Nuevo sistema de postes compuestos en sándwich de fibra hueca: características mecánicas

Resumen

Antecedentes: Actualmente no hay consenso sobre el sistema de poste óptimo para proporcionar resultados efectivos a largo plazo. Utilizamos un enfoque de ingeniería para investigar las propiedades mecánicas de un poste hueco de fibra de carbono tipo sándwich en sinergia con una nueva técnica de unión.

Métodos: Estudiamos dos sistemas: un poste hueco de fibra tipo sándwich (Techole®, Isasan, Como, Italia) compuesto de fibra de carbono incorporada en una mezcla de resina Dpp-MOR y un poste tradicional no hueco (Tech 2000®, Isasan, Como, Italia). También se utilizaron en postes huecos un composite bicomponente (Clearfil Core®, Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) (2.2 gcm³, 12.3 GPa) y un composite de curado dual con menor densidad y módulo de elasticidad (Clearfil DC Core®, Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) (2.0 gcm³, 10.0 GPa). Se lograron resultados de la prueba de flexión en tres puntos (N.=81), prueba de compresión (N.=78) y prueba de corte (N.=81).

Resultados: En la prueba de flexión en tres puntos hubo diferencias significativas en flexibilidad/curvatura cuando los postes huecos de fibra tipo sándwich se llenaron con composite de diferentes módulos de elasticidad. Los postes huecos tipo sándwich también mostraron una resistencia significativamente (P=0.000) mejor a la compresión y al corte que los postes sólidos, independientemente del tipo de composite. Además, los postes huecos llenos más composite con un módulo de elasticidad de 12.3 GPa mostraron parámetros de resistencia significativamente (P=0.000) mejorados en comparación con los postes huecos llenos con un composite de 10.0 GPa.

Conclusiones: El estudio confirma las favorables propiedades mecánicas del sistema de postes de fibra de sándwich hueco (Techole®) y la eficacia sinérgica cuando se utiliza en combinación con el composite Clearfil DC Core® (10.0 GPa) y, especialmente, Clearfil Core® (12.3 GPa).

Los objetivos de las intervenciones endodónticas son múltiples: restaurar la forma y función normales, proteger la estructura dental residual mientras, al mismo tiempo, se mantiene una buena estética. El éxito depende del uso de procedimientos operativos y materiales apropiados para una situación clínica dada. Donde hay una estructura dental coronal insuficiente, se indican postes intracanales para promover la retención del material restaurador y reforzar la estructura residual para asegurar la distribución de fuerzas a lo largo de la raíz. La cantidad de estructura dental restante es importante para determinar la resistencia a la fractura. La selección del tipo adecuado de poste es fundamental para reducir la incidencia de fracturas radiculares y preservar la raíz en caso de fallo. Por lo tanto, el sistema de postes ideal debe ser resistente a la fractura, optimizar la retención y ser capaz de soportar las fuerzas normales involucradas en la masticación. El poste debe tener un módulo de elasticidad similar al de la dentina radicular, para distribuir las fuerzas de manera consistente a lo largo de la longitud del poste y de la raíz.

Tradicionalmente, los dientes tratados endodónticamente se restauraban utilizando postes de metal con un módulo de elasticidad más alto que el de la dentina, lo que significaba que frecuentemente fallaban. Esto llevó a los investigadores a investigar otros tipos de materiales con un módulo de elasticidad más cercano al de la dentina para asegurar una mayor flexibilidad y distribución del estrés. Desde la década de 1990, se ha utilizado clínicamente una nueva generación de postes de fibra que permite una mejor absorción y disipación de cargas y una mayor resistencia a la fractura. Aunque hay una buena evidencia sustancial sobre el uso de postes de fibra, la mayoría de los datos provienen de estudios in-vitro. Los datos limitados de ensayos clínicos publicados muestran tasas de supervivencia razonablemente buenas con sistemas de postes, pero hay una necesidad clínica creciente de asegurar un movimiento adecuado del núcleo durante la función normal. Los resultados del primer ensayo piloto controlado, aleatorizado y a largo plazo mostraron tasas de supervivencia favorables de los dientes tratados endodónticamente restaurados, independientemente del material del poste utilizado (fibra de vidrio vs. titanio). Las razones del fallo incluyen caries secundarias, pérdida de retención, despegue del poste y la corona, y distorsión/fractura de raíces y postes. La microfiltración bajo la corona también es un problema potencial: un poste puede tener un módulo de elasticidad similar, pero debido a que la raíz es más delgada, puede flexionarse más bajo una carga dada.

