Экспериментальное исследование физико-механических характеристик полимерного базисного материала при введении в его состав наноразмерного диоксида титана

Шулятникова Оксана Александровна; Рогожников Геннадий Иванович; Порозова Светлана Евгеньевна; Рогожников Алексей Геннадьевич; Белоногов Николай Сергеевич; Биккулова Анастасия Владимировна

Проблемы стоматологии Стоматологическое материаловедение The problems in dentistry

2017, Т. 13 № 1, стр. 46-50 The issues of dental education 2017. Vol. 13 № 1 pp. 46-50

УДК: 615.462.03:546.821:616.314-089.28].07

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНОГО БАЗИСНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВВЕДЕНИИ В ЕГО СОСТАВ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА

Шулятникова О. А.1, Рогожников Г. И.1, Порозова С. Е.2, Рогожников А. Г.1, Белоногов Н. С.2, Биккулова А. В. 2

1 ФГБОУ ВО «Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера» Минздрава России, г. Пермь, Россия

2 Лаборатория биохимии развития микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, г. Пермь, Россия

Аннотация

Предмет. Приобретенные дефекты и деформации челюстно-лицевой области в большинстве случаев требуют ортопедического этапа лечения. При этом, выбирая конструкционный материал для базиса сложно-челюстного протеза, следует учитывать функциональные нагрузки, которые будет испытывать протез, зависящие от клинической ситуации и отличные от нормальных условий, что требует повышенных прочностных характеристик. В статье рассматривается вариант упрочнения полимерного конструкционного материала при изготовлении базисов сложно-челюстных протезов посредством наноразмерных компонентов в минимальных количествах. Особенностью данного способа является введение в полиамидный базисный материал наноразмерного диоксида титана.

Цель. Разработка новой стратегии упрочнения стоматологических базисных конструкционных материалов полимерной природы.

Методология. Исследование полиамидного материала Vertex ThermoSens с введенным в состав наноразмерным диоксидом титана в качестве армирующего компонента в количестве до 1 мас.%, проводили на контрольных и экспериментальных образцах. Изучали прочность на трехточечный изгиб (amax, МПа) и модуль упругости (Е, Мпа) как наиболее информативные для оценки прочности стоматологического конструкционного материала, позволяющие учитывать вертикальные и горизонтальные силы, аналогичные силам, влияющим на зубы и конструкционный материал зубных протезов во время функции жевания.

Результаты исследования экспериментальных образцов из полиамида с введенным в состав наноразмерным диоксидом титана до 1 мас.% показывают увеличение максимального напряжения на 8,4%, а модуля Юнга - на 7,2% по сравнению с материалом группы контрольных образцов, без введения наноразмерного диоксида титана.

Выводы. Результаты исследования имеют практическое значение для упрочнения конструкционного базисного полиамидного материала при изготовлении сложно-челюстных протезов и аппаратов пациентам с переломами, приобретенными дефектами и деформациями челюстно-лицевой области, уменьшая риск переломов базиса сложно-челюстного протеза при воздействии на него повышенных функциональных нагрузок, отличных от нормальных условий. Ключевые слова: стоматология ортопедическая, диоксид титана, полиамид, увеличение прочности

Признательность

Авторы выражают благодарность аспиранту кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» Пермского национального исследовательского политехнического университета Гурову A.A. за помощь в изготовлении наноразмерного порошка диоксида титана.

Статья подготовлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-08-02222 а.

Адрес для переписки: Correspondence address:

Оксана Александровна ШУЛЯТНИКОВА Oksana A SHULIATNIKOVA

кандидат медицинских наук, доцент, кафедра ортопедической Candidate of Medical Sciences, Associate Professor of the

стоматологии, Пермский государственный медицинский Department of Orthopaedic Dentistry, Perm State Medical

университет им. академика E.A. Вагнера Минздрава России, University Named After Academician E.A. Wagner, Perm,

Пермь, Российская Федерация Russian Federation

614007, г. Пермь, ул. Революции, 18-15. 614007, Perm, Revolution str., 18-15.

