Suomen Hammaslääkärilehti

Kuiduilla lujitetut proteettiset materiaalit

Suomen Hammaslääkärilehti
2005;12(10-11):648-650
Susanna Segerström ja I. Eystein Ruyter

Viime vuosina on tullut markkinoille useita hammaslääketieteellisiin tarkoituksiin sovellettuja ja ominaisuuksiltaan yhä parempia kuituvahvisteisia materiaaleja «Goldberg AJ, Burstone CJ. The use of continous fiber reinforcement in dentistry. Dent Mater 1992; 8: 197-202. »1, «Kangasniemi I, Vallittu P, Meiers J, Dyer SR, Rosentritt M. Consensus statement on fiber-reinforced polymers: current status, future directions, and how they can be used to enhance dental care. Int J »2. Kuituvahvistettuja polymeerimateriaaleja tutkitaan paljon, mutta kliiniset seuranta-ajat ovat vielä lyhyitä. Hintansa arvoiset, kestävät ja esteettisesti suotuisat materiaalit ovat kysyttyjä. Hampaisiin tuetuissa rakenteissa käytetään usein adhesiivista kiinnitystä ja hammaskudosta säästävää preparointitekniikkaa. Kestäviä vaihtoehtomateriaaleja tarvitaan niin irrotettaviin proteettisiin rakenteisiin kuin implanttikiinnitteisiin siltoihin. Sellaisille materiaaleille olisi useita indikaatioita, etenkin geriatrisessa hammaslääketieteessä.

Kysymys

Mitä kuituvahvistetuilla materiaaleilla tarkoitetaan?

Vastaus

Kuituvahvistetut materiaalit koostuvat ainakin kahdesta rakenneosasta: kuiduista, jotka antavat vahvuutta ja jäykkyyttä, ja niitä ympäröivästä runkomateriaalista (perusaineesta), joka vaikuttaa käsiteltävyyteen. Tavallisesti hammaslääketieteessä käytettyjä polymeerityyppejä (kuitukomposiitteja) ovat metyylimetakrylaatti/polymetyylimetakrylaatti (MMA/PMMA), dimetakrylaatit ja epoksi. Epoksilla on suhteellisen pieni viskositeetti ja sillä voi helpommin kostuttaa kuidun. Epoksia käytetään nykyään kuituvahvisteisissa juurikanavanastoissa. Biologisista syistä on kuitenkin toivottavaa vähentää epoksimateriaalien käyttöä «Ponten A, Zimerson E, Sorensen O, Bruze M. Chemical analysis of monomers in epoxy resins based on bisphenols F and A. Contact Dermatitis 2004; 50: 289-297. »3.

Kysymys

Mitä eri kuitutyyppejä voidaan käyttää polymeerimateriaalien kuituvahvistamiseen ja mitä käyttöalueita niillä on?

Vastaus

Kuituvahvistettujen polymeerien hyviä mekaanisia ominaisuuksia on dokumentoitu 1960-luvulta lähtien teollisissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi urheiluvarusteissa ja auton koreissa sekä veneiden ja lentokoneiden rungoissa «Delmonte J. Technology of carbon and graphite fiber composites. Origins of carbon and graphite fibers. Van Nostrand Reinhold Co. New York 1981: 1-40. »4. Erilaisia kuituja, joita suositellaan kuituvahvistamiseen, ovat lasikuitu, aramidikuitu, polyuretaanikuitu/Zylon, boorikuitu, UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene) -kuitu ja hiili-/grafiittikuitu. Polymeerimatriisin ja UHMWPE-kuitujen välinen kiinnitys on hankalaa, siksi lujittamisvaikutus kärsii «Bergendal T, Ekstrand K, Karlsson U. Evaluation of implant-supported carbon/graphite fiber-reinforced poly(methyl methacrylate) prostheses. A longitudinal multicenter study. Clin Oral Implants Res 199»6. UHMWPE-kuituja on käytetty hammashoidossa. Aramidikuidulla vahvistettujen polymeerimateriaalien haittapuoli on niiden huono mekaaninen työstettävyys (kiillotus ja puhdistaminen). Aramidikuituja käytetään mm. luotiliiveissä, samoin Zylon-kuituja.

Hammasteknisesti valmistetuissa tuotteissa on käytetty erityyppisiä lasikuituja. Hiili-/grafiittikuituvahvisteisia polymeerejä voidaan käyttää implanttisilloissa «Bergendal T, Ekstrand K, Karlsson U. Evaluation of implant-supported carbon/graphite fiber-reinforced poly(methyl methacrylate) prostheses. A longitudinal multicenter study. Clin Oral Implants Res 199»6, «Bergendal T, Andersson M, Brajnovic I. Carbon/graphite fiber-reinforced composite frameworks in fixed mandibular implant supported prostheses in elderly patients. A pilot study. Swed Dent J 2001; 25: »7. Viime vuosina myös implanttikiinnitteisten siltojen yhteydessä on kirjallisuudessa kuvailtu lasikuituvahvistusta «Freilich MA, Duncan JP, Alarcon EK, Eckrote KA, Goldberg AJ. The design and fabrication of fiber-reinforced implant prostheses. J Prosthet Dent 2002; 88: 449-454. »8. Lasikuitu- ja hiili-/grafiittikuituvahvistetut nastat parantavat huomattavasti juurikiinnitystä.

Niin kutsuttu E-lasikuitu (electrical grade) on tavallisin hammaslääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa käytetty kuituvahvistusmateriaali. Myös muita lasikuitutyyppejä, kuten piilasikuitua, C- (chemical resistans) ja S-lasikuitua (high strength), käytetään. Lasikuidut ovat hyvin kestäviä ja värittömiä. Ne voidaan silanoida ja esi-imeyttää. Markkinoilla on esi-imeytettyjä lasikuituja (Stick® ja Stick®Net, Suomi, Vectris®, Liechtenstein ja Fibrekor®, USA) (jälkimmäinen imeytetty monomeerilla) «Ruyter IE, Kaaber S, Vallittu PK. Plast og protetikk. Tandläkartidningen 1999; 91: 39-51. »9. Lasikuituvahvistettuja materiaaleja voidaan käyttää irrotettavissa proteeseissa, tilapäisissä silloissa ja pintakiinnitteisissä silloissa.

Parodontologiassa kuituvahvistusta käytetään parodontaalisesti heikkojen hampaiden kiskottamiseen ja myös ortodontiassa voidaan kuituvahvistusta käyttää retentiona «Ruyter IE, Kaaber S, Vallittu PK. Plast og protetikk. Tandläkartidningen 1999; 91: 39-51. »9. Lasikuituvahvisteisia polymeerejä on myös markkinoitu pysyviin siltoihin. Näissä rakenteissa lasikuidut on usein esi-imeytetty dimet-akrylaattimonomeerilla.

Kysymys

Mitkä tekijät vaikuttavat kuituvahvistettujen materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin?

Vastaus

Adheesio – Hyvä kiinnitys kuidun ja matriisimateriaalin välillä on hyvän kestävyyden «Vallittu PK, Ruyter IE, Ekstrand K. Effect of water storage on the flexural properties of E-glass and silica fiber acrylic resin composite. Int J Prosthodont 1998; 11: 340-350. »11, «Vallittu PK, Ruyter IE, Ekstrand K. Effect of water storage on the flexural properties of E-glass and silica fiber acrylic resin composite. Int J Prosthodont 1998; 11: 340-350. »11 ja lujuuden edellytys. Aiemmin ongelmana on ollut kuitujen huono sidos MMA/PMMA-pohjaisiin materiaaleihin, koska kuitujen imeytys on vaikeaa MMA/PMMA:n suuren viskositeetin ja huonon kostutuskyvyn takia. Tämä voi johtaa siihen, ettei kuituvahvistetusta materiaalista tule tarpeeksi kestävää. Ilman riittävää adheesiota voivat kuidut jopa heikentää materiaalia «Kilfoil BM, Hesby RA, Pelleu GB Jr. The tensile strength of a composite resin reinforced with carbon fibers. J Prosthet Dent 1983; 50: 40-43. »12.

