Novo sistema de post com compósito em sanduíche de fibra oca: características mecânicas

Resumo

Contexto: Atualmente, não há consenso sobre o sistema de pinos ideal para proporcionar resultados eficazes a longo prazo. Utilizamos uma abordagem de engenharia para investigar as propriedades mecânicas de um pino oco de fibra de carbono em sanduíche em sinergia com uma nova técnica de adesão.

Métodos: Estudamos dois sistemas — um pino oco de fibra em sanduíche (Techole®, Isasan, Como, Itália) composto por fibra de carbono incorporada em uma mistura de resina Dpp-MOR e um pino tradicional não oco (Tech 2000®, Isasan, Como, Itália). Um compósito bicomponente (Clearfil Core®, Kuraray, Nova York, NY, EUA) (2,2 gcm³, 12,3 GPa) e um compósito de cura dupla com menor densidade e módulo de elasticidade (Clearfil DC Core®, Kuraray, Nova York, NY, EUA) (2,0 gcm³, 10,0 GPa) também foram utilizados em pinos ocos. Resultados de teste de flexão em três pontos (N.=81), teste de compressão (N.=78) e teste de corte (N.=81) foram obtidos.

Resultados: No teste de flexão em três pontos, houve diferenças significativas na flexibilidade/curvatura quando pinos ocos de fibra em sanduíche foram preenchidos com compósitos de diferentes módulos de elasticidade. Pinos ocos em sanduíche também mostraram resistência significativa (P=0,000) à compressão e ao corte em comparação com pinos sólidos, independentemente do tipo de compósito. Além disso, pinos ocos preenchidos com compósito com um módulo de elasticidade de 12,3 GPa mostraram parâmetros de resistência significativamente (P=0,000) melhores do que pinos ocos preenchidos com um compósito de 10,0 GPa.

Conclusões: O estudo confirma as propriedades mecânicas favoráveis do sistema de pinos de fibra em sanduíche oco (Techole®) e a eficácia sinérgica quando utilizado em combinação com o compósito Clearfil DC Core® (10,0 GPa) e, especialmente, Clearfil Core® (12,3 GPa).

Os objetivos das intervenções endodônticas são múltiplos — restaurar a forma e função normais, proteger a estrutura dental residual enquanto, ao mesmo tempo, mantém uma boa estética. O sucesso depende do uso de procedimentos operatórios e materiais apropriados para uma determinada situação clínica. Onde há estrutura dental coronária insuficiente, pinos intracanais são indicados para promover a retenção do material restaurador e reforçar a estrutura residual para garantir a distribuição de forças ao longo da raiz. A quantidade de estrutura dental remanescente é importante na determinação da resistência à fratura. A seleção do tipo apropriado de pino é fundamental para reduzir a incidência de fraturas radiculares e preservar a raiz em caso de falha. Portanto, o sistema de pinos ideal deve ser resistente a fraturas, otimizar a retenção e ser capaz de suportar as forças normais envolvidas na mastigação. O pino deve ter um módulo de elasticidade semelhante ao da dentina radicular, a fim de distribuir as forças de maneira consistente ao longo do comprimento do pino e da raiz.

Tradicionalmente, dentes tratados endodonticamente eram restaurados usando pinos de metal com um módulo de elasticidade maior do que o da dentina, o que significava que frequentemente falhavam. Isso levou os pesquisadores a investigar outros tipos de materiais com um módulo de elasticidade mais próximo ao da dentina para garantir maior flexibilidade e distribuição de estresse. Desde a década de 1990, uma nova geração de pinos de fibra que permite melhor absorção e dissipação de cargas e maior resistência à fratura tem sido clinicamente utilizada. Embora haja evidências substanciais sobre o uso de pinos de fibra, a maioria dos dados vem de estudos in-vitro. Os dados limitados de ensaios clínicos publicados mostram taxas de sobrevivência razoavelmente boas com sistemas de pinos, mas há uma necessidade clínica crescente de garantir movimento adequado do núcleo durante a função normal. Os resultados do primeiro ensaio piloto controlado e randomizado de longo prazo mostraram taxas de sobrevivência favoráveis de dentes tratados endodonticamente restaurados, independentemente do material do pino utilizado (fibra de vidro vs. titânio). As razões para falha incluem cáries secundárias, perda de retenção, descolamento do pino e coroa e distorção/fratura de raízes e pinos. A microinfiltração sob a coroa também é um problema potencial — um pino pode ter um módulo de elasticidade semelhante, mas como a raiz é mais fina, pode flexionar mais sob uma carga dada.

