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Artículo Original

ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE DIFERENTES TIPOS DE RESINA COMPUESTA

 

COMPARATIVE STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF DIFFERENT TYPES OF COMPOSITE RESIN

 


Paula Alejandra Baldión Elorza1, Deisy Andrea Vaca Hortua2, César Andrés Álvarez Silva3, Diego Alexander Agaton Montes4

1Odontóloga.Especialista en Rehabilitación Oral. Docente Facultad de Odontología, Universidad Nacional de Colombia. Correo. pabaldione@unal.edu.co.
2Odontóloga. Facultad de Odontología, Universidad Nacional de Colombia.
3Odontólogo. Facultad de Odontología, Universidad Nacional de Colombia.
4Odontólogo. Facultad de Odontología, Universidad Nacional de Colombia.

 


Resumen

Objetivo. Determinar, Analizar y Comparar la dureza, módulo elástico y resistencia compresiva de tres resinas compuestas (Microhíbrida: Z-250; Empacable a base de metacrilato: P-60 y Resina a Base de silorano: P-90, 3M).
Métodos. Se confeccionaron 10 probetas en un anillo abierto de 2 mm de altura, para llevar a cabo el ensayo de dureza en un microindentador Vickers. Para las 10 muestras de módulo elástico y resistencia compresiva se utilizó un molde cilíndrico metálico de 5.0 mm de diámetro y 8.0 mm de altura; que fueron probadas en la Maquina Universal de Ensayos Shimadzu A64S 5kN a una velocidad de 1 mm/min, hasta producir la fractura. Los datos se analizaron con la prueba de normalidad de Shapiro Wilk y posteriormente se aplicó la prueba T-Hotelling, con un p<0.5.ç
Resultados. Se encontró diferencia estadísticamente significativa entre la dureza de las tres resinas, siendo mayor la de Z-250. La resistencia compresiva es mayor en la P-90; y el modulo elástico es mayor en la Z250.
Conclusiones. Bajo las condiciones de este estudio se puede concluir que el comportamiento mecánico de las resinas a base de metacrilatos y siloranos está regido por su composición y principalmente por el relleno inorgánico, su tipo, porcentaje, tamaño y tratamiento de las partículas. A mayor porcentaje de relleno inorgánico mayor dureza y a menor tamaño de partícula, menor modulo elástico, propiedades que no deben desligarