Автореферат и диссертация по медицине (14.01.14) на тему:Экспериментально-лабораторное обоснование применения новых конструкций фрезерованных шин для иммобилизации подвижных зубов

На правах рукописи

. / ,

■иц^ 1 М С\

НИКУРАДЗЕ Александр Нодарович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФРЕЗЕРОВАННЫХ ШИН ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ЗУБОВ

14.01.14- Стоматология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

5 2015

005558393

Москва-2015

005558393

Работа выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова" Министерства Здравоохранения Российской Федерации

Научный руководитель:

Заслуженный врач РФ,

доктор медицинских наук, профессор АРУТЮНОВ Сергей Дарчоевич Научный консультант:

Доктор биологических наук, доцент МУСЛОВ Сергей Александрович Официальные оппоненты:

ТРЕЗУБОВ Владимир Николаевич - Заслуженный деятель науки России, доктор медицинских наук, профессор (ГБОУ ВПО « Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова» Минздрава России, заведующий кафедрой ортопедической стоматологии и материаловедения с курсом ортодонтии).

ОЛЕСОВА Валентина Николаевна - Заслуженный врач РФ, доктор медицинских наук, профессор (ФГБОУ ДПО «Институт повышения квалификации ФМБА» России, заведующая кафедрой клинической стоматологии и имплантологии).

Ведущее учреждение: ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава РФ.

-п П /Л &&

Защита состоится " г/' < " 2015 г. в "' " " часов на заседании диссертационного совета Д 208.041.03 при ГБОУ ВПО МГМСУ имени А.И. Евдокимова Минздрава России по адресу: 127006 Москва ул. Долгоруковская, д. 4. Почтовый адрес: 127473 Москва, ул. Делегатская, д. 20/1,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО МГМСУ имени А.И. Евдокимова Министерства здравоохранения Российской Федерации (127206 Москва, ул. Вучетича, д. 10а) и на сайте http://dissov.msmsu.ru/

//. (РГ

Автореферат разослан _2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор медицинский наук, профессор

Гиоева Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень её разработанности

Заболевания пародонта широко распространены среди населения и являются одной из актуальных проблем стоматологии. Согласно ВОЗ [The World Oral Health Report,2003] в возрастной группе от 35 до 44 лет тяжелые формы паро-донтита, которые могут привести к потере зубов, встречаются у 5-15% населения. По данным отечественных авторов пародонтит весьма широко распространен среди взрослого работающего населения России и составляет 86,2% [Кузьмина Э.М., 2009, Янушевич О.О., 2010].

Патологическая подвижность зубов — один из ведущих симптомов заболеваний пародонта. Устранить патологическую подвижность зубов можно путем их иммобилизации [Копейкин В.Н., 1998; Зайцев JI.A., 2001; Жолудев С.Е. и со-авт., 2002; Ряховский А.Н., 2003; Schulz A., Hilgers R., Niedermeier W., 2000].

Активное развитие в конце XX века стоматологического материаловедения привело к развитию новых методов иммобилизации подвижных зубов. Широкое распространение получили шины из композита, армированные волокнами на основе стекловолокна или полиэтилена. Эти шины прочные, не вызывают дискомфорта и отвечают эстетическим требованиям [Белоусов H.H., 2000]. Однако при их использовании часто возникают случаи неравномерной убыли и сколов композита, что приводит к созданию ретенционных пунктов, способствующих размножению микроорганизмов и ухудшению гигиены рта, снижается срок службы шинирующей конструкции [Арутюнов С.Д. и соавт., 1997].

Сегодня широкий спектр применения в стоматологии получают CAD/CAM технологии, позволяющие получать прецизионные и одновременно эстетичные конструкции иммобилизирующих шин, программировать форму и параметры конструкций, толщину слоя фиксирующего материала, расстояние до маргинального края десны и режущего края зуба. Применение CAD/CAM технологий минимизирует человеческий фактор, влияющий на точность конструкций [Арутюнов С.Д., Лебеденко И.Ю., 2011].

Однако остаётся не решённой проблема фрезерования прецизионных иммобилизирующих пародонтальных шин, выбора конструкционных материалов для этих целей и материалов для фиксации. Пути её решения должны лежать через исследование физико-механических свойств конструкционных материалов, бактериальной адгезии к поверхности этих материалов и адгезионных свойств фиксирующих материалов.

Таким образом, разработка новых конструкций фрезерованных иммобили-зирующих шин с использованием CAD/CAM технологий при заболеваниях тканей пародонта, обоснование выбора конструкционных материалов для шин и материалов для их фиксации являются актуальными задачами настоящего исследования.

Цель исследования

Повышение эффективности шинирования подвижных зубов при пародонти-те новыми конструкциями иммобилизирующих шин, выполненных методом компьютерного фрезерования.

Задачи исследования

1. Создать механическую модель, выполнить анализ деформаций и напряжений и выявить факторы, влияющие на прочность системы "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — иммобилизирующая шина".

2. Разработать новую конструкцию фрезерованных иммобилизирующих шин и методику их CAD/CAM изготовления.

3. Комплексными механическими исследованиями определить адгезионную прочность в системах:

а) "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — конструкционный материал" на поперечный разрыв при статической нагрузке,

б) "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — иммобилизирующая шина" при циклических испытаниях на усталостный отрыв.

4. Изучить адгезию пародонтопатогенных бактерий и грибов к образцам конструкционных материалов шин с различной шероховатостью и исследовать связь показателей адгезии и шероховатости.

5. Оценить эффективность новых конструкций шин из исследованных конструкционных материалов на основании полученных расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна

Определена адгезионная прочность фиксации образцов иммобилизирующих шин из титанового сплава, оксида циркония, полимера к твердым тканям зуба различными стеклоиономерными или композитными материалами при статических испытаниях на разрыв.

Предложена механическая модель, описывающая деформации в системе "твердые ткани зуба - фиксирующий материал — иммобилизирующая шина" и

сформулирован критерий конструкционной надежности соединений применительно к характеристикам адгезионного слоя.

Разработаны усовершенствованные конструкции фрезерованных шин:

- патент РФ на изобретение: № 2477098 "Фрезерованная зубная шина";

- патент РФ на изобретение: № 2464952 "Способ шинирования зубов".

Предложена и изготовлена методом CAD/CAM фрезерования новая конструкция иммобилизирующей шины для стабилизации подвижных зубов.

При циклических усталостных испытаниях на отрыв исследована долговечность фиксации иммобилизирующих шин из титанового сплава, оксида циркония или полимера к поверхности естественных зубов испытательного стенда различными стеклоиономерными или композитными материалами.

Установлено, что полирование специальными полирами "NTI" (Германия) образцов иммобилизирующих шин из титанового сплава, оксида циркония или полимера приводит к уменьшению шероховатости образцов избирательно по отношению к конструкционным материалам. Повышение чистоты поверхности образцов полированием способствует уменьшению первичной адгезии грибов рода Candida к поверхности материалов ( р<0,05).

Эффективность новых шин и их соединений с твердыми тканями зуба рассмотрена с точки зрения конструкционной надежности в рамках расчетной модели, экспериментальных исследований адгезионной прочности, усталостной долговечности и антиадгезивных свойств конструкционных материалов шин к пародонтопатогенным бактериям и грибам рода Candida.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные результаты в области механики разрушения и физико-механических свойств конструкционных материалов иммобилизирующих шин важны при поиске путей повышения долговечности конструкций стоматологического назначения. Даны рекомендации по дальнейшему развитию механико-математического моделирования внутренних напряжений в системе "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — иммобилизирующая шина".

Есть основание считать, что изготовленные методом компьютерного фрезерования новые CAD/CAM конструкции иммобилизирующих шин и способ их реализации позволят повысить эффективность шинирования зубов при заболеваниях пародонта и их можно рекомендовать для клинической апробации.

Создан экспериментальный стенд для исследования долговечности стоматологических ортопедических шин.

Установленная корреляция между чистотой обработки поверхности иммо-билизирующей шины и уровнем ее колонизации пародонтогенными микроорганизмами может быть использована для поиска путей улучшения антиадгезивных свойств стоматологических материалов к представителям микрофлоры рта.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Деформации и разрушение цементных соединений иммобилизирующих шин с твердыми тканями зуба могут быть описаны в рамках механической модели, согласно которой основной причиной разрушения системы "твердые ткани зуба - фиксирующий материал - иммобилизирующая шина" является зарождение и развитие эксплуатационных микротрещин в адгезионном слое.

2. Разработаны и изготовлены фрезерованные иммобилизирующие шины из титанового сплава и из оксида циркония для постоянной иммобилизации подвижных зубов и полимерная конструкция для временного шинирования зубов при заболеваниях пародонта.

3. Из изученных материалов фрезерованных шин наилучшими адгезионными свойствами, в том числе при циклических нагрузках, обладают соединения, выполненные из оксида циркония с применением фиксирующих материалов "Mul-tilinkN" (Ivoclar Vivadent, Лихтенштейн) (p <0,05).

4. Полирование поверхности иммобилизирующих шин специальными полирами повышает их антиадгезивные свойства к представителям пародонтопато-генной группы бактерий и к дрожжеподобным грибам рода Candida (р < 0,05).

5. Эффективность новых конструкций иммобилизирующих шин определяется комплексом факторов, среди которых важнейшими являются: адгезионная прочность и усталостная долговечность соединений конструкционных и фиксирующих материалов, шероховатость оральной поверхности шин и связанные с ней антиадгезивные свойства к пародонтопатогенным микроорганизмам и дрожжеподобным грибам.

Личное участие автора

Автором разработаны и изготовлены методом CAD/CAM фрезерованные шинирующие конструкции из титанового сплава, оксида циркония и полимера и выполнены механические испытания. Исследована шероховатость образцов до и после полирования. Автор участвовал в микробиологических исследованиях

первичной адгезии микроорганизмов к поверхности материалов шинирующих конструкций, расчете механической модели, а также в испытаниях прочности цементных соединений на разрыв. Автором разработан экспериментальный стенд для изучения выносливости шинирующих конструкций к циклическим нагрузкам и проведены испытания на усталость. Автор самостоятельно статистически обработал опытные данные. Автором лично проводилась подготовка публикаций по теме диссертации.

Автор занял первое место на ежегодной весенней VI межвузовской и XXI внутривузовской врачебной конференции в МГМСУ им. А.И. Евдокимова с докладом по теме диссертации. Также получил золотую медаль на выставке "Передовые российские технологии" в рамках Национальной ярмарки достижений науки и техники ^ТР в г. Бангкоке за полученные им изобретения.

Степень достоверности и апробация результатов

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: IV научно-практической конференции молодых ученых (ЦНИИС, 2013); Выставке "Передовые российские технологии" в рамках Национальной ярмарки достижений науки и техники ЫБТР (Бангкок, 2013); Межрегиональной научно-практической конференции стоматологов "Современные проблемы стоматологии и пути их решения", посвященной 100-летнему юбилею Заслуженного деятеля науки России профессора Е.И. Гаврилова (Тверь, 2014); XXXVI научной конференции Общества молодых ученых (МГМСУ, 2014); Ежегодной весенней VI межвузовской и XXI внутривузовской врачебной конференции (МГМСУ, 2014); Международном форуме университетской науки (Москва, 2014); Совместном заседании кафедры клинической стоматологии № 2 и кафедры микробиологии, вирусологии, иммунологии и лаборатории микробиологии НИМСИ МГМСУ им. А.И. Евдокимова.

Внедрение результатов исследования

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры клинической стоматологии № 2 для студентов стоматологического факультета, интернов и ординаторов, деятельность научно-практических подразделений, деятельность Лечебно-профилактического стоматологического центра ГБОУ ВПО МГМСУ им. А.И. Евдокимова, Государственных муниципальных учреждений: "Стоматологическая поликлиника" № 4 УЗ ЮВАО и №7 УЗ ЮЗАО г. Москвы.

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе 5 статьях в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ и 2-х патентах РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 138 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 44 рисунками, содержит 10 таблиц. Список литературы включает 294 научных работы, в том числе 182 отечественных и 112 зарубежных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для реализации поставленной цели проведены следующие экспериментальные и лабораторные исследования:

❖ математическое моделирование и расчет цементного соединения иммоби-лизирующей шины с тканями зуба (для мягких и жестких шин);

❖ испытания адгезионной прочности статической нагрузкой на разрыв соединений образцов из различных конструкционных материалов шин, фиксированных к твердым тканям зуба композитными или стеклоиономерными цементами;

❖ усталостные испытания на отрыв пародонтологических шин, фиксированных цементами к язычной поверхности передней группы зубов нижней челюсти разработанного испытательного стенда при циклической нагрузке;

❖ изучение чистоты поверхности образцов фрезерованных шин из титанового сплава, оксида циркония или полимера до и после полирования;

❖ лабораторные исследования адгезии штаммов пародонтопатогенных бактерий и дрожжеподобных грибов к поверхности образцов иммобилизирую-щих шин до и после полирования.

Здесь и далее под мягкими шинами понимали пародонтологические шины, выполненные из материала с низким модулем эластичности Юнга, соответственно под жесткими шинами — из материала с высоким модулем. Объектом исследований являлись:

❖ теоретическая механическая модель системы "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — иммобилизирующая шина";

❖ образцы иммобилизирующих шин из титанового сплава, оксида циркония и полимера числом 108 единиц;

♦> иммобилизирующие зубные шины из данных материалов, изготовленные методом компьютерного фрезерования, числом 25 штук.

Материалы и методы

Для получения оптической (виртуальной) модели шины сканировали испытательный стенд сканером "ZirkonZahn S600 5-ТЕС". Шины фрезеровали на фрезерном станке М-5 системы ZirkonZahn (Италия).

При изготовлении образцов для испытаний и иммобилизирующих шин применяли 3 вида конструкционных материалов фирмы "ZirkonZahn":

титановый сплав 5 95Н10 с химическим составом Ti-90%, Al-6%, V-3%, Fe < 1%, О < 1%;

оксид циркония "Ice Zirkon Translucent" 95Н10 с химическим составом: Zr02-95,0%, Y203-4,0%, А120з < 1%, Si02-0,02%, Fe203-0,01%, Na20-0,04%; полимер "Temp Basic" Al 95H16.

Фиксацию образцов иммобилизирующих шин осуществляли с помощью 6 видов стеклоиономерных и композитных материалов: "GC Fuji I" (GC Corporation, Япония), "GC Fuji Plus" (GC Corporation, Япония), "RelyX ARC" (3M ESPE, США), "Multilink N" (Ivoclar Vivadent, Лихтенштейн), "Variolink N" (Ivoclar Vivadent, Лихтенштейн), "SpeedCEM" (Ivoclar Vivadent, Лихтенштейн).

Испытания на растяжение проводили с помощью разрывной машины "Instron 5982" (Instron, Великобритания) по ГОСТу 1497. Стальные хвостовики 1 от CEREC блоков закрепляли в пневматических зажимах 2 (Рис. 1). Предварительно к верхнему хвостовику клеем на основе цианоакрилата приклеивали образец материала 3, а к нижнему - образец зуба 4. Затем на поверхность зуба наносилось дозированное количество исследуемого цемента, и производился подвод верхнего хвостовика к нижнему хвостовику до контакта материала и зуба в области нанесения цемента. При таком виде нагружения нагрузка действовала перпендикулярно плоскости цементирования и на всю зону цементирования, а сопротивление разрыву оказывала вся зона цементирования. Адгезионную прочность А определяли по формуле A=P/S, где Р - нагрузка, при которой происходило разрушение образца, S — площадь цементного соединения.

Для проведения усталостных испытаний нами сконструирован экспериментальный стенд (Рис. 2).

Рис. 1. Закрепленный в захватах образец: 1 — стальные хвостовики, 2 — пневматические зажимы, 3 - образец материала шины, 4 — фрагмент естественного зуба. Красный овал -область соединения с помощью исследуемого цемента.

Рис. 2. Экспериментальный стенд для исследования на усталостную прочность соединений: несущая: 1 - несущая плита, 2 - шаговый двигатель, 3 — приспособление для фиксации протеза, 4 — испытательный стенд, 5 — модуль измерения нагрузки, б - индикатор для измерения линейных перемещений.

Предварительно для изготовления и испытания конструкции иммобилизи-рующей шины методом компьютерного фрезерования и выполнения циклических испытаний был создан испытательный стенд с укрепленными в нем естественными зубами (Рис. 3). Имитировали подвижность зубов 2-3 степени по Эн-тину Д.А. (1954).

Рис. 3. Испытательный стенд из полиуретана с укрепленными в нем естественными зубами.

Шины фиксировали при помощи стеклоиономерных или композитных материалов в зависимости от конструкционного материала шины. К испытательному стенду прикладывалась постоянная нагрузка 40 Н в направлении, перпен-

дикулярном вектору окклюзионной нагрузки. Затем прикладывалась периодическая многократно повторяющаяся нагрузка амплитудой 35 Н. Считали площадь контакта между шиной и тканями зуба равной 10 мм2. Таким образом, отрывающая нагрузка изменялась в диапазоне (0,5-7,5 МПа). Частота нагружения составляла 0,5 Гц. Регистрировали число циклов до расслоения адгезионного слоя.

При анализе долговечности шинирующих соединений нами было взято за основу 1400 физиологических жевательных движений в сутки [Копейкин В.Н., 1998] или 511000 движений в год.

Полирование образцов из титанового сплава, оксида циркония и из полимера проводили специальными полирами со скоростью вращения абразивного инструмента для каждого из материалов в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя "NTI" (Германия).

Для прецизионного измерения шероховатости в наномасштабе применяли метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), что позволило исследовать рельеф образцов с характерными размерами выступов и впадин (с субмикронным и нанометровым разрешением). Измерения проводились в ФГБНУ "ТИСНУМ", г. Москва совместно с заведующим лабораторией сканирующей зондовой микроскопии к.ф.-м.н. Усеиновым A.C.

При изучении рельефа образцов использовали следующие параметры шероховатости: Ra — среднеарифметическая шероховатость, Rq - среднеквадратичная

шероховатость, R^— шероховатость по десяти точкам (5-и максимальным высотам и впадинам). В качестве основной шкалой применяли шкалу Ra, рекомендованную по ГОСТ 2789-59 для классов чистоты обработки поверхности 6-12 (/?„ = 2500-40 нм). Под чистотой обработки поверхности понимали величину, обратную шероховатости.

Методику исследования первичной адгезии микроорганизмов осуществляли в соответствии с общепринятым алгоритмом в следующей модификации. Образцы материалов шины (титановый сплав, оксид циркония, полимер) размером 0,5см2 и высотой 1 мм, обрабатывали 70-и градусным спиртом и хранили в стерильных чашках Петри до постановки эксперимента "in vitro". Образцы помещали во взвесь суточных культур тест-штаммов пародонтопатогенных грам-положительных и грам-отрицательных бактерий, а также дрожжевых грибов рода Candida.

В качестве контроля использовали тест-штамм представителя нормальной стабилизирующей микробной флоры — Streptococcus sanguinis. Грам-

положительные тест-штаммы: Actinomyces israelii, Streptococcus sanguinis. Грам-отрицательные тест-штаммы: Prevotella intermedia и Fusobacterium periodonticum. Тест-штамм грибов рода Candida albicans.

Все тест-штаммы были выделены в бактериологической лаборатории кафедры микробиологии, вирусологии, иммунологии МГМСУ им. А.И. Евдокимова (разрешение главного государственного санитарного врача № 77.01.16.000.M.015I77.11.09, г. Москва).

Для идентификации выделенных штаммов использовали наборы для идентификации по биохимическим свойствам APL20A ("БиоМирье", Франция), алгоритм анаэробных исследований бактериологической лаборатории и ПЦР-диагностику для идентификации изолятов пародонтопатогенных видов [Давыдова М.М., Царёв В.Н., 2009].

Количество бактерий в 1 мл взвеси составляло 108 КОЕ/мл по стандарту мутности 0,5 McFarland; грибов — 106 КОЕ/мл. Время выдержки — 40 минут в анаэростате при 37°С для анаэробных бактерий, для грибов — в обычных условиях при температуре 22-24 °С. Результаты получения изолированных колоний оценивали с использованием исследовательского стереомикроскопа "SMZ 1000" (фирмы "Nikon", Япония) и определяли их число в КОЕ/мл.

Индекс адгезии для каждой из тест-культур вычисляли по формуле I. = lg A.t /lgNi, где: Ii — индекс адгезии,^, — число прилипших бактерий, /V, — количество бактерий взвеси /-ой тест-культуры.

Статистические методы обработки результатов

Для статистической обработки результатов механических испытаний и анализа первичной адгезии тест-культур микроорганизмов применяли метод доверительных интервалов ЩИ) на заданном уровне значимости.

Объем выборок для испытаний рассчитывали по обобщенной формуле Jlepa [Machin D. et al.,2007],

ДИ медианы вычисляли по Кобзарю А.И. (2006).

При количественном анализе тесноты корреляционной связи между показателями адгезии пародонтопатогенных микроорганизмов и параметрами шероховатости образцов вычисляли коэффициент корреляции и ошибку репрезентативности в среде Excel пакета Microsoft Office 2010. Стандартные коэффициенты корреляции, которые считали достоверными, определяли по Каминскому Л.С. {1964 ).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Построение и анализ механической модели системы "твердые ткани зуба - фиксирующий материал - иммобилизирующая шина"

Существующие математические модели расчета напряженно-деформированного состояния многослойных систем [Goland М. et al., 1944; HartSmith L.J., 1973] чрезвычайно сложны, а часть из них не имеет аналитического решения. Для понимания процессов, ведущих к разрушению цементных соединений, нами была предложена простая механическая модель, описывающая деформационные, а также прочностные свойства системы "твердые ткани зуба -фиксирующий материал — иммобилизирующая шина" и получено её аналитическое решение при испытаниях на усталостное разрушение.

Все элементы модели (в исходном варианте 5) считались одномерными, однородными, изотропными и абсолютно упругими. Цементный шов состоял из 3-х зон, т.е. его свойства различались по толщине. Слои, непосредственно прилегающие к субстратам, являлись пограничными. Для простоты анализа, но без потери общности, исходная модель была преобразована в 2-слойный моноблок с элементами: 1-й элемент А — адгезионный слой, 2-й — К— когезионный. Сам цемент мы относили к когезионному слою, пограничный слой образовывал по нашим представлениям — адгезионный. Механические свойства когезионного слоя определялись выбором материала шины и фиксирующего цемента, адгезионного — химическим составом пограничного слоя.

Такая упрощенная модель позволила найти аналитическое решение для упругой области в виде уравнения, связывающего абсолютные деформации в адгезионном элементе Xi с жесткостью к2 и подвижностью т2 когезионного элемента. Соответствующие графики зависимостей амплитудных значений х; от т2 и к2 представлены на рис. 4. На рисунке величина Х0 - амплитудное значение деформации всей модели, которое задается параметрами механизма шагового двигателя экспериментальной установки (Рис. 2) при испытаниях на усталостный отрыв.

В результате анализа установлено, что при использовании мягкой подвижной шины, например из полимера (к2мало, т2 велико), деформации в адгезионном элементе модели низке, чем в случае жесткой малоподвижной шины, например из титанового сплава или оксида циркония. Действительно, поскольку при циклических усталостных испытаниях амплитудное значение деформации модели мы считаем постоянной величиной Хо, то мягкая шина "оставляет" адгезионному элементу меньше деформации, чем жесткая (к2 велико, т2 мало).

т2 — подвижность когезионного к2 - жесткость когезионного

элемента элемента

Рис. 4. Зависимости амплитудных значений деформаций в адгезионном элементе модели Х1 от подвижности т2 и жесткости кг когезионного элемента. Вертикальные пунктирные линии - линии, условно разграничивающие области мягкой (из полимерного материала с низким модулем эластичности) и жесткой (из высокомодульного металлического сплава или керамики) шины.

В качестве основной причины разрушения соединения мы рассмотрели гипотезу о развитии микротрещин в адгезионном слое при эксплуатации. Был сформулирован критерий для классического параметра в механике разрушения материалов — критического напряжения старта микротрещин применительно к микротрещинам адгезионного слоя. За величину адгезионной прочности системы аЛ в результате было принято значение акр из известного в механике разрушения соотношения Гриффитса-Ирвина-Орована для напряжения старта микротрещин: (Та = Окр, где акр= (8уЕ / 1,2. Здесь Е- модуль Юнга адгезионного слоя, 1цр — критическая длина микротрещины, ограничивающая размеры безопасных дефектов, у - удельная поверхностная энергия разрушения, обусловленная сопротивлением росту микротрещины в адгезионном слое. При этом у = 3*1 +Уял, где у, - удельная поверхностная энергия, уп, - удельная работа местной пластической деформации.

Величины Е, у5 и у*, являются материальными константами и от материала к материалу изменяются. В результате вариабельности материальных констант материалов определение оа становится 3-х параметрической задачей, а критическое напряжение (трещиностойкость и, соответственно, долговечность) от соединения к соединению может, как увеличиваться, так и уменьшаться (Рис. 5). Таким образом, несмотря на то, что в формуле переменная 1кр стоит в знаменателе дроби, теоретически возможна ситуация, когда значение акр будет меньше в

адгезионном слое, граничащем с мягкой шиной (в котором из-за доказанного выше меньшего уровня деформаций размер эксплуатационной микротрещины также меньше): а а (мягкая шина) < в л (жесткая шина).

Рис. 5. Зависимость адгезионной прочности шины ал от длины усталостной микротрещины в адгезионном слое. Варианты соотношений: ал (мягкая шина) > ей (жесткая шина) (1) и <7.4 (мягкая шина) < ал (жесткая шина) (2).

Таким образом, выполненный анализ позволил установить, что разрушение пограничного слоя шина—фиксирующий материал для мягких шин может наступить быстрее, чем для жестких, а долговечность, например полимерных шин при циклических испытаниях может быть меньше, чем у шин из титанового сплава или оксида циркония. Для строгого количественного анализа рассмотренной модели необходимо иметь точные численные данные всех параметров Е, уз и у„„ которые в литературе являются неполными и существуют только для ряда отдельных материалов.

С целью проверки гипотезы были проведены прямые механические испытания на растяжение образцов из конструкционных материалов шин, фиксированных к твердым тканям зуба стеклоиономерными или композитными цементами. Также были проведены сравнительные циклические испытания на усталостный отрыв иммобилизирующих шин из различных конструкционных материалов, фиксированных к естественным зубам цементами.

Анализ расчета механической модели и экспериментальных результатов был взят за основу при выборе конструкционных материалов для илтобилизи-рующих шин и материалов для их фиксации.

2. Изучение адгезионной прочности на разрыв системы "твердые ткани зуба — фиксирующий материал — конструкционный материал"

Была изучена адгезионная прочность на разрыв соединений образцов из перспективных конструкционных материалов с широким спектром механических свойств и твердых тканей зуба, фиксированных к образцам стеклоиономер-ными или композитными цементами.

Провели 3x6x5=90 испытаний. Усредненные результаты приведены на рис. 7 и 8. Планки погрешностей на диаграммах соответствуют ДИ на уровне значимости 5%.

Наилучшие результаты сцепления образцов конструкционного материала к твердыми тканями зуба продемонстрировали композитные материалы "Multilink N" (24,23±1,53 МПа) и "VariolinkN" (22,03±1,11 МПа) (р<0,05).

В то же время адгезионная прочность стеклоиономерных цементов "Fuji I" и "Fuji Р^"составила всего около 3,12±0,42 и 9,43±0,53 МПа, что меньше соответствующих показателей фиксирующих материалов "Multilink N" и "Variolink N" в 7,98±1,56 и 2,35±0,25 раза соответственно.

Эти результаты не противоречат рассмотренной выше механической модели, если за адгезионную прочность соединений принять а«р, а в качестве удельной поверхностной энергии разрушения — данные: у= 5000 Дж/м2 для композитных материалов и 3 Дж/м2 для силикатного стекла (аналога компонентов стеклоиономерных цементов) [Пестриков В.М., 2002]. Тогда получим значения адгезионной прочности в соединениях композитных материалов наверняка выше, чем в стеклоиономерных.

Среди соединений образцов конструкционных материалов шин, участвовавших в испытаниях, наибольшую адгезионную прочность показали образцы шин из оксида циркония и из титанового сплава по сравнению с полимером (р<0,05). Образцы шины из полимерного материала продемонстрировали сравнительно невысокие характеристики на разрыв почти для всех видов фиксирующих материалов. Относительно высокие показатели адгезии к полимеру наблюдали только у композита "Variolink N" (8,83±0,75 МПа).

Наибольшая адгезионная прочность при испытаниях наблюдалась у соединений "Multilink N''+оксид циркония (36,65±1,99 МПа) и "Multilink N''+титановый сплав (34,10±1,73 МПа), наименьшая — у "SpeedCEM" + полимер (0,13±0,11 МПа).

