Proteesiakryylin iskulujuus

Taustaa

Purentaelin altistaa hammasproteesin toistuvalle rasitukselle. Tämän takia hammasproteesimateriaalin yksi tärkeimmistä fysikaalisista ominaisuuksista on hyvä väsymislujuus. Okklusaalisesta purentavoimasta aiheutuvan kuormituksen nopeus saataa joissakin tapauksissa olla niin suuri, että materiaalin viskoelastiset ominaisuudet eivät ehdi reagoida siihen. Materiaalin kannalta voima on tällöin niin sanottu iskuvoima. Proteesin pudotessa kovalle alustalle tai joissakin proteesin käyttäjää kohtaavissa traumaa aiheuttavissa tilanteissa proteesiin kohdistuu nopeasti kasvava kuormitus. Tämän takia proteesimateriaalin iskulujuus on väsymislujuuden lisäksi tärkeä materiaalin ominaisuus myös kliiniseltä kannalta.

Iskulujuutta voidaan testata eri menetelmillä. Yleisimmin käytetyt menetelmät ovat Charpy- ja Izod-tyyppiset iskulujuustestit, joissa heiluri iskee koekappaleeseen ja saa aikaan sen murtumisen. Heilurin kineettisen energian perusteella laite mittaa murtumiseen tarvittavan energian ja tulos ilmoitetaan yleensä yksikkönä kJm^-2.

Proteesien pohjalevynä käytetyn polymetyylimetakrylaatin (PMMA) iskulujuutta on tutkittu sekä kuivana että kosteana. PMMA:han absorboituva vesi on plastisoija, joka lisää teoriassa PMMA:n iskulujuutta. Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että vesiabsorptiolla on vain vähäinen vaikutus PMMA:n iskulujuuteen. Tästä huolimatta, kliiniseen käyttöön sovellettavat tutkimukset tehdään aina vesisaturoiduilla koekappaleilla. Tavanomaisen PMMA:n iskulujuus on 8-10 kJm^<-2. PMMA:n iskulujuuteen voidaan vaikuttaa esimerkiksi lisäämällä polymeeriin kumimaista butadieenistyreeniä, jolloin polymeerin iskulujuus kasvaa. PMMA:ta kutsutaan tällöin niin sanotuksi high-impact materiaaliksi ja sen iskulujuus voi olla jopa 30 kJm^-2.

Yleisimmät ristiinsitomisaineet PMMA:ssa ovat EGDMA (etyleeniglykoli dimetakrylaatti) ja TEGDMA (tetraetyleeniglykoli dimetakrylaatti) ja ne vaikuttavat PMMA:n iskulujuuteen. Iskulujuuden kannalta optimaalinen ristiinsitomisaineen pitoisuus on 10 - 20 prosenttia. PMMA -jauheen ja MMA -nesteen sekoitussuhteella ei ole havaittu olevan vaikutusta kovetettuneen PMMA:n iskulujuuteen. PMMA -kappaleen pinnassa ovat pienetkin, esimerkiksi 16 mm syvyiset kolot alentavat sen sijaan kappaleen iskulujuutta selvästi. Tämä asettaa proteesin viimeistelylle suuret vaatimukset.

PMMA:n lujittamisessa käytettyjen metallilankojen vaikutuksesta PMMA:n iskulujuuteen on vain vähän tietoa. Kehitteillä olevien kuitukomposiittilujitteiden vaikutus PMMA:n iskulujuuteen tunnetaan sen sijaan jo melko hyvin. Tutkimuksen kohteena ovat olleet etenkin polyetyleenikuidut (UHMP) ja E-lasikuidut (GF), joiden sovellutukset kliiniseen käyttöön ovat pisimmällä. Kuopion yliopiston protetiikan ja purentafysiologian laitoksella on tutkittu metallilangalla vahvistetun PMMA:n ja lasikuiduilla vahvistetun PMMA:n, niin sanotun GF-PMMA -komposiitin iskulujuutta.

Tutkimusmenetelmät ja tulokset

Tutkimuksessa verrattiin lujittamattoman PMMA:n, halkaisijaltaan 1,0 mm jousikovalla hiekkapuhalletulla teräslangalla lujitetun sekä jatkuvilla yksisuuntaisilla lasikuiduilla lujitetun PMMA:n iskulujuutta. Koekappaleet valmistettiin kuumapolymeroitavasta PMMA:sta, jotka testattiin vesisäilytyksen jälkeen Charpy-tyyppisellä iskulujuusmittalaitteella. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi lasikuitujen määrän vaikutus komposiitin iskulujuuteen. PMMA:n tunkeutuminen yksittäisten lasikuitujen väliin tutkittiin koekappaleiden poikkileikkauksista valomikroskopialla.

Sekä teräslanka että lasikuidut lisäsivät PMMA:n iskulujuutta. Lujittamattoman PMMA:n iskulujuus oli 8 kJm^-2, teräslangalla lujitetun 59 kJm^-2 ja GF-PMMA -komposiitin iskulujuus oli 53 kJm^-2 (keskiarvo eri kuitupitoisuuksista). Lasikuitujen määrä vaikutti GF-PMMA -komposiitin iskulujuuteen; kuitumäärän lisääntyessä myös koekappaleen iskulujuus lisääntyi. 25 paino-% on kuitupitoisuuden raja-arvo, jota suuremmilla kuitupitoisuuksilla GF-PMMA -komposiitin iskulujuus on suurempi kuin teräslangalla lujitetun PMMA:n iskulujuus.