Kostutusvaikutus – On väitetty, että lasikuitukomposiitit, joita käytetään proteesirungon materiaaleissa, ovat suhteellisen vakaita veden hydrolyyttistä vaikutusta vastaan. Taivutuslujuus vähenee kuitenkin vedessä säilytettäessä «Vallittu PK. Some aspects of the tensile strength of undirectional glass fibre-polymethyl methacrylate composite used in dentures. J Oral Rehabil 1998; 25: 100-105. »13. MMA/PMMA-pohjaiset hiili-/grafiittikomposiitit, joiden pinta on kemiallisesti puhdistettu ja jotka on esi-imeytetty monomeeriseoksella, eivät osoita taivutuslujuuden vähenemisen merkkejä oltuaan vedessä 90 päivää «Ekstrand K, Ruyter IE, Wellendorf H. Carbon/graphite fiber reinforced poly (methylmethacrylate): Properties under dry and wet conditions. J Biomed Mater Res 1987; 21: 1065-1080. »14. Hyvä adheesio lasikuidun ja polymeerin välillä on mahdollista, kun lasikuidut silanoidaan. Adheesio kuitenkin ilmeisesti heikkenee vedessä säilytettäessä «Meriç G, Dahl JE, Ruyter IE. Physicochemical evaluation of silica glass fiber reinforced polymeric materials. Personlig kommunikation 2004. »16. Muut lasikuidut, kuten piilasi, voivat antaa paremman pitkäaikaiskeston «Meriç G, Dahl JE, Ruyter IE. Physicochemical evaluation of silica glass fiber reinforced polymeric materials. Personlig kommunikation 2004. »16.

Kuitujen suunnalla on suuri merkitys polymeerien mekaanisille ominaisuuksille. Jatkuvat kuidut antavat paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin lyhyet kuidut «Chung K, Lin T, Wang F. Flexural strength of a provisional resin material with fibre addition. J Oral Rehabil 1998; 25: 214-217. »17. Kun kuiduilla on yksi suunta (kuitunippu), vahvistuu materiaali yksisuuntaisesti. Sen sijaan käytettäessä verkkoa, jolloin kuituja on kahteen suuntaan, polymeeri vahvistuu kaksisuuntaisesti «Ruyter IE, Kaaber S, Vallittu PK. Plast og protetikk. Tandläkartidningen 1999; 91: 39-51. »9. Tällä on suuri kliininen merkitys ajatellen suussa esiintyviä monensuuntaisia voimia. Käytettäessä punottua kuiturakennetta voidaan saada vahvistusta useampaan kuin kahteen suuntaan «Ekstrand K, Ruyter IE, Wellendorf H. Carbon/graphite fiber reinforced poly (methylmethacrylate): Properties under dry and wet conditions. J Biomed Mater Res 1987; 21: 1065-1080. »14.

Kuituvahvistuksen sijainnilla on merkitystä kestävyydelle. Tahdottaessa optimoida vähän kuituja sisältävän rakenteen kestävyysominaisuudet tulee kuituvahvistus sijoittaa rakenteen vetopuolelle «Dyer ST, Lassila LV, Jokinen M, Vallittu PK. Effect of fiber position and orientation on fracture load of fiber-reinforced composite. Dent Mater 2004; 20: 947-955. »18.

Kuitujen määrä mutta myös kuitujen välinen huokoisuus vaikuttavat kestävyyteen. Yleisesti voidaan sanoa, että mitä enemmän kuituja, sitä vahvempi materiaali, mutta vain tiettyyn rajaan asti. Huokoset kuitujen välillä heikentävät kestävyysominaisuuksia «Vallittu PK. The effect of void space and polymerization time on transverse strength of acrylic-glass fiber composite. J Oral Rehabil 1995; 22: 257-261. »10. Sopivalla valmistustekniikalla pitäisi olla mahdollista luoda hyvä kiinnitys ja suhde optimaalisen kuitupitoisuuden ja runkomateriaalin välillä.

Kuitutyyppi – Eri kuiduilla on erilaisia ominaisuuksia, mikä voi vaikuttaa komposiitin ominaisuuksiin. Hiili-/grafiittikuidun etu on sen lasikuitua parempi kestävyys «Delmonte J. Technology of carbon and graphite fiber composites. Origins of carbon and graphite fibers. Van Nostrand Reinhold Co. New York 1981: 1-40. »4. Hiili-/grafiittikuidun haittapuoli on sen musta väri. Hiilikuituvahvistetut polymeerit täytyy peittää läpinäkymättömällä kerroksella ja sen jälkeen vaaleanpunaisella polymeerillä esteettisistä syistä.

Kysymys

Mikä on kuituvahvisteisten polymeerimateriaalirakenteiden ennuste?

