СПОСОБ ВИБРАЦИОННОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО МЕЛИКЯНУ М.Л. И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
M.L. MELIKYAN'S METHOD FOR VIBRATION MECHANICAL ACTIVATION OF COMPOSITES AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к области стоматологии и может быть использовано при устранении различных дефектов твердых тканей зуба кариозного и некариозного происхождения, в процессе прямых или непрямых армированных и неармированных композитных реставрациях.
Непрерывное развитие адгезивных технологий способствовало популяризации применения композитных материалов в стоматологической практике. В настоящее время существует множество композитных материалов химического и светового отверждения.
В клинической практике для устранения различных дефектов твердых тканей зуба широко применяются светоотверждаемые композитные материалы.
Преимущества композитных материалов.
Современные композитные материалы имеют высокие физико-механические свойства, биологическую инертность, отличную химическую стойкость, низкий коэффициент усадки, более прочное соединение и лучшее краевое прилегание к твердым тканям зуба.
Несмотря на очевидные преимущества, у композитных материалов имеется также ряд недостатков, характерных для любого искусственного материала, применяемого в стоматологической практике.
После устранения дефектов твердых тканей зуба с применением композитных материалов мы выделяем осложнения, которые устраняются различными способами:
Осложнения I степени (легкой) - дефект композитной реставрации устраняется полированием, или шлифованием и полированием.
Осложнения II степени (средней) - дефект композитной реставрации устраняются при помощи частичной повторной композитной реставрации.
Осложнения III степени (тяжелой) - дефект композитной реставрации устраняются при помощи полной повторной композитной реставрации.
Установлено, что после композитной реставрации возникают микро- и макросколы. Способы устранения сколов описаны в статье Меликян М.Л., Меликян Г.М., Меликян К.М. «Критерии оценки качества реставрации после устранения дефектов коронковой части передней группы зубов с применением композитных материалов и металлического сеточно-контурного армирующего каркаса» // Институт стоматологии. - 2011/2. - С.86-88.
Скол - это частичное разрушения композитной реставрации.
Микросколы - это незначительные дефекты армированных и неармированных композитных реставраций, которые устраняются с помощью шлифования и полирования.
Макросколы - это частичный дефект армированных и неармированных композитных реставраций, которые устраняются с помощью композитных материалов.
Одной из основных причин, приводящих к возникновению сколов композитной реставрации, являются крупные (критические) дефекты по типу пор. Природа возникновения пористости композитных рестравраций различна.
Пористость - это свойство, присущее собственно композитным материала как таковым. Степень пористости композитных материалов зависит от следующих факторов:
- количественного соотношения мономера и наполнителя;
- способа подготовки материала (при замешивании материала образуются пузырьки воздуха, вызывающие пористость);
- повреждения преполимеризованных частиц наполнителя.
Из фотополимерных материалов минимальной пористостью отличаются гибридные композиты (0,18-2,5%), большей микронаполненные (0,3-3,8%) и максимальной - традиционные материалы (0,7-8,4%).
Степень пористости увеличивается в процессе проведения реставрации. Образование пор с пузырьками воздуха обусловлено манипуляциями нанесения композитного материала при формировании композитной реставрации. Формирование реставрационной конструкции зуба состоит из склеивания композитного материала с зубными тканями и склеивания фрагментов реставрационного материала (послойная техника формирования реставраций).
При полимеризации порций композита без доступа воздуха кислорода поверхностный слой полимеризуется и образует прочную связь между порциями композита. Однако вследствие взаимодействия поверхности нанесенного слоя композитного материала с кислородом воздуха, диффундирующего в композит, образуется недополимеризованный слой, так называемый «слой, ингибированный кислородом». Толщина слоя составляет 20-30 мкм. Реакция полимеризации в этом слое невозможна, поскольку образование полимерной матрицы происходит только через кислородную связь, а она в этом слое уже связана кислородом воздуха.