En los últimos años se han logrado importantes avances tanto en el tipo de postes retentivos utilizados (postes cementados, postes con bloqueo por fricción, postes autoperforantes), como en los tratamientos previos y materiales empleados. La premisa básica es maximizar la unión entre el poste y el material compuesto. El tratamiento superficial de los postes se utiliza a menudo para proporcionar interacción química y/o mecánica entre el poste y el compuesto circundante. Las técnicas de grabado con, por ejemplo, ácido fluorhídrico, permanganato de potasio, silano y peróxido de hidrógeno son útiles para mejorar la rugosidad de la superficie y aumentar la resistencia de unión entre los postes y el compuesto. Agentes como el fosfato de dihidrógeno de 10-metacriloxidecil (10-MDP), un monómero funcional ácido utilizado en adhesivos autograbantes que se une firmemente al calcio, también se utilizan con resultados alentadores. A pesar de estos avances, no hay consenso sobre el sistema de postes óptimo para proporcionar resultados efectivos a largo plazo: por lo tanto, el problema debe abordarse desde una perspectiva diferente; además, se deben adaptar nuevas técnicas y combinaciones de materiales a la práctica dental diaria. Los sistemas de tuberías de fibra de carbono compuesta hueca se utilizan extensamente en industrias no médicas como la aeroespacial y la marina, ya que son flexibles, se pueden doblar para dar forma y llenar con material de unión en el lugar para aumentar la resistencia a la fuerza. El mismo sistema podría aplicarse en el campo endodóntico; en particular, las propiedades mecánicas de un novedoso poste hueco de fibra de carbono compuesto tipo sándwich deberían investigarse en sinergia con una nueva técnica de unión en un laboratorio dental dedicado.

Los postes de fibra compuesta de sándwich hueco están compuestos por tubos de fibra llenos de resina compuesta que en sección transversal se evidencian por dos capas externas (llamadas piel) separadas del núcleo, que se desarrolla a lo largo de todo el eje principal del propio poste (Figura 1).

La función del núcleo es mantener una distancia entre las dos capas de piel. La aplicación de este concepto a una estructura tubular significa que las ventajas del efecto sándwich se pueden transponer a lo largo de toda la longitud de una estructura tubular de cualquier diámetro, lo que aumenta no solo la resistencia a la compresión, sino también el corte de las fibras en la parte periférica del diente. La acción de confinamiento ejercida por los polímeros reforzados con fibra (FRP) sobre el núcleo surge como resultado de la expansión lateral bajo carga axial. A medida que aumenta el estrés axial, la correspondiente deformación/carga lateral aumenta y el dispositivo de confinamiento desarrolla un estrés de tracción circunferencial equilibrado por una presión radial uniforme, que reacciona contra la expansión lateral. Para columnas circulares, el cemento está sujeto a un confinamiento uniforme, y la máxima presión de confinamiento proporcionada por el FRP está relacionada con el volumen y la resistencia del FRP y el diámetro del núcleo compuesto confinado (Figura 2).

La presión máxima de confinamiento se alcanza cuando la tensión circunferencial en el FRP aumenta hasta tal punto que las fibras se rompen, lo que finalmente resulta en un colapso del cilindro. Llenar el poste tubular de fibra con compuesto durante el proceso de cementación confiere una serie de ventajas importantes: el concepto de sándwich permite maximizar las cualidades y características de cada uno de los materiales individuales; además, la cementación se simplifica ya que el poste es al mismo tiempo la aguja que extruye el compuesto. Además, el material compuesto se inserta cuando el poste ya ha sido colocado en el canal, lo que permite controlar la posición del poste dentro del canal antes de la inyección del compuesto, asegurando así que el proceso de cementación sea cuidadoso y optimizado y se evite la formación de burbujas de aire. En cambio, la incorporación de burbujas de aire utilizando técnicas tradicionales ocurre tanto durante el llenado del canal con el compuesto, debido a la extracción de la aguja mientras se extruye el material, como durante la inserción del poste, que también es un portador de aire. Las burbujas de aire son un locus minoris resistentiae y podrían comprometer el complejo poste-compuesto y su adhesión a la dentina del “espacio del poste”.

En el presente estudio in-vitro se empleó un enfoque de ingeniería:

1. para comparar las propiedades mecánicas de un poste compuesto de fibra de carbono hueco tipo sándwich y un poste sólido de fibra de carbono tradicional (control);
2. para comparar las propiedades de resistencia de dos compuestos con diferente módulo de elasticidad en el sándwich; 3) para evaluar las ventajas clínicas de utilizar una técnica novedosa en la que el poste actúa como portador del cemento resinoso en la base del ‘espacio del poste’.

