EXPERIMENTAL STUDY OF THE PROPERTIES OF THE BASE OF A NOVEL COMBINED FULL LAMINAR OVERDENTURE

Abstract


This research is targeted at experimental study of the properties of the base of a newly-designed combined full laminar overdenture which is used in fully edentulous patients. The design is novel in that a framework ( Bicon LLC , Boston, USA) made of a fibreglass-based composite (for example, Trinia ). It is introduced into the base of a full laminar overdenture which is made of an acrylic resin. To substantiate performance of the proposed design and of subsequent modeling of biomechanical behaviour of the of the novel combined dental design, properties of the following base specimens were subjected to comparative study: 1 - poly(methyl methacrylate)-based acrylic resin; 2 - mesh-reinforced poly(methyl methacrylate)-based acrylic resin, Renfert (Germany); 3 - Trinia -framework poly(methyl methacrylate)-based acrylic resin. The experimental studies determined that, when combined with Trinia ( Bicon LLC , Boston, USA), the base resin demonstrates excellent strength properties, considerably better than in the existing counterparts. Furthermore, metal mesh showed low performance when used to reinforce full laminar overdenture base. The findings will allow us to proceed with biomechanical modelling and to look into distribution patterns of functional loads which develop at the basal seat when a full laminar overdenture is used, and to determine optimum parameters for the structural components of the newly-designed combined full laminar overdenture.