При наличии между слоями композита недополимеризованного слоя порции композита не соединяются друг с другом, поэтому поверхность соединения становится местом механической слабости реставрации и последующего расслоения реставрации под воздействием жевательной нагрузки. Результаты спектрографического анализа срезов композитных материалов подтвердили наличие пористостей различной природы, заполненных пузырьками воздуха (см. Вестник Днепропетровского университета, серия «Физика. Радиоэлектроника», 2007, вып.14 №12/1).
Классификация пор и их описание приведены в статье Меликян М.Л., Меликян К.М., Гаврюшин С.С, Мартиросян К.С., Меликян Г.М. «Анализ прочностных свойств сеточных металлокомпозитных материалов, применяемых в армирующей стоматологии Меликяна М.Л. (АСМ) (Часть I)» // Институт стоматологии. - 2012/3. - №56. - С.62-63.
Авторы различает два типа микропор, присутствующих в композитных рестраврациях:
- закрытые (внутренние);
- открытые тупиковые (наружные).
Закрытые микропоры находятся внутри отреставрированного зуба:
- между твердыми тканями зуба и адгезивным слоем;
- между композитным материалом и адгезивным слоем;
- внутри порции композитного материала;
- между порциями композитного материала.
Открытые тупиковые микропоры расположены на наружной поверхности композитной реставрации.
Согласно теории Гриффитса при малых нагрузках поры безопасны, так как не обнаруживают тенденции к увеличению. При больших нагрузках они могут оказаться неустойчивыми, способными к быстрому росту, слиянию друг с другом и образованию магистральных трещин, приводящих к разрушению композитных рестравраций.
Согласно принципам механики разрушение материала происходит не просто под воздействием нагрузки, а из-за того, что эта нагрузка вызывает концентрацию энергии напряжения, большую, чем способен аккумулировать материал.
Учитывая тот факт, что одной из основных причин, приводящих к возникновению сколов композитной реставрации, являются крупные (критические) дефекты по типу пор, то разработка технологии, которая позволит уменьшить их количество и размер и, соответственно, позволит увеличить прочность композитной рестраврации - является актуальной задачей стоматологии. Решение данной задачи позволит снизить количество осложнений и увеличить срок функционирования композитной реставрации. На решение указанной задачи направлено заявлямое изобретение.
Решение этой задачи известными из уровня техники методами сводится к соблюдению определенной последовательности проведения композитной реставрации. При этом известны следующие рекомендуемые этапы подклеивания порций композита:
- проверка наличия поверхностного слоя, ингибированного кислородом;
- внесение порции композита;
- контрольный тест на приклеивание;
- пластическая обработка внесенной порции композита;
- контрольный тест;
- фиксация формы направленной полимеризацией;
- окончательная полимеризация порции композита.
Из литературных источников известно, что основные трудности при нанесении первого слоя композитного материала на дно полости зуба связаны с прилипанием композита к инструменту и образованием пустот между композитным материалом и адгезивным слоем.
Предлагалось множество вариантов решения этой проблемы, но она по-прежнему остается актуальной (Джозеф Саббах. Система SonikFill™: клиническое применение. Dental Times. - 2012. - №14. - С.6, 8).
Чтобы провести пластическую обработку нанесенной порции композитного материала с помощью штопфера гладилки композит распределяют по подготовленной поверхности твердых тканей зуба, который покрыт адгезивным слоем, или по поверхности ранее нанесенного слоя композита так, чтобы под ней не оказалось пузырьков воздуха.
С помощью штопфера гладилки проводится обработка всей поверхности нанесенной порции композита с определенным давлением, что обеспечивает выдавливание ингибированного кислородом слоя и склеивание порции композита с поверхностью в определенной точке, которая находится в этот момент под давлением.
Метод уменьшения пористости композитного материала, реализуемый в известном способе, заключается в «выглаживании» порции композитного материала путем поверхностного пластического деформирования скользящим инструментом по локально контактирующей с ним поверхности деформируемого материала (Композиционные, пломбировочные и облицовочные материалы. Борисенко А.В, Неспрядько В.П., Киев, Книга плюс, 2001). Данный способ не обеспечивает максимальное выдавливание воздуха из пор инструментом из поверхности нанесенного композитного слоя.