Materiales y métodos

Materiales

Se investigaron dos sistemas de postes diferentes: 1) el poste tradicional no hueco Tech 2000® (Isasan, Rovello Porro, Como, Italia) — compuesto de fibras de carbono incorporadas en una mezcla de resina Dpp-MOR, de modo que se puede crear un enlace químico con los compuestos, después de utilizar un sistema adhesivo. Esta característica particular permite que el poste no solo haga la reconstrucción más estable, sino también, y sobre todo, que no descargue fuerzas sobre la raíz que presenta un grado intrínseco de fragilidad al ser tratada endodónticamente; 2) el poste hueco de fibra tipo sándwich Techole® (Isasan, Rovello Porro, Como, Italia) — también compuesto de fibra de carbono incorporada en una mezcla de resina Dpp-MOR. Ya no es necesario llenar el canal y luego insertar el poste, sino que todo se puede hacer en un solo paso, ya que el poste introduce el compuesto en el canal.

El diámetro de los postes se ha uniformado a 1.4 mm; en consecuencia, se eligieron postes cilíndricos, chaflanados solo en la punta, para excluir variables de forma, conicidad y diámetro. El poste hueco, siempre de 1.4 mm externamente, fue elegido con un lumen de 0.7 mm.

Se utilizaron dos materiales compuestos: 1) Clearfil Core® (Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) (12.3 GPa); 2) Clearfil DC Core® (Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) (10.0 GPa).

Clearfil Core® (Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) es un compuesto químico radiopaco, bicomponente, de curado en sí mismo, con una densidad de 2.2 gcm³ y un módulo de elasticidad de 12.3 GPa. La pasta catalizadora está compuesta de bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato de trietilenglicol (TEGDMA), relleno de vidrio silanizado, sílice coloidal y catalizadores; mientras que la pasta universal consiste en bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato de trietilenglicol (TEGDMA), relleno de sílice silanizada, sílice coloidal y aceleradores.

Clearfil DC Core® (Kuraray, Nueva York, NY, EE. UU.) es un compuesto de curado dual radiopaco, suministrado en un sistema de entrega automix, con una densidad más baja (2.0 gcm³) y un módulo de elasticidad más bajo (10.0 GPa). Los ingredientes principales de la pasta A son bisfenol A diglicidilmetacrilato (Bis-GMA), dimetacrilato alifático hidrofóbico, dimetacrilato alifático hidrofílico, dimetacrilato aromático hidrofóbico, relleno de vidrio de bario silanizado, sílice coloidal silanizada, sílice coloidal, dl-camporquinona, iniciadores y pigmentos. La pasta B contiene dimetacrilato de trietilenglicol, dimetacrilato alifático hidrofílico, dimetacrilato aromático hidrofóbico, relleno de vidrio de bario silanizado, sílice coloidal silanizada, relleno de óxido de aluminio y aceleradores.

Diseño del estudio

Cada sistema de poste (Techole® más Clearfil Core®, Techole® más Clearfil DC® y Tech 2000®) se sometió a las siguientes pruebas mecánicas: prueba de flexión en tres puntos, prueba de compresión y prueba de corte (Figura 3).

Preparación de los materiales de prueba

No fue necesaria preparación en el caso de los postes tradicionales, con la excepción de la examinación bajo microscopio óptico para asegurar que no había defectos de producción visibles. Para los postes de composite, el mismo operador realizó la inyección del composite en una sola sesión a temperatura ambiente bajo humedad controlada gracias a una cámara de humedad controlada. El composite de curado dual y curado químico se mezcló utilizando un automix para asegurar que no se incorporaran burbujas de aire y para mejorar su rendimiento (las muestras no fueron curadas con luz). Cuando se insertó el composite, los postes se mantuvieron verticalmente durante 24 horas para permitir una completa polimerización.

Realización de experimentos

Las pruebas se llevaron a cabo utilizando la máquina de prueba universal Zwick/Roell Z150 (ZwickRoell, Kennesaw, GA, EE. UU.). La precisión, exactitud y control tanto en el posicionamiento de la muestra a ser probada como durante la prueba, hacen de esta máquina la más adecuada para pruebas bio-mecánicas y micro-mecánicas en el campo profesional y para empresas. La máquina presenta las siguientes características técnicas: una velocidad de 0.00005 nm/min hasta 900 mm/min; un ancho del área de prueba de 630 mm; una altura del área de prueba de 1675 mm; una potencia nominal de 5.5 kVA; una celda de carga de 600 N hasta 3000 N. Las funciones son controladas digitalmente, un sistema de retroalimentación de motor innovador asegura excelentes propiedades de velocidad constante, incluso a velocidades muy bajas, y una guía precisa del cabezal minimiza influencias mecánicas indeseables en la muestra. La herramienta proporciona la base ideal para resultados de prueba precisos y reproducibles.

