Włókna szklane i ich zastosowanie w stomatologii

Michał Paprocki

W pracy przedstawiono włókno szklane jako alternatywny materiał mający szereg zastosowań we współczesnej stomatologii klinicznej. Włókno szklane może być wykorzystywane zarówno przy wykonawstwie protez ruchomych jak i stałych uzupełnień protetycznych. Prowadzone badania potwierdziły wzrost właściwości mechanicznych akrylowych protez ruchomych wzbogaconych włóknem szklanym. Dzięki swoim właściwościom mechanicznym i estetycznym włókna szklane zostały wykorzystane do budowy gotowych wkładów koronowo-korzeniowych. Kolejnym przykładem zastosowania materiałów z włókien szklanych w stomatologii jest wykonawstwo mostów kompozytowych metodą pośrednią lub bezpośrednią

Czym tak naprawdę jest włókno szklane?

Włókno szklane jako materiał powstaje w wyniku przeciskania stopionej masy szklanej przez otwory o bardzo małej średnicy. Masa szklana (szkło) to materiał otrzymywany przez stopienie tlenku krzemu (krzemionka, SiO2) z różnymi dodatkami. Stopiona masa szklana poddana jest szybkiemu ochłodzeniu tak, aby nie doszło do pełnej krystalizacji krzemionki, lecz aby w strukturze pozostało jak najwięcej fazy amorficznej. Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy (SiO2) oraz dodatki, najczęściej: węglan sodowy (Na2CO3) i węglan wapniowy (CaCO3), topniki: tlenki boru i ołowiu (B2O3, PbO) oraz barwniki, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu w temperaturze 1400-1500 °C, po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Historycznie pierwszy patent na otrzymywanie włókna szklanego jako formy materiału został przyznany w 1931 roku. W zależności od średnicy i składu włókno szklane posiada szeroki zakres zastosowań. Wykorzystywane do produkcji np. światłowodów lub w połączeniu z żywicami poliestrowymi lub epoksydowymi tworzy lekki, wytrzymały i odporny materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w wielu gałęziach przemysłu (lotnictwie, przemyśle samochodowym, budownictwie) medycynie a także stomatologii[1].

Jak włókno szklane trafiło do gabinetu stomatologicznego?

Rozwój współczesnej stomatologii preferuje metody leczenia z zachowaniem tkanek własnych zęba. Stało się to możliwe wraz z wprowadzeniem systemów wiążących szkliwo i zębinę oraz zastosowania materiałów kompozytowych do odbudowy ubytków zębowych. Brak odpowiednich właściwości mechanicznych, głównie dużej elastyczności i wytrzymałości na pękanie, zawężało zastosowanie klasycznych materiałów kompozytowych w protetyce. Kompozyty wzmacniane włóknami szklanymi (Fiber Reinforced composit-FRC) to grupa materiałów, których właściwości mechaniczne mogą być dopasowane do konkretnych potrzeb w zależności od komponenty włókna szklanego i systemu impregnującego [2].

