• hammasproteesi
• hammasprotetiikka
• hammastekniikka
• kuituvahvike

CAD/CAM-tekniikka on yhä suositumpi tapa valmistaa tarkkoja ja kestäviä hammasproteesirakenteita. Tulevaisuudessa materiaalien käyttöä rajoittavat lait voivat kuitenkin vaikeuttaa tai jopa kieltää joidenkin materiaalien, kuten kobolttikromin, käyttöä, sillä sen sisältämä koboltti on luokiteltu terveydelle vaaralliseksi CMR-aineeksi. Jos kobolttikromin käyttö estyy, tarvittaan tilalle uusia, turvallisempia biomateriaaleja, joista kuitulujitettu komposiitti on lupaava vaihtoehto.

Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyössä selvitettiin Biolorenin Trilor -kiekon taivutuslujuutta, kuormankantokykyä ja kimmomoduulia eri kuituorientaatioissa. Biolorenin Trilor on kuitulujitteinen komposiitti. Sitä voidaan jyrsiä CAD-CAM laitteistolla muun muassa kruunuhuppuja tai erilaisten implanttiratkaisujen runkoja.

Kuitukomposiitit: Tulevaisuuden biomateriaali hammasproteesien vahvistamiseen

Kuitukomposiitti tarkoittaa yhdistelmämateriaalia materiaalia, joka on vahvistettu kuidulla. Tällaisessa materiaalissa kuidut voivat olla verkkomaisessa muodossa tai satunaisesti sijoiteltuna kaikkialle materiaaliin. Hammastekniikassa nämä kuidut ovat tyypillisimmin E-lasikuituja, koska se ei ole kemiallisesti inertti ja se on yksi vahvimmista lasikuiduista.

Muitakin kuituja on käytetty hammastekniikassa, mutta ne ovat olleet joko huonompia esteettisyydeltään (aramid ja hiilikuitu) tai sidos ja mekaanisilta ominaisuuksilta heikompia (polyetyleeni). Silanoitu E-lasikuitu muodostaa kemiallisen sidoksen hammasteknisiin muoveihin, mikä tekee kuitujen ja muovin yhdistelmästä eli kuitukomposiitista vahvaa. Sen kyky muodostaa kemiallisia sidoksia, mahdollistaa vahvan sidostamisen esimerkiksi hammaspaikkamuoviin.

Monet tutkimukset ovat osoittaneet lasikuidun olevan paras vahvikemateriaali uusien proteesien vahvistamiseen tai vanhojen korjaamiseen. Hammasproteesin vahvistaminen metallilangalla on edelleen suosittua nykypäivänä. Lastumäki (2001) mainitsee tutkimuksen, jossa todettiin metallivahvikkeen vahvistavan proteesia vain vähän. Metallilanka ei sidostu kemiallisesti proteesiakryyliin.

Koska metallilankaan ei saada kemiallista sidosta, parannetaan sen tarttumista karhentamalla langan pinta hiekkapuhaltamalla. Tämä lisää metallin mekaanista tarttumista akryyliin. Mekaaninen tarttuminen ei kuitenkaan muodosta yhtä lujaa sidosta aineiden välille kuin kemiallinen sidos. 

Trilor ja kuitulujitteiset komposiitit hammasteknologiassa

Biolorenin Trilor on kuitulujitteinen komposiitti. Sitä voidaan jyrsiä CAD-CAM laitteistolla muun muassa kruunuhuppuja tai erilaisten implanttiratkaisujen runkoja. Materiaali sisältää valmistajan mukaan noin 74 prosenttia kuitua. Sitä markkinoidaan korvaavana materiaalina perinteisille metallirunko materiaaleille, keraameille sekä titaanille.

Sen etuna on, että siitä valmistettuja hammasteknisiä rakenteita ei tarvitse jyrsinnän jälkeen jälkikäsitellä esimerkiksi lämmöllä. Lisäksi valmistaja mainostaa sen eduksi keveyden verrattuna metallisiin materiaaleihin ja paremman taivutuslujuuden verrattuna muihin metallittomiin materiaaleihin. Materiaali tulee kuitenkin päällystää ennen käyttöä jollain toisella materiaalilla esim. valokovetteisella muovilla.

Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyössa tutkittiin tämän materiaalin mekaanisia ominaisuuksia sekä sitä, miten sen sisältämän kuidun orientaatio vaikuttaa materiaalin vahvuuteen. Testikappaleiden koko otettiin kruunu- ja siltamateriaaleille suunnitellun ISO 10477 -standardista. Testikappaleiden koko oli 2x2x25 mmm. Krenchelin faktori määrittää sen, missä suunnassa kuitujen tulisi olla kappaleessa, että kappale olisi mahdollisimman vahva.