Недостаток данного способа заключается в том, что при его реализации, как правило, происходит перераспределение пор внутри материла за счет их смещения под выглаживающим механическим воздействием инструмента. При этом незначительное выдавливание воздуха из пор неоднородно по всей поверхности деформируемого материала в связи с отсутствием одинакового контролируемого усилия воздействия реставрационным инструментом на поверность нанесенного композитного материла.
С целью снижения пористости и увеличения прочности композитного материала в настоящее время применяется мануальный способ механоактивации (МСМ) композитного материла по Меликяну М.Л.
Под механоактивацией композитного материала понимается механическое воздействие на композитный материал, которое приводит к улучшению его физико-механических свойств.
Этот метод описан в патентах на изобретение №2238696 и №2331385, патентообладатели: Меликян М.Л., Меликян Г.М., Меликян К.М.
Суть изобретения по патенту №2238696 заключается в том, что отсутствующая коронковая часть восстанавливается с учетом анатомо-топографического и биомеханического особенности строения реставрируемого зуба с применением армированного сеточного металлокомпозита.
Для восстановления отсутствующего эмалевого слоя композитному материалу придают форму валика путем мануального воздействия пальцами рук в перчатках с текстурированной поверхностью из натурального латекса без пудры. Сформированными подобным образом валиками восстанавливают отсутствующие стенки коронковой части реставрируемого зуба.
Суть изобретения по патенту №2331385 заключается в том, что при устранении дефекта режущего края глубиной до 2 мм в процессе реставрации композитный материал также подвергают манипуальному воздействию при формировании композитного валика.
Патентообладателями совместно с учеными Московского Государственного Технического Университета им Н.Э. Баумана были проведены исследования влияния мануального способа механоактивации (МСМ) на прочностные свойства композитного материала. Лабораторные исследования проводились на универсальной испытательной машине Galdabini Quasar 50 Италия.
P
Испытания проводились на образцах длиной - 1 равной 45 мм, высотой - а и шириной - b, равными 5 мм на трехточечный статический изгиб по схеме "сосредоточенная нагрузка приложена в средине пролета". В процессе испытаний снималась диаграмма деформирования нагрузки - максимальный прогиб, а также определялась разрушающая нагрузка F (н).
Для испытания на трехточечный статический изгиб были изготовлены III серии образцов из композитного материала в количестве 15 штук (в каждой серии по 5). Все серии образцов изготавливались при комнатной температуре и после изготовления до испытания хранились в воде.
I серия (контрольная) - порции композитного материала (0,5 г) отмеряли путем выдавливания из шприца, взвешивали и, не подвергая дополнительным механическим воздействиям (механоактивации), вносили в форму. Для изготовления I серии образцов с помощью металлического штопфера гладилки из шприца брали порцию композитного материала и взвешивали 0,5 г, затем устанавливали на дно полипропиленовой формы и с помощью Г-образного штопфера-гладилки равномерно распределяли по всему дну. Учитывая, что длина образца составляет 45 мм, полимеризацию каждого композитного слоя проводили 3 раза по 20 с по длине полипропиленовой, таким образом, полипропиленовую форму последовательно слой за слоем заполняли композитным материалом и проводили полимеризацию.
Готовый образец извлекали из формы и проводили контрольную полимеризацию со стороны наружных поверхностей. Измерение веса образцов производилось на весах с точность до ±0.01 г, геометрические размеры образцов замерялись электронным штангельциркулем с точностью ±0,01 мм.
II серия - порции композитного материала (0,5 г) отмеряли путем выдавливания из шприца, взвешивали, а затем методом мануального механического воздействия (механоактивации) формировали в виде шариков. Сформированные композитные шарики вносили в форму. Для изготовления II серии образцов с помощью металлического штопфера гладилки из шприца брали порцию композитного материала и взвешивали 0,5 г. Затем композитному материалу (методом механоактивации) при помощи вращательных движений пальцев рук в перчатках в "Sempercare" придавали форму шариков Перчатки "Sempercare" медицинские диагностические одноразовые с текстурированной поверхностью из натурального латекса без пудры.
