TITLE: A new dimension of working with composites – structures reinforced with UHMWPE fi bers

STRESZCZENIE: Materiały kompozytowe są obecnie standardem w pracy stomatologa i technika dentystycznego. Od pewnego czasu do łask wróciły włókna UHMWPE, czyli wykonane z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej.

SŁOWA KLUCZOWE: materiały kompozytowe, włókna UHMWPE, włókna polietylenowe

SUMMARY: Composite materials a re now a standard in the work of dentists and dental technicians. UHMWPE fi bers, i.e. made of ultra-high-molecular-weight polyethylene, have become popular again for some time.

KEYWORDS: composite materials, UHMWPE fi bers, polyethylene fi bers

Historia kompozytów sięga lat 30. ubiegłego wieku, kiedy to wynaleziono tworzywo metakrylanowe. Od tamtego czasu wielokrotnie było ono modyfi kowane i unowocześniane, aby w dzisiejszych czasach stać się podstawowym materiałem nie tylko w gabinecie stomatologicznym, ale także w laboratorium protetycznym.
Ze względu na to, że nadal mimo ogromnego postępu technologicznego nie udało się znaleźć idealnego materiału mogącego zastąpić twarde tkanki zęba, tworzywo to poddawane jest badaniom i przekształceniom, tak by poszerzyć możliwości zastosowania nie tylko do prac tymczasowych czy wkładów koronowych, ale także pełnych odbudów zgryzowych.

Aby zrozumieć fenomen materiałów kompozytowych, trzeba pamiętać, że są połączeniem dwóch lub więcej tworzyw o bardzo rozbieżnych właściwościach. Właśnie dzięki temu nie tylko posiadają pozytywne właściwości każdego składnika, ale również poprawiają lub nawet niwelują negatywne parametry pojedynczego komponentu. Dodatkowo, w przeciwieństwie do tradycyjnych materiałów, ich właściwości można projektować w aspekcie strukturalnym, dodając włókna i manipulując ich położeniem, ilością czy geometrią.

Dotychczas najpopularniejszymi włóknami spełniającymi szereg wymagań nie tylko lekarzy czy techników, ale także pacjentów, były włókna szklane i poliaramidowe. To właśnie z powodu dodania takich włókien do struktury kompozytów można uzyskać wytrzymałość i jednocześnie elastyczność zbliżoną do naturalnej tkanki zęba, dotychczas zarezerwowaną dla nieestetycznych albo drogich tradycyjnych rozwiązań. Co więcej, dzięki swojej estetyce, przystępności dla pacjenta, a także doskonałemu łączeniu z adhezyjnymi cementami stały się standardem w codziennej pracy stomatologa i technika.

We współczesnej stomatologii coraz większe uznanie zdobywają włókna UHMWPE, czyli wykonane z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej. Włókna te posiadają bardzo długie łańcuchy monomeru, rzędu kilkuset tysięcy jednostek, co daje tworzywo o najwyższym współczynniku udarności spośród wszystkich materiałów termoplastycznych. Współczynnik tarcia na bardzo niskim poziomie wskazuje na wysoką odporność na ścieranie, nawet do 15 razy większą w porównaniu do stali.

Parametry wytrzymałościowe filamentów UHMWPE są nieporównywalnie większe od dotychczasowych rozwiązań opartych na włóknie szklanym. Pozostałe właściwości takie jak: bardzo niska absorpcja płynów, nietoksyczność, odporność na promieniowanie UV i większość chemikaliów, a także całkowita biokompatybilność z tkankami pacjenta pokazują, że są idealnym rozszerzeniem kompozytowych odbudów protetycznych.

W ostatnich latach szczególną uwagę przywiązuje się do szeroko pojętej wytrzymałości materiału. Producenci prześcigają się w coraz to lepszych parametrach i dzięki temu my, technicy, możemy być pewni, że wykonane prace nie wrócą po kilku tygodniach do poprawy. Nie inaczej jest z włóknami UHMWPE – przez ponad 70 lat od wynalezienia tego materiału dostarczono bardzo dużo dowodów na jego idealne wpasowanie się do branży stomatologicznej.

Nie inaczej jest z włóknami polietylenowymi, które swoją karierę w protetyce zaczęły w latach 90. Przez niewystarczający poziom technologiczny straciły początkową popularność na rzecz przemysłu kosmicznego czy zbrojeniowego, aby w ostatnich latach powrócić do coraz bardziej wymagającej branży stomatologicznej.
Porównując dostępne na rynku włókna, warto zacząć od wykresu ogólnej wytrzymałości surowych włókien i ich modułu sprężystości (rys. 1), który pokazuje ogromną przewagę nad włóknem szklanym w obydwu tych parametrach. Ważnym z punktu widzenia pracy technika parametrem jest wytrzymałość na zginanie, badana wg normy ISO, w której naprężenie bada się na włóknie zatopionym w belce kompozytowej (rys. 2). W tym przypadku bada się belkę wzmocnioną pojedynczym włóknem. Dane wykresu wskazują na wyższą wytrzymałość na zginanie włókien UHMWPE w porównaniu do włókien szklanych o 25%, a dodatkowo ponaddwukrotną odporność na zniszczenie względem odkształcenia. Wilgotne środowisko jamy ustnej nie jest przyjazne obcym materiałom, warunkuje ono stabilność i przeżycie uzupełnienia w czasie użytkowania przez pacjenta. Włókna polietylenowe jako jedyne spośród dostępnych włókien na rynku wykazują nieznaczny spadek odporności na wilgotne warunki jamy ustnej (rys. 3). Włókna polietylenowe przewyższają również włókna poliaramidowe w testach wytrzymałości na ściskanie, wytrzymując obciążenie siłą ponad 2500 N (rys. 4). Wszystkie te właściwości wykazują zgodność z badaniami Malmstroma pokazującymi przewagę prac wykonanych na włóknie UHMWPE, sprawdzającymi współczynnik przetrwania w jamie ustnej pacjenta.
Właściwości mechaniczne włókien to kluczowy aspekt wyboru materiału do przypadku klinicznego, jednak ważne są również komfort i łatwość pracy podczas procedury. W codziennej praktyce ważny jest czas, który poświęcamy na wykonanie uzupełnienia, i łatwość, z jaką otrzymamy wysoko estetyczny efekt.
Technicy z wieloletnim stażem pamiętają na pewno jedną z naturalnych ceramik, która dawała fenomenalne wyniki, jednak nie wybaczała błędów, a nauczenie się wszystkich jej niuansów zajmowało nawet kilka lat. Wraz z rozwojem techniki powoli była wypierana przez syntetyczne proszki, które dawały taki sam rezultat przy ułamku pracy i użytych efektów, bez efektu „chlebowego” koloru.

Niemalże tak samo jest z włóknami syntetycznymi używanymi do wzmacniania konstrukcji kompozytowych w stomatologii. Producenci zapewniają szeroki wachlarz dostępnych włókien: równoległe, sploty typu mata, taśmy, linki czy też tkaniny występujące w wariantach: surowych, preimpregnowanych czy gotowych do użycia w otulinie kompozytowej. Dotychczas ze względu na właściwości użytkowe bardziej popularne były formy plecione, mimo że badania wskazywały za optymalną dla wytrzymałości uzupełnień postać włókien równoległych. Sytuacja zmieniła się od pojawienia się technologicznych możliwości wyprodukowania włókien polietylenowych, w postaci roving, które łączą w sobie wysoką odporność mechaniczną i wysokie walory użytkowe.

Włókno UHMWPE na polskim rynku dostępne jest dzięki firmie Arkona, znanej z produkcji kompozytów czy podwiązki zawierającej włókno poliaramidowe. Pod nazwą handlową włókno kompozytowe kryje się ponad 1000 równolegle ułożonych filamentów włókien polietylenowych zatopionych w kompozycie o grubości 0,7 mm. Taka postać produktu poza wyżej opisanymi walorami wytrzymałościowymi posiada szereg zalet przydatnych podczas pracy.