Тел. +7 (902) 838-62-22, 8 (342) 233-08-97 Phone: +7 (902) 838-62-22, 8 (342) 233-08-97

[email protected] [email protected]

Образец цитирования: For citation:

Шулятникова О. А., Рогожников Г. И., Порозова С. Е., Shulyatnikova O. A., Rogozhnikov G. I., Porozova S. E.,

Рогожников А. Г., Белоногов H. С., Биккулова А. В. Rogozhnikov A. G., Belonogov N. S., Bikkulova A. V.

«Экспериментальное исследование физико-механических «Pilot study of the physicomechanical characteristics of basic

характеристик полимерного базисного материала polymeric material with introduction of nanodimensional при введении в его состав наноразмерного диоксида титана» titanium dioxide»

Проблемы стоматологии, 2017, Т. 13, № 1. C.46-50 The actual problems in dentistry,

doi: 10.18481/2077-7566-2017-13-1-46-50 2017. Vol. 13, № 1, pp. 46-50

Шулятникова О. А. и др. Shulyatnikova O. A. et al.

Проблемы стоматологии The problems in dentistry (Russia)

pilot study of the physicomechanical characteristics of basic polymeric

MATERIAL with INTRODUCTION OF NANODIMENsiONAL TITANIUM DIOxiDE

Shulyatnikova O. A.1, Rogozhnikov G. I.1, Porozova S. E.2, Rogozhnikov A. G.1, Belonogov N. S.2, Bikkulova A. V.2

1 Perm State Medical University of the Academician E. A. Wagner, Perm, Russian Federation

2 Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

Abstract

Background In most cases, acquired defects and deformations of the maxillofacial area require an orthopaedic stage of treatment. At the same time, when choosing the constructional material fo.complex maxillary prosthesis, it is necessary to consider the functional strain that will be experienced, which, in turn, depends on the clinical situation and any abnormal conditions that demand increased strength characteristics. In the article, options for reinforcing polymeric constructional materials fo.complex maxillary prostheses by means of nanodimensiona.components in minimal quantities at the production stage are considered. One feature of this approach is the introduction of nanodimensional titanium dioxide to the polyamide basic material.

Objectives The development of a new approach for strengthening basic polymeric dental construction materials.

Methods The study of the Vertex ThermoSens polyamide material with nano-sized titanium dioxide introduced as a reinforcin. component in an amount up to 1 wt.% was performed on control and experimental samples. The strength of the three-point bend (amax, MPa) and the elasticity modulus (E, MPa) are the most informative for the evaluation of the strength of dental structural materials since they take into account both vertical and horizontal forces, similar to the forces affecting the teeth and the material used for construction of dentures during chewing function.

Results. The research of experimental samples from polyamides with nanodimensional titanium dioxide entered into the structure at 1 wt. % show an increase in the maximum tension of 8.4% and Young's modulus of 7.2% i.comparison with the material used in a group of control samples lacking the introduction of nanodimensional titan dioxide.

Conclusions. The research results are of practical importance for strengthening the structural base of polyamide materials used in the manufacture o.complex-maxillary prostheses and devices for patients with fractures, acquired defects and deformities of the maxillofacial area, in terms of reducing the risk of fractures in the base of hard-mandibular prosthesis when exposed to high functional loads under abnormal conditions.

Keywords: orthopaedic stomatology, titanium dioxide, polyamide, increase in durability

Acknowledgments

The authors express gratitude to Gurov A.A., a postgraduate student of the «Materials, Technologies and Construction Machinery» Department of the Perm National Research Polytechnic University, for assistance in the manufacture of nanosized titanium dioxide powder. The article was supported by the Russian Foundation for Basic Research, scientific project № 15-08-02222 a.

Введение вес, отсутствие остаточного мономера и металлических

Приобретенные дефекты и деформации челюстно- частей в конструкции протеза, возможность проведения

лицевой области в большинстве случаев требуют орто- при необходимости лабораторной коррекции (переба-

педического этапа лечения, основной целью которого зировки) протезов. При этом, выбирая конструкци-

является восполнение эстетических и функциональных онный материал для базиса протеза, следует учитывать,

параметров. При этом в 95% случаев съёмные кон- что функциональные нагрузки, которые испытывает

струкции, в том числе сложно-челюстные протезы, сложно-челюстной протез, будут зависеть от клиниче-

изготавливают из акриловой пластмассы [1], имеющей ской ситуации и отличаться от нормальных условий,

ряд общеизвестных недостатков: остаточный мономер, что требует его повышенных прочностных характе-

аллергические реакции, усадка, дезинтеграция струк- ристик. Известны различные варианты улучшения

туры акриловых полимеров в процессе использования, прочности базисного материала путем армирования

микробная обсемененность [2, 3]. На современном этапе металлическими сетками, арамидными нитями и др.

развития стоматологического материаловедения пос- Особый интерес представляют наноструктурированные

тоянно совершенствуются базисные конструкционные компоненты, введенные в состав основного материала

материалы, что связано с поиском безупречных, отвеча- и способные в минимальных количествах изменять

ющих повышенным требованиям к прочностным и эсте- физико-механические характеристики [4]. Кроме этого,

тическим характеристикам, особенно при изготовлении предварительно полученные нами результаты исследо-

сложных и объёмных конструкций, которыми являются вания свидетельствуют о возможности ингибирования

протезы для пациентов с приобретенными дефектами образования биопленки наномодифицированным диок-

и деформациями челюстных костей. Так, известны сидом титана [5], что имеет определенную ценность

труды по разработке и внедрению поликарбоната, тер- в случае изготовления сложно-челюстных протезов

мопластов, карбодента, полистирола, полиуретана. данной категории пациентов. Особый интерес для изготовления сложно-челюстных

протезов, по нашему мнению, представляют полиа- Целью данной работы явилось изучение проч-

мидные термопласты, имеющие минимальную усадку ностных характеристик полиамидного материала с вве-

в процессе изготовления протеза, небольшой удельный денным в его состав наноразмерным диоксидом титана.

Стоматологическое материаловедение Dentistry Materials

Материалы и методы исследования

Основой для методики испытания послужил стандарт ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний», модифицированный по отношению к международному стандарту ISO 1567:1999 Dentistry - Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов).

В качестве базисного конструкционного материала нами был выбран Vertex ThermoSens (Vertex-Dental B. V., Нидерланды; ISO-Сертификат 9001:2008), по классификации представленного стандарта относится к 3-му типу (термопластичная заготовка или гранулы) и используется для изготовления базисов съёмных частичных и полных протезов. Нанораз-мерный порошок диоксида титана с размером частиц 25-35 нм синтезировали из водно-этанольных растворов с полимерными добавками. В связи с тем, что нами было предложено армирование данного термопласта путем введения наноразмерного диоксида титана в качестве наполнителя для улучшения прочностных характеристик конструкционного материала (заявка на изобретение № 2016144010 от 08.11.2016 г.), определенный интерес для дальнейших исследований представляло изучение прочности на изгиб (omax, МПа) и модуль упругости (Е, МПа) модифицированного термопласта. Рекомендованный вид испытания на трехточечный изгиб является наиболее информативным для оценки прочности стоматологического конструкционного материала, так как позволяет учитывать вертикальные и горизонтальные силы, аналогичные силам, влияющим на зубы и конструкционные материалы зубных протезов во время функции жевания [6].

Для проведения испытаний на трехточечный изгиб было изготовлено по технологии термолитьевого прессования и отобрано две группы образцов полосок в количестве 20 шт. с размерами 2*30*10 мм (рис. 1а):

1 группа (контрольная) - базисный материал Vertex ThermoSens,

2 группа (экспериментальная) - базисный материал Vertex ThermoSens, с введенным в состав нано-размерным диоксидом титана.

