Nuovo sistema di post composito a sandwich con fibra cava: caratteristiche meccaniche

Abstract 

Background: Attualmente non c'è consenso sul sistema di post ottimale per fornire risultati efficaci a lungo termine. Abbiamo utilizzato un approccio ingegneristico per indagare le proprietà meccaniche di un post cavo in fibra di carbonio a sandwich in sinergia con una nuova tecnica di adesione.

Methods: Abbiamo studiato due sistemi — un post cavo in fibra a sandwich (Techole®, Isasan, Como, Italia) composto da fibra di carbonio incorporata in una miscela di resina Dpp-MOR e un post tradizionale non cavo (Tech 2000®, Isasan, Como, Italia). È stato utilizzato anche un composito bi-componente (Clearfil Core®, Kuraray, New York, NY, USA) (2.2 gcm³, 12.3 GPa) e un composito a doppia polimerizzazione con densità e modulo di elasticità inferiori (Clearfil DC Core®, Kuraray, New York, NY, USA) (2.0 gcm³, 10.0 GPa) nei post cavi. I risultati del test di flessione a tre punti (N.=81), del test di compressione (N.=78) e del test di taglio (N.=81) sono stati ottenuti.

Results: Nel test di flessione a tre punti ci sono state differenze significative in flessibilità/flessione quando i post cavi in fibra a sandwich erano riempiti con compositi di diverso modulo di elasticità. I post cavi a sandwich hanno mostrato anche una resistenza significativamente migliore (P=0.000) alla compressione e al taglio rispetto ai post solidi, indipendentemente dal tipo di composito. Inoltre, i post cavi riempiti con un composito con un modulo di elasticità di 12.3 GPa hanno mostrato parametri di resistenza significativamente migliorati (P=0.000) rispetto ai post cavi riempiti con un composito di 10.0 GPa.

Conclusioni: Lo studio conferma le favorevoli proprietà meccaniche del sistema di post in fibra a sandwich cavo (Techole®) e l'efficacia sinergica quando utilizzato in combinazione con il composito Clearfil DC Core® (10,0 GPa) e, in particolare, Clearfil Core® (12,3 GPa).

Gli obiettivi delle interventi endodontici sono molteplici: ripristinare la forma e la funzione normali, proteggere la struttura dentale residua e, allo stesso tempo, mantenere una buona estetica. Il successo dipende dall'uso di procedure operative e materiali appropriati per una data situazione clinica. Quando c'è una struttura dentale coronale insufficiente, i post intracanalari sono indicati per promuovere la ritenzione del materiale restaurativo e rinforzare la struttura residua per garantire la distribuzione delle forze lungo la radice. La quantità di struttura dentale rimanente è importante per determinare la resistenza alla frattura. La selezione del tipo di post appropriato è fondamentale per ridurre l'incidenza delle fratture radicolari e preservare la radice in caso di fallimento. Pertanto, il sistema di post ideale dovrebbe essere resistente alla frattura, ottimizzare la ritenzione e essere in grado di resistere alle normali forze coinvolte nella masticazione. Il post dovrebbe avere un modulo di elasticità simile a quello della dentina radicolare, al fine di distribuire le forze in modo coerente lungo la lunghezza del post stesso e della radice.

Tradizionalmente, i denti trattati endodonticamente venivano restaurati utilizzando perni metallici con un modulo di elasticità superiore a quello della dentina, il che significava che fallivano frequentemente. Questo ha portato i ricercatori a indagare su altri tipi di materiali con un modulo di elasticità più vicino a quello della dentina per garantire maggiore flessibilità e distribuzione dello stress. Dalla fine degli anni '90, una nuova generazione di perni in fibra che consente una migliore assorbimento e dissipazione dei carichi e una maggiore resistenza alla frattura è stata utilizzata clinicamente. Sebbene ci siano prove sostanziali sull'uso dei perni in fibra, la maggior parte dei dati proviene da studi in-vitro. I dati limitati pubblicati sugli studi clinici mostrano tassi di sopravvivenza ragionevolmente buoni con i sistemi di perni, ma c'è un aumento del bisogno clinico di garantire un movimento adeguato del nucleo durante la funzione normale. I risultati del primo studio pilota controllato e randomizzato a lungo termine hanno mostrato tassi di sopravvivenza favorevoli dei denti trattati endodonticamente restaurati, indipendentemente dal materiale del perno utilizzato (fibra di vetro vs. titanio). Le ragioni del fallimento includono carie secondarie, perdita di ritenzione, distacco del perno e della corona e distorsione/frattura delle radici e dei perni. La micropermeabilità sotto la corona è anche un problema potenziale: un perno può avere un modulo di elasticità simile, ma poiché la radice è più sottile, potrebbe flettersi di più sotto un carico dato.

