Kuitulujitteinen hammassilta - Mekaaniset ominaisuudet ja kuitukomposiittirakenteen suunnittelu
Turun yliopiston hammaslääketieteen laitoksella tarkastettiin huhtikuun 22. päivänä 2005 DMD, MSc Scott R. Dyerin väitöskirja, joka käsitteli lasikuitulujitettujen hammassiltojen ominaisuuksia ja rakenteen suunnittelua. Scott R. Dyer työskentelee tutkijana ja opettajana Oregon Health and Sciences Universityssä Yhdysvalloissa. Väitöskirjan ovat ohjanneet professori Pekka Vallittu ja emeritusprofessori Antti Yli-Urpo. Työn esitarkastivat professorit Margareta Molin Uumajan yliopistosta ja Mauno Könönen Helsingin yliopistosta. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimi professori Bengt Öwall Kööpenhaminan yliopistosta ja kustoksena Pekka Vallittu.
Kuitulujitteisen komposiittirakenteen mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat oleellisesti lujitekuitujen määrä ja rakenteen mitoitus. Hammaslääketieteellisten kuitukomposiittirakenteiden suunnitteluun ei ole muista yleisistä kuitukomposiittien käyttöalueista poiketen kiinnitetty juurikaan huomiota.
Kuiturakenteen murtumismekaniikan ymmärtämiseksi ja rakenteen lujittamiseksi testattiin insinöörisovellutuksissa käytettyjä rakennesuunnitteluperiaatteita. Erityisen mielenkiinnon kohteena oli selvittää murtuman muodostumisen alkuhetken ja rakenteen lopullisen murtuman välistä yhteyttä. Tutkimuksessa tarkasteltiin kuiturakenteen koon ja koostumuksen merkitystä hammassiltojen valmistamisen ja lujuuden kannalta.
Tutkimuksen toteutus ja tulokset
Yksinkertaistetuilla koeasetelmilla todettiin, että kuiturakenteen poikkileikkauksen kuitusijoittelulla oli merkittävä vaikutus pienikokoisten koekappaleiden lujuuteen. Poikkileikkaukseltaan neliön muotoiset koekappaleet (2 x 2 x 25 mm3) (n = 6) valmistettiin siten, että lujitekuitujen sijainti ja geometria vaihtelivat eri tutkimusryhmissä. Taivutustestin kuormituksen aikana vetojännityspuolelle sijoitetut lujitekuidut lisäsivät koekappaleiden kestävyyttä murtuman alkuhetken, lopullisen murtuman ja materiaalin sitkeyden osalta. Materiaalin kimmomoduuli kohosi eniten, kun lujitekuidut oli sijoitettu lähelle koekappaleen puristusjännityspuolta. Tietyillä poikkileikkauksen kuitulujitegeometrioilla todettiin olevan merkittävä lujuutta lisäävä vaikutus, jopa suurempi kuin pelkästään lujitekuitujen tilavuusosuuden lisäämisellä.
Kolme osatutkimusta osoittivat kuitulujiterakenteen merkityksen arvioitaessa hammassillan kestävyyttä. Ensimmäisessä lasikuitulujitteisia hammassiltoja (n = 5) jäljittelevässä tutkimuksessa testattiin siltoja eri kuitupitoisuuksilla (0 %, 18 %, 43 %, 66 %). Murtuman alkuhetkeen tarvittava kuormitus oli pienempi R-lasikuiduista valmistetuilla hammassilloilla kuin käyttämällä E-lasikuituja. E- ja R-lasikuidut poikkeavat toisistaan kemiallisen koostumuksen osalta. Lisäämällä lujitekuitujen tilavuusosuutta hammassilloissa sekä R- että E-lasikuiduilla, murtuman alkuhetkeen ja lopulliseen murtumaan tarvittava kuormitus kasvoi.
Toisessa hammassiltoja jäljittelevässä osatutkimuksessa selvitettiin sillan tukihampaiden vaippakruunuhionnan lisäksi tehdyn kaviteettihionnan vaikutusta sillan kestävyyteen. Siltojen muotoisia koekappaleita (n = 5) verrattiin nykyisin laajamittaisesti käytössä oleviin metallokeraamisiin hammassiltoihin. Tulokset osoittivat, että kuitulujitteisen ja metallokeraamisen sillan välillä ei lujuudessa ollut merkittävää eroa. Yhdellä rakennemallilla saatiin kuitulujitteiselle sillalle suurempi lujuus kuin metallokeraamiselle sillalle. Kiilteen alueella oleva pieni kaviteetti ja siihen ulottuvat lujitekuidut antoivat sillalle riittävän vertikaalisen tuen purentavoimia vastaan.
Kolmannessa osatutkimuksessa, jossa käytettiin hammassillan muotoisia koekappaleita (n = 5), todettiin, että tukihampaiden vaippakruunuhionnalla ei saavutettu merkittävää hyötyä hammaskudosta säästävämpään hiontatapaan tai jopa hiomattomaan tukihampaaseen verrattuna.
Johtopäätökset
Hammaslääketieteellisten kuitukomposiittirakenteiden todettiin tarvitsevan samantyylisiä suunnitteluperiaatteita kuin insinöörialoilla käytetyt komposiittirakenteet. Erityisesti sillan kuormitusta kantava kuitulujitteinen runko on suunniteltava ja valmistettava oikein mitoitetuksi. Oikealla suunnittelulla ja rakenteen huolellisella valmistamisella voidaan välttää hammassiltojen vaurioituminen. Tutkimus tukee hammaskudosta säästävän proteettisen hoitotavan merkitystä osana nykyaikaista hammashoitoa.
Osajulkaisut
I Dyer SR, Lassila LVJ, Alander P, Vallittu PK. Static strength of molar region direct technique glass fibre-reinforced composite fixed partial denture. J Oral Rehabil 2005; 32: 351-357.
II Dyer SR, Lassila LVJ, Jokinen M, Vallittu PK. Effect of fiber position and orientation on fracture load of fiber-reinforced composite. Dent Mater 2004; 20: 947-955.
III Dyer SR, Sörensen JA, Lassila LVJ, Vallittu PK. Damage mechanics and load failure of fiber-reinforced composite fixed partial dentures. Dent Mater 2005; 22.
IV Dyer SR, Lassila LVJ, Jokinen M, Vallittu PK. Effect of cross-sectional design on the modulus of elasticity and toughness of fiber reinforced composite materials. J Prosthet Dent 2005; 14: 926-934.
V Dyer SR, Sörensen JA, Lassila LVJ, McLaren EA, Vallittu PK. In vitro static strength of porcelain-fused-to-metal and fiber-reinforced composite fixed partial denture. J Prosthodont, submitted.
Department of Biomaterials and Biomechanics
Oregon Health and Sciences University
Portland, Oregon, USA
Dyers@ohsu.edu