Vastaus

Adhesiivisesti kiinnitetyistä lasikuituvahvisteisista inlay-silloista on olemassa neljän vuoden seurantoja «Freilich MA, Meiers JC, Duncan JP, Echrote KA, Goldberg AJ. Clinical evaluation of fiber-reinforced fixed bridges. J Am Dent Assoc 2002; 133: 1524-1534. »19, «Behr M, Rosentritt M, Handel G. Fiber-reinforced composite crowns and FPDs: a clinical report. Int J Prosthodont 2003; 16: 239-243. »20. Suljettaessa pois potilaat, joilla on vaikea parafunktio, onnistumisprosentti on 95 «Freilich MA, Meiers JC, Duncan JP, Echrote KA, Goldberg AJ. Clinical evaluation of fiber-reinforced fixed bridges. J Am Dent Assoc 2002; 133: 1524-1534. »19. Eräässä toisessa kliinisessä tutkimuksessa, jossa seurattiin 38:aa adhesiivisesti kiinnitettyä kuituvahvistettua rakennetta, onnistumisprosentti oli heikompi (72 %). Kulumisen, värjäytymisen, murtumien ja kuitujen paljastumisen perusteella kirjoittaja katsoo, että näitä rakenteita tulisi käyttää ainoastaan tilapäisesti «Behr M, Rosentritt M, Handel G. Fiber-reinforced composite crowns and FPDs: a clinical report. Int J Prosthodont 2003; 16: 239-243. »20. On osoittautunut, että kosteus vaikuttaa kuituvahvisteisesta materiaalista valmistettuun proteettiseen rakenteeseen, mikä rajoittaa sen kestävyyttä. Uudempi tutkimus viittaa siihen, että parannellut kuituvahvisteiset materiaalit sietävät kosteaa ympäristöä ja ikääntymistä aikaisempaa paremmin «Behr M, Rosentritt M, Handel G. Fiber-reinforced composite crowns and FPDs: a clinical report. Int J Prosthodont 2003; 16: 239-243. »20.

Kysymys

Voiko hiili-/grafiittivahvisteisista materiaaleista valmistaa implanttisiltoja?

Vastaus

Monikeskustutkimuksessa todettiin implanttisilloista 70 % toimiviksi 3,5 vuoden seurannan jälkeen. Johtopäätös oli, että näiden ensimmäisen sukupolven hiili-/grafiittikuituvahvistettujen implanttisiltojen kustannukset olivat pienet ja esteettinen tulos on hyvä, mutta mekaaniset ominaisuudet eivät olleet tyydyttäviä «Bergendal T, Ekstrand K, Karlsson U. Evaluation of implant-supported carbon/graphite fiber-reinforced poly(methyl methacrylate) prostheses. A longitudinal multicenter study. Clin Oral Implants Res 199»6. Pilottitutkimuksessa, jossa hiilikuitusiltoja, joissa oli käytetty Bowensin resiiniä, arvioitiin viidellä potilaalla viiden vuoden käytön jälkeen, ei nähty murtumia siltarungoissa. Yhden sillan hammasakrylaatin pinnassa oli särö «Bergendal T, Andersson M, Brajnovic I. Carbon/graphite fiber-reinforced composite frameworks in fixed mandibular implant supported prostheses in elderly patients. A pilot study. Swed Dent J 2001; 25: »7.

Viime vuosina hiili-/grafiittikuituvahvistettua polymeeriä on kehitetty NIOM:ssa. Sitä voidaan nyt kerrostaa ja käsitellä muovautuvassa tilassa ennen lämpöpolymerisointia. Laboratoriokokeiden tulokset kertovat aikaisempaa paremmista mekaanisista ominaisuuksista myös vesisäilytyksessä ja lämpötilan vaihtelussa. Tätä materiaalia on pilottitutkimuksessa testattu kliinisesti 20 implanttisillassa. 1-3 vuoden seurannan jälkeen ei ole todettu murtumia «Ekstrand K. Personlig kommunkation 2005. »22. Laboratorio- ja pilottikokeiden tulokset tullaan arvioimaan implanttikiinnitteisten hiili/grafiittikuitusiltojen kliinisessä monikeskustutkimuksessa.

Kysymys

Mihin kaikkeen kuituvahvistettuja materiaaleja voidaan käyttää?

Vastaus

Tiivistäen voidaan sanoa, että lasikuituvahvistetut materiaalit voivat toimia hyvin väliaikaisissa rakenteissa, kuten pintakiinnitteisissä silloissa ja lyhyissä inlay-silloissa sekä irtoproteesien rungon vahvistuksessa. Uudet implanttikiinnitteisten siltaproteesien hiili-/grafiittikuituvahvistetut materiaalit arvioidaan kliinisten tutkimusten jälkeen.