Далее сформированный композитный шарик устанавливали на дно полипропиленовой формы и с помощью Г-образного штопфера-гладилки равномерно распределяли по всему дну и проводили полимеризацию.
Таким образом, последовательно слой за слоем полипропиленовую форму заполняли композитным материалом. Готовый образец извлекали из формы и проводили контрольную полимеризацию со стороны наружных поверхностей. Далее измеряли вес и уточненные геометрические размеры образцов с точностью ±0,01 мм. При измерении использовали средние арифметические значения длины, толщины и ширины образца.
III серия отличалась от серии II, тем, что из полученных шариков формировали валики (методом механоактивации). Сформированные композитные валики вносили в форму. Для изготовления III серии образцов с помощью металлического штопфера гладилки из шприца брали порцию композитного материала и взвешивали 0,5 г. Затем композитному материалу (методом механоактивации) при помощи вращательных движений пальцев рук в перчатках в "Sempercare" придавали форму шарика, а затем форму валика. Далее сформированный композитный валик устанавливали на дно полипропиленовой формы и с помощью Г-образного штопфера-гладилки равномерно распределяли по всему дну и проводили полимеризацию.
Таким образом, последовательно слой за слоем полипропиленовую форму заполняли композитным материалом. Готовый образец извлекали из формы и проводили контрольную полимеризацию со стороны наружных поверхностей. Далее измеряли вес и уточненные геометрические размеры образцов с точностью ±0,01 мм. При измерении использовали средние арифметические значения длины, толщины и ширины образца.
Каждому образцу присваивали порядковый номер и стрелками указывали направление приложения нагрузки.
Образцы I-III серии подвергались испытаниям на трехточечный статический изгиб при температуре 20 градусов.
Максимальное создаваемое машиной усилие составляет 500 Н.
Результаты сравнения прочностных характеристик при испытаниях на трехточечный статический изгиб композитных образцов I-III серии в зависимости от способа изготовления приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительные результаты силы разрушения на I-III серий образцов изготовленные из микрогибридного композитного материала.
Серия образцов
I-серия
II-серия
III-серия
Способы изготовления образцов
Контрольный образец, изготовленный без применения механоактивации
Опытный образец в виде композитных шариков, изготовленный с применением механоактивации
Опытный образец в виде композитных валиков, изготовленный с применением механоактивации
Предельная нагрузка F<sub>max</sub> [Н]
168,58
178,28
180,92
В результате испытаний на трехточечный статический изгиб композитных образцов, изготовленных из микрогибридного композитного материала, установлено, что при формировании композитного материала в форме шарика (способом механоактивации) предельная нагрузка образца увеличивается на 5,7% по сравнению с контрольными образцами.
При формировании композитного материала в форме валика (методом механоактивации) предельная нагрузка образца увеличивается на 7,3% по сравнению с контрольными образцами (вез валика).
Исследования подтвердили, что мануальный способ механоактивации композитного материала снижает:
- пористость на 30%;
- максимальный размера пор (критические дефекты) на 45%;
- средний размер пор на 3%.
Недостаток способа мануальной механоактивации заключается в том, что придание композитному материалу формы валика в процессе реставрации применяется в основном при восстановлении отсутствующих стенок коронковой части зуба, или при устранения дефектов режущего края зуба. То есть данный способ механоактивации применяется для устранения конкретных дефектов.
Достигаемый при применении известного способа эффект повышения прочности композитной реставрации не достаточен для получения монолитной композитной реставрации (МКР).
Заявляемый способ уменьшения пористости и увеличения прочности композитного материала основан на применении принципиально нового метода его упрочнения за счет вибрационной механоактивации (ВСМ).
При устранении дефектов твердых тканей зуба с применением композитного материла заявленным способом осуществляется вибрационное воздействие на слои композитного материала (вибрационное поверхностное пластическое деформирование). При реализации заявленного способа вибрационному воздействию подвергается каждый последующий слой наносимого композиционного материала перед его полимеризацией.
Вибрационное поверхностное пластическое деформирование - это вибрационное поверхностное пластическое деформирование материала за счет механической вибрации инструмента (ГОСТ 18296-72. Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения).
