Обґрунтування застосування сплавів металів для виготовлення металокерамічних конструкцій зубних протезів

Автореферат розісланий 2 серпня 2001 р.

Вищезазначене показує, що виготовлення металокерамічних конструкцій зубних протезів потребує всебічного вивчення сплавів металів, які можуть бути використані для певної керамічної маси.

Провести порівняльну характеристику фізико-механічних властивостей сплавів металів для металокерамічного протезування.

Визначити вплив сплавів металів на стан крайового пародонта слизової оболонки ясен.

Вивчити мікробіологічний стан порожнини рота під дією сплавів металів.

Вивчити токсикологічний вплив зразків сплавів металів на морфологічні зміни тканини дослідних тварин.

Обґрунтувати доцільність застосування сплаву Церій як конструкційного матеріалу в ортопедичній стоматології.

Обєкт дослідження - кобальтохромові (Shot Alloy, Remanium-2000, “Церій”) і нікельхромові сплави (Dent-NCB, Целлит-Н).

Предмет дослідження - фізико-механічні властивості сплавів, біоінертність.

Методи дослідження:

Визначення мікротвердості сплавів, деформаційні характеристики при розтягуванні, вигині, структурні дослідження прилеглої межі метал-кераміка.

Мікробіологічний стан порожнини рота під дією дослідних сплавів.

Вплив дослідних сплавів на крайовий пародонт слизової оболонки ясен.

Визначення токсикологічного впливу і морфологічних змін у тканинах дослідних тварин під дією сплавів металів.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше проведене вивчення фізико-механічних властивостей дослідних сплавів металів та нами запропонованого нового стоматологічного сплаву після багаторазового та циклічного обпалювання при достатньо високих температурах (700-800 С).

Уперше за даними клінічних, морфологічних та фізико-механічних характеристик сплавів металів доведено, що розроблений на основі кобальту і хрому з добавленням церію сплав є альтернативним матеріалом в ортопедичній стоматології для виготовлення металокерамічного протезування.

Практичне значення одержаних результатів. На основі вивчення клініко-експериментальних досліджень, розробленого нами сплаву встановлено, що сплав “Церій” не впливає на мікробіологічний статус та слизову оболонку крайового пародонта, має високі фізико-механічні властивості. Цим збільшується термін користування металокерамічними протезами та зменшується ймовірність можливих ускладнень. Досліджені нами кобальтохромові сплави Remanium-2000 і “Церій” дають можливість одержувати більш тонкі каркаси металокерамічних протезів, тим самим зменшити товщину препарування твердих тканин зубів, що сприяє збереженню життєздатності пульпи зуба.

Результати досліджень упроваджені в роботу ортопедичних відділень Полтавської обласної стоматологічної поліклініки на базі кафедри ортопедичної стоматології та імплантології, Донецької міської стоматологічної поліклініки №1, в Одеському науково-дослідному інституті стоматології АМН України та Кримській республіканській клінічній лікарні імені М.О. Семашка, кафедри пропедевтики ортопедичної стоматології та ортодонтії УМСА.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійним дослідженням автора, яким самостійно вибрана мета наукового дослідження, обґрунтовані його завдання, проаналізована література з досліджуваної проблеми та проведений патентно-інформаційний пошук; проведені клінічні й експериментальні дослідження і їх статистична обробка, обґрунтовані та сформульовані висновки роботи і практичні рекомендації, підготовлені наукові праці.

Аналіз отриманих даних, підготовка документів на отримання патенту України, наукових статей проведені разом із науковим керівником. При підготовці до друку матеріалів досліджень у співавторстві з Германчуком С.М. здобувачу належить ідея роботи, підбір та аналіз наукової літератури, формулювання узагальнюючих висновків. У публікації із Лабунцом С.В. та співавторами здобувачем виготовлені дослідні зразки, виконані фізико-механічні випробування, проведений аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. На етапах виконання дисертаційної роботи основні її положення доповідалися на обласній науково-практичній конференції лікарів стоматологів-ортопедів (м. Полтава, 1998); міжнародній конференції “Релаксационные явления в твердых телах” (Воронеж, 1999); на науково-практичній конференції “Нові методики та технології в ортопедичній стоматології” (Львів, 1999 р.); на науково-практичній Всеукраїнській конференції “Актуальні проблеми ортопедичної стоматології та ортодонтії” (Полтава, 2000). Дисертація апробована на міжкафедральному засіданні (листопад, 2000) та засіданні апробаційної ради “Стоматологія” Української медичної стоматологічної академії (м. Полтава, 2000 р.).