Altieri i wsp. jako pierwsi prowadzili badania nad zastosowaniem włókna szklanego w stomatologii. Wykorzystując włókna typu S2, przeprowadzili wstępną impregnację włókna termoplastyczną żywicą poliwęglanową na etapie fabrycznego wytwarzania. Freilich i wsp. wykorzystali związki bis-GMA do fabrycznej impregnacji włókien szklanych (3). FRC to wiązka równoległych włókien szklanych impregnowanych żywicą na etapie wytwarzania. Właściwości FRC zależą od rodzaju i jakości włókien szklanych, stopnia impregnacji włókien odpowiednimi żywicami oraz orientacji włókien (ułożenia względem siebie) Odpowiednie przygotowanie materiału ma bardzo duży wpływ na jego przydatność w klinicznym użyciu. Najważniejszym wymogiem zapewniającym dobrą jakość materiału FRC jest optymalna impregnacja włókien przy użyciu różnego rodzaju żywic. Jedna z metod preimpregnacji włókien zaproponowana przez firmę Stick Tech Ltd zawiera specjalną kombinacją żywic i polimerów tworząc w całości „polimer-monomer gel”. Stosowanie preimpregnacji zapobiega strzępieniu się włókien, wydatnie zwiększa wytrzymałość mechaniczną, a także poprawia adhezję materiału po polimeryzacji. Wykazano, że wytrzymałość FRC w około 70% zależy liniowo od ilości włókien, a użycie polimer-monomer gel do preimpregnacji pozwala zastosować większą liczbę włókien otrzymując tym samym lepsze parametry materiału. Prowadzono szereg badań mających na celu podniesienie jakości połączenia FRC z kompozytem będącym materiałem licującym. Wykazano, że stosowanie silanów zwiększa jedynie adhezje żywic (jako składnika materiału licującego) do włókien szklanych [2]. Solnit i Vallittu dowiedli, iż silan A 174 (γmetakrylo-propylo-trimetoksysilan) znacząco poprawia adhezje i penetrację żywicy akrylowej do włókien szklanych [4]. Kolejny sposób zwiększenia adhezji materiału licującego do spolimeryzowanego FRC bazuje na przenikaniu monomeru pochodzącego z nowej żywicy w głąb polimerycznej struktury substratu. To zjawisko zostało nazwane „IPN” z angielskiego interpenetrating polimer networks. Ten rodzaj chemicznego zjawiska był wykorzystywany w protetyce od dawna do naprawy złamanych ruchomych protez akrylowych. W konstrukcji protetycznej materiał zawierający włókna szklane (FRC) jest pokryty żywicami lub materiałem licującym. W niektórych obszarach może dojść do odsłonięcia części włókien, co mogłoby stworzyć powierzchnie do bytowania mikroorganizmów jamy ustnej. Trwające przez ostatnie kilka lat badania dowodzą, że adhezja bakterii do włókna szklanego jest bardzo zbliżona do poziomu stosowanych powszechnie materiałów kompozytowych [2]

Konkretne przykłady.

Podstawowym materiałem stosowanym do wykonawstwa ruchomych protez całkowitych oraz częściowych jest tworzywo akrylowe. Estetyczny, lekki, łatwy w obróbce materiał posiada jednak pewne wady. Polimer akrylowy podlega zmianom kształtu i objętości na etapie wykonawstwa oraz użytkowania aparatu protetycznego. Dodatkowo mała elastyczność i zmęczenie mechaniczne skłoniły do poszukiwania metod zwiększających wytrzymałość akrylu. Modyfikacje laboratoryjne tworzywa akrylowego polegają głównie na zastosowaniu różnego rodzaju dodatków poprawiających właściwości mechaniczne akrylu. Wprowadzając do osnowy polimerowej włókna sztuczne otrzymuje się kompozyt, czyli materiał utworzony, z co najmniej dwóch komponentów mający właściwości nowe (lepsze) w stosunku do poszczególnych komponentów. Istotą modyfikacji jest procentowa zawartość włókien, ich dobra przyczepność do akrylu, kolor najbardziej zbliżony do naturalnego oraz biozgodność. Do sztucznych włókien zaliczamy: włókna węglowe, aramidowe oraz szklane. Przedstawione wymagania najpełniej wydają się spełniać włókna szklane. Liczne badania laboratoryjne potwierdziły korzystny wpływ włókien szklanych na poprawę mechanicznych właściwości tworzywa akrylowego. Majewska i wsp. oraz Stós i wsp. porównały wytrzymałość złamanych protez po naprawie szybkopolimeryzującym tworzywem akrylowym z dodatkiem krótkociętego włókna szklanego i bez dodatku włókien. Porównały także wytrzymałość akrylowych protez przed złamaniem i w obu przypadkach większa wytrzymałość charakteryzowała protezy wykonane z dodatkiem włókien szklanych [5]. Badania dotyczące wpływu włókien szklanych na właściwości akrylu prowadził między innymi Valittu, który zastosował szkielet z włókien szklanych impregnowany metakrylanem metylu. Polimer, łącząc włókna szklane, zapewniał dobrą penetrację tworzywa akrylowego między włóknami i gwarantował trwałość powstałego kompozytu. Valittu stosował siateczkę z włókien szklanych Stick Net w kilku warstwach otrzymując wzrost wytrzymałości akrylu o około 30%. Badania porównawcze płyt protezy z dodatkiem włókien szklanych, oraz bez ich obecności polegały na poddaniu protez dynamicznym testom zmęczeniowym. Siłę o wartości 180 N przykładano do powierzchni zwarciowych zębów bocznych w cyklu, co 300 ms. Proteza bez zbrojenia pękała po 13 tyś. cykli, a proteza wzmocniona włóknami po 1,2 mln cykli. Występujące rozbieżności dotyczą formy zastosowanych włókien. Część autorów zaleca stosowanie tkanin szklanych, gdzie skrzyżowane włókna modulują dobre właściwości akrylu we wszystkich kierunkach. Większość autorów poleca użycie długich włókien szklanych ułożonych kierunkowo. Równoległy przebieg włókien nadaje kompozytowi właściwości anizotropowe. P. Gajdus, W. Pędzelek, S. Joniak przeprowadzili badania, których celem było porównanie wytrzymałości mechanicznej w teście na zginanie akrylowych płyt podniebiennych zbrojonych wiązką oraz siateczką z włókien szklanych. W doświadczeniu wykorzystano siateczkę Stick Net o grubości pojedynczego włókna 0,06 mm i średnicy 5 μm oraz włókna szklane Stick o średnicy pojedynczego włókna 12 μm, uzyskując z nich jednokierunkową wiązkę włókien. Testowano płyty zawierające wyżej opisane dodatki włókien oraz płytę bez elementów z włókien szklanych. Płyty akrylowe nie zawierające włókna szklanego pękały w linii środkowej na 2-4 fragmenty, płyty z siateczką Stick Net pękały rozdzielnie w osi symetrii na dwie części, a płyty z wiązką włókien Stick pękały bez rozdzielenia się na fragmenty w osi symetrii. Długotrwałe badania i próby kliniczne jasno wskazują na celowość zastosowania włókien szklanych do poprawy mechanicznych parametrów tworzywa akrylowego. Optymalną metodą wydaje się stosowanie zbrojenia w postaci siateczki z włókien szklanych, gdyż w tym przypadku wystające końce zerwanych włókien nie utrudniałyby opracowania szczeliny złamania i naprawy płyty protezy. Stosując zbrojenie płyty protezy wiązką długich włókien, naprawa płyty protezy wymagałaby całkowitego rozcięcia płyty w obrębie szczeliny złamania. [3,4]

Dzięki swoim właściwościom mechanicznym i estetycznym włókna szklane zostały wykorzystane do budowy gotowych wkładów koronowo-korzeniowych. Przykładem może być system gotowych wkładów FibreKor Post. Wkład zbudowany jest z elastycznych włókien szklanych zatopionych w matrycy żywicznej. W skład wkładu wchodzą: włókna szklane 42%, wypełniacz 29%, żywica 29%. Przedstawiając zalety wkładów z włókna szklanego posłużono się przykładem wkładów FibreKor Post. Moduł elastyczności wkładu jest zbliżony do zębiny (Rysunek 1) dzięki temu zmniejsza się ryzyko pęknięcia korzenia zęba.

clip_image002.gif

Rysunek 1. Moduł elastyczności, Dr John Jon. Powers

Odpowiedni kształt wkładu (równoległość ścian) zapobiega klinowemu działaniu sił żucia, co mogłoby doprowadzić do „rozsadzenia” zęba. Cechą wkładu jest także bardzo duża odporność na pękanie (Rysunek 2), dzięki właściwościom fizycznym włókien szklanych. Istotną zaletą konstrukcji z włókna szklanego jest brak utleniania lub korozji materiału w przeciwieństwie do standartowych wkładów metalowych. Fizykochemiczna kompatybilność pomiędzy wkładem, cementem, zębiną i odbudowanym zrębem koronowym to kolejna z zalet systemu FibreKor Post.

clip_image003.gif

Rysunek 2. Odporność na pękanie, Dr Cornelis H. Pamaijer

Wkłady wykonane z włókna szklanego można łatwo kształtować, dostosowywać do odpowiedniej długości (Rysunek 3), a wykorzystanie cementów kompozytowych do ich osadzania zapewnia doskonałe wiązanie ze strukturą zęba.

rysunek3.png

Rysunek 3. Wkłady z włókna szklanego

Wkład można łatwo zdemontować, jeśli wymagane jest powtórne leczenie endodontyczne. Łatwość w użyciu i opracowaniu pozwala na odbudowę zęba w trakcie jednej wizyty. Biały, prześwitujący kolor minimalizuje możliwość wystąpienia przebarwień przy odbudowach, w których zębina jest bardzo cienka. [6, 7].