Каждая группа состояла из пяти образцов. Геометрические измерения образцов проводились с точностью до 0,001 мм.

Испытания проводились на базе Центра экспериментальной механики, кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ (зав. кафедрой, д. физ.-мат. н., проф. В. Э. Вильдеман). Исследование проводилось с использованием электромеханической системы Instron 5965 с максимальным развиваемым усилием 5 кН (рис. 2). Нагружение образца осуществлялось через оснастку, предназначенную для испытаний материалов на трехточечный изгиб, включающую центральный плунжер и станину с установленными на ней цилиндрическими опорами. Для минимизации погрешности, вносимой нагружающей цепью системы, при определении прогиба был использован навесной дефлектометр Epsilon. Расстояние между опорами

было принято 20 мм. Скорость нагружения составляла 5 мм/ мин, температура 22°С. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления.

В результате испытаний были получены зависимости сила-прогиб. В дальнейшем осуществляли переход к зависимостям напряжения-деформации.

ДМ3

Определяли модуль Юнга {Е =-)

4М3Ам;

и максимальные напряжения {& = где: 2М2

Л^— приращение нагрузки;

AFw - приращение прогиба в середине образца, соответствующее изменению нагрузки;

irp.

2 гр.

Рис. 1. а) Контрольные и экспериментальные образцы, подготовленные для исследований физико-механических характеристик из полиамида Vertex ThermoSens, армированные наноструктурированным диоксидом титана; б) эти же образцы после испытаний Fig. 1. a) Control and experimental samples prepared for research of physicomechanical characteristics from Vertex ThermoSens polyamide, reinforced by the nanostructured titanium dioxide; b) the same samples after tests

Источник: данные авторского исследования Source: Author's research data

Рис. 2. а) Внешний вид электромеханической системы Instron 5965; б) экспериментальный образец, установленный в испытательной оснастке Fig. 2. a) Exterior view of the Instron 5965 electromechanical system; b) experimental sample installed in the test equipment

Источник: данные авторского исследования Source: Author's research data

а

Шулятникова О. А. и др. Shulyatnikova O. A. et al.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Проблемы стоматологии The problems in dentistry (Russia)

Значения максимальных напряжений и модуля Юнга испытанных образцов

Таблица 1

Table 1

values of the maximum tension and Young's modulus of the tested samples

Группа 1 (Vertex ThermoSens) Группа 2 (Vertex ThermoSens +TiO2 нано)

№ образца Прочность на изгиб ^max' МПа Модуль упругости E, МПа № образца Прочность на изгиб ^maX МПа Модуль упругости E, МПа

1 96 1055 1 101 1089

2 92 986 2 105 1122

3 95 1058 3 103 1092

4 94 1028 4 102 1114

5 95 1050 5 105 1131

x ±Дх ср 95±2 1035±37 x ±Дх ср 103±2 1110±23

Источник: данные авторского исследования Source: Author's research data

б

Рис. 3. а) диаграммы деформирования контрольных образцов (Vertex ThermoSens) б) диаграммы деформирования экспериментальных образцов (Vertex ThermoSens+TiO2 наноразмерный) Fig. 3. a) Control sample deformation diagrams (Vertex

ThermoSens); b) experimental sample deformation diagrams (Vertex ThermoSens + nanodimensional TiO2)

Источник: данные авторского исследования Source: Author's research data

F - максимальная нагрузка;

max A J ~

b - ширина образца;

h - высота образца;

l - расстояние между опорами.

По определяемым величинам для двух групп материалов проведена статистическая обработка с выделением доверительного интервала с вероятностью 95 %.

Результаты исследований

В процессе исследования на трехточечный изгиб ни один из 20-ти испытуемых образцов не подвергся разрушениям (рис. 1б).