Публікації. Основні положення та результати дисертації відображені у 10 друкованих роботах, із них 6 опубліковані у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, 4 тези конференцій, отримано деклараційний патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 134 сторінках машинопису, складається з вступу, огляду літератури, розділу матеріалів та методів дослідження, розділів власних досліджень, висновків, практичних рекомендацій, списку використаних літературних джерел та додатків.

Дисертація містить 14 таблиць і 34 рисунки. Список використаних джерел науково-медичної інформації складає 210 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали та методи дослідження. З метою вирішення поставлених завдань були проведені експериментальні і клінічні дослідження 5-и зуботехнічних сплавів, які застосовуються для виготовлення металокерамічних незнімних конструкцій зубних протезів. Усі сплави металів умовно розподілені на дві основні групи.

І група - сплави металів на основі Cr Co, до якої увійшли SHOT Alloy (USA) фірми Jeneric/penton, Remanium-2000 (Germany) фірми “Dentarum”, а також розроблений нами сплав із добавленням церію (Ce), отриманий методом електрошлакового переплавлення (деклараційний патент на винахід України № 29240 А від 16 листопада 2000 р.).

ІІ група - сплави металів на основі Cr Ni, до якої увійшли Целлит-Н (Росія) фірми “Стоммат”, Dent-NCB 10+TM (USA) фірми ”Dentco Еnterpreises”.

Для фізико-механічних досліджень зразки сплавів отримували шляхом переплавлення фірмових сплавів у ливарній стоматологічній установці Tiegelschleuder TS фірми “Degussa”. Переплавлення відбувалося згідно з інструкціями для цих сплавів у керамічних тиглях.

Із отриманих пластин вирізалися зразки необхідної форми, котрі досліджувалися як у початковому стані, так і після нанесення на них фарфорового покриття. З цією метою використовували фарфорову масу Finesse “Ceramco” USA, обпалювання її проводили згідно з інструкцією у керамічній печі “Phoenix” фірми “Ceramco” - USA.

Для дослідження мікротвердості зразки вивчених сплавів додатково шліфували та полірували на замші з алмазною пастою до дзеркального блиску. Мікротвердість досліджували на приладі ПМТ-3 при різних навантаженнях на індентор. На кожному з досліджуваних зразків отримували по 100 відбитків і знаходили середнє значення.

Деформація розтягуванням проводилася у розривній установці МРК-1 на зразках гантелеподібної форми з розмірами робочої частини 25х5х0,4 мм. При цьому досліджувалися 10 зразків у початковому стані після литва, 10 зразків сплаву без покриття, які пройшли ступінчасту термообробку, котра відповідає термообробці при формуванні фарфорового покриття, і 10 зразків із фарфоровим покриттям.

Деформація вигином проводилася також в установці МРК-1 з приставкою для чотириточкового вигину. З цією метою використовувалися лише металокерамічні зразки розміром 40х5х0,5мм + фарфор, причому вигин проводився як з боку металевої, так і з боку керамічної поверхні.

Дослідження структури перехідного шару метал-фарфор проводилися на скануючому електронному мікроскопі JSM-820 з системою рентгенівського мікроаналізу Link AN 10/85 S шляхом побудови карт розподілу елементів із використанням відповідних ліній характеристичного рентгенівського випромінювання. Дослідження проводилося на поперечних шліфах металокерамічних зразків.

Морфологія поверхні зруйнованих після деформацій розтягуванням зразків досліджувалася також у скануючому мікроскопі JSM-820 як у режимі поглинутих, так і в режимі відбитих електронів.