Full Text

Введение Особенности стоматологического ортопедического лечения пациентов с полным отсутствием зубов Согласно прогнозам старения населения западных стран, к 2025 году более его половины составят люди старше 50 лет [4]. Несмотря на достижения в профилактике стоматологических заболеваний, распространённость полного отсутствия зубов вследствие осложнения кариеса и заболеваний пародонта не уменьшается [9, 10]. Традиционным способом замещения дефектов зубных рядов является изготовление частичных и полных съёмных зубных протезов, которые, несмотря на научные достижения XXI века и насыщенность рынка новыми конструкционными материалами и технологиями, остаются востребованными [1, 6, 12]. В настоящее время, около 5 миллионов человек в РФ используют указанные протетические конструкции. При этом для пациентов с полным отсутствием зубов в России ежегодно изготавливается около 1 миллиона полных съемных пластиночных протезов [4]. Следовательно, обеспечение прочности, эстетичности и высокой функциональности полных съемных протетических конструкций является важной задачей ортопедической стоматологии, решение которой будет способствовать повышению качества жизни пациентов. В настоящее время, традиционно используемым базисным материалом, применяемым для изготовления съемных протетических конструкций, является акриловая пластмасса на основе полиметилметакрилата [5-7, 10, 11, 14]. Данный материал имеет удовлетворительные эстетические свойства, технологичен и точно воспроизводит поверхность протезного ложа, однако не в полной мере удовлетворяет требованиям прочности, жесткости, твердости и ударной вязкости [6, 15]. С целью профилактики поломок съемных пластиночных протезов и увеличения срока их службы, особенно в сложных клинических условиях, традиционно применяется армирование базиса. В качестве материалов для армирования чаще всего используют сплавы металлов [2, 5, 8, 13]. Недостатками таких конструкций являются образование микротрещин и сколов базиса из-за недостаточной адгезии акриловой пластмассы к металлу и нарушение фиксации верхнечелюстного полного съемного протеза за счет увеличения его веса [7]. На этапах ортопедического лечения пациентов с полным отсутствием зубов важную роль играет процесс проектирования конструкций, восстанавливающих утраченные биомеханические функции зубочелюстной системы. Такой подход приводит к высокой точности определения уровня функциональных нагружений, развивающихся как в тканях зубочелюстной системы, так и в протетических конструкциях, позволяет определить наиболее эффективные варианты лечения в каждой конкретной клинической ситуации и дает возможность обеспечить высокую эффективность стоматологического лечения вследствие уменьшения степени неблагоприятного воздействия различных факторов на органы и ткани полости рта [3]. Новая конструкция базиса полного съемного пластиночного протеза На основе вышеизложенного для повышения эффективности ортопедического стоматологического лечения больных с полным отсутствием зубов была разработана новая конструкция полного съемного пластиночного протеза. Модель предложенной конструкции базиса полного съемного пластиночного протеза изготавливается из акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата и каркаса из композиционного материала на основе стекловолокна Trinia (фирмы Bicon LLC, Boston, USA) по технологии компрессионного прессования методом горячей полимеризации, сочетающей в себе современный метод компьютерного фрезерования, необходимый для изготовления каркаса. Базис полного съемного пластиночного протеза отличается от аналогов тем, что для его каркаса использован высокопрочный легкий материал, схожий по структуре и имеющий химическое взаимодействие с базисной пластмассой. Биомеханические аспекты Таким образом, в связи с воздействием большого числа факторов, способствующих поломке базиса полного съемного пластиночного протеза, существует необходимость изучения устойчивости используемых материалов к нагрузкам и определения рациональных конструкционных параметров базиса съемной протетической конструкции, что позволит увеличить срок службы полного съемного пластиночного протеза. В связи с этим актуальным является использование методов биомеханического моделирования, позволяющих наиболее точно определить взаимовлияние различных элементов конструкции, выполненных