эластичных материалов для мягких прокладок съемных протезов при циклических нагрузках позволяют прогнозировать срок функциональной пригодности съемных протезов с амортизационными свойствами.

Выводы:

1. Использование жевательного симулятора позволяет объективно и быстро прогнозировать клиническую эффективность и износ стоматологических материалов в сроки от 2 суток до 2 недель (в зависимости от частоты циклических нагрузок), что условно соответствует одному году эксплуатации конструкции протеза.

2. На протяжении от 1000 до 540000 циклических загрузок, что условно соответствует одному году и двадцати суткам эксплуатации конструкции, произошел рост характеристик упругости, что в свою очередь ведет к незначительному спаду характеристик пластичности. Это указывает на то, что Vertex soft под действием циклической нагрузки на сжатие становится жестче и тверже.

3. С увеличением количества циклических нагрузок выросла сила адгезии между амортизационным слоем и базисной пластмассой до 20,4%, что в полной мере обеспечивает целостность конструкции протеза.

4. По завершении циклических нагрузок образцы характеризовались адгезионным типом разрыва в 100%, что является возможным следствием образования микроразрывов на границе соединения между эластичной и твердой пластмассой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вагнер В.Д., Семенюк В.М., Чекунков О.В. Путеводитель по ортопедической стоматологии. – М.: Мед. книга, Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2004.–581 с.

2. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. – М.: Химия, 1977. – 70 с.

3. Ибрагимов Т.И. Актуальные вопросы ортопедической стоматологии с углубленным изучением современных методов лечения: учеб.-метод. пособие. – М.: Практ. мед., 2006. – 256 с.

4. Каламкаров Х.А. Избранные лекции по ортопедической стоматологии: рук-во для врачей. – Москва: МИА, 2003. – 64 с.

5. Копейкин В.Н. Руководство по ортопедической стоматологии. – М.: Триада-Х, 2004. – 496 с.

6. Логинова Н.К., Гусева И.Е., Зайцева И.В. // Стоматология. –1999. – №6. – С.51–55.

7. Ожоган З.Р. // Вісник стоматології. – 2002. – №2. – С.29–31.

8. Ahlgren J., Owall B. // Arch. Oral. Biol. – 1970. – Vol.15, N4. – P.271–280.

9. Аl-Athel M.S., Jagger R.G. // J. Prosthet. Dent. – 1996. – Vol.76. – P.535–540.

10. Bates J.F., Smith D.C. // J. Am. Dent. Assoc. – 1965. – Vol.70. – P.344–353.

11. Fujii K., Arikawa H., Kanie T. et al. // J. Oral Rehabil. – 2002. – Vol.29. – P.744–748.

12. Kawano F., Dootz E.R., Koran A. 3rd, Craig R.G. // J. Prosthet. Dent. – 1992. – Vol.68. – P.368–371.

13. KrejciІ., Reich T., Albertoni M., Lutz F. // Schweiz. Monatsschr. Zahnmed. – 1990. – Vol.100. – P.953–960.

14. Kulak-Ozkan Y., Sertgoz A., Gedik H. // J. Prosthet. Dent. – 2003. – Vol.89. – P.303–10.

15. Minami H., Suzuki S., Ohashi H. et al. // Int J. Prosthodont. – 2004. – Vol.17. – P.297–301.

16. Raabe D., Alemzadeh K., Harrison A.J.L., Ireland A.J. // 31st Ann. Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2009.

17. Sarac Y.S., Bacogllu T., Ceylan G.K. et al. // J. Prosthet. Dent. – 2004. – Vol.92. – P.283–287.

18. Stappert C.F., Guess P.C., Chitmongkolsuk S. et al. // Am. J. Dent. – 2007. – Vol.20(1). – Р.21–26.

19. Stappert C.F., Guess P.C., Gerds T.,Strub J.R. // Am. J. Dent. – 2005. – Vol.18 (4). – Р.275–280.

20. Wiskott H.W., Nicholls J.I.., Belser U.C. // Int. J. Prosthodontics. – 1995. – Vol.8(2). – P.105–116.

21. Zantner C., Kielbassa A.M., Martus P., Kunzelmann K.-H. // Sliding wear of 19 commercially available composites and compomers, Dental Materials. – 2004. – Vol.20. – P.277–285.

Статья размещена на сайте www.mednovosti.by (Архив СС) и может быть скопирована в формате Word.

Современная стоматология. – 2013. – №2. – С. 82-85

Внимание! Статья адресована врачам-специалистам. Перепечатка данной статьи или её фрагментов в Интернете без гиперссылки на первоисточник рассматривается как нарушение авторских прав.