Functional capabilities of ceramic nanostructures used for reinforcement of polymer structural materials for dental purposes

Full Text

Введение

Профилактика и лечение онкологических заболеваний у населения многих стран мира сохраняет свою актуальность как сложнейшая, до конца не решенная задача медико-социальной значимости. По данным Международного агентства по изучению рака (International Agency for Research on Cancer, IARC; WHO), в мире ежегодно регистрируется более 12 млн новых случаев рака и более 6 млн смертей от него. У населения Российской Федерации ежегодно фиксируют до 450 тыс. новых случаев злокачественных опухолей, около 25 % которых локализовано в челюстно-лицевой области. Последнее актуализирует поиск решений многочисленных лечебно-диагностических проблем современной онкостоматологии, начиная с задач формирования высокого уровня онкологической настороженности, ранней диагностики и скрининга потенциально злокачественных заболеваний полости рта и заканчивая полноценной стоматологической ортопедической эстетико-функциональной реабилитацией пациентов с приобретенными (послеоперационными) дефектами челюстных костей [1–4]. Медицинская стоматологическая и социальная реабилитация пациентов с дефектами верхней челюсти, особенно при наличии сообщения с полостью носа или верхнечелюстным синусом, требует применения сложных съемных протезов с опорой на сохраненные участки челюсти и имеющих обтурирующую часть для создания достаточного герметизма между полостью рта и носа (рис. 1). Как правило, в подобных случаях протез-обтуратор имеет расширенные границы и, как следствие, больший вес, что ухудшает фиксацию и стабилизацию конструкции, приводит к перегрузке оставшихся зубов [5]. В связи с этим при конструировании зубочелюстных протезов представляется обоснованным сделать акцент на применении более легких, функциональных и эстетичных конструкционных материалов с достаточными параметрами прочности. Успешное решение этой задачи на основе биомеханического моделирования – залог полноценной ортопедической стоматологической реабилитации пациента с приобретенными дефектами ЧЛО, достижения желаемого структурно-функционального и эстетического результата.

 

Рис. 1. Клинические случаи: а – пациентка М., 65 лет: пострезекционное ороназальное сообщение слева (вид через зеркало); б – пациентка К., 27 лет: пострезекционное ороназальное сообщение справа

 

В числе устойчивых трендов современного стоматологического материаловедения – разработка наноструктурированных конструкционных материалов и покрытий многофункционального назначения с улучшенными прочностными характеристиками, оптимальными параметрами биосовместимости и токсико-гигиеническими характеристиками. Особый интерес к подобным материалам возникает в ортопедической стоматологии при создании различных видов зубных протезов, что стимулирует научные разработки по созданию высокофункциональных конструкционных материалов многоцелевого назначения. Так, в последнее десятилетие особое внимание уделяется разработке оптимальных рецептур наноструктурированных керамик на основе диоксида циркония [6–8] и диоксида титана [9; 10]. Спектр функциональных возможностей применения диоксида циркония различного состава для зубного протезирования достаточно хорошо изучен, однако потенциал возможностей его применения в современной ортопедии полностью не исчерпан. Особое внимание исследователей привлекает разработка подходов технологической обработки и стабилизация диоксида циркония оксидом иттрия и церия, результатом чего является достижение оптимальной кажущейся плотности и открытой пористости спеченных образцов керамического материала [11; 12]. Оценка параметров острой токсичности и влияния на регенерацию костной ткани разработанной керамики на основе стабилизированного диоксида циркония открывает потенциальную возможность применения данного конструкционного материала в практической деятельности врача-стоматолога [13], что подтверждено биомеханическими расчетами напряженно-деформированного состояния ряда конструкций [14; 15].

Успешные фундаментальные разработки и эффективное применение в целях зубного протезирования диоксида циркония дало толчок к исследованиям возможностей использования в ортопедической стоматологии наноструктурированных керамик на основе диоксида титана. Несмотря на то, что керамические материалы на основе диоксида циркония и диоксида титана близки по своим физико-механическим свойствам и имеют во многом сходные биомеханические характеристики, потенциал возможностей применения последнего в качестве конструкционного материала в ортопедической стоматологии до конца не раскрыт. Вне поля исследователей – целесообразность применения диоксида титана для армирования полиамидных материалов стоматологического назначения. Обращают на себя внимание данные, что введение в состав полимерного конструкционного материала наноструктурированного диоксида титана в виде дисперсионного армирования приводит к увеличению его предела прочности на 30 % [16; 17], что предопределяет перспективные направления настоящего исследования и его конкретную целевую установку.

Цель исследования – биомеханический анализ модели пострезекционного протеза-обтуратора на верхнюю челюсть, выполненного из термоинжекционного полиамида, дисперсионно армированного наноразмерным диоксидом титана.

