Развитие современной науки в любой области невозможно представить себе без использования нанотехнологий. Термин «нанотехнологии» подразумевает область в прикладной науке и технике, имеющую дело с объектами, достигающими размера не более 100 нанометров. Изначально этот термин встречался только в квантовой физике и электронике, в наше время он проник и в другие отрасли – медицину, химическую промышленность, фармацию и др. Стоматология также не осталась в стороне.
Одно из основных направлений развития инноваций в стоматологии – разработка и создание новых материалов, совмещающих в себе как физические характеристики, такие как прочность и износостойкость, так и эстетические. В настоящее время существует ряд научных работ, нашедших практическое внедрение, посвященных моделированию свойств материалов, применяемых для пломбирования, восстановления зубной эмали и создания покрытий для имплантов [3].
Чрезвычайно актуальным в настоящее время является создание композитного материала без полимеризационной усадки. Но это не самый важный и совсем не единственный критерий. Реставрационный материал должен соответствовать максимальному количеству требований. Прежде всего, наполнитель не должен быть слабым звеном в цепи требований, поскольку он в конечном итоге и определяет качество композита. Поэтому измеряют прочность на изгиб, модуль упругости, поверхностную твердость, абразию, усадку, тепловое расширение и многие другие параметры с целью их оптимизации. [6].
Еще одной актуальной проблемой стоматологии, где важно использование полимерных покрытий с определенными свойствами является поиск оптимальных покрытий для коронок. Материал, применяемый для их изготовления – оксид циркона, которому присуща высокая твердость, не обладает достаточной эстетичностью и способствует патологическому истиранию зубов-антагонистов. В связи с этим становиться необходимым использование материалов для покрытия.
При этом уделяется внимание таким характеристикам новых композитов, как форма и размер частиц, упругость, контактная вязкость, вязкость разрушения, пластичность, усталость и др. [4].
Целью настоящей работы явилось информационно-аналитическое исследование актуальности изучения физико-механических и других свойств материалов, применяемых в стоматологии сиспользованием метода сканирующей зондовой микроскопии.
Прежде всего, необходимо дать определения и рассмотреть взаимосвязь ряда наиболее важных характеристик материалов, применяемых в стоматологии.
Твёрдость – это способность пела сопротивляться внедрению в него другого тела, более твёрдого. В настоящее время твердость материала чаще определяют по методикам Виккерса или Бринелля, суть которых состоит в том, что в испытуемый материал специальным прессом вдавливают четырёхгранные алмазные пирамиды или стандартные шарики. по величине отпечатка на испытуемой поверхности судят о твёрдости материала. Результат называют числом твёрдости и обозначают через НВ или в килограмм/силах на один квадратный миллиметр (кгс/мм2).
Твёрдость в различных ситуациях может выступать как положительное свойство, позволяющее пользоваться протезом длительное время, но нередко проявляется и с отрицательной стороны. Например, фарфоровые зубы, имея твёрдость в два раза больше твёрдости эмали зуба, вызывают повышенное стирание естественных зубов – антагонистов. Детали протеза, изготовленные из кобальтохромового сплава, содержащего в своём составе много исключительно твёрдого хрома, с трудом поддаются незначительной обработке и механической полировке.
Прочность – это способность материала сопротивляться действию внешней силы, постепенно возрастающей и стремящейся его разорвать. Прочность определяют делением величины нагрузки на значение площади поперечного сечения испытуемого образца. Прочность обозначают в килограмм/силах на один квадратный миллиметр (кгс/мм). Хорошие прочностные свойства – одно из основных требований к материалу.
Вязкость – это способность материала удлиняться, вытягиваться под действием внешней силы, постепенно возрастающей и стремящейся материал растянуть. Отношение добавленной в результате растяжения длины к первоначальной длине называется относительным удлинением. Оно выражается в процентах. Железо способно удлиняться на 50 %, золото на 45 %, а твёрдый хром только на 6 %. Вещества, не обладающие вязкостью (висмут, сурьма, чугун, фарфор и др.), относятся к хрупким материалам.
Упругость – это способность материала изменять форму под действием давления, а после прекращения давления возвращаться в исходное, первоначальное состояние. Максимальная нагрузка, при которой материал ещё способен восстановить форму и размеры, называется пределом упругости. Если нагрузка превысит предел упругости, а тело не возвратится в первоначальное положение, говорят об остаточной деформации. Остаточная деформация крайне нежелательна в пружинящих элементах протезов и аппаратов. На упругость материала можно влиять, изменяя её специальными приёмами.
Прочность на изгиб и модуль упругости (модуль Юнга) тесно связаны между собой. Прочность на изгиб указывает, при какой величине приложенной силы испытуемый образец разрывается. Модуль упругости характеризует при этом, насколько сильно деформируется материал перед разрывом при нагрузке. Под нагрузкой зуб деформируется минимально, следовательно, реставрация должна деформироваться подобно зубу. Следует заметить, что высокая прочность на изгиб не будет гарантом долговечности без высоких показателей модуля упругости. Но слишком высокий модуль упругости может вызвать «перфорирование» расположенного ниже дентина.
Модуль упругости самых совершенных композитов приближается к модулю упругости дентина, но никоим образом не выше. Большинство композитных материалов более упругие, чем твердые ткани зуба [7]. Высокая прочность композитов на изгиб позволяет им выдерживать высокие нагрузки. Но при этом возникают горизонтальные растягивающие силы в окклюзионной области и их распространение внутрь. Это может стать причиной откола реставрации при тонких стенках полости. Данный пример демонстрирует, насколько большое влияние на долговечность реставрации invivo оказывает сложение сил. Следующие примеры – значение коэффициента теплового расширения и полимеризационной усадки при установке пломбы. Высокая усадка становится причиной внутренних напряжений в зубе, повышения чувствительности и нарушения краевого прилегания, ведущего в конечном итоге к развитию вторичного кариеса. Подобные феномены могут быть вызаны тепловым расширением. Композит должен быть в состоянии принимать большую нагрузку не только при жевании, но и при изменении температуры. Известно, что некоторые материалы при высокой температуре расширяются, а при низкой сужаются. Подобное происходит и с зубом. Физический параметр, который характеризует изменение объема при изменении температуры материала, называется коэффициентом теплового расширения α [6]. Даже если эти объемные изменения измеряются в микрометрах, они могут иметь фатальные последствия. Коэффициент теплового расширения композита, приближенный к зубу, также важен, как и полимеризационная усадка. Оба параметра тесно взаимосвязаны в оценке клинической эффективности композита[4].
Еще один пример, наглядно подтверждающий необходимость комплексных исследований свойств композитов. Качество поверхности композита имеет важное значение не только с точки зрения эстетики. Поверхность композитной реставрации не должна создавать более благоприятные условия для колонизации бактерий, чем живой зуб. по этой причине проводятся исследования колонизации поверхности композита Streptococcusmutans [6]. На интенсивность развития бактериальной флоры оказывает влияние наличие микротрещин, углублений и выпуклостей, что делает необходимым также изучение рельефа используемого материала.
Механические измерения составляют основную часть исследований композитов и покрытий для стоматологических коронок. Изготовители оценивают свои новые разработки с другими материалами. по возможности для этого используют международные стандарты и методы измерения. Однако, многие измерительные приборы изначально были разработаны вовсе не для стоматологических исследований, а для изучения материалов с молекулярно-однородной структурой (металл). А композит – полимер, наполненный частицами различного размера.