Nos últimos anos, avanços significativos foram alcançados tanto no tipo de pinos retentivos utilizados (pinos cimentados, pinos com travamento por fricção, pinos auto-rosqueantes), quanto nos pré-tratamentos e materiais empregados. A premissa básica é maximizar a adesão entre o pino e o material compósito. O tratamento de superfície dos pinos é frequentemente utilizado para proporcionar interação química e/ou mecânica entre o pino e o compósito circundante. Técnicas de gravação com, por exemplo, ácido hidrofluórico, permanganato de potássio, silano e peróxido de hidrogênio são úteis para aumentar a rugosidade da superfície e aumentar a resistência da união entre pinos e compósito. Agentes como o fosfato de dihidrogênio de 10-metacriloxidecil (10-MDP), um monômero funcional ácido utilizado em adesivos auto-graváveis que se liga fortemente ao cálcio, também são utilizados com resultados encorajadores. Apesar desses avanços, não há consenso sobre o sistema de pinos ideal para fornecer resultados eficazes a longo prazo: portanto, o problema deve ser abordado de uma perspectiva diferente, além disso, novas técnicas e combinações de materiais precisam ser adaptadas à prática odontológica diária. Sistemas de tubos ocos de fibra de carbono compósito são amplamente utilizados em indústrias não médicas, como as indústrias aeroespacial e marítima, pois são flexíveis, podem ser moldados e preenchidos com material de adesão no local para aumentar a resistência à força. O mesmo sistema poderia ser aplicado no campo endodôntico; em particular, as propriedades mecânicas de um novo pino oco de fibra de carbono compósito em sanduíche devem ser investigadas em sinergia com uma nova técnica de adesão em um laboratório dental dedicado.

Os postes de fibra composta de sanduíche ocos são compostos por tubos de fibra preenchidos com resina composta que, em seção transversal, são evidenciados por duas camadas externas (chamadas de pele) separadas do núcleo, que se desenvolve ao longo de todo o eixo principal do próprio poste (Figura 1).

A função do núcleo é manter uma distância entre as duas camadas de pele. A aplicação desse conceito a uma estrutura tubular significa que as vantagens do efeito sanduíche podem ser transpostas ao longo de toda a extensão de uma estrutura tubular de qualquer diâmetro, o que aumenta não apenas a resistência à compressão, mas também o cisalhamento das fibras na parte periférica do dente. A ação de confinamento exercida pelos polímeros reforçados com fibra (FRP) sobre o núcleo surge como resultado da expansão lateral sob carga axial. À medida que a tensão axial aumenta, a correspondente deformação/carga lateral aumenta e o dispositivo de confinamento desenvolve uma tensão de anel de tração equilibrada por uma pressão radial uniforme, que reage contra a expansão lateral. Para colunas circulares, o cimento está sujeito a um confinamento uniforme, e a pressão de confinamento máxima fornecida pelo FRP está relacionada ao volume e à resistência do FRP e ao diâmetro do núcleo composto confinado (Figura 2).

A pressão máxima de confinamento é alcançada quando a tensão circumferencial no FRP aumenta a tal ponto que as fibras se rompem, resultando, em última análise, no colapso do cilindro. Preencher o pino tubular de fibra com compósito durante o processo de cimentação confere uma série de vantagens importantes: o conceito de sanduíche permite que as qualidades e características de cada um dos materiais individuais sejam maximizadas; além disso, a cimentação é simplificada, pois o pino é ao mesmo tempo a agulha que extruda o compósito. Além disso, o material compósito é inserido quando o pino já foi colocado no canal, o que permite que a posição do pino seja controlada dentro do canal antes da injeção do compósito, garantindo assim que o processo de cimentação seja cuidadoso e otimizado e evitando a formação de bolhas de ar. Em vez disso, a incorporação de bolhas de ar usando técnicas tradicionais ocorre tanto durante o preenchimento do canal com o compósito, devido à extração da agulha enquanto o material é extrudado, quanto durante a inserção do pino, que também é um transportador de ar. Bolhas de ar são um locus minoris resistentiae e podem comprometer o complexo pino-compósito e sua adesão à dentina do “espaço do pino”.

No presente estudo in-vitro, uma abordagem de engenharia foi empregada:

1. para comparar as propriedades mecânicas de um pino composto de fibra de carbono oco em sanduíche e um pino sólido tradicional de fibra de carbono (controle);
2. para comparar as propriedades de resistência de dois compósitos com diferentes módulos de elasticidade no sanduíche; 3) para avaliar as vantagens clínicas de usar uma nova técnica em que o pino é um portador do cimento resinoso na base do 'espaço do pino'.