Для проведення клінічних досліджень усі пацієнти, яким виготовлялися незнімні конструкції зубних протезів, були розподілені на пять груп залежно від сплаву металу, який застосовувався.

До першої групи увійшли пацієнти, яким для виготовлення коронок і мостоподібних протезів був застосований сплав “SHOT ALLOY” (USA). Другій групі пацієнтів відливали конструкції протезів зі сплаву металу “Remanium-2000” (Germany). Пацієнтам третьої групи незнімні конструкції зубних протезів виготовляли зі сплаву маталу “Церій”, запропонованого співробітниками кафедри. До четвертої групи увійшли пацієнти, яким виготовляли незнімні протези із хромонікелевого сплаву “Целлит - Н” (Росія), а пяту дослідну групу склали пацієнти, яким відливали конструкції протезів із металевого сплаву “Dent-NCB” (USA). Розподіл хворих по групах за статтю представлений у табл.1.

Таблиця 1. Кількість хворих у групах за статтю

Залежно від стану клінічної коронки зуба та дефекту зубного ряду пацієнтам дослідних груп виготовлялися незнімні конструкції зубних протезів, тобто поодинокі коронки і мостоподібні протези, кількість яких представлена на рис.1.

Рис. 1. Кількість виготовлених конструкцій протезів.

З метою визначення запальних процесів слизової оболонки крайового пародонта в різні терміни користування незнімними конструкціями зубних протезів у всіх пацієнтів проводили визначення інтенсивності фарбування ясенного краю за допомогою проби Шиллера-Писарєва.

Проба вважалася слабо позитивною (+) при забарвленні слизової оболонки у світло-коричневий колір; позитивною (++) - забарвлення в коричневий колір і різко позитивною (+++) - забарвлення в темно-бурий колір. Пробу Шиллера-Писарєва проводили в терміни: через 24 години після фіксації протезів, через 7 діб і через 1 місяць. Фіксацію незнімних конструкцій зубних протезів, виготовлених незалежно від сплаву, проводили одним цементом ”Meron” фірми Voco (Germany).

Вивчалася антимікробна активність водяних екстрактів сплавів Целлит-Н (Росія), Dent-NCB 10+ТМ(USA), Shot Alloy (USA), Remanium-2000 (Germany), Церій (УМСА). Для одержання водяної витяжки у флакони з 20 мл стерильної дистильованої води вносили 10 г пластин сплаву і витримували при 370С у термостаті протягом 90 діб. Контролем служила стерильна дистильована вода (по 20 мл у стерильних флаконах) після 90-добового перебування в термостаті при 370С. Індикаторними тест-штамами мікроорганізмів були: Staphylococcus aureus H32, Streptococcus pyogenes P7, Escherichia coli M134, Pseudomonas aeruginosa 197 OK.

Ураховуючи той факт, що постійна мікрофлора порожнини рота є дуже складною формою біоцинозу, яка обумовлює існування аеробних, факультативно анаеробних та облігатних анаеробних видів грампозитивних і грамнегативних мікроорганізмів, різноманітні втручання в порожнині рота призводять до дисбалансу, на що провокує виникнення запальних явищ. Тому метою нашого дослідження було вивчення кількісного та якісного складу аеробної та факультативно анаеробної мікрофлори зубоясенного жолобка залежно від застосування дослідних сплавів для металокерамічного протезування у 104 пацієнтів, поділених на 5 груп.

З метою виявлення впливу сплавів металів на кобальтовій і нікелевій основах на тканини живого організму нами проведене експериментально-морфологічне дослідження відповідно до ISO-10993-6: 1994, сутність якого полягала у проведенні операції імплантації дослідних стандартних зразків сплавів металів Shot-alloy, Remanium-2000, Церій, Dent-NCB, Целлит-Н статевозрілим білим щурам лінії Вістар у ділянку спини під шкіру. Для проведення експерименту були залучені 30 білих щурів.

Евтаназія тварин відбувалася у кінці 2 тижня та через 1 місяць відкривалися місця імплантації, виймалися зразки сплавів, вивчалися тканини, що їх оточували.