Suom. Heini Mäntylä

Susanna Segerström, gästforskare
I. Eystein Ruyter, seniorforskare
NIOM, Nordisk Institutt for Odontologisk Materialprøvning, Kirkeveien 71 B, P.O. Box 70, N-1305 Haslum, Norge

Kirjallisuutta

  1. Goldberg AJ, Burstone CJ. The use of continous fiber reinforcement in dentistry. Dent Mater 1992; 8: 197-202.
  2. Kangasniemi I, Vallittu P, Meiers J, Dyer SR, Rosentritt M. Consensus statement on fiber-reinforced polymers: current status, future directions, and how they can be used to enhance dental care. Int J Prosthodont 2003; 16: 209.
  3. Ponten A, Zimerson E, Sorensen O, Bruze M. Chemical analysis of monomers in epoxy resins based on bisphenols F and A. Contact Dermatitis 2004; 50: 289-297.
  4. Delmonte J. Technology of carbon and graphite fiber composites. Origins of carbon and graphite fibers. Van Nostrand Reinhold Co. New York 1981: 1-40.
  5. Takagi K, Fujimatsu H, Usami H, Ogasawara S. Adhesion between high strength and high modulus polyethylene fibers by use of polyethylene gel as an adhesive. J Adhes Sci Technol 1996; 10: 869-882.
  6. Bergendal T, Ekstrand K, Karlsson U. Evaluation of implant-supported carbon/graphite fiber-reinforced poly(methyl methacrylate) prostheses. A longitudinal multicenter study. Clin Oral Implants Res 1995; 6: 246-253.
  7. Bergendal T, Andersson M, Brajnovic I. Carbon/graphite fiber-reinforced composite frameworks in fixed mandibular implant supported prostheses in elderly patients. A pilot study. Swed Dent J 2001; 25: 180-181.
  8. Freilich MA, Duncan JP, Alarcon EK, Eckrote KA, Goldberg AJ. The design and fabrication of fiber-reinforced implant prostheses. J Prosthet Dent 2002; 88: 449-454.
  9. Ruyter IE, Kaaber S, Vallittu PK. Plast og protetikk. Tandläkartidningen 1999; 91: 39-51.
  10. Vallittu PK. The effect of void space and polymerization time on transverse strength of acrylic-glass fiber composite. J Oral Rehabil 1995; 22: 257-261.
  11. Vallittu PK, Ruyter IE, Ekstrand K. Effect of water storage on the flexural properties of E-glass and silica fiber acrylic resin composite. Int J Prosthodont 1998; 11: 340-350.
  12. Kilfoil BM, Hesby RA, Pelleu GB Jr. The tensile strength of a composite resin reinforced with carbon fibers. J Prosthet Dent 1983; 50: 40-43.
  13. Vallittu PK. Some aspects of the tensile strength of undirectional glass fibre-polymethyl methacrylate composite used in dentures. J Oral Rehabil 1998; 25: 100-105.
  14. Ekstrand K, Ruyter IE, Wellendorf H. Carbon/graphite fiber reinforced poly (methylmethacrylate): Properties under dry and wet conditions. J Biomed Mater Res 1987; 21: 1065-1080.
  15. Matinlinna J. Silane chemistry aspects in some conventional and novel dental biomaterials (Thesis). Turku 2004.
  16. Meriç G, Dahl JE, Ruyter IE. Physicochemical evaluation of silica glass fiber reinforced polymeric materials. Personlig kommunikation 2004.
  17. Chung K, Lin T, Wang F. Flexural strength of a provisional resin material with fibre addition. J Oral Rehabil 1998; 25: 214-217.
  18. Dyer ST, Lassila LV, Jokinen M, Vallittu PK. Effect of fiber position and orientation on fracture load of fiber-reinforced composite. Dent Mater 2004; 20: 947-955.
  19. Freilich MA, Meiers JC, Duncan JP, Echrote KA, Goldberg AJ. Clinical evaluation of fiber-reinforced fixed bridges. J Am Dent Assoc 2002; 133: 1524-1534.
  20. Behr M, Rosentritt M, Handel G. Fiber-reinforced composite crowns and FPDs: a clinical report. Int J Prosthodont 2003; 16: 239-243.
  21. Segerström S, Ruyter IE. Opublicerad 2005.
  22. Ekstrand K. Personlig kommunkation 2005.