En la prueba de flexión de tres puntos (Figura 4), el poste se posicionó en dos soportes metálicos separados por 8 mm. La acción de flexión se llevó a cabo mediante un solo punzón: su radio geométrico (1.5 mm) se correlacionó con el grosor de la muestra y alcanzó exactamente la línea central entre los dos soportes. A medida que la máquina de ensayo universal descendía sobre la muestra a una velocidad de 0.5 mm/minuto, la muestra se fracturaría a una carga particular (Figura 5). Esta carga máxima antes de la fractura (F) se mostró en Newtons en la pantalla de la máquina de ensayo.

En la prueba de compresión (Figura 6), una muestra fue comprimida entre dos superficies planas y paralelas, produciendo una deformación y un posterior fallo estructural y mecánico (Figura 7) cuando superó el nivel máximo de resistencia. Los materiales más frágiles suelen fracturarse más rápidamente que los dúctiles, ya que se deforman, modificando su morfología inicial. En la práctica clínica, la prueba de compresión es incluso más significativa que la de tres puntos, ya que el poste está sujeto a mayores fuerzas oclusales que las laterales. En este experimento, primero se cortaron los postes utilizando una sierra de diamante de baja velocidad a 15 mm de largo para estandarizar su longitud, luego se colocaron en un soporte fijo y se cargaron verticalmente a 0.5 mm/minuto, para estresar la estructura tanto a lo largo del eje largo del diente como a lo largo de la dirección de las fibras de carbono.

La prueba de corte estudia el comportamiento mecánico de un material cuando la carga es transversal a su eje mayor. Los postes fueron fijados horizontalmente de manera parcial y estable; posteriormente, un tirante móvil cayó verticalmente a 0.5 mm y los encontró (Figura 8). Así, también se reprodujeron movimientos protrusivos y de lateralidad (Figura 9). Se consideraron los valores de resistencia mecánica máxima y la curva resultante.

Análisis estadístico

El valor medio de la resistencia a la flexión de todos los grupos se calculó y analizó estadísticamente utilizando un análisis de varianza de una vía (ANOVA) más la prueba de Tukey (nivel de significancia P<0.005).

Resultados

En general, los resultados muestran que el poste hueco de fibra sándwich relleno con compuesto con un módulo de elasticidad de 12.3 GPa tuvo la mayor resistencia mecánica en la mayoría de las pruebas (Tabla I, II, III).

En la prueba de flexión de tres puntos, 81 muestras se dividieron en tres grupos de 27 cada uno y fueron evaluadas. Se obtuvieron diferentes resultados en la flexibilidad/curvatura cuando se utilizaron postes tradicionales y cuando los postes huecos de sándwich fueron rellenos con compuestos de diferentes módulos de elasticidad (Tabla I). La prueba mostró que los postes tradicionales tienen una mejor resistencia cuando se cargan perpendicularmente a su eje largo. Si bien no hubo diferencias significativas entre el Techole plus Clearfil Core® (12.3 GPa) y el poste sólido tradicional Tech 2000®, lo que significa que las dos muestras tienen un comportamiento mecánico similar y superpuesto, se observaron diferencias significativas entre el Techole® plus Clearfil DC® (10.0 GPa) y los postes tradicionales: al utilizar el compuesto Techole® plus Clearfil DC Core® (10 GPa) los valores disminuyen, demostrando que el módulo de elasticidad del relleno es decisivo en términos de valor de resistencia.

Para la prueba de compresión, 78 muestras se dividieron en 3 grupos de 26 elementos. Los postes Techole® mostraron resultados estadísticamente superiores en comparación con los postes sólidos tradicionales, siendo el poste sándwich hueco con Clearfil® (12.3 GPa) el que mostró los valores más altos (Tabla II). En general, independientemente del tipo de compuesto utilizado, los postes sándwich huecos mostraron mejores valores de resistencia en comparación con los postes sólidos cuando se someten a tensiones de compresión a lo largo de su eje largo; además, los postes huecos rellenos con un compuesto con un mayor módulo de elasticidad (12.3 GPa) mostraron parámetros de resistencia mejorados. Se ha demostrado nuevamente que el módulo de elasticidad del material de relleno influye en la resistencia del sistema de poste más material de relleno.