Для гістологічного дослідження тканини фіксувалися в 10-12% розчині нейтрального формаліну. Після фіксації за загальноприйнятою методикою готувалися парафінові блоки. Одержані зрізи препаратів товщиною 7-12 мкм зафарбовували гемотоксилін-еозином та за Ван-Гізон. Гістологічні препарати вивчали за різних збільшень мікроскопом “Біолам”. Ілюстративний матеріал одержували використовуючи насадки МФН-10.

З урахуванням факту, що дані сплави металів мають тривалий контакт із тканинами організму, а також з урахуванням існуючих стандартів 1S0 в галузі медичних виробів нами були проведені дослідження відповідно до ІS0 10993-5:1992 токсичності сплавів методом тканинної культури, що дозволяє в короткий термін провести порівняльну оцінку матеріалів із визначенням показника гістотоксичності.

Токсикологічні дослідження сплавів металів проводили у відділі полімерів медичного призначення Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України м. Києва.

Кількісні показники фізико-механічних властивостей сплавів металів, аналіз мікробіологічних, гістотоксичних досліджень обробляли методом варіаційної статистики за Ст'юдентом-Фішером.

Результати досліджень. Дослідження механічних властивостей дослідних сплавів проводилося з кількох напрямків, причому використовувалися три типи зразків: 1) Литий металевий сплав; 2) Металевий сплав, який пройшов після лиття таку ж термообробку, як і металокерамічний зразок; 3) Металокерамічний зразок - сплав із фарфоровим покриттям.

Необхідність дослідження другого типу зразків обумовлена тим, що при виготовленні металокераміки вироби піддаються багаторазовому термічному впливу при достатньо високих температурах (близько 1000 0 С). У звязку з цим у сплаві можуть відбутися значні структурні зміни, які неминуче призведуть до змін його механічних характеристик. Тому, аналізуючи механічні властивості металокерамічних зразків, слід використовувати дані, властиві саме сплаву, який пройшов відповідну термообробку, а не дані стосовно литого сплаву і тим більше не дані, заявлені фірмою-виробником сплаву. У таблиці 2 наведені дані про мікротвердість усіх пяти сплавів у двох станах - після лиття і після відповідної термообробки, тобто для зразків першого і другого типів.

Таблиця 2. Мікротвердість сплавів у литому та обпаленому станах при навантаженні 50г Hv (гПа)

Як видно з таблиці, сплави на основі Со (Shot Alloy, Remanium-2000 і розроблений сплав Церій (УМСА) мають більш високу мікротвердість у литому стані, а термообробка в цих сплавах призводить до збільшення мікротвердості на відміну від сплавів на основі Ni (Целлит-Н і Dent-NCB), в яких термообробка призводить до зменшення мікротвердості. Таку поведінку мікротвердості в сплавах на основі Со можна пояснити такими причинами: після лиття в ньому виявляються великі (характерний розмір - 5-10 мкм) включення другої фази, збагаченої хромом і молібденом, причому мікротвердість цієї фази значно вища, ніж мікротвердість матриці. Термообробка, певно, призводить до часткового розчинення другої фази у матриці, тобто до переходу у неї атомів Cr і Mo, що призводить до збільшення мікротвердості.

Дослідженням деформації при розтягуванні визначені переваги сплавів на основі кобальту над сплавами на основі нікелю, при цьому ці переваги більш помітні для сплавів, які пройшли термообробку. Як і у випадку мікротвердості, спостерігається деяке зростання механічних характеристик у термооброблених сплавах на основі кобальту. Отримані результати свідчать про те, що всі досліджені сплави (можливо, крім Целлиту-Н) мають достатні механічні характеристики для виготовлення високоміцних ортопедичних конструкцій.