из разных конструкционных материалов, и оценить характер распределения функциональных напряжений при использовании полного съемного пластиночного протеза. Известно, что для эффективного моделирования необходимо учитывать механические свойства конструкционных материалов, поэтому данное исследование направлено на определение их модуля упругости и параметров трещиностойкости. Материалы и методы В данной работе в сравнительном аспекте изучены свойства трех типов образцов из акриловой пластмассы: 1) изготовленных по традиционной технологии; 2) армированных металлической сеткой; 3) комбинированных - с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна. Новым конструкционным элементом исследования является комбинированный базис с материалом Trinia (фирмы Bicon LLC, Boston, USA). В настоящее время материал используется для изготовления различных субструктур в ортопедических конструкциях и положительно зарекомендовал себя с точки зрения физико-механических и технологических свойств. Данный материал выбран в результате поиска среди сертифицированных в Российской Федерации материалов, применяемых в стоматологии и обладающих необходимыми свойствами. Лабораторные испытания проводились на базе Научного центра порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета на универсальной испытательной машине Instron 5885 со скоростью движения траверсы от 2 мм/мин. Для проведения эксперимента форма, тип образцов, а также способ их изготовления были выполнены в соответствии с нормативно-технической документацией. Все испытания проводились при температуре 23 °С. Эксперимент Изготовление трех типов образцов осуществлялось по технологии компрессионного прессования методом горячей полимеризации акриловой пластмассы в заранее заготовленных формах. Металлическая сетка, имеющая стандартные параметры (толщина 0,4 мм) фирмы Renfert (Германия), вырезалась при помощи специальных ножниц по металлу, каркас из материала Trinia (изготавливался методом компьютерного фрезерования, форма образцов соответствовала ГОСТ Р 56785-2015 (растяжение), ГОСТ 25.604-82 (изгиб), ГОСТ Р 56740-2015 (трещиностойкость), толщина образцов равна средней толщине базиса полного съемного пластиночного протеза (1,5-2 мм). Результаты исследования Модуль Юнга на разрыв для упругого участка акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата составил (919±79) МПа (рис. 1, табл. 1), для образцов, армированных металлической сеткой Renfert (Германия), - (1072±83,9) МПа (рис. 2, табл. 2), а для образцов с введённым материалом Trinia (фирмы Bicon LLC, Boston, USA) - (1669,7±218,1) МПа соответственно (рис. 3, табл. 3), что на 77,7% больше, чем у аналогичных образцов из однородной пластмассы, и на 55,7% больше, чем у образцов с металлической сеткой. Рис. 1. Результаты механических испытаний на растяжение образцов, изготовленных по традиционной технологии Таблица 1 Результаты механических испытаний на растяжение образцов, изготовленных по традиционной технологии Номер образца Макси-мальная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм/мм Напряжение при растяжении при максималь-ной нагрузке, МПа Модуль (автоматический модуль Юнга), МПа Толщи-на, мм Шири-на, мм 1 999,62 0,218 56,00 924,46 2,10 8,50 2 1171,63 0,231 65,82 861,64 2,00 8,90 3 593,86 0,215 41,70 1078,53 1,60 8,90 4 1115,96 0,244 62,00 868,94 2,00 9,00 5 1038,87 0,223 59,03 864,57 2,00 8,80 Среднее 983,99 0,226 56,91 919,63 1,94 8,82 Стандартное отклонение 228,08 0,01 78,92 78,92 0,19 0,19 Рис. 2. Результаты механических испытаний на растяжение образцов, армированных металлической сеткой Таблица 2 Результаты механических испытаний на растяжение образцов, армированных металлической сеткой Номер образца Максимальная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм Напряжение при растяжении при максимальной нагрузке, МПа Модуль (автоматический модуль Юнга), МПа 1 635,73 0,211 33,11 983,91 2 940,15 0,262 48,14 1162,00 3 868,23 0,206 48,78 1068,72 4 1020,21 0,226 52,81 994,58 5 1013,92 0,216 55,71 1151,29 Среднее 895,65 0,224 47,71 1072,10 Стандартное отклонение 157,95 0,02 8,72 83,89 Рис. 3. Результаты механических испытаний на растяжение комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Таблица 3 Результаты механических испытаний на растяжение комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Номер образца