В связи с этим, есть большая вероятность получения не совсем достоверных результатов. Поэтому актуальной задачей является поиск более совершенных и адекватных методов анализа материалов, применяемых в стоматологии. Одним из методов определения функциональных свойств специальных тонких покрытий является метод наноиндентирования (ISO 14577), который можно осуществить при помощи современного прибора, позволяющего анализировать физико-механические свойства, такого как сканирующий нанотвердомер «НаноСкан–3D» (рис.1). Этот метод можно считать условно неразрушающим, поскольку глубина погружения индентора при испытаниях незначительна [8].
Результаты изучения свойств стоматологических материалов имеют не только теоретическое, но и непосредственно практическое значение, связанное с регулированием свойств путем изменения состава материалов и разработкой оптимальных методов и технологий применения материалов в различных областях стоматологии.
НаноСкан – это сканирующий силовой микроскоп, работающий на открытом воздухе в жестком контактном режиме. Главными отличиями данного прибора от других подобных устройств является высокая жесткость (6×104 Н/м) керамического кантилевера и использование в качестве индентора алмазной пирамиды или ультратвердого фулерита. Это позволяет не только получать информацию о топографии поверхности, но также в режиме жесткого контакта оценить твердость и модуль упругости сверхтвердых материалов, в том числе и алмаза, и покрытий. Измерительная система НаноСкан позволяет проводить измерение топографии и измерение карт механических свойств поверхностей на одном участке поверхности. Это дает возможность сравнивать топографию и распределение механических свойств. Благодаря высокой изгибной жесткости консоли зонда и применению игл из твердых материалов НаноСкан позволяет проводить индентирование и царапание поверхности. Индентирование проводится путем нагружения иглы в определенной точке поверхности. Царапание осуществляется путем нагружения, аналогично индентированию, и последующего горизонтального перемещения индентора под нагрузкой. Размер отпечатка или царапины определяется путем сканирования рельефа до и после индентирования. Кроме того, НаноСкан позволяет осуществлять измерение твердости. Определение твердости основано на методе сравнительной склерометрии, когда царапина наносится поочередно на изучаемый материал и эталон, твердость которого известна. Анализ царапины заключается в измерении ее средней ширины при определенной нагрузке [1,7].
Основное преимущество «НаноСкан-3D» – многопрофильность измерений, доступных в рамках одного прибора. На его базе предложен метод определения износостойкости материала, основанный на перемещении наконечника вдоль поверхности с постоянным контролем нормальной силы прижима к ней и измерением зависимости углубления наконечника в материал от времени [5].
Для измерения величины нанотвердости и модуля Юнга покрытий на приборе «НаноСкан» к образцам и покрытию предъявляются определенные требования: класс шероховатости образцов, должен быть не хуже 12 – 14 класса; глубина погружения индентора (77 нм) должна быть не более 10 % толщины покрытия. С этой целью в качестве подложек для покрытий можно использовать, например, образцы из кремния и ситалла СТ50 (14 класс шероховатости) [2].
Пример результата исследований образца покрытиязащитного покрытия, полученного на приборе «Наноскан 3D», представлено на рис. 2.
Рис. 1. Прибор «Наноскан 3D»
Рис. 2. Пример изображения защитного покрытия, полученного на приборе «Наноскан 3D»: a – изображение рельефа, б – карта распределения модуля упругости
Выводы:
1. Важными характеристиками, определяющими качество материалов, используемых в стоматологии являются как форма и размер частиц, упругость, твердость, прочность, контактная вязкость, вязкость разрушения, пластичность, усталость и др.
2. Для того, чтобы проводить адекватные сравнения материалов между собой, необходимо унифицировать методики определения вышеперечисленных характеристик.
3. Многие измерительные приборы были разработаны для изучения материалов с молекулярно-однородной структурой и не подходят для композитов, применяемых в стоматологии.
4. Перспективным методом определения функциональных свойств тонких покрытий является метод наноиндентирования, который успешно осуществим при помощи современного прибора, позволяющего анализировать физико-механические свойства, такого как сканирующий нанотвердомер«НаноСкан – 3D».