Innym przykładem klinicznego zastosowania materiałów z włókien szklanych w stomatologii jest wykonawstwo mostów protetycznych (uzupełnień brakujących zębów).Mostem nazywamy konstrukcję która jak prawdziwy most zostaje zakotwiczona na zębach otaczających lukę (brak zębowy), odtwarzając brakujący Wykorzystanie technologii włókien szklanych w wykonawstwie mostów pozwala zaoszczędzić tkanki własne zębów filarowych. Dzięki użyciu materiałów adhezyjnych do osadzenia szkieletu mostu rezygnujemy z szlifowania zębów filarowych pod kontem przyszłych koron protetycznych. Metoda bezpośrednia polegająca na wykonaniu uzupełnienia protetycznego bezpośrednio w jamie ustnej pacjenta pozwala skrócić czas zaopatrzenia luki zębowej nawet do jednej wizyty (Rysunki 4, 5). Zastosowanie mostów kompozytowych rozwiązuje problem metalowych elementów w jamie ustnej.

clip_image004.jpg

Rysunek 4. Brak zębowy w odcinku przednim

clip_image005.jpg

Rysunek 5. Włókno szklane jako konstrukcja mostu

Obecność różnych metali w jamie ustnej pacjenta, może skutkować powstaniem reakcji elektrochemicznych typu galwanicznego, korozji uzupełnień, a nawet reakcji alergicznych. Istotną zaletą mostów wykonywanych techniką z zastosowaniem włókien szklanych jest możliwość tymczasowego uzupełnienia braków u pacjentów rozważających różne warianty leczenia protetycznego. Wykonanie mostu akrylowego nie wyklucza zastosowania w późniejszym czasie wszczepu śródkostnego lub wykonania mostu techniką standardową [9].

Podsumowanie

Znaczący rozwój w dziedzinie materiałów zawierających włókna szklane, jaki dokonał się w przeciągu kilku ostatnich lat, rozszerza zakres leczenia protetycznego. Materiały zawierające włókna szklane wydają się spełniać rosnące zapotrzebowanie na estetyczne i nieinwazyjne leczenie protetyczne. Wykorzystanie mechanicznych właściwości włókna szklanego pozwala wzmocnić dotąd używane materiały stomatologiczne, poprawiając efektywność ich działania.

Piśmiennictwo

  1. Boczkowska A., Kapuściński J., Lindemann Z., Witemberg-Perzyk D., Wojciechowski S.: Kompozyty, wyd. 2 zm., 2003
  2. Vallittu P.K.: Fibre-reinforced Composites In Minima Invasive Prosthodontics
  3. Gajdus P., Hędzelek W., Joniak S.: Porównanie wytrzymałości mechanicznej akrylowych płyt podniebiennych zbrojonych włóknem szklanym Protet. Stom. 2003: 53 (3) s. 166-173
  4. Gajdus P., Hędzelek W., Leda H.: Wpływ wybranych wysokowytrzymałych włókien sztucznych sztucznych modyfikowanej i niemodyfikowanej powierzchni na właściwości mechaniczne polimetrakrylanu metylu Protet. Stom. 2000: 50 (3) s. 161-165
  5. Majewska M., Stós B., Nielubowicz-Kowal T., Wlew rodzaju spoiwa i stosowanego ciśnienia podczas polimeryzacji na wytrzymałość mechaniczna naprawianych protez. Protet. Stom. 1975, XXV, 1, 35-43
  6. Bukowska D.: Włókna szklane w stomatologii estetycznej Mag. Stom. 2000: nr 7-8 (108) s. 30-33
  7. FiberKor Post – wkłady koronowo-korzeniowe z włókna szklanego, Opis produktu

  8. Turoszowski C.: Mosty Kompozytowe konstrukcji własnej w odbudowie przedtrzonowców – metoda bezpośrednia Mag. Stom. 2003 nr 6 (140) s. 10-16
  9. Freilich M. A.: Clinical evaluation of fiber-reinforced fixed bridges JADA, vol 133, November 2002

Kategorie: Biotechnologia

Articles: Paprocki05 (last edited 2011-02-15 23:04:20 by localhost)