Suurin osa tämän tutkimuksen tutkimusryhmistä luotiin Krechelin faktorin mukaan. Ryhmien valitseminen aloitettiin pohtimalla mahdolliset suunnat, joissa voitaisiin hyödyntää Krenchelin faktoria. Suunnittelun jälkeen päädyttiin kuuteen ryhmään. Jokaiseen ryhmään tehtiin 10 testikappaletta.  

Tutkimuksen toteuttaminen  

Testiryhmät nimettiin testikappaleiden testauspinnalla olevien kuituorientaatioiden mukaan. Jokaisen testiryhmän nimessä on kaksi numeroa, joista ensimmäinen kuvaa pystysuuntaa ja toinen vaakasuuntaa. Pysty- ja vaakasuunnassa suoraan menevät kuidut saavat arvon 90.  Pysty- ja vaakasuunnassa vinoon menevät kuidut saavat arvot 90 käännetty, eli 90K. Kuviin pisteinä merkityt, eli katsojaa kohtisuoraan tulevat kuidut saavat arvon 0. Katsojaa kohtisuoraan vinosti tulevalle kuidulle annetaan arvoksi 45.

Testikappaleet valmistettiin leikkaamalla Trilor kuitukiekosta testitikkuja eri suunnissa. Kiekkojen pinnalla näkyvän kuitukuvioinnin perusteella leikkaussuunnat pystyttiin määrittämään tarkasti. Leikkaukset tehtiin joko vinossa, pysty- tai vaakasuunnassa. Osa ryhmistä saatiin leikkaamalla ne samaan suuntaan kuin joku toinen ryhmä, mutta kääntämällä testikappaleet eri asentoon mekaanisen testauksen aikana. Testikappaleet sahattiin yhteistyössä Turku Clinical Biomaterial Centerin kanssa.

Kolmipistetaivutustestaukseen käytettiin Shimadzu autograph AGS-X 10kn testilaitettta. Tulokset siirrettiin TRAPEZIUMX-V-ohjelmistoon, josta ne saatiin talteen excel-tiedostoina. Ohjelmisto laitettiin tallentamaan maksimi kuormankantokyky, taivutuslujuus ja kimmomoduuli. Testaus noudatti 10477 standardia. Testikärjen nopeus oli 1 mm/minuutissa ja testitikun tukien jänneväli oli 20 millimetriä.

Neljä testikappaletta poltettiin kuituvolyymin määrittämiseksi. Matriisimuovi poltettiin pois ja jäljelle jääneen kuidun määrän avulla laskettiin kuidun määrä, niin painon ja tilavuuden mukaan. Polttaminen tehtiin nostamalla uunin lämpötila 700 asteeseen ja pitämällä testikappaleet siellä yhden tunnin ajan. Kuitujen määrä painoprosenttina oli noin 60 prosenttia ja tilavuusprosenttina noin 50 prosenttia.

Taivutuslujuus ja kuormankantokyky testiryhmissä

Tulokset ovat nähtävissä alla olevassa kuviossa. Korkein kuormankantokyvyn ja taivutuslujuuden keskiarvo oli ryhmällä 90,0, Arvot olivat 124 N ja 496 MPa. Heikoin ryhmä oli 0,90. Sen arvot olivat 16 N ja 60 MPa. Keskiarvollisesti suurin kimmomoduuli saatiin ryhmälle 90,0, joka oli 21757 N/mm². Matalin tallennettu kimmomoduuli, arvoltaan 10740 N/mm² kuului ryhmälle 90,45. 

Testiryhmät voidaan jakaa kolmeen ryhmään murtumatyyppien perusteella: 1. ryhmä: Kokonaan kahtia katkenneet testikappaleet. Tähän ryhmään kuuluvat testiryhmät 0,90 & 90K,0. 2. ryhmä: Hieman taipuneet tai lähes suorina pysyneet testikappaleet. Tähän ryhmään kuuluvat testiryhmät 90,90 & 90,0. 3. ryhmä: Selkeästi taipuneet testikappaleet. Tähän ryhmään kuuluvat testiryhmät 90K,90K & 90,45.  