Максималь-ная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм/мм Напряжение при растяжении при максимальной нагрузке, МПа Модуль (автоматический модуль Юнга), МПа Толщина, мм Ширина, мм 1 2049,74 0,207 101,27 1806,81 2,20 9,20 2 1796,34 0,203 96,58 1937,81 2,00 9,30 3 1800,56 0,234 100,03 1595,60 2,00 9,00 4 1904,38 0,237 91,12 1363,96 2,20 9,50 5 1339,89 0,235 72,04 1644,48 2,00 9,30 Среднее 1778,18 0,223 92,21 1669,73 2,08 9,26 Стандартное отклонение 265,80 0,02 11,94 218,11 0,19 0,18 Модуль Юнга на изгиб для упругого участка акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата составил (2971±346) МПа (рис. 4, табл. 4), для образцов армированных металлической сеткой Renfert (Германия) - (3064±118) МПа (рис. 5, табл. 5), а для образцов с введённым материалом Trinia (фирмы Bicon LLC, Boston, USA) - (4277±367) МПа соответственно (рис. 6, табл. 6). Рис. 4. Результаты механических испытаний прочности на изгиб образцов, изготовленных по традиционной технологии Таблица 4 Результаты механических испытаний прочности на изгиб образцов, изготовленных по традиционной технологии Номер образца Тип приспособ-ления Расстояние между опора-ми, мм Толщи-на, мм Шири-на, мм Макси-мальная изгибающая нагрузка, Н Макси-мальное напряже-ние при изгибе, МПа Модуль (автомати-чески), МПа 1 3-точечное испытание 60 1,90 16,30 -61,21 93,62 2652,40 2 3-точечное испытание 60 1,90 15,90 -62,02 97,24 2752,20 3 3-точечное испытание 60 2,00 15,85 -71,91 102,08 2965,94 4 3-точечное испытание 60 1,95 15,00 -57,17 90,21 2940,54 5 3-точечное испытание 60 2,05 15,90 -76,91 103,59 3545,06 Среднее - 60 1,96 15,79 -65,84 97,35 2971,23 Стандарт-ное отклонение - 0,00 0,07 0,48 8,22 5,62 346,37 Рис. 5. Результаты механических испытаний прочности на изгиб образцов, армированных металлической сеткой Параметры трещиностойкости акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата составил (0,00147±0,00017) МПа·м0,5 (рис. 7, табл. 7, 10), для образцов армированных металлической сеткой Renfert (Германия) - (0,00163±0,00037) МПа·м0,5 (рис. 8, табл. 8, 11), а для образцов с введённым Таблица 5 Результаты механических испытаний прочности на изгиб образцов, армированных металлической сеткой Номер образца Тип приспособ-ления Рассто-яние между опора-ми, мм Толщина, мм Ширина, мм Макси-мальная изгибаю-щая нагрузка, Н Макси-мальное напряже-ние при изгибе, МПа Модуль (авто-мати-чески), МПа 1 3-точечное испытание 60 1,95 15,40 -67,01 102,99 2921,41 2 3-точечное испытание 60 2,20 16,50 -76,85 86,61 3243,79 3 3-точечное испытание 60 2,30 16,00 -95,81 101,87 3006,62 4 3-точечное испытание 60 2,05 15,50 -66,35 91,67 3070,46 5 3-точечное испытание 60 1,95 15,50 -63,25 96,59 3077,31 Среднее 60 2,09 15,78 -73,85 95,95 3063,92 Стандарт-ное отклонение 0,00 0,16 0,47 13,29 6,90 118,50 Рис. 6. Результаты механических испытаний прочности на изгиб комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна материалом Trinia (фирмы Bicon LLC, Boston, USA) - (0,00288±0,00060) МПа·м0,5 соответственно (рис. 9, табл. 9, 12), что почти в 2 раза выше, чем у образцов из однородной пластмассы и образцов с металлической сеткой. Таблица 6 Результаты механических испытаний прочности на изгиб комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Номер образца Тип приспособ-ления Рассто-яние между опора-ми, мм Толщи-на, мм Шири-на, мм Макси-мальная изгибаю-щая нагрузка, Н Макси-мальное напряже-ние при изгибе, МПа Модуль (авто-мати-чески), МПа 1 3-точечное испытание 60 2,00 15,60 -92,33 133,17 4053,55 2 3-точечное испытание 60 2,20 15,10 -106,17 130,74 4269,11 3 3-точечное испытание 60 2,10 15,50 -102,66 135,17 4077,00 4 3-точечное испытание 60 2,05 15,70 -100,37 136,91 4914,35 5 3-точечное испытание 60 2,20 15,80 -112,93 132,91 4070,48 Среднее - 60 2,11 15,54 -102,89 133,78 4276,90 Стандарт-ное отклоне-ние - 0,00 0,09 0,27 7,57 2,35 367,03 Рис. 7. Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, изготовленных по традиционной технологии Таким образом, показано, что комбинация базисной пластмассы с материалом Trinia демонстрирует отличные прочностные свойства, существенно превосходя существующие аналоги, также определено, что применение металлической сетки в качестве укрепления базиса полного съемного пластиночного протеза имеет низкую эффективность. Таблица 7 Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, изготовленных по традиционной технологии Номер образца Максимальная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм/мм Толщина, мм Ширина, мм 1 125,72 -0,004 2,35 9,70 2 104,68 -0,012 1,90 9,90 3 127,30 -0,027 2,00 10,60 4 123,46 -0,003 1,90 10,00 5 101,60 -0,018 2,10 9,70 Среднее 116,55 -0,008 2,05 9,98 Стандартное отклонение 12,37 0,02 0,19 0,37 Рис. 8. Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, армированных металлической сеткой Таблица 8 Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, армированных металлической сеткой Номер образца Максимальная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм/мм Толщина, мм Ширина, мм 1 123,02 0,022 2,00 9,40 2 103,31 -0,013 2,50 9,10 3 143,19 0,014 1,80 11,40 4 136,14 -0,008 2,00 9,50 5 128,19 -0,005 2,10 10,00 Среднее 126,77 0,002 2,08 9,88 Стандартное отклонение 15,20 0,02 0,26 0,91 Рис. 9. Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) комбинированных образцов, с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Таблица 9 Результаты механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Номер образца Максимальная нагрузка, Н Деформация при растяжении при максимальной нагрузке, мм/мм Толщина, мм Ширина, мм 1 201,03 0,020 2,00 9,60 2 222,30 -0,001 2,05 10,00 3 217,03 -0,030 2,20 9,80 4 304,64 -0,011 2,00 10,90 5 199,55 -0,013 2,10 9,10 Среднее 228,91 -0,007 2,07 9,88 Стандартное отклонение 43,47 0,02 0,08 0,66 Таблица 10 Расчёты результатов механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, изготовленных по традиционной технологии Образцы базисов, изготовленных по традиционной технологии Параметр 1 2 3 4 5 Максимальная нагрузка P, Н 0,000126 0,000105 0,000127 0,000123 0,000102 Ширина образца W, мм 20,8 22,15 21,6 21,8 21,5 Толщина образца B, мм 0,0024 0,0019 0,002 0,0019 0,0021 Длина трещины α n, мм 0,0097 0,0099 0,0106 0,01 0,0097 α n/W α 0,000466 0,000447 0,000491 0,000459 0,000451 Трещиностойкость, МПа·мм1/2 K 0,00141 0,00138 0,00169 0,00166 0,00123 Среднее <K> 0,00147 Стандартное отклонение - 0,00017 Таблица 11 Расчеты результатов механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) образцов, армированных металлической сеткой Образцы базисов, армированные металлической сеткой Параметр 1 2 3 4 5 Максимальная нагрузка P, Н 0,000123 0,000103 0,000143 0,000136 0,000128 Ширина образца W, мм 21,15 21,6 21,7 20,6 21 Толщина образца B, мм 0,002 0,0025 0,0018 0,002 0,0021 Длина трещины α n, мм 0,0094 0,0091 0,0114 0,0095 0,01 α n/W α 0,000444 0,000421 0,000525 0,000461 0,000476 Трещиностойксоть, МПа·мм1/2 K 0,00157 0,00101 0,00217 0,00179 0,00162 Среднее <K> 0,00163 Стандартное отклонение - 0,00037 Таблица 12 Расчеты результатов механических испытаний определения межслоевой вязкости разрушения (трещиностойкости) комбинированных образцов с введенным каркасом из композиционного материала на основе стекловолокна Образцы базисов, комбинированных с материалом Trinia Параметр 1 2 3 4 5 Максимальная нагрузка P, Н 0,000201 0,000222 0,000217 0,000305 0,000200 Ширина образца W, мм 21,2 21,55 21,55 21,7 20,7 Толщина образца B, мм 0,002 0,00205 0,0022 0,002 0,0021 Длина трещины α n, мм 0,0096 0,01 0,0098 0,0109 0,0091 α n/W α 0,000453 0,000464 0,000455 0,000502 0,000440 Трещиностойксоть, МПа·мм1/2 K, МПа·м0,5 0,00258 0,00280 0,00252 0,00407 0,00243 Среднее <K> 0,00288 Стандартное отклонение - 0,00060 Заключение Несмотря на развитие современных технологий в области имплантации, полные съемные пластиночные протезы имеют широкое применение, при этом успешность и эффективность ортопедического стоматологического лечения пациентов зависит от многих факторов, в том числе и от свойств применяемых конструкционных материалов. Полученные результаты дают возможность и основу для проведения биомеханического моделирования и изучения механизмов распределения функциональных нагружений, формирующихся в области протезного ложа при использовании полного съемного пластиночного протеза, а также определить оптимальные параметры конструкционных элементов разработанной модели комбинированного полного съемного пластиночного протеза. Благодарности Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-01-00589 и при финансовой поддержке Правительства Пермского края (грант на развитие научной школы Пермского края «Компьютерная биомеханика и цифровые технологии в биомедицине»).