3. Результаты разработки шинирующей конструкции и способ реализации

Шинирование естественных зубов испытательного стенда фрезерованной конструкцией осуществлялось с использованием стоматологической CAD/CAM технологии.

Гигиену естественных зубов испытательной модели проводили с применением ультразвукового наконечника и пескоструйного аппарата со содосодер-жащим порошком. Далее поверхность зубов полировали резинками.

С помощью цифрового модуля сканировали зубной ряд испытательного стенда для сопоставления его в программе CAD (компьютерное моделирование). На полученной 3D-модели моделировали конструкцию будущей шины, с учетом рельефа лингвальной поверхности зубов (Рис. 6). Шина располагалась на расстояние не менее 1,0 мм от края маргинальной десны. Толщина шины была 0,6 мм. Программа позволяла программировать промежуток между конструкцией шины и поверхностью зубов в 50 мкм.

Далее CAM-модуль (фрезерный станок) фрезеровал точную копию виртуальной ЗО-модели шины (Рис. 7). Затем проводили пескоструйную обработку поверхности фрезерованной шины, обращенную в сторону зубов, частицами оксида алюминия размерами около 50 мкм под давлением 1 бар. После полирования специальными полирами фирмы NTI (в зависимости от выбранного материала) лингвальной поверхности иммобилизирующей шины проводили фиксацию во рту.

Рис. 6. Виртуальная ЗЭ модель ниж- Рис. 7. Фрезерованные иммобилизи-

ней челюсти. рующие шины.

Фрезерованная монолитная иммобилизирующая шина отличалась высокой точностью прилегания к твердым тканям зуба, условиями для осуществления

полноценных гигиенических мероприятий и изготавливалась с минимальным числом этапов в сравнении с традиционными методами.

На фрезерованную зубную шину, выполненную монолитно, и способ шинирования подвижных зубов были получены патенты РФ на изобретение № 2477098 "Фрезерованная зубная шина" и № 2464952 "Способ шинирования зубов ".

CAD/CAM технологии, таким образом, позволили точно воспроизвести все планируемые параметры будущей шины: толщину, форму, соответствие линг-вальной поверхности шинируемых зубов, расстояние до маргинального края десны и режущего края зуба, минимизировали человеческий фактор, негативно влияющий на точность будущей конструкции.

4. Усталостные испытания системы "твердые ткани зуба -фиксирующий материал — иммобилизирующая шина" на отрыв шин

Ниже приведены результаты сравнительных многоцикловых испытаний на усталостный отрыв шин (Рис. 8).

2 500 ООО 2000 000 1500 000 1000 000 500 000 0 т —

1 1

Стеклоионо

мерные цеме» 1_ 1ТЫ

*

Титановый СПЛЭВ+ G С Fuji Pius Оксид циркония+ GCFuji Plus Полимер+ Var'iolinkN Титановый СПЛЭВ+ Multilink N Оксид циркония+ MultilinkN

Число циклов до отрыва шины 4.44Е+05 4,81Е+05 3,94Е+05 1,92 Е+0 6 2Д8Е+06

Рис. 8. Результаты циклических испытаний на отрыв шин из различных конструкционных материалов (титановый сплав, оксид циркония и полимер), фиксированных к поверхности естественных зубов стеклоиономерными и композитными материалами.

Циклические испытания показали, что наибольшей выносливостью (р<0,05) к знакопеременным нагрузкам обладали шины из титанового сплава

и, особенно, шины из оксида циркония, фиксированные композитом "Multilink N" - свыше 2-х миллионов циклов, что равносильно почти 5-м годам эксплуатации шины. Шины из полимера, фиксированные цементом "Vario link N", продемонстрировали наименьшую способность (р<0,05) противостоять циклам "нагружение-разгрузка". Это подтверждает правильность выводов, сделанных при анализе механической модели, что циклическая долговечность мягких шин может быть меньше. Отметим, что в подавляющем числе случаев цемент после отрыва шины оставался на поверхности зубов испытательного стенда, а не на шине, т.е. расслоение адгезионного слоя соединения почти всегда происходило по линии "фиксирующий материал — шина", а не "фиксирующий материал — твердые ткани зуба".

5. Исследования шероховатости поверхности конструкционных материалов

В данной работе мы изучили влияние обработки полированием специальными полирами в зуботехнической лаборатории на параметры шероховатости исследованных конструкционных материалов. На рис. 9 представлен рельеф поверхности образца из оксида циркония, фрезерованного на аппарате М-5 системы ZirkonZahn до и после полирования.

До полирования После полирования

Рис. 9. Изображения атомно-силовой микроскопии рельефа поверхности образцов из оксида циркония. Различный масштаб оси ординат.

Из всех образцов после фрезерования наибольшую шероховатость поверхности показал образец из полимера 850±230 нм, после полирования - образец из титанового сплава 241±41 нм. Оксид циркония имел наименьшую шероховатость из всех образцов, как до 295±45 нм, так и после полирования 25±6 нм.

Диапазон шероховатости исследованных конструкционных материалов по шкале Ra составил 25-5040 нм (5-13 классы чистоты обработки поверхности по ГОСТу 2789-59). После полирования на поверхности образцов появлялись характерные полосы. Форма и плотность канавок были связаны с размером и свойствами частиц полировочной смеси и частиц материала, образовывающихся при полировании. На поверхности образца из оксида циркония крупных частиц не было видно, что говорит о том, что они не образуются или быстро выводятся с поверхности при полировании.

Отношение среднеарифметического значения шероховатости Ra до полирования к аналогичному значению после полирования составило: для титанового сплава 2,42±0,82, для оксида циркония 12,98±4,92, для полимера 14,24±4,70.

Полученные данные были использованы также при выявлении зависимости адгезии патогенных микроорганизмов к поверхности конструкционных материалов от параметров их шероховатости.