Materiais e métodos

Materiais

Dois sistemas de pino diferentes foram investigados: 1) o pino tradicional não oco Tech 2000® (Isasan, Rovello Porro, Como, Itália) — composto por fibras de carbono incorporadas em uma mistura de resina Dpp-MOR, de modo que uma ligação química possa ser criada com compósitos, após o uso de um sistema adesivo. Essa característica particular permite que o pino não apenas torne a reconstrução mais estável, mas também, e acima de tudo, não descarregue forças na raiz que apresenta um grau intrínseco de fragilidade como tratado endodonticamente; 2) o pino oco de fibra em sanduíche Techole® (Isasan, Rovello Porro, Como, Itália) — composto também por fibra de carbono incorporada em uma mistura de resina Dpp-MOR. Não há mais necessidade de preencher o canal e depois inserir o pino, mas tudo pode ser feito em um único passo, pois o pino direciona o compósito para dentro do canal.

O diâmetro dos pinos foi uniformizado para 1,4 mm; consequentemente, pinos cilíndricos foram escolhidos, chanfrados apenas na ponta, a fim de excluir variáveis de forma, afilamento e diâmetro. O pino oco, sempre 1,4 mm externamente, foi escolhido com um lúmen de 0,7 mm.

Dois materiais compostos foram utilizados: 1) Clearfil Core® (Kuraray, Nova Iorque, NY, EUA) (12,3 GPa); 2) Clearfil DC Core® (Kuraray, Nova Iorque, NY, EUA) (10,0 GPa).

Clearfil Core® (Kuraray, Nova Iorque, NY, EUA) é um composto químico radiopaco, bi-componente, de cura autopolimerizável, com uma densidade de 2,2 gcm³ e um módulo de elasticidade de 12,3 GPa. A pasta catalisadora é composta de bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato de trietilenoglicol (TEGDMA), carga de vidro silanizada, sílica coloidal e catalisadores; enquanto a pasta universal consiste de bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato de trietilenoglicol (TEGDMA), carga de sílica silanizada, sílica coloidal e aceleradores.

Clearfil DC Core® (Kuraray, Nova Iorque, NY, EUA) é um composto de cura dupla radiopaco, fornecido em um sistema de entrega automix, com menor densidade (2,0 gcm³) e menor módulo de elasticidade (10,0 GPa). Os principais ingredientes da pasta A são bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato alifático hidrofóbico, dimetacrilato alifático hidrofílico, dimetacrilato aromático hidrofóbico, carga de vidro bário silanizada, sílica coloidal silanizada, sílica coloidal, dl-camforquinona, iniciadores e pigmentos. A pasta B contém dimetacrilato de trietilenoglicol, dimetacrilato alifático hidrofílico, dimetacrilato aromático hidrofóbico, carga de vidro bário silanizada, sílica coloidal silanizada, carga de óxido de alumínio e aceleradores.

Desenho do estudo

Cada sistema de pino (Techole® mais Clearfil Core®, Techole® mais Clearfil DC® e Tech 2000®) passou pelos seguintes testes mecânicos: teste de flexão em três pontos, teste de compressão e teste de corte (Figura 3).

Preparação dos materiais de teste

Nenhuma preparação foi necessária no caso dos pinos tradicionais, com exceção da exame sob microscópio óptico para garantir que não houvesse defeitos de produção visíveis. Para os pinos de compósito — o mesmo operador realizou a injeção do compósito em uma única sessão à temperatura ambiente sob umidade controlada, graças a uma câmara de umidade controlada. O compósito de cura dupla e cura química foi apenas misturado usando um automix para garantir que não fossem incorporadas bolhas de ar e para melhorar seu desempenho (as amostras não foram curadas com luz). Quando o compósito foi inserido, os pinos foram mantidos verticalmente por 24 horas para permitir a polimerização completa.

Realização de Experimentos

Os testes foram realizados utilizando a máquina de teste universal Zwick/Roell Z150 (ZwickRoell, Kennesaw, GA, EUA). A precisão, exatidão e controle tanto no posicionamento da amostra a ser testada quanto durante o teste, tornam esta máquina a mais adequada para testes bio-mecânicos e micro-mecânicos no campo profissional e para empresas. A máquina apresenta as seguintes características técnicas: uma velocidade de 0,00005 nm/min até 900 mm/min; uma largura da área de teste de 630 mm; uma altura da área de teste de 1675 mm; uma potência de 5,5 kVA; uma célula de carga de 600 N até 3000 N. As funções são controladas digitalmente, um sistema de feedback de motor inovador garante excelentes propriedades de velocidade constante, mesmo em velocidades muito baixas, e uma orientação precisa do cabeçote minimiza influências mecânicas indesejáveis na amostra. A ferramenta fornece a base ideal para resultados de teste precisos e reproduzíveis.