Авторы изобретения совместно с учеными Московского Государственного Технического Университета им Н.Э. Баумана провели исследования влияния вибрационной механоактивации композитного материала (ВСМ) на прочностные свойства композитного материала с применением методики испытаний, описанной выше.
Исследованию подвергались образцы серии I (контрольные), изготовленные как это описано выше, и образцы серии II, отличающиеся от контрольных образцов тем, что при их изготовлении каждый наносимый слой композитного материала подвергался вибрационному воздействию с частотой колебаний 1000 Гц перед полимеризацией.
Таблица 2
Сравнительные результаты силы разрушения на I-III серий образцов, изготовленных из микрогибридного композитного материала.
Серия образцов
I-серия
II-серия
Способы изготовления образцов
Контрольный образец, изготовленный без применения механоактивации
Опытный образец в виде композитных валиков, изготовленный с применением вибрационной механоактивации
Предельная нагрузка F<sub>max</sub> [Н]
168,58
206,5
В результате испытаний композитных образцов серии I и II на трехточечный статический изгиб было установлено, что у образцов серии II, изготовленных из микрогибридного композитного материала, подвергшегося вибрационному воздействию, предельная нагрузка увеличилась на 22,5% по сравнению с контрольными образцами серии I.
В результате последующих исследований, проведенных совместно с учеными Казанского Федерального Университета КФУ, была установлена взаимозависимость увеличения предельной нагрузки от степени пористости микрогибридного композитного материала.
В образцах серии II, подвергшихся вибрационной механоактивации, по сравнению с контрольными образцами серии I:
- снижена пористость микрогибридного композитного материала на 70%;
- уменьшен максимальный размер пор (критические дефекты) на 45%;
- уменьшен средний размер пор на 3%.
В образцах серии II, подвергшихся вибрационной механоактивации, границы соединения слоев композитного материала отсутствуют.
Преимущества вибрационного способа механоактивации (ВСМ) композитного материала по Меликяну М.Л.:
- увеличивается предельная нагрузка на 22,5% (без введения дополнительных армирующих элементов в композитный материал в процессе реставрации);
- снижается пористость на 70%;
- снижается максимальный размер пор (критические дефекты) на 45%;
- снижается средний размер пор на 3%.
Вибрационный способ механоактивации композитного материала применяется:
- при устранении любых дефектов твердых тканей зуба;
- при прямых, непрямых, армированных и неармированных композитных реставрациях.
Вибрационный способ механоактивация композитного материала обеспечивает:
- постоянное контролируемое усилие вибрационного воздействия реставрационным инструментом на порцию композитного материла и его равномерное распределение по всей поверхности дефекта, повергшейся адгезивной обработке, или по поверхности с ранее нанесенным и полимеризованным композитным слоем;
- ориентированное направление вибрационного воздействия во внутрь обрабатываемой поверхности - перпендикулярно поверхности адгезивного слоя или предыдущего слоя полимеризованного композитного материла;
- эффективное выдавливание воздуха из пор (а не их перераспределение с поверхности ранее нанесенного композитного слоя) и заполнение их композитным материалом;
- существенное уменьшение размеров критических дефектов, что снижает вероятность возникновения сколов композитной реставрации;
- плотное и прочное соединения композитного материала с адгезивным слоем и с каждой последующей порцией нанесенного композитного материала;
- формирование прочной уплотненной монолитной композитной конструкции;
- эффективное краевое прилегания композитного материала к твердым тканям зуба, что способствует снижению микроподтеканий и образования вторичного кариеса.
Вибрационный способ механоактивации композитного материала снижает:
- вероятность возникновения осложнений и увеличивает срок функционирования композитной реставрации;
- ретенцию красителей за счет уменьшения количества и размера открытых тупиковых микропор на поверхности композитной реставрации, что обеспечивает высокую эстетичность композитной реставрации;
- сорбцию воды и образование колоний бактерий;
- вероятность возникновения пор между адгезивным слоем и композитным материалом, а также между слоями композитного материала, так как композитный материал не прилипает к инструменту;
- исключается напряжение мышц руки, возникающее при передачи усилия руки через инструмент на порцию композитного материла.