6. Первичная адгезии штаммов пародонтопатогенных бактерий и дрожже-подобных грибов к конструкционным материалам в эксперименте "in vitro"

Для всех микроорганизмов пародонтопатогенной группы отмечен значимый уровень первичной адгезии, который в большинстве случаев превышал уровень адгезии представителя нормальной стабилизирующей флоры полости рта — Streptococcus sanguinis. Следует подчеркнуть, что для Streptococcus sanguinis различий индексов адгезии у титанового сплава и оксида циркония не выявлено (0,61 и 0,63 соответственно). Первичная адгезия к полимеру была достоверно выше, а индекс адгезии составлял 0,72.

Весьма интересным является факт, что адгезия грам-положительного, также как и Streptococcus sanguinis, но пародонтопатогенного вида актиномицетов - Actinomyces israelii — была также одинаковой на образцах титанового сплава и оксида циркония (0,85 в обоих случаях). Первичная адгезия к полимеру была достоверно выше, а индекс адгезии был крайне высоким — 0,90.

Иная картина отмечена при исследовании со штаммами пародонтопатогенных грам-отрицательных бактерий. Первичная адгезия Prevotella intermedia к титановому сплаву была достоверно выше, чем к оксиду циркония — 0,67 и 0,52 соответственно. Индекс адгезии данного штамма к полимеру статистически не отличался от такового для титанового сплава и составлял 0,61.

Первичная адгезия другого грам-отрицательного пародонтопатогена Fuso-bacterium periodonticum выглядела аналогичным образом: индекс адгезии к титановому сплаву был достоверно выше, чем к оксиду циркония — 0,64 и 0,51 соответственно. А индекс адгезии штамма к полимеру статистически не отличался от такового для титанового сплава и составлял 0,63.

Первичная адгезия дрожжевых грибов Candida albicans к образцам титанового сплава и оксида циркония статистически достоверно не отличалась и составляла 0,72 и 0,73 соответственно. Индекс адгезии штамма дрожжевых грибов рода Candida к полимеру был достоверно выше и составлял 0,85, т.е. превосходил индексы адгезии всех видов бактерий, уступая лишь Actinomyces israelii.

Из представленных данных видно, что во всех случаях с образцами оксида циркония и титанового сплава наблюдалось статистически достоверное снижение индексов адгезии (в пределах 15-25 %), в то время как с образцами полимера подобного эффекта не наблюдалось, за исключением снижения адгезии грибов рода Candida с 0,85 до 0,67. В остальных случаях индексы адгезии бактерий к полимеру оставались на высоком и крайне высоком уровне (до 0,90).

Статистически значимых различий между уровнем адгезии для титанового сплава и оксида циркония после полирования не выявлено. Принципиальное значение имеет достоверное снижение уровней адгезии всех штаммов, причём у Streptococcus sanguinis, Prevotella intermedia и Fusobacterium periodonticum до низкого уровня (индексы в пределах 0,31-0,50), а для Actinomyces israelii и дрожжевых грибов рода Candida — до среднего уровня (индексы в пределах 0,570,65). Последнее, вероятно, связано со способностью Actinomyces israelii и дрожжевых грибов рода Candida формировать нитевидные элементы.

Таким образом, антиадгезивные свойства к представителям микрофлоры рта у образцов из титанового сплава и оксида циркония могут быть сугце-ственно повышены при обработке методом полирования поверхности в зубо-технической лаборатории.

7. Анализ корреляционной связи между адгезией микроорганизмов и шероховатостью образцов

Выполненные исследования адгезии пародонтопатогенных микроорганизмов и шероховатости до и после полирования в зуботехнической лаборатории позволили выполнить количественный анализ корреляционной связи между от-

носительными изменениями индексов адгезии 1а и среднеарифметическими значениями Яа шероховатости образцов (Рис. 10).

Относительные изменения шероховатости и индекса адгезии

0% -25% -50% -75%

-100%

шщ!

Титановый сплав

Оксид циркония

Полимер

■ Относительное изменение индекса адгезии

-34,75%

-32,79%

-5,10%

Относительное изменение шероховатости

-56,18%

-91,53%

-92,82%

Рис. 10. Относительные изменения индекса первичной адгезии тест-штаммов и шероховатости поверхности образцов до и после полирования.

Коэффициент корреляции составил г = 0,55, что позволяет судить о наличии корреляционной связи средней силы между данными факторами — изменениями параметров шероховатости образцов из исследованных материалов и индексом адгезии к поверхности образцов рассмотренных представителей микрофлоры рта. Ошибка репрезентативности оказалась равной тг = 0,84 (р>0,05). Возможно это связано с небольшим размером выборки данных. У грибов рода Candida анализ выявил тесную связь показателей адгезии и шероховатости: г = 0,997 ,/пг = 0,07 (р <0,05).

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ конструкционной целостности системы "твердые ткани зуба - фиксирующий материал - иммобилизирующая шина" на созданной механической модели показал, что важнейшим фактором ее разрушения является зарождение и развитие микротрещин в адгезионном слое при эксплуатации.

2. Разработана новая конструкция фрезерованных иммобилизирующих шин и методика их CAD/CAM изготовления, на что получено 2 патента РФ на изобретения.

3. На основании механических тестов на разрыв и усталостный отрыв выявлено, что максимальной адгезионной прочностью обладают образцы иммобилизирующих шин из оксида циркония, фиксированные к твердым тканям зуба композитом "Multilink N" (р <0,05), что соответствует результатам теоретического анализа механической модели. Для шины из титана или оксида циркония лучшим явился фиксирующий материал "Multilink N", а для полимерной шины — "Variolink N" (р<0,05).

4. При использовании специальных полиров чистота поверхности исследованных конструкционных материалов существенно улучшается, однако относительное изменение шероховатости при полировании у разных материалов различается: у титанового сплава оно равно 2,42±0,82, оксида циркония - 12,98±4,92, полимера - 14,24±4,70 раз (р <0,05).