Negli ultimi anni sono stati raggiunti importanti progressi sia nel tipo di perni di ritenzione utilizzati (perni cementati, perni a bloccaggio per attrito, perni autofilettanti), sia nei pretrattamenti e nei materiali impiegati. La premessa di base è massimizzare il legame tra il perno e il materiale composito. Il trattamento superficiale dei perni è spesso utilizzato per fornire interazione chimica e/o meccanica tra il perno e il composito circostante. Tecniche di incisione con, ad esempio, acido fluoridrico, permanganato di potassio, silano e perossido di idrogeno sono utili per migliorare la rugosità superficiale e aumentare la resistenza del legame tra i perni e il composito. Agenti come il diidrogeno fosfato di 10-metacrilossidecile (10-MDP), un monomero funzionale acido utilizzato negli adesivi a incisione autogena che si lega saldamente al calcio, sono anche utilizzati con risultati incoraggianti. Nonostante questi progressi, non c'è consenso sul sistema di perni ottimale per fornire risultati efficaci a lungo termine: pertanto, il problema dovrebbe essere affrontato da una prospettiva diversa; inoltre, nuove tecniche e combinazioni di materiali devono essere adattate nella pratica odontoiatrica quotidiana. I sistemi di tubi cavi in fibra di carbonio composita sono ampiamente utilizzati in settori non medici come l'industria aerospaziale e marittima, poiché sono flessibili, possono essere piegati a forma e riempiti con materiale di legame in loco per aumentare la resistenza alla forza. Lo stesso sistema potrebbe essere applicato nel campo endodontico; in particolare, le proprietà meccaniche di un nuovo perno cavo in fibra di carbonio composita a sandwich dovrebbero essere investigate in sinergia con una nuova tecnica di legame in un laboratorio dentistico dedicato.

I pali in fibra composita a sandwich cavi sono composti da tubi in fibra riempiti con composito di resina che, in sezione trasversale, sono evidenziati da due strati esterni (chiamati pelle) separati dal nucleo, che si sviluppa lungo l'intero asse principale del palo stesso (Figura 1).

La funzione del nucleo è mantenere una distanza tra i due strati di pelle. L'applicazione di questo concetto a una struttura tubolare significa che i vantaggi dell'effetto sandwich possono essere trasposti lungo l'intera lunghezza di una struttura tubolare di qualsiasi diametro, il che aumenta non solo la resistenza alla compressione ma anche il taglio delle fibre nella parte periferica del dente. L'azione di confinamento esercitata dai polimeri rinforzati con fibra (FRP) sul nucleo nasce come risultato dell'espansione laterale sotto carico assiale. Man mano che lo stress assiale aumenta, la corrispondente deformazione/carico laterale aumenta e il dispositivo di confinamento sviluppa uno stress di trazione circonferenziale bilanciato da una pressione radiale uniforme, che reagisce contro l'espansione laterale. Per colonne circolari, il cemento è soggetto a confinamento uniforme, e la massima pressione di confinamento fornita dai FRP è correlata al volume e alla resistenza del FRP e al diametro del nucleo composito confinato (Figura 2).