No teste de flexão em três pontos (Figura 4), o pino foi posicionado em dois suportes metálicos a 8 mm de distância. A ação de flexão foi realizada por um único punção: seu raio geométrico (1,5 mm) foi correlacionado à espessura da amostra e alcançou exatamente a linha central entre os dois suportes. À medida que a máquina de ensaio universal descia sobre a amostra a uma velocidade de 0,5 mm/minuto, a amostra teria fraturado a uma carga específica (Figura 5). Essa carga máxima antes da fratura (F) foi apresentada em Newtons no display da máquina de ensaio.

No teste de compressão (Figura 6), uma amostra foi comprimida entre duas superfícies planas e paralelas, produzindo uma deformação e uma subsequente falha estrutural e mecânica (Figura 7) quando acima do nível máximo de resistência. Os materiais mais frágeis geralmente se quebram mais rapidamente do que os dúcteis, pois se deformam, modificando sua morfologia inicial. Na prática clínica, o teste de compressão é ainda mais significativo do que o de três pontos, uma vez que o pino está sujeito a forças oclusais maiores do que as laterais. Neste experimento, em primeiro lugar, os pinos foram cortados usando uma serra de diamante de baixa velocidade com 15 mm de comprimento para padronizar seu comprimento, em seguida, foram posicionados em um suporte fixo e carregados verticalmente a 0,5 mm/minuto, para estressar a estrutura tanto ao longo do eixo longo do dente quanto na direção das fibras de carbono.

O teste de corte estuda o comportamento mecânico de um material quando a carga é transversal ao seu eixo principal. Os postes foram fixados horizontalmente de forma parcial e estável; posteriormente, uma barra móvel caiu verticalmente a 0,5 mm e os encontrou (Figura 8). Assim, tanto os movimentos protrusivos quanto os de lateralidade também foram reproduzidos (Figura 9). Os valores de resistência mecânica máxima e a curva resultante foram considerados.

Análise estatística

O valor médio da resistência à flexão de todos os grupos foi calculado e analisado estatisticamente usando análise de variância de um fator (ANOVA) mais o teste de Tukey (nível de significância P<0,005).

Resultados

No geral, os resultados mostram que o pino oco de fibra em sanduíche preenchido com compósito com um módulo de elasticidade de 12,3 GPa teve a maior resistência mecânica na maioria dos testes (Tabela I, II, III).

No teste de flexão em três pontos, 81 amostras foram divididas em três grupos de 27 cada e foram avaliadas. Resultados diferentes foram obtidos na flexibilidade/flexão quando pinos tradicionais foram usados e quando os pinos ocos em sanduíche foram preenchidos com compósito de diferentes módulos de elasticidade (Tabela I). O teste mostrou que os pinos tradicionais têm uma melhor resistência quando são carregados perpendicularmente ao seu eixo longo. Embora não houvesse diferenças significativas entre o Techole plus Clearfil Core® (12,3 GPa) e o pino sólido tradicional Tech 2000®, significando que as duas amostras têm um comportamento mecânico semelhante e sobreposto, diferenças significativas foram observadas entre o Techole® plus Clearfil DC® (10,0 GPa) e os pinos tradicionais: ao usar o compósito Techole® plus Clearfil DC Core® (10 GPa), os valores diminuem, demonstrando que o módulo de elasticidade do preenchimento é decisivo em termos de valor de resistência.

Para o teste de compressão, 78 amostras foram divididas em 3 grupos de 26 elementos. Os postes Techole® mostraram resultados estatisticamente superiores em comparação com os postes sólidos tradicionais, com o poste oco tipo sanduíche com Clearfil® (12,3 GPa) apresentando os maiores valores (Tabela II). No geral, independentemente do tipo de compósito utilizado, os postes ocos tipo sanduíche mostraram melhores valores de resistência em comparação com os postes sólidos quando submetidos a tensões compressivas ao longo de seu eixo longo; além disso, postes ocos preenchidos com compósito com maior módulo de elasticidade (12,3 GPa) mostraram parâmetros de resistência aprimorados. Foi demonstrado novamente que o módulo de elasticidade do material de preenchimento influencia a resistência do sistema de poste mais material de preenchimento.