Parhaat kuituorientaatiot ja materiaalit CAD/CAM-jyrsintään hammastekniikassa

Tulosten sovellettavuutta pohtiessa tulee huomioida hammastekniikassa käytettävien 4–5-akselisten jyrsinten rajoitteet. Kun ymmärtää jyrsinnän rajoitteet, voi osan testiryhmistä kokonaan sulkea pois eri käytännön soveltamistarkoituksissa. Esimerkiksi kruunu- ja siltarakenteita ei pystyisi jyrsimään kiekosta muista testiryhmistä kuin 90,90 & 90K,90K. Muista ryhmistä ei olisi mahdollista saada jyrsittyä rakenteiden sisäosia, sillä jyrsimen liikesuunnat ja kiekon muoto eivät mahdollista poranterän pääsyä näihin paikkoihin. Esimerkiksi ryhmän 90,0 mukaisen kuituorientaation saavuttamiseksi tulisi kruunurunko asetella sivuttain kiekkoon.

Kuituorientaatioon ja jyrsinnän rajoitteiden lisäksi kiekon käyttöä voi myös miettiä materiaalihävikin kautta. Rajoitteiden määrittämisen jälkeen voidaan miettiä kiekon järkevää käyttöä. Jos jyrsittävän työn (esim. kruunurungon) jyrsii oikeaoppisen kuituorientaation vastaisesti, niin se ei ole niin vahva kuin oikeaan suuntaan jyrsittynä.  

Mikäli haluaisi jyrsiä kruunurungon esimerkiksi testiryhmän 0,90 kuituorientaation mukaan, niin täytyisi jyrsittävää kiekkoa työstää, jotta oikea kuituorientaatio saadaan. Trilor-Block olisi vaihtoehto tällaisilla kuituorientaatiolla oleville kruunurungoille. Blokissa ei ole samanlaisia suuntarajoituksia jyrsittäessä kuin kiekossa. Kruunun rungon voi asetelaa siihen kaikissa asennoissa ja rungon voi jyrsiä siitä kaikissa suunnissa.

Ryhmien 90,90 ja 90,0 käyttöä voi suositella mahdollisuuksien salliessa. Parhaaksi ryhmäksi nousee ryhmä 90,90. Valinta perustuu testituloksiin ja käytännöllisyyteen.  90,90 ryhmän saa toteutettua kaikissa töissä suhteellisen helposti, sillä siinä tulee työn runko olla kiekossa ylhäältä katsottuna suorassa tai käännettynä 90 asteen verran. Sen sijaan ryhmän 90,0 pystyy toteuttamaan vain hyvin harvoissa töissä kiekon jyrsinnän rajoittuneisuuden vuoksi.

Ryhmä 90,90, vahvuudeltaan 118 N/444 MPa, on suhteellisesti hieman heikompi kuin 90,0, mutta sen käytännöllisyys on huomattavasti parempi. Ryhmien 0,90, 90K,0 ja 90,45 mukaisten kuituorientaatioiden käyttöä suosittellaan välttämään heikompien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Ryhmän 90K,90K käyttöä tulisi välttää ryhmän 90,90 ollessa mahdollinen. Tämä perustuu puhtaasti heikompiin mekaanisiin ominaisuuksiin.     

Lähteet:

Alander, P. 2023. Material properties of dental fibers:  Isotropic, orthotropic and anisotropic. Opetusmateriaali. Hammastekniikan koulutusohjelma. Turku: Turun Ammattikorkeakoulu. Viitattu 5.2.2024. 

Bioloren TRILOR® ARCHES. Viitattu 22.2.2024. https://bioloren.com/english/trilor-fiber-disks-and-blocks/trilor-arches . 

Bioloren. Trilor Manual. 2018.  https://dent-thel.com/wp-content/uploads/2019/06/TrilorDiscos.pdf . 

Dyer, S.; Lassila, L.; Jokinen, M.; Vallittu, P.; 2004. Effect of fiber position and orientation on fracture load of fiber-reinforced composite. Dental Materials. Vol. 20, No 10, 947–955. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0109564104000302 . 

Lastumäki, T.; Lassila, L.; Vallittu, P. 2001. Flexural Properties of the Bulk Fiber-Reinforced Composite DC-Tell Used in Fixed Partial Dentures. The International Journal of Prosthodontics. Vol. 14, No 1, 22 – 26.   

SFS-EN ISO 10477 Hammaslääketiede. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto SFS ry. 

Vallittu, P. 1999. Flexural properties of acrylic resin polymers reinforced with unidirectional and woven glass fibers. The Journal of Prosthetic Dentistry. Vol. 81, No 3, 318 – 326. 

Vallittu, P. & Shinya, A. 2017.Structural properties of dental FRC structures. Teoksessa Vallittu, P. & Özcan, M. Clinical Guide to Principles of Fiber-Reinforced Composites in Dentristry. Duxford: Woodhead Publishing, 35-56. 

Vallittu, P. & Özcan, M. 2017. Clinical Guide to Principles of Fiber-Reinforced Composites in Dentristry. Duxford: Woodhead Publishing.