Применение вибрационного способ механоактивации композитного материала позволяет:
- без напряжения зрения и пальцев рук поводить реставрацию, в том числе в труднодоступных участках реставрируемого зуба;
- сократить время композитной реставрации за счет эффективного прилипания порции композитного материла к адгезивному или композитному слою.
Вибрационный способ механоактивации композитных материалов по Меликяну М.Л. осущестлвяется следующим образом. При устранении дефекта коронковой части зуба или при устранеии осложнений композитной реставрации (II и III степени) используются известные методы послойной рестарации/реконструкции коронковых частей зуба композитными материалами, описанные, в том числе в патентах на изобретения, выданных патентообладателям Меликян М.Л., Меликян Г.М., Меликян К.М. (№2273465, 2331386, 2403886, 2403887). При этом при реализации известных методик послойного нанесения композитных материалов каждый последующий слой наносимого композитного материала перед полимеризацией подвергается вибрационной механоактивации в течение 20 с с частотой колебаний до 1000 Гц. Допустимый уровень вибрации соответствует СанПиН, утвержденным постановлением Госкомсанэпидемнадзора Российской Федерации от 19 января 1996 г., №2.
Для осуществления заявляемого способа используется специальное устройство для вибрационной механоактивации композитного материала.
Устройство содержит рукоятку в виде трубчатого корпуса, на одном или на обоих концах которого неподвижно закреплены один или два рабочих элемента, предназначенных для нанесения порции композитного материала в область дефекта коронковой части зуба и ее распределения по поверхности дефекта посредством вибрационного воздействия. Рабочие элементы аналогины по конструкции рабочему элементу известной штопфера-гладилки.
Трубчатый корпус содержит захватные приспособления для фиксации батарейного источника питания и подсоединенный к источнику питания микродвигатель, который обеспечивает вибрацию. На корпусе размещена кнопка активирующего элемента, при нажатии на которую пользователь приводит в действие источник питания.
Объектом инвариантного исполнения устройства является размещение источника питания и микродвигателя как снаружи трубчатого корпуса, так и внутри трубчатого корпуса.
Для фиксации источника питания и микродвигателя снаружи корпуса в качестве захватного приспособления используется съемный каркас с пальцевыми зажимами. Каркас служит для внутреннего закрепления батарейного источника питания и микродвигателя.
Для исполнения устройства с размещением каркаса внутри трубчатого корпуса во внутренней стене трубчатого корпуса выполнено окно для внутреннего размещения батарейного источника питания и микродвигателя. Каркас фиксируется в прорези окна с натягом.
При этом при внутреннем и внешнем размещении каркаса, каркас выполняет роль крышки, изолирующей батарейный источник питания и микродвигатель от внешней среды. В случае необходимости замены батарейного источника питания каркас снимается, из него извлекается отработанная батарея и устанавливается новая.
Устройство для вибрационной механоактивации композитного материала работает следующим образом.
С помощью рабочего элемента порция композитного материала наносится на поверхность в области дефекта коронковой части зуба.
Посредством кнопки активирующего элемента приводится в действие источник питания, электрически соединенный с микродвигателем. Активированный микродвигатель создает вибрации, которые передаются на рабочий элемент, с помощью которого производится вибрационная механоактивация нанесенного слоя композитного материала. При этом композитный материал под воздействием вибрации распределяется по всей поверхности дефекта и одновременно подвергается поверхностному пластическому деформированию в течение не менее 20 с. Затем с помощью кнопки активирующего элемента источник питания отключается. Устройство возвращается в статическое состояние и готово для нанесения очередной порции композитного материала.
После завершения вибрационного воздействия слой композитного материала, подвергшийся вибрационной механоактивации, полимеризуют стандартным способом.
Затем наносится новая порция композитного материала, которая подвергается вибрационной механоактивации в соответствии с описанной выше процедурой. Операции нанесения порции композитного материала, вибрационного воздействия и полимеризации повторяются до полного восстановления целостности твердых тканей зуба.