Da mesma forma, no teste de corte, as 81 amostras foram divididas em três grupos de 27 postes. Também neste tipo de teste, o poste de fibra de carbono em sanduíche oco preenchido com Clearfil® 12,3 GPa teve a maior e significativa resistência dos três grupos de teste, seguido pelo que continha Clearfil® 10,0 GPa (Tabela III). A combinação de um poste em sanduíche oco (Techole®) e um compósito com um alto módulo de elasticidade aumentou os parâmetros de resistência em mais de 15% em comparação com postes sólidos tradicionais (Tech 2000®). O Techole® combinado com o compósito Clearfil DC® também mostrou resultados superiores em comparação com o poste sólido tradicional em termos de resistência à tensão e estresses transversais e cisalhamento.

Discussão

Os principais objetivos deste estudo preliminar foram avaliar e comparar as características mecânicas de um novo sistema de fibra oca em sanduíche/composto com um tradicional. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de pino/composto otimizado com eficácia a longo prazo para uso na prática clínica diária. Em particular, investigou a resistência a forças semelhantes a movimentos laterais, de protrusão, compressão e deslocamento.

Atualmente, não há consenso sobre o sistema de pino ideal. Em uma revisão recente, Lamichhane et al. discutiram as características necessárias de um pino ideal que deveriam corresponder às da dentina em termos de módulo de elasticidade, resistência à compressão, resistência à flexão e expansão térmica. Além disso, o pino ideal deve ser esteticamente aceitável e aderir de forma eficiente à dentina. A partir dos resultados deste estudo, parece que o novo pino de fibra oca em sanduíche atende a vários dos critérios necessários — níveis mais altos de resistência mecânica, em particular nos testes de compressão e corte.

Os resultados deste estudo reforçam a importância do módulo de elasticidade no desempenho e resistência ao estresse mecânico, como demonstrado quando compósitos com diferentes módulos de elasticidade (12,3 GPa e 10,0 GPa) foram investigados. Os resultados mostram que o compósito com o módulo de elasticidade mais semelhante ao da dentina (que é cerca de 18 GPa) teve um desempenho melhor em testes mecânicos.9 Além disso, parece que a combinação de um pino de fibra oca em sanduíche com um compósito Clearfil Core® (12,3 GPa) é um excelente objetivo também porque os materiais trabalham em sinergia para melhorar o desempenho mecânico geral do sistema de pino. A injeção de compósito in situ garante uma distribuição correta do material sem bolhas de ar, enquanto assegura uma ligação eficaz entre o pino e o “espaço do pino”. O comportamento de estruturas cilíndricas multicamadas carregadas axialmente indica que a combinação de dois materiais com diferentes estruturas mecânicas — a estrutura cilíndrica oca de fibra de carbono e o preenchimento de compósito — resulta em um aumento na resistência geral da estrutura e, como tal, fornece as características necessárias do sistema de pino “ideal”.

Limitações deste estudo

Este estudo não está isento de limitações: foi realizado in vitro, apenas três testes mecânicos foram conduzidos em um número limitado de amostras e apenas um sistema de pino comparador foi incluído (pino sólido tradicional Tech 2000®). Este foi um estudo inicial, mas obrigatório, para estabelecer as propriedades mecânicas do nosso novo sistema de pino e técnica de adesão. Planejamos realizar estudos adicionais para determinar a eficácia e efetividade da remoção do sistema de pino (teste de puxamento), os efeitos do aumento da pressão hidráulica e a presença de bolhas.

Conclusões

Com base nessas descobertas e dentro das limitações de um estudo in vitro, os clínicos devem renunciar a sistemas de pinos muito rígidos, pois falham em termos de resistência, especialmente quando submetidos a cargas compressivas ou cortantes, enquanto o objetivo é criar um complexo dente-restauração homogêneo em termos físico-mecânicos. Quando uma reconstrução de pino endodôntico é necessária, o módulo de elasticidade dos materiais deve ser considerado em relação ao da dentina radicular. A cimentação por injeção, uma característica do compósito sanduíche, resulta ser uma escolha melhor do que o uso de pinos tradicionais, uma vez que minimiza a presença de bolhas de ar dentro do compósito e, ao mesmo tempo, permite uma melhor ligação adesiva, já que o compósito dentro do pino está em comunicação direta com o compósito externo do ‘espaço do pino’. Os resultados do estudo confirmam as favoráveis propriedades mecânicas do sistema de pino de fibra oca sanduíche (Techole®) e a eficácia sinérgica quando utilizado em combinação com o compósito Clearfil Core® (12,3 GPa). Estudos adicionais in vitro e eventualmente in vivo são necessários para estabelecer protocolos para uso na prática clínica.

Autores: Luca Bovolato, Riccardo Tonini, Giulia Boschi, Giovanni Cavalli, Stefano A. Salgarello

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