De manera similar, en la prueba de corte, las 81 muestras se dividieron en tres grupos de 27 postes. También en este tipo de prueba, el poste de fibra de carbono tipo sándwich hueco relleno con Clearfil® 12.3 GPa tuvo la mayor y significativa resistencia de los tres grupos de prueba, seguido por el que contenía Clearfil® 10.0 GPa (Tabla III). La combinación de un poste de sándwich hueco (Techole®) y un compuesto con un alto módulo de elasticidad aumentó los parámetros de resistencia en más del 15% en comparación con los postes sólidos tradicionales (Tech 2000®). El Techole® combinado con el compuesto Clearfil DC® también mostró resultados superiores en comparación con el poste sólido tradicional en términos de resistencia a la tensión y a las tensiones transversales y de corte.

Discusión

Los objetivos principales de este estudio preliminar fueron evaluar y comparar las características mecánicas de un novedoso sistema de fibra hueca/composite en sándwich con uno tradicional. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un sistema óptimo de poste/composite con eficacia a largo plazo para su uso en la práctica clínica diaria. En particular, se investigó la resistencia a fuerzas similares a movimientos laterales, de protrusión, compresión y desplazamiento.

Actualmente no hay consenso sobre el sistema de poste óptimo. En una revisión reciente, Lamichhane et al. discutió las características necesarias de un poste ideal que deberían corresponder a las de la dentina en términos de módulo de elasticidad, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y expansión térmica. Además, el poste ideal debería ser estéticamente aceptable y unirse de manera eficiente a la dentina. A partir de los resultados de este estudio, parece que el novedoso poste de fibra hueca en sándwich satisface varios de los criterios necesarios: niveles más altos de resistencia mecánica, en particular en las pruebas de compresión y corte.

Los resultados de este estudio refuerzan la importancia del módulo de elasticidad en el rendimiento y la resistencia al estrés mecánico, como se demostró cuando se investigaron compuestos con diferentes módulos de elasticidad (12.3 GPa y 10.0 GPa). Los resultados muestran que el compuesto con el módulo de elasticidad más similar al de la dentina (que es de aproximadamente 18 GPa) tuvo un mejor rendimiento en las pruebas mecánicas.9 Además, parece que la combinación de un poste de fibra hueco tipo sándwich con un composite Clearfil Core® (12.3 GPa) es un excelente objetivo también porque los materiales trabajan en sinergia para mejorar el rendimiento mecánico general del sistema de poste. La inyección de composite in situ garantiza una correcta distribución del material sin burbujas de aire, al tiempo que asegura una unión efectiva entre el poste y el “espacio del poste.” El comportamiento de estructuras cilíndricas multicapa cargadas axialmente indica que la combinación de dos materiales con diferentes estructuras mecánicas — la estructura cilíndrica hueca de fibra de carbono y el relleno de composite — resulta en un aumento de la resistencia general de la estructura y, como tal, proporciona las características requeridas del sistema de poste “ideal.”

Limitaciones de este estudio

Este estudio no está exento de limitaciones: se llevó a cabo in vitro, solo se realizaron tres pruebas mecánicas en un número limitado de muestras y solo se incluyó un sistema de postes comparador (poste sólido tradicional Tech 2000®). Este fue un estudio inicial, pero obligatorio, para establecer las propiedades mecánicas de nuestro nuevo sistema de postes y técnica de unión. Planeamos realizar estudios adicionales para determinar la eficacia y efectividad de la extracción del sistema de postes (prueba de extracción), los efectos del aumento de presión hidráulica y la presencia de burbujas.

Conclusiones

Basado en estos hallazgos y dentro de las limitaciones de un estudio in vitro, los clínicos deberían renunciar a sistemas de postes muy rígidos, ya que fallan en términos de resistencia, especialmente cuando se someten a cargas de compresión o corte, mientras que el objetivo es crear un complejo diente-restauración homogéneo en términos físico-mecánicos. Cuando se necesita una reconstrucción de poste endodóntico, se debe considerar el módulo de elasticidad de los materiales en relación con el de la dentina radicular. La cementación por inyección, una característica del composite sándwich, resulta ser una mejor opción que el uso de postes tradicionales, ya que minimiza la presencia de burbujas de aire dentro del composite y, al mismo tiempo, permite una mejor unión adhesiva, ya que el composite dentro del poste está en comunicación directa con el composite exterior del 'espacio del poste'. Los resultados del estudio confirman las favorables propiedades mecánicas del sistema de postes de fibra sándwich hueco (Techole®) y la eficacia sinérgica cuando se utiliza en combinación con el composite Clearfil Core® (12.3 GPa). Se requieren estudios adicionales in vitro y eventualmente in vivo para establecer protocolos de uso en la práctica clínica.

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

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