Pohdintaa tuloksista

Koska PMMA:n iskulujuus on kliinisesti tärkeä proteesimateriaalin ominaisuus on hammasteknisen työn valmistuksessa pyrittävä ottamaan huomioon proteesin iskulujuuteen vaikuttavat tekijät. Jos proteesipotilaan anamneesin perusteella tiedetään, että potilaalla on esimerkiksi vaikeuksia motoristen toimintojen hallinnassa niin on todennäköistä, että proteesi joutuu usein iskuvoimille alttiiksi proteesin pudotessa sitä puhdistettaessa. Näissä tapauksissa proteesin pohjalevy on hyödyllistä valmistaa high-impact materiaalista, jolloin koko pohjalevyn iskun kesto on hyvä. Hammaslaboratorion laatujärjestelmän on lisäksi kiinnitettävä huomiota akryyliproteesien viimeistelyyn, koska sillä kaupallisen arvon lisäksi suuri vaikutus proteesin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Jokainen ylimääräinen lovi tai kuoppa proteesin pinnassa heikentää proteesia.

Nyt tehty tutkimus osoitti, että PMMA:ssa oleva metallilanka lisää odotusten mukaisesti PMMA:n iskulujuutta langan alueella. Iskulujuuden lisääntyminen perustuu iskuenergian siirtymiseen PMMA:sta siihen mekaanisesti kiinnitettyyn teräslankaan, jonka lujuusominaisuudet ovat hyvät. GF-PMMA -komposiitin iskulujuuden lisääntyminen kuitupitoisuuden kasvaessa perustuu samaan ilmiöön; iskuvoima siirtyy PMMA:sta lujitekuituihin. GF-PMMA -komposiitin iskulujuutta ei kuitenkaan tällä hetkellä pystytä saamaan yhtä suureksi kuin esimerkiksi UHMP-PMMA komposiitin iskulujuus. Syynä tähän ovat lujitekuitujen erilaiset fysikaaliset ominaisuudet. Lasikuidut ovat kovia kun taas UHMP-kuidut ovat hieman joustavia. Joustava lujitekuitu kykenee absroboimaan nopeasti kasvavan iskuenergian itseensä, jolloin mikromurtuman muodostuminen polymeerin ja kuidun rajapintaan estyy. Tällä hyvällä ominaisuudella on myös haittapuolensa. UHMP -kuitujen venyvyyden takia niillä ei ole voitu saada muita PMMA-komposiitin mekaanisia ominaisuuksia, kuten taivutuslujuutta yhtä suureksi kuin GF-PMMA -komposiitin taivutuslujuus.

Kuitukomposiitin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa valitsemalla sopivat kuidut kuhunkin lujitettavaan polymeeriin ja suuntaamalla kuidut oikein murtovoimaan nähden. Tämän lisäksi kuitujen ja polymeerin välisen rajapinnan modifioimisella voidaan vaikuttaa komposiitin ominaisuuksiin. Hammasproteettisten kuitukomposiittien tutkimus selvittää tällä hetkellä muun muassa mahdollisuuksia kuitujen ja polymeerimatriksin välisen rajapinnan modifioimiseen lopputuotteen ominaisuuksien parantamiseksi.

Lopuksi

Proteesiin asetettavat lujitteet, olivatpa ne sitten metallilankoja tai kuituja, lisäävät proteesin iskulujuutta. Mikäli PMMA:lle halutaan paikallisesti suurempi iskulujuus kuin teräslankalujitteella saadaan aikaan on käytettävä kuitukomposiittilujitetta. Koska lujitteen sijoittaminen kaikkialle proteesiin on laboratorioteknisesti hankalaa, on riittävä iskulujuus lujittamattomiin kohtiin proteesia saatava aikaan muilla keinoilla. Näitä keinoja ovat high-impact materiaalien käyttäminen ja proteesin pinnan hyvä viimeistely.

• Caycik S, Jagger RG. The effect of cross-linking chain length on mechanical peoperties of a doughmolded poly(methylmethacrylate) resin. Dent Mater 1992;8:153-7.
• Gutteridge DL. The effect of including ultrahighmodulus polyethylene fibre on the impact strength of acrylic resin. Br Dent J 1988;164:177-80.
• Gutteridge DL. Reinforcement of poly(methyl methacrylate) with ultrahighmodulus polyethylene fibre. J Dent 1992;20:50-4.
• Ladizesky NH, Pang MKM, Chow TW, Ward IM. Acrylic resins reinforced with woven highly drawn linear polyethylene fibres. 3. Mechanical properties of cross-linked polymers. Aust J Dent 1993;38:28-38.
• Neihart TR, Li S-H, Flinton RJ. Measuring fracture toughness of highimpact poly(methyl methacrylate) with the short rod method. J Prosthet Dent 1988;60:249-53.
• Oku J. Impact properties of acrylic denture base resin. Part 3.: Impact properties of cross-linked polymers. Dent Mater J 1989;8:215-22.
• Robinson JG, McCabe JF. Impact strength of acrylic resin denture base materials with surface defects. Dent Mater 1993;9:355-60.
• Rodford RA, Braden M. Further observations on high impact strength denture-base materials. Biomaterials 1992;13:726-8.
• Vallittu P. Kuitukomposiitti proteesimateriaaliksi? Hammasteknikko 1994;(3):4-6.
• Vallittu P. Tutkimus polymetyylimetakrylaatin mekaanisten ominaisuuksien parantamisesta jatkuvilla kuiduilla. Suom Hammaslääkärilehti 1994;1(16):923.
• Vallittu PK, Vojtkova H, Lassila VP. Impact strength of denture polymethyl methacrylate reinforced with continuous glass fibers or metal wire. Acta Odontol Scand 1995;2(22):1266-1269.