Ekstremalnie małe wymiary i brak związanej struktury włókien pozwalają na użycie w najbardziej ekstremalnych przypadkach klinicznych, bez utraty estetyki jak w przypadku włókien szklanych. Można dostosować je do każdych warunków, spłaszczyć miejscowo do nawet 0,3 mm bez potrzeby wykonywania podkładu czy dodatkowego powlekania po powierzchni dla potrzeb estetyki.

Samo nakładanie i modelowanie jest bardzo wygodne ze względu na wysoką plastyczność materiału. Dodatkowy brak efektu sprężynowania włókien pozwala na bardzo precyzyjne umiejscowienie wzmocnienia, które nie odkształca się i pozostaje w miejscu aplikacji do czasu spolimeryzowania w lampie.
Takie włókno można bez problemu łączyć i piętrzyć, zwiększając tym samym ogólną wytrzymałość mechaniczną. W przypadku innej formy włókien zazwyczaj jest to niemożliwe na takim samym poziomie lub może prowadzić do zmniejszenia estetyki, a nawet punktowej wytrzymałości.

Rozwój nauki i technologii otwiera nowe możliwości przed wieloma branżami, dzięki niemu dotąd nieosiągalne materiały stają się dostępne dla ogółu. Tak właśnie było z włóknami UHMWPE, po wielu latach wróciły z odpowiednią technologią produkcyjną, aby zapewnić zwiększoną wydajność i lepszy komfort codziennej pracy.

fot. archiwum autora

Rys. 1. Porównanie wytrzymałości właściwej i modułu sprężystości wybranych surowych włókien. Wykres dzięki uprzejmości firmy Arkona Laboratorium Farmakologii Stomatologicznej

Rys. 2. Porównanie wytrzymałości na zginanie i odkształcenia włókna kompozytowego do włókna szklanego podczas badania polegającego na belkach kompozytowych wzmocnionych pojedynczym włóknem wg normy ISO 4049. Wykres dzięki uprzejmości firmy Arkona Laboratorium Farmakologii Stomatologicznej

Rys. 3. Porównanie odporności na działanie wilgotnego środowiska jamy ustnej włókien szklanych, poliaramidowych i włókna kompozytowego. Ilustruje sorpcję płynów z jamy ustnej. Wykres dzięki uprzejmości firmy Arkona Laboratorium Farmakologii Stomatologicznej

Rys. 4. Porównanie odporności na ściskanie koron kompozytowych wzmocnionych pojedynczym pierścieniem z włókna kompozytowego oraz poliaramidowego. Wykres dzięki uprzejmości firmy Arkona Laboratorium Farmakologii Stomatologicznej

Fot. 1. Cięcie włókna kompozytowego jest bardzo łatwe za pomocą nożyczek firmy Arkona. Producent zaleca przycinanie razem z plastikową osłonką formującą, jednak równie dobrze tnie się podczas nakładania na model. Włókno nie strzępi się i nie rozwarstwia, linia cięcia jest równa i ostra

Fot. 2. Włóko kompozytowe firmy Arkona to ponad 1000 równolegle ułożonych filamentów UHMWPE w otoczce kompozytowej. Brak splotu gwarantuje większe możliwości modelowania i układania nawet w trudnych przypadkach klinicznych

Fot. 3. Włókno kompozytowe można praktycznie dowolnie modelować, dzięki swojej plastyczności i brakowi efektu sprężynowania pozostaje podczas pracy na swoim miejscu

Fot. 4. Włókno kompozytowe można polimeryzować w całości lub etapami, w tym celu fragmenty, które nie powinny być spolimeryzowane, należy zabezpieczyć pomarańczową folią osłonową z osłonki formującej

Fot. 5. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku mostu typu Maryland w odcinku przednim – widok od strony podniebiennej

Fot. 6. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku mostu typu Maryland w odcinku przednim – widok od strony wargowej

Fot. 7. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku 3-punktowego mostu – widok od strony wargowej

Fot. 8. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku 3-punktowego mostu – widok od strony podniebiennej

Fot. 9. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku 3-punktowego mostu na wkładach/nakładach koronowych – widok od strony wargowej

Fot. 10. Przebieg włókna kompozytowego w przypadku 3-punktowego mostu na wkładach/nakładach koronowych – widok od strony okluzyjnej