La massima pressione di confinamento si raggiunge quando la tensione circonferenziale sul FRP aumenta a tal punto che le fibre si rompono, portando infine al collasso del cilindro. Riempire il post tubolare in fibra con composito durante il processo di cementazione conferisce una serie di vantaggi importanti: il concetto di sandwich consente di massimizzare le qualità e le caratteristiche di ciascuno dei materiali individuali; inoltre, la cementazione è semplificata poiché il post è allo stesso tempo l'ago che estrae il composito. Inoltre, il materiale composito viene inserito quando il post è già stato posizionato nel canale, il che consente di controllare la posizione del post all'interno del canale prima dell'iniezione del composito, garantendo così che il processo di cementazione sia accurato e ottimizzato ed evitando la formazione di bolle d'aria. Al contrario, l'incorporazione di bolle d'aria utilizzando tecniche tradizionali avviene sia durante il riempimento del canale con il composito, a causa dell'estrazione dell'ago mentre il materiale viene estruso, sia durante l'inserimento del post, che è anch'esso un portatore d'aria. Le bolle d'aria sono un locus minoris resistentiae e potrebbero compromettere il complesso post-composito e la sua adesione alla dentina dello “spazio post”.

Nello studio in-vitro presente è stato impiegato un approccio ingegneristico:

1. per confrontare le proprietà meccaniche di un post composito in fibra di carbonio a sandwich cavo e di un post tradizionale solido in fibra di carbonio (controllo);
2. per confrontare le proprietà di resistenza di due compositi con diversi moduli di elasticità nel sandwich; 3) per valutare i vantaggi clinici dell'utilizzo di una nuova tecnica in cui il post funge da supporto per il cemento resinoso alla base dello 'spazio del post'.

Materiali e metodi

Materiali

Due diversi sistemi di post sono stati investigati: 1) il post tradizionale non cavo Tech 2000® (Isasan, Rovello Porro, Como, Italia) — composto da fibre di carbonio incorporate in una miscela di resina Dpp-MOR, in modo che si possa creare un legame chimico con i compositi, dopo aver utilizzato un sistema adesivo. Questa particolare caratteristica consente al post non solo di rendere la ricostruzione più stabile, ma anche e soprattutto, di non scaricare forze sulla radice che presenta un grado intrinseco di fragilità essendo trattata endodonticamente; 2) il post cavo in fibra a sandwich Techole® (Isasan, Rovello Porro, Como, Italia) — composto anch'esso da fibra di carbonio incorporata in una miscela di resina Dpp-MOR. Non è più necessario riempire il canale e poi inserire il post, ma tutto può essere fatto in un unico passaggio poiché il post guida il composito nel canale.

Il diametro dei perni è stato uniformato a 1,4 mm; di conseguenza, sono stati scelti perni cilindrici, smussati solo alla punta, per escludere variabili di forma, conicità e diametro. Il perno cavo, sempre di 1,4 mm esternamente, è stato scelto con un lume di 0,7 mm.

Due materiali compositi sono stati utilizzati: 1) Clearfil Core® (Kuraray, New York, NY, USA) (12,3 GPa); 2) Clearfil DC Core® (Kuraray, New York, NY, USA) (10,0 GPa).

Clearfil Core® (Kuraray, New York, NY, USA) è un composito chimico radiopaco, bi-componente, autopolimerizzante, con una densità di 2,2 gcm³ e un modulo di elasticità di 12,3 GPa. La pasta catalizzatrice è composta da bisfenolo A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato di trietilenglicole (TEGDMA), riempitivo di vetro silanizzato, silice colloidale e catalizzatori; mentre la pasta universale è composta da bisfenolo A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato di trietilenglicole (TEGDMA), riempitivo di silice silanizzata, silice colloidale e acceleratori.