Анализируя полученные данные после испытаний, необходимо отметить большие величины максимальных напряжений и модуля Юнга полиамидного материала Vertex ThermoSens второй группы образцов, с введённым в качестве армирующего компонента наноразмерного диоксида титана (табл. 1). Диаграммы деформирования образцов в контрольной и экспериментальных группах представлены на рис. 3.

Результаты и обсуждение

Все исследованные образцы из Vertex ThermoSens, в том числе с введенным в качестве армирующего компонента наноразмерным диоксидом титана, соответствовали нормативам стандарта ISO 1567:1999 Dentistry - Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов), что свидетельствует об их соответствии современным требованиям. При этом экспериментальные образцы из полиамида Vertex ThermoSens с введенным в состав наноразмерным диоксидом титана в виде порошка до 1 мас.% показывают увеличение максимального напряжения на 8,4%, а модуля Юнга -на 7,2% по сравнению с материалом первой группы, без введения наноразмерного диоксида титана.

Выводы

Введение в состав полиамидного материла Vertex ThermoSens порошка наноразмерного диоксида титана в количестве до 1 масс.% приводит к увеличению максимального напряжения на 8,4%, а модуля Юнга - на 7,2%.

Показатели испытания на трехточечный изгиб образцов полиамида, армированного наноразмерным диоксидом титана, соответствуют нормам ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний», модифицированный по отношению к международному стандарту ISO 1567:1999 Dentistry - Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов).

Таким образом, полученные результаты, экспериментального исследования и ранее опубликованные нами данные по изучению возможности ингибиро-вания образования биопленки на конструкционном материале с нанесенным поверхностным наномоди-фицированным слоем из диоксида титана имеют перспективное практическое направление в области

а

Стоматологическое материаловедение Dentistry Materials

ортопедической стоматологии, а именно, при изготовлении сложно-челюстных протезов и аппаратов пациентам с переломами, приобретенными дефектами и деформациями челюстно-лицевой области [5]. При этом уменьшается риск возникновения воз-

можных осложнений воспалительного характера у данной категории пациентов в процессе пользования конструкцией и перелом базиса сложно-челюстного протеза при воздействии на него повышенных функциональных нагрузок, отличных от нормальных условий.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Литература

1. Зотов, А. И. Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для изготовления съёмных пластиночных протезов и аппаратов / А. И. Зотов, Д. Н. Демченко // Молодой ученый. - 2015. - № 13. - С. 270-274.

2. Ворожко, А. А. Возможности индивидуального подхода к планированию ортопедического лечения с учетом аллергического анамнеза пациента / А. А. Ворожко, В. А. Клемин // Современная ортопедическая стоматология. - 2015. - № 23. - С. 27-29.

3. Дезинтеграция структуры в стоматологических протезах, изготовленных из акриловых пластмасс, в процессе пользования ими по данным электронной микроскопии / М.Я. Нидзельский [и др.] // Современная стоматология. - 2013. - № 2. - С. 88-90.

4. Температурная зависимость модуля Юнга нанотрубок на основе диоксида титана TiO2: молекулярно-механическое моделирование / С. И. Лукьянов [и др.] // Физика твердого тела. - 2015. - № 12 (57). - С. 2391-2399.

5. Ингибирование образования микробной пленки при наноструктурировании поверхности конструкционного материала / О. А. Шулятникова [и др.] // Уральский медицинский журнал. - 2016. - № 7 (140). - С. 20-24.

6. Гаврюшина, Н. Т. Исследование прочности армированных композиционных образцов при трехточечном изгибе / Н. Т. Гаврю-шина, Б. В. Букеткин // Наука и образование. - 2014. - № 12. - С. 832-841.

Referenсes

1. Zotov A.I., Demchenko D.N. [The basic polymers applied in stomatology to production removable the plastinochnykh of artificial limbs and devices]. Molodoj uchenyj = The Young scientist, 2015, no. 13, рр. 270-274. (In Russ.)