Досліджуючи міцність з'єднання метал-фарфор, застосовували деформацію вигином металокерамічних зразків. Прикладення деформуючого навантаження відбувалося як з боку фарфорового покриття, так і з боку металевої основи. При цьому виникають суттєво відмінні напружені стани, в першому випадку фарфор піддається деформації стиску, а у другому - розтягу. У першому випадку діаграма деформації простягається до достатньо високих навантажень, на ній чітко проявляється перехід від пружної деформації металу до пластичної, якому відповідає зусилля F0. Що стосується фарфорового покриття, то його руйнування відбувається неодномоментно - спочатку відбувається накопичення окремих мікротріщин на ділянці зразка, який знаходиться між навантажувальними елементами. Указані дотичні напруги невеликі, в ізотропних матеріалах їхній вплив зовсім незначний і тому вони руйнуються під дією нормальних напруг. Однак у шаруватих матеріалах, перш ніж відбудеться руйнування під дією нормальних напруг, зсувові напруги можуть перевищити адгезивну міцність міжфазної межі, що і відбувається у досліджуваних нами зразках. У другому випадку, коли фарфор піддається розтягувальній деформації, у зв'язку з тим, що його міцність при розтягуванні значно нижча, ніж при стисканні, вже за малих навантажень відбувається руйнування фарфору під дією нормальних напруг на ділянці. Зазначимо, що вся описана ситуація розігрується в межах пружної деформації металевої основи.

Як указують результати дослідження, міцнісних властивостей, величина з'єднання метал-фарфор зростає у такій послідовності: Целлит-Н, Shot Alloy, Remanium, сплав “Церій”, Dent-NCB. Ця ж послідовність визначає, які з досліджених сплавів найбільше підходять для використаної фарфорової маси.

Структурними дослідженнями межі метал-фарфор за допомогою рентгенівського випромінювання був виявлений у грунтовому шарі керамічної маси Finessa хімічний елемент церій, що, на нашу думку, покращує міцність з'єднання розробленого нами сплаву, який теж у своєму складі містить легуючий елемент церій.

Усі наведені вище результати не дають підстав зробити однозначний висновок про те, які з досліджених груп сплавів (сплави на основі Ni чи сплави на основі Со) є найкращими для створення металокерамічної реставрації з фізико-механічної точки зору, оскільки найкращі результати показали по одному представнику з кожної групи: Dent-NCB - із другої групи і сплав “Церій”, розроблений співробітниками академії, - з першої.

На наш погляд, розроблений нами сплав під умовною назвою “Церій” має достатньо високі характеристики завдяки введенню в його склад церію, який, як показано вище, входить до опакового шару керамічної маси Finesse (USA, фірма Ceramco).

Для виявлення запалення слизової оболонки крайового пародонта зубів, на які були виготовлені поодинокі коронки або мостоподібні протези, застосовували пробу Шиллера-Писарєва.

Під нашим спостереженням знаходилися 104 пацієнти, які були розподілені на 5 груп залежно від застосованого сплаву. Вік пацієнтів становив від 21 до 50 років. У І, ІІ і ІІІ групу увійшли пацієнти, яким застосовували кобальтохромові сплави. У І групу увійшли пацієнти, яким виготовляли протези зі сплаву Shot-Alloy, у ІІ групу увійшли пацієнти, яким застосовували сплав Remanium-2000, ІІІ групу склали пацієнти із застосуванням запропонованого нами сплаву Церій. У IV та у V групах перебували пацієнти, яким застосовували нікель-хромові сплави. У IV групу увійшли пацієнти, яким виготовляли зубні протези на основі сплаву Целлит-Н, V групу склали пацієнти, яким застосовували сплав Dent-NCB.

Аналізуючи дані показників проби Шиллера-Писарєва в групах спостережень, ми дійшли висновку, що ступінь та тривалість запальних процесів слизової оболонки крайового пародонта опорних зубів залежить від використання сплаву металу, з якого виготовлялися незнімні конструкції зубних протезів. За нашими дослідженнями видно, що тривалість запальних процесів слизової оболонки крайового пародонта зубів, на які виготовлені металокерамічні протези з основою хромокобальтових сплавів, була значно меншою, ніж у хворих із протезами, виготовленими з основою на хромонікелевих сплавах.