Clearfil DC Core® (Kuraray, New York, NY, USA) è un composito a doppia polimerizzazione radiopaco, fornito in un sistema di erogazione automix, con densità inferiore (2,0 gcm³) e modulo di elasticità inferiore (10,0 GPa). Gli ingredienti principali della pasta A sono bisfenolo A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato alifatico idrofobico, dimetacrilato alifatico idrofilo, dimetacrilato aromatico idrofobico, riempitivo di vetro bario silanizzato, silice colloidale silanizzata, silice colloidale, dl-camforchinone, iniziatori e pigmenti. La pasta B contiene dimetacrilato di trietilenglicole, dimetacrilato alifatico idrofilo, dimetacrilato aromatico idrofobico, riempitivo di vetro bario silanizzato, silice colloidale silanizzata, riempitivo di ossido di alluminio e acceleratori.

Progettazione dello studio

Ogni sistema di perni (Techole® plus Clearfil Core®, Techole® plus Clearfil DC® e Tech 2000®) è stato sottoposto ai seguenti test meccanici: test di flessione a tre punti, test di compressione e test di taglio (Figura 3).

Preparazione dei materiali di test

Non è stata necessaria alcuna preparazione nel caso dei perni tradizionali, ad eccezione dell'esame al microscopio ottico per garantire che non ci fossero difetti di produzione visibili. Per i perni compositi — lo stesso operatore ha eseguito l'iniezione del composito in un'unica seduta a temperatura ambiente sotto umidità controllata grazie a una camera di umidità controllata. Il composito a doppio indurimento e indurimento chimico è stato semplicemente miscelato utilizzando un automix per garantire che non venissero incorporate bolle d'aria e per migliorare le sue prestazioni (i campioni non sono stati induriti con luce). Quando il composito è stato inserito, i perni sono stati mantenuti verticalmente per 24 ore per consentire una completa polimerizzazione.

Realizzazione degli esperimenti

I test sono stati eseguiti utilizzando la macchina di prova universale Zwick/Roell Z150 (ZwickRoell, Kennesaw, GA, USA). L'accuratezza, la precisione e il controllo sia nel posizionamento del campione da testare che durante il test, rendono questa macchina la più adatta per test bio-meccanici e micro-meccanici nel campo professionale e per le aziende. La macchina presenta le seguenti caratteristiche tecniche: una velocità da 0.00005 nm/min fino a 900 mm/min; una larghezza dell'area di prova di 630 mm; un'altezza dell'area di prova di 1675 mm; una potenza nominale di 5.5 kVA; una cella di carico da 600 N fino a 3000 N. Le funzioni sono controllate digitalmente, un innovativo sistema di feedback del motore garantisce eccellenti proprietà di velocità costante, anche a velocità molto basse, e una guida precisa del carrello minimizza le influenze meccaniche indesiderate sul campione. Lo strumento fornisce la base ideale per risultati di test precisi e riproducibili.

Nel test di flessione a tre punti (Figura 4) il palo è stato posizionato in due supporti metallici distanti 8 mm. L'azione di flessione è stata eseguita da un singolo punzone: il suo raggio geometrico (1,5 mm) era correlato allo spessore del campione e raggiungeva esattamente la linea centrale tra i due supporti. Mentre la macchina universale di prova si abbassava sul campione a una velocità di 0,5 mm/minuto, il campione si sarebbe fratturato a un carico particolare (Figura 5). Questo carico massimo prima della frattura (F) è stato indicato in Newton nel display della macchina di prova.

Nel test di compressione (Figura 6), un campione è stato compresso tra due superfici piatte e parallele, producendo una deformazione e un successivo fallimento strutturale e meccanico (Figura 7) quando supera il livello massimo di resistenza. I materiali più fragili si fratturano solitamente più rapidamente di quelli duttili, poiché si deformano, modificando la loro morfologia iniziale. Nella pratica clinica, il test di compressione è ancora più significativo di quello a tre punti, poiché il post è soggetto a forze occlusali maggiori rispetto a quelle laterali. In questo esperimento, innanzitutto, i post sono stati tagliati utilizzando una sega a diamante a bassa velocità a 15 mm di lunghezza per standardizzare la loro lunghezza, poi sono stati posizionati su un supporto fisso e caricati verticalmente a 0,5 mm/minuto, per stressare la struttura sia lungo l'asse lungo del dente che lungo la direzione delle fibre di carbonio.