2. Vorozhko A.A., Klemin VA. [Possibilities of individual approach to planning of orthopedic treatment taking into account the allergic anamnesis of the patient]. Sovremennaja ortopedicheskaja stomatologija = Modern orthopedic stomatology, 2015, no. 23, рр. 27-29. (In Russ.)

3. Nidzel'skij M.Ja. et all. [Disintegration of structure in the dental artificial limbs made of acrylic plastic in the course of use of them according to electronic microscopy]. Sovremennaja stomatologija = Modern stomatology, 2013, no. 2, рр. 88-90. (In Russ.)

4. Luk'janov S.I. et all. [Temperature dependence of the module of Jung of nanotubes on the basis of dioxide of the titan TiO2: molecular and mechanical modeling]. Fizika tverdogo tela = Physics of a solid body, 2015, no. 12 (5), рр. 2391-2399. (In Russ.) doi: 10.1134/ S1063783415120239

5. Shuliatnikova O.A. et all. [Inhibition of formation of a microbic film when nanostructuring a surface of constructional material]. Ural 'skij medicinskij zhurnal = Ural medical magazine, 2016, no. 7, рр. 20-24. (In Russ.) doi: 10.18481/2077-7566-2016-12-3-65-72

6. Gavrjushina N.T., Buketkin B.V. [Research of durability of the reinforce.composite samples at a three-point bend]. Nauka i obra-zovanie = Science and education, 2014, no. 12, рр. 832-841. (In Russ.) doi: 10.7463/1214.0750942.

Авторы:

Оксана Александровна ШУЛЯТНИКОВА

кандидат медицинских наук, доцент, каф. ортопедической стоматологии, Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера Минздрава России, Пермь, Российская Федерация/[email protected] Геннадий Иванович РОГОЖНИКОВ доктор медицинских наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой ортопедической стоматологии, Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера, Пермь, Российская Федерация/[email protected] Светлана Евгеньевна ПОРОЗОВА

доктор технических наук, профессор, кафедра «Материалы, технологии и конструирование машин», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация /sw. [email protected] Алексей Геннадьевич РОГОЖНИКОВ

кандидат медицинских наук, доцент, кафедра ортопедической стоматологии, Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера Минздрава России, Пермь, Российская Федерация/[email protected] Николай Сергеевич БЕЛОНОГОВ

инженер, Центр экспериментальной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация /сет. [email protected] Анастасия Владимировна БИККУЛОВА младший научный сотрудник, Центр экспериментальной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация сет. [email protected]

Поступила 23.01.2017 Принята к печати 28.02.2017

Authors:

Oksana A. SHULIATNIKOVA

Candidate of Medical Sciences, Associate Professor of the Department of Orthopaedic Dentistry, Perm State Medical University Named After Academician E. A. Wagner, Perm, Russian Federation [email protected] Gennady I. ROGOZHNIKOV

Doctor of Medical Sciences, Professor, Honoured Science Worker of the RF, Head of the Orthopaedic Dentistry Department, Perm State Medical University of the Academician E. A. Wagner, Perm, Russian Federation / [email protected] Svetlana E. POROZOVA

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Materials, Technologies and Construction Machinery», Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation sw. [email protected] Aleksey G. ROGOZHNIKOV

Canditate of Medical Sciences, Associate Professor of the Department of Orthopaedic Dentistry, Perm State Medical University of the Academician E. A. Wagner, Perm, Russian Federation [email protected] Nikolay S. BELONOGOV

Engineer, Centre for Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnical University, Perm, Russian Federation cem. [email protected] Anastasia V. BIKKULOVA

Researcher, Centre for Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnical University, Perm, Russian Federation cem. [email protected]

Received 23.01.2017 Accepted 28.02.2017

PILOT STUDY OF THE PHYSICOMECHANICAL CHARACTERISTICS OF BASIC POLYMERIC MATERIAL WITH INTRODUCTION OF NANODIMENSIONAL TITANIUM DIOXIDE