Материалы и методы исследования

По совокупности физико-механических характеристик наше внимание привлек термоинжекционный полиамид Vertex ThermoSens (ISO-Сертификат 9001: 2008). Отсутствие остаточного мономера, минимальная усадка, высокая плотность в сочетании с небольшим удельным весом (1,04 г/см³), отсутствие металлических конструкционных элементов предполагают ряд преимуществ использования данного полиамида для изготовления сложно-челюстных протезов пациентам при наличии приобретенных дефектов челюстных костей. Кроме этого, возможность применения денто-альвеолярных кламмеров позволяет снизить нагрузку на зубы здоровой половины челюсти и облегчить вес ортопедической конструкции. Для улучшения прочностных характеристик полиамида экспериментально, на этапе термопрессования, было предложено введение в его состав наноразмерного порошка диоксида титана в качестве армирующего компонента (патент РФ на полезную модель № 172668 от 18.07.2017; патент на изобретение РФ № 2631050 от 15.09.2017). Термин «армирование» (от лат. armo – вооружаю, снабжаю), в соответствии с трактовкой Большого Энциклопедического Словаря, использовали для обозначения усиления материала или частей конструкции элементами (арматурой) из другого, более прочного материала. Cправедливо считали, что именно этот термин подходит для объяснения сути улучшения прочностных свойств и относится к категории дисперсного армирования.

Для обеспечения доказательной базы преимущества конструкции протеза нами совместно с сотрудниками кафедры вычислительная математика, механика и биомеханика ФГАОУ ВО ПНИПУ (зав. кафедрой – д-р тех. наук, профессор В.Ю. Столбов) проведен биомеханический расчет прочности элементов протеза-обтуратора. Создание трехмерной (3D) модели твердого тела осуществлен при помощи 3D-сканера Artec Eva. Далее на основе CAD-модели проводили ее анализ с помощью специализированного программного пакета ANSYS Workbench (Ansys). Расчеты были произведены методом конечных элементов с описанными выше структурой протеза, нагрузками и свойствами. Напряжения сжатия и растяжения, сдвиговые напряжения объединяли и анализировали как одноосный составной эквивалент напряжения Мизеса. В качестве исследуемой области брали фрагмент протеза-обтуратора и задавали границы перемещений и нагрузок. Биомеханическая модель включала в себя конструкцию протеза, разделённую на две части: зубную и нёбную. Построение имело следующие допущения: 1) материалы протеза однородны и изотропны; 2) среда сплошная, начальные напряжения отсутствуют; 3) нёбная часть протеза фиксирована; 4) к зубной части прикладывается распределенная нагрузка. Для изучения биомеханики верхнечелюстного протеза-обтуратора применяли метод математического моделирования. Построение расчетной конечно-элементной модели заключалось в выполнении следующих этапов: определение механических свойств материалов; построение геометрической модели; создание конечно-элементной сетки; задание граничных условий (условий закрепления, силовых воздействий). При проведении расчетов использована классическая постановка задачи механики упругого изотропного тела, состоящая из уравнений равновесия, геометрических соотношений Коши и закона Гука.

До проведения биомеханических расчетов осуществлено исследование механических свойств полиамидного материала на контрольных (10 шт., 2×30×10 мм) и экспериментальных (10 шт., 2×30×10 мм) образцах, армированных наноразмерным диоксидом титана в количестве до 1 мас. %. Исследовали наиболее информативные параметры: прочность на трехточечный изгиб (σ_max, МПа) и модуль упругости (Е, МПа), позволяющие учитывать вертикальные и горизонтальные силы, аналогичные силам, развиваемым зубочелюстной системой во время функции жевания. Испытания экспериментальных образцов проведены на базе Центра экспериментальной механики, кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ (зав. кафедрой, д. физ.-мат. наук, проф. В.Э. Вильдеман) с применением электромеханической системе Instron 5965. В результате испытаний получали зависимости «сила – прогиб» и в дальнейшем был осуществлен переход к зависимостям «напряжения – деформации» с определением модуля Юнга и максимальных напряжений. Полученные данные по механическим свойствам полиамида в сравнительном аспекте анализировали с аналогичными параметрами для акриловой пластмассы, взятыми из справочной литературы [18]. По определяемым величинам проведена статистическая обработка с выделением доверительного интервала с вероятностью 95 %.

Результаты и их обсуждение

Анализируя полученные данные механических испытаний, было определено, что при введении в состав термоинжекционного полиамида армирующего компонента (наноразмерный диоксид титана) происходит увеличение максимальных напряжений и модуля Юнга на 8,4 и на 7,2 % соответственно, что отвечает нормативам стандарта ISO 1567: 1999 Dentistry – Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов).