5. Антиадгезивные свойства к представителям микрофлоры рта у образцов изученных иммобилизирующих шин существенно повышаются после тщательного полирования. Коэффициент корреляции г = 0,55, ошибка репрезентативности /и, = 0,84 (р>0,05). Для грибов рода Candida установлена сильная связь между факторами: г = 0,997, #и, =0,07 (р<0,05).

6. На основании предклинических расчетных и экспериментальных данных прогнозируется высокая эффективность новых конструкций иммобилизирующих шин.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Для повышения эффективности шинирования подвижных зубов при паро-донтите рекомендуется использовать в качестве постоянных шин фрезерованные шины из титанового сплава или оксида циркония, усовершенствованной нами конструкции и метод их изготовления.

Для фиксации иммобилизирующих шин из титанового сплава или оксида циркония можно рекомендовать композитный цемент "Multilink N", а для шины из полимерного материала — цемент "Variolink N".

Лечение пациентов с болезнями пародонта при наличии очагов хронической инфекции, ассоциированных с присутствием пародонтопатогенных микро-

организмов и грибов рода Candida, рекомендуется проводить с применением

шинирующих конструкций с тщательно отполированными специальными полирами оральными поверхностями.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Никурадзе А.Н. Новая технология стабилизации подвижных зубов шинами, фрезерованными с помощью CAD/CAM систем // Стоматология. — 2013. — №5.-С. 83-84.

2. Арутюнов С.Д., Никурадзе А.Н., Муслов С.А., Усеинов A.C., Маслеников И.И. Экспериментальная установка для испытаний на усталостную прочность фиксирующих цементных соединений // Деформаиия и разрушение материалов. - 2014.- № 7. - С. 44-46.

3. Арутюнов С.Д., Никурадзе А.Н., Муслов С.А., Усеинов A.C., Маслеников И.И. Исследование адгезионной прочности соединений материалов для иммобили-зирующих шин и тканей зуба с помощью фиксирующих цементов // Деформаиия и разрушение материалов. — 2014.- № 7. - С. 47-48.

4. Арутюнов С.Д., Муслов С.А., Никурадзе А.Н., Усеинов A.C., Маслеников И.И. Исследование адгезионных свойств цементов, применяемых для фиксации стоматологических иммобилизирующих шин // Институт стоматологии. — 2014. -№ 1 (62).-С. 106-109.

5. Арутюнов С.Д., Муслов С. А., Никурадзе А.Н. Обоснование выбора фиксирующего материала иммобилизирующих шин, фрезерованных CAD/CAM методом //Современные проблемы науки и образования. — 2014. —Ks 4. —8 с.

6. Никурадзе А.Н. Фрезерованная зубная шина // Современные проблемы стоматологии и пути их решения: материалы Межрегион, научно-практич. конф., посвящ. 100-летию проф. Е.И. Гаврилова / Редкол.: A.C. Щербаков [и др.]. — Тверь: Ред.-изд. центр. Твер. гос. мед. акад., 2014. - С. 109-110.

7. Никурадзе А.Н. Фрезерованная зубная шина // Образование, наука и практика в стоматологии: Сб. тр. 11-й Всерос. Научно-практ. конф. — СПб. : Человек, 2014.-47 с.

8. Арутюнов С.Д., Муслов С.А., Никурадзе А.Н. Комплексные механические испытания адгезионной прочности соединений материалов и шинирующих шшобилизирующш конструкций, фиксированных к твердым тканям зуба

композитными и стеклоиономерными цементами / Современные проблемы профилактической и клинической медицины. М.: МГМСУим. А.И. Евдокимова, 5мая 2014 г.-С. 61-63.

9. Арутюнов С.Д., Муслов С.А., Никурадзе А.Н. Простая механическая модель зубной ряд-цемент-шина. 1. Деформационные аспекты / Современные проблемы профилактической и клинической медицины. Москва, МГМСУ им. А.И. Евдокимова, 5мая 2014 г. — С. 63-68.

Ю.Арутюнов С.Д., Муслов С.А., Никурадзе А.Н. Простая механическая модель зубной ряд-цемент-шина. 2. Адгезионная прочность и энергетические аспекты/Современные проблемы профилактической и клинической медицины. Москва, МГМСУ гш. А.И. Евдокимова, 5мая 2014 г. — С. 68-70.

1 ¡.Арутюнов С.Д., Царев В.Н. Муслов С.А., Никурадзе А.Н. Сравнительная характеристика адгезии пародонтопатогенных бактерий и грибов типа Candida к поверхности конструкционных материалов иммобилизирующих шин / Современные проблемы профилактической и клинической медицины. Москва, МГМСУим. А.И. Евдокимова, 5 мая 2014 г. -С. 71-73.

12. Никурадзе А.Н. Иммобилизация подвижных зубов при болезнях пародонта фрезерованными шинами // Сборник материалов 36-й итоговой научной конференции общества молодых ученых МГМСУ имени А.Е. Евдокимова / Под общей редакцией Вольской Е.А., Малявина А.Г. — Москва: МГМСУ, 2014 г. - С. 56.

13.Арутюнов С.Д., Янушевич О.О., Апресян C.B., Петров А.Н., Плескановская И.В., Пименова М.П., Никурадзе А.Н. Фрезерованная зубная шина / Патент на изобретение № 2477098 от 10.03.2013, Бюл. №7.-6 с.

14.Арутюнов С.Д., Янушевич О.О., Апресян C.B., Петров А.Н., Плескановская Н.В., Пименова М.П., Никурадзе А.Н. Способ шинирования зубов / Патент на изобретение Л? 2464952 от 27.10.2012, Бюл. № 30. -6 с.

Подписано в печать: 15.01.2015 Тираж: 100 экз. Заказ № 1115 Отпечатано в РИО МГМСУ 127473, г. Москва, ул. Делегатская, д. 20, стр. 1.