Il test di taglio studia il comportamento meccanico di un materiale quando il carico è trasversale al suo asse principale. I supporti sono stati fissati parzialmente e stabilmente in orizzontale; successivamente, un tirante mobile è stato fatto cadere verticalmente a 0,5 mm e li ha incontrati (Figura 8). Così sono stati riprodotti anche i movimenti protrusivi e di lateralità (Figura 9). Sono stati considerati i valori di resistenza meccanica massima e la curva risultante.

Analisi statistica

Il valore medio della resistenza alla flessione di tutti i gruppi è stato calcolato e analizzato statisticamente utilizzando l'analisi della varianza unidirezionale (ANOVA) più il test di Tukey (livello di significatività P<0.005).

Risultati

In generale, i risultati mostrano che il post cavo in fibra sandwich riempito con composito con un modulo di elasticità di 12,3 GPa ha avuto la massima resistenza meccanica nella maggior parte dei test (Tabella I, II, III).

Nel test di flessione a tre punti, 81 campioni sono stati suddivisi in tre gruppi di 27 ciascuno e sono stati valutati. Sono stati ottenuti risultati diversi nella flessibilità/flessione quando sono stati utilizzati post tradizionali e quando i post cavi sandwich sono stati riempiti con composito di diversi moduli di elasticità (Tabella I). Il test ha mostrato che i post tradizionali hanno una migliore resistenza quando sono caricati perpendicolarmente al loro asse lungo. Anche se non ci sono state differenze significative tra il Techole plus Clearfil Core® (12,3 GPa) e il post solido tradizionale Tech 2000®, il che significa che i due campioni hanno un comportamento meccanico simile e sovrapposto, sono state invece osservate differenze significative tra il Techole® plus Clearfil DC® (10,0 GPa) e i post tradizionali: quando si utilizza il composito Techole® plus Clearfil DC Core® (10 GPa) i valori diminuiscono, dimostrando che il modulo elastico del riempimento è decisivo in termini di valore di resistenza.

Per il test di compressione, 78 campioni sono stati divisi in 3 gruppi di 26 elementi. I post Techole® hanno mostrato risultati statisticamente superiori rispetto ai post solidi tradizionali, con il post a sandwich cavo con Clearfil® (12,3 GPa) che ha mostrato i valori più alti (Tabella II). In generale, indipendentemente dal tipo di composito utilizzato, i post a sandwich cavi hanno mostrato valori di resistenza migliori rispetto ai post solidi quando sono sottoposti a stress compressivi lungo il loro asse lungo; inoltre, i post cavi riempiti con composito con un modulo di elasticità più elevato (12,3 GPa) hanno mostrato parametri di resistenza migliorati. È stato dimostrato ancora una volta che il modulo elastico del materiale di riempimento influisce sulla resistenza del sistema post più materiale di riempimento.

Allo stesso modo, nel test di taglio, i 81 campioni sono stati divisi in tre gruppi di 27 post. Anche in questo tipo di test, il post in fibra di carbonio a sandwich cavo riempito con Clearfil® 12,3 GPa ha mostrato la resistenza più alta e significativa dei tre gruppi di test, seguito da quello contenente Clearfil® 10,0 GPa (Tabella III). La combinazione di un post a sandwich cavo (Techole®) e un composito con un alto modulo di elasticità ha aumentato i parametri di resistenza di oltre il 15% rispetto ai tradizionali post solidi (Tech 2000®). Il Techole® combinato con il composito Clearfil DC® ha anche mostrato risultati superiori rispetto al post solido tradizionale in termini di resistenza alla tensione e agli stress trasversali e di taglio.

Discussione

Gli obiettivi principali di questo studio preliminare erano valutare e confrontare le caratteristiche meccaniche di un nuovo sistema a fibra cava/composito a sandwich con uno tradizionale. L'obiettivo di questo lavoro era sviluppare un sistema post/composito ottimale con efficacia a lungo termine per l'uso nella pratica clinica quotidiana. In particolare, è stata investigata la resistenza a forze simili a movimenti laterali, di protrusione, compressione e spostamento.

Attualmente non c'è consenso sul sistema post ottimale. In una recente revisione, Lamichhane et al. hanno discusso le caratteristiche necessarie di un post ideale che dovrebbero corrispondere a quelle della dentina in termini di modulo di elasticità, resistenza alla compressione, resistenza alla flessione e dilatazione termica. Inoltre, il post ideale dovrebbe essere esteticamente accettabile e legarsi in modo efficiente alla dentina. Dai risultati di questo studio sembra che il nuovo post a fibra cava a sandwich soddisfi un numero di criteri necessari — livelli più elevati di resistenza meccanica, in particolare nei test di compressione e taglio.

I risultati di questo studio rafforzano l'importanza del modulo di elasticità sulle prestazioni e sulla resistenza allo stress meccanico, come dimostrato quando sono stati studiati compositi con diversi moduli di elasticità (12,3 GPa e 10,0 GPa). I risultati mostrano che il composito con il modulo di elasticità più simile a quello della dentina (che è di circa 18 GPa) ha avuto prestazioni migliori nei test meccanici.9 Inoltre, sembra che la combinazione di un post in fibra a sandwich cavo con un composito Clearfil Core® (12,3 GPa) sia un obiettivo eccellente anche perché i materiali lavorano in sinergia per migliorare le prestazioni meccaniche complessive del sistema di post. L'iniezione di composito in situ garantisce una corretta distribuzione del materiale senza bolle d'aria, assicurando al contempo un legame efficace tra il post e lo “spazio del post.” Il comportamento di strutture cilindriche multistrato caricate assialmente indica che la combinazione di due materiali con diverse strutture meccaniche — la struttura cilindrica cavo in fibra di carbonio e il riempimento composito — porta a un aumento della resistenza complessiva della struttura e fornisce così le caratteristiche richieste del sistema di post “ideale.”

Limitazioni di questo studio

Questo studio non è privo di limitazioni: è stato condotto in vitro, sono stati effettuati solo tre test meccanici su un numero limitato di campioni e è stato incluso solo un sistema di post comparatore (post solido tradizionale Tech 2000®). Questo è stato uno studio iniziale, ma obbligatorio, per stabilire le proprietà meccaniche del nostro nuovo sistema di post e della tecnica di adesione. Abbiamo in programma di condurre studi aggiuntivi per determinare l'efficacia e l'efficacia della rimozione del sistema di post (test di estrazione), gli effetti dell'aumento della pressione idraulica e la presenza di bolle.

Conclusioni

Basandosi su questi risultati e all'interno delle limitazioni di uno studio in vitro, i clinici dovrebbero rinunciare a sistemi di post molto rigidi, poiché falliscono in termini di resistenza, specialmente quando sottoposti a carichi compressivi o di taglio, mentre l'obiettivo è creare un complesso dente-restauro omogeneo in termini fisico-meccanici. Quando è necessaria una ricostruzione post-endodontica, il modulo elastico dei materiali dovrebbe essere considerato in relazione a quello della dentina radicolare. La cementazione per iniezione, una caratteristica del composito sandwich, risulta essere una scelta migliore rispetto all'uso di post tradizionali, poiché minimizza la presenza di bolle d'aria all'interno del composito e, allo stesso tempo, consente un miglior legame adesivo poiché il composito nel post è in comunicazione diretta con il composito esterno dello ‘spazio del post’. I risultati dello studio confermano le favorevoli proprietà meccaniche del sistema di post in fibra sandwich cavo (Techole®) e l'efficacia sinergica quando utilizzato in combinazione con il composito Clearfil Core® (12,3 GPa). Sono necessari ulteriori studi in vitro e eventualmente in vivo per stabilire protocolli per l'uso nella pratica clinica.

Autori: Luca Bovolato, Riccardo Tonini, Giulia Boschi, Giovanni Cavalli, Stefano A. Salgarello

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