Биомеханическое моделирование спроектированной ситуации в условиях нагрузки показало, что максимальные напряжения верхнечелюстного протеза-обтуратора располагаются на границе нёбной части протеза и искусственных зубов (рис. 2). При этом величина вертикальной нагрузки (эквивалентное значение напряжений) в модели протеза из полиамида составило 31,47 МПа, тогда как в модели из полиамида, армированного наноразмерным диоксидом титана, это значение равнялось 30,88 МПа (рис. 3, а).

 

Рис. 2. 3D-модель пострзекционного протеза на верхнюю челюсть (биомеханическое моделирование спроектированной ситуации): а – поле перемещений и максимальные значения при вертикальной нагрузке; б – поле перемещений и максимальные значения при горизонтальной нагрузке

 

Кроме этого, при горизонтальной нагрузке максимальные напряжения для биомеханической модели, выполненной из полиамида, составили 46,5 МПа, а при его армировании диоксидом титана – 45,25 МПа (рис. 3, б). Определенный практический интерес имеют следующие полученные данные: наличие оставшихся после операции резекции краевых фрагментов опорной костной ткани протезного ложа верхней челюсти позволяет снизить уровень напряжений на 1–2 % (30,55 и 44,33 МПа соответственно), достигнуть стабильности конструкции протеза с минимизацией полей перемещений до 0,37 мм. Это связано со свойствами податливости слизистой оболочки рта, которая позволяет смягчить зону контакта – протезное ложе-протез, что благоприятно сказывается на стабильности протеза.

 

Рис. 3. Данные биомеханических расчетов вертикальных и горизонтальных нагрузок: а – поле эквивалентных напряжений и максимальные значения при вертикальной нагрузке; б – поле эквивалентных напряжений и максимальные значения при горизонтальной нагрузке

 

Следует отметить, что чрезмерное напряжение протеза-обтуратора в зоне контакта с протезным ложем является потенциальным фактором риска атрофии краевой костной ткани области резекции, а необоснованный выбор конструкционного материала протеза способен приводить к высоким напряжениям в самом протезе и разрушению его элементов. Поэтому оценка пикового уровня напряжений в конструкции протеза-обтуратора имеет важное значение. Согласно проведенным биомеханическим расчетам, уровень максимальных напряжений армированного диоксидом титана полиамида находился в пределах показателей прочности и составил 45,25 МПа. Таким образом, его деформации и напряжения соответствуют физически предполагаемому представлению напряженно-деформированного состояния пострезекционного протеза-обтуратора. Кроме этого, включение в конструкцию протеза-обтуратора опорно-удерживающих кламмеров, выполненных из этого же полиамида, приводит к распределению напряжений на поверхности зуба за счет окклюзионной нагрузки. При этом максимальные напряжения в полимере, армированным наноразмерным диоксидом титана, в зоне контакта с окклюзионной накладкой достигают 35,00 МПа, а деформации, определенные в области нагрузки, равны 0,001, что свидетельствует о достаточной стабильности и хорошей фиксации пострезекционного протеза. В случае исключения окклюзионной накладки из конструкции протеза-обтуратора происходит увеличение эквивалентных напряжений до 39 МПа, т.е. нагрузка на опорный зуб увеличивается на 11 %, что со временем неизбежно приведет к его функциональной перегрузке.

Выводы

Биомеханические расчеты модели протеза-обтуратора на верхнюю челюсть, изготовленного из термоинжекционного полиамида Vertex ThermoSens, армированного наноразмерным диоксидом титана, открывают новые перспективные возможности его использования в практической деятельности врача ортопеда-стоматолога. Доказаны необходимые прочностные характеристики армированного диоксидом титана полиамидного материала, соответствующие требованиям ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний» и международному стандарту ISO 1567: 1999 Dentistry – Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов), а введение в конструкцию протеза опорно-удерживающего кламмера из этого же материала обеспечивает распределение и уменьшение возникающих напряжений в опорном зубе без нарушения фиксации и стабилизации протеза с сохранением условий его прочности.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов равноценен.

About the authors

G. I. Rogozhnikov

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: anasko06@mail.ru

MD, PhD, Professor, Professor of the Department of Prosthetic Dentistry

Russian Federation, Perm

O. A. Shuliatnikova

E.A. Vagner Perm State Medical University

Author for correspondence.
Email: anasko06@mail.ru

MD, PhD, Associate Professor, Professor of the Department of Prosthetic Dentistry

Russian Federation, Perm

O. S. Gileva

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: anasko06@mail.ru

MD, PhD, Professor, Head of the Department of Therapeutic Dentistry and Propedeutics of Dental Diseases

Russian Federation, Perm

A. G. Rogozhnikov

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: anasko06@mail.ru

MD, PhD, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Prosthetic Dentistry

Russian Federation, Perm

V. N. Nikitin

Perm National Research Polytechnic University

Email: anasko06@mail.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Calculus Mathematics, Mechanics and Biomechanics

Russian Federation, Perm

References

Supplementary files