Аналіз загальної кількості аеробних та анаеробних мікроорганізмів з зубоясенного жолобка залежно від хімічного складу сплавів металів для мікробіологічного дослідження показав, що усього виділено 453 культури, з яких 256 (56,5%) складали стрептококи, 130 (28,7%) - стафілококи і 67 (14,8%) - дріжджоподібні гриби роду Сапdida.

Під час вивчення видової належності мікроорганізмів установлено, що 82 (32,0%) культури стафілококів належать до -гемолітичних, 9 (3,5%) - до -гемолітичних і 165 (64,5%) - до -негемолітичних. Серед культур стафілококів S. aureus виявлений у 3 випадках (2,3%), S. epidermidis - у 94 (72,3%) і S.saprophyticus - в 33 (25,4%).

Результати досліджень у динаміці виділення культур до протезування склали культури стрептококів, виділені від 92 (88,5%) пацієнтів, стафілококів від 48 (46,1%), дріжджоподібних грибів роду Candida - від 23 (22,1%).

Через 1 добу після протезування стрептококи виявлені у 29 (27,9%) обстежених, стафілококи - у 16 (16,3%), дріжджоподібні гриби - у 9 (8,6%). Через 7 діб після протезування стрептококи виявлені у 100 (96,2%) пацієнтів, стафілококи - у 54 (51,9%), дріжджоподібні гриби роду Candida - у 27 (25,9%).

Одержані дані свідчать про те, що через 1 добу після застосування протезів із хромокобальтових і хромонікелевих сплавів відбувається значне зниження частоти виділення (в 3 рази) культур стрептококів, стафілококів та дріжджоподібних грибів із вмісту зубоясенного жолобка, хоча через 7 діб частота виділення цих мікроорганізмів повертається до початкового рівня чи незначно збільшуює. Статистично вірогідних відмінностей у частоті виділення культур мікробів залежно від застосування хромокобальтових або хромонікелевих сплавів виявити не вдалося. Лабораторними мікробіологічними дослідженями антимікробної активності сплавів металів, які застосовувалися для виготовлення металокерамічних конструкцій зубних протезів, виявили, що 90-добові водяні екстракти дослідних сплавів мають бактерицидну активність, пригнічують ріст культур золотистого стафілокока, гемолітичного стрептокока, кишкової та синьогнійної паличок.

При вивченні впливу дослідних сплавів металів на тканини живого організму, що полягало у проведенні експериментально-морфологічного дослідження відповідно до ISO-10993-6: 1994 та 10993-5: 1992, було доведено, що на гістологічних препаратах сполучнотканинних капсул навколо імплантованих зразків у кожному конкретному випадку дозволяє охарактеризувати їхні індивідуальні особливості.

При імплантації сплавів на основі нікелю Dent-NCB і Целлит-Н морфологічна картина загоєння навіть через 1 місяць відповідає початковим етапам даного процесу, що вказує на вплив гальмівних факторів компонентів сплавів.

Морфологічні зміни при утворенні капсул навколо імплантованих дослідних сплавів свідчать про те, що на сплави кобальтохромової основи дозрівання сполучнотканинних структур відбувається більш повноцінно та швидше.

Аналіз проведеного експерименту свідчить на користь того , що швидкість та якість загоєння ушкодженої підшкірної клітковини при введенні імплантованих дослідних сплавів залежать значною мірою від окремих хімічних компонентів, які входять до складу сплавів, або від їхньої сукупності.

Узагальнюючи дані проведених досліджень показника гістотоксичності, який лежить у межах ПГТ?0,72, всі дослідні сплави металів можна віднести до нетоксичних.

Таким чином, дослідні сплави металів SHOTALLOY виробництва фірми “Jeneric/pentron” (USA), Remanium-2000 виробництва фірми “Dentaurum” (Germany), сплав Церій, Dent-NCB виробництва фірми “Dentco Enterpreises” (USA), Целлит-Н (Росія) відповідають вимогам, які висуваються до них, і можуть бути рекомендовані до застосування за призначенням.

ВИСНОВКИ