About the authors

N. B Astashina

A. A Bazhin

M. N Kachenyuk

E. S Sergeyeva

S. V Kazakov

E. P Rogozhnikova

A. A Baydarov

V. N Nikitin

References

  1. Абдуллаев А.Х., Едемский Ю.К., Долматов В.Д., Раид А. Переломы базисов съемных протезов в зависимости от технологии изготовления и базисного материала // Перспективы развития последипломного образования специалистов стоматологического профиля. Актуальные проблемы стоматологи: сб. материалов науч.-практ. конф. - М., 2003. - С. 222-223.
  2. Арутюнов С.Д., Лебеденко И.Ю. Повышение эффективности реставрации съемных пластиночных зубных протезов после поломки // Российский стоматологический журнал. - 2014. - № 5. - С. 4-6.
  3. Бажин А.А., Рогожникова Е.П., Петрачев А.С. Повышение уровня доказательной медицины путем интеграции ортопедической стоматологии с точными науками // Современный мир, актуальные вопросы биоэтики, молекулярной и персонализированной медицины: сб. материалов международного евро-азиатского конгресса по вопросам биоэтики, молекулярной и персонализированной медицины «Biomed-inn-2019». - Пермь, 2019. - С. 7-14.
  4. Веденева Е.В. Роль стоматологического лечения в улучшении качества жизни пациентов: автореф. дис.. канд. мед. наук: 14.01.14 - Стоматология. - М., 2010. - 22 с.
  5. Жолудев С.Е. Применение металлизированных базисов съемных пластиночных протезов при явлениях непереносимости акрилатов: дис. … канд. мед. наук / 14.00.21 - Стоматология. - М., 1990. - 160 с.
  6. Жулев Е.Н. Материаловедение в ортопедической стоматологии: учеб. пособие. - Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2000. - 135 с.
  7. Каливраджиян Э.С., Брагин Е.А., Жолудев С.Е. Руководство по стоматологическому материаловедению. - М.: Изд-во МИА, 2013. - 88 с.
  8. Лохов В.А., Кучумов А.Г., Мерзляков А.Ф., Асташина Н.Б., Ожгихина Е. С., Тропин В.А. Экспериментальное исследование материалов новой конструкции спортивной зубной шины // Российский журнал биомеханики. - 2015. - № 4. - С. 409-420.
  9. Прохватилов О.Г. Оценка эффективности пользования полными съемными протезами нижней челюсти в зависимости от выраженности атрофии тканей протезного ложа: дис. … канд. мед. наук. - СПб., 2015. - 121 с.
  10. Ряховский А.Н., Мурадов М.А. Ортопедическая стоматология: национальное руководство / под ред. И.Ю. Лебеденко, С.Д. Арутюнова, А.Н. Ряховского. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2016.
  11. Стоматологическое материаловедение: учебник / под ред. Э.С. Каливраджияна, Е.А. Брагина, С.И. Абакарова, С.Е. Жолудева; Мед. информ. агентство. - М., 2014. - 320 с.
  12. Янишен И.В., Коваленко Г.А. Клиническая оценка эффективности ортопедического лечения пациентов с беззубыми челюстями полными съемными протезами с использованием С-силиконовых материалов для функциональных оттисков // Наука и здравоохранение. - 2017. - № 1.
  13. Craig R.G. Prostheticsbapplications of polymers // Restorative Dental Materials. - 10 ed. - St. Louis: Mosby, 1997.
  14. John M.T., Hujoel P., Miglioretti D.L., LeResche L., Koepsell T.D., Micheelis W. Dimensions of oral-healthrelated quality of life // J. Dent. Res. - 2004. - Vol. 83, Iss. 12. - P. 956-960.
  15. Van Noort R. Introductions to Dental Materials. - Mosby-Year Book, Inc., 2002. - 219 p.

Statistics

Views

Abstract - 54

PDF (Russian) - 27

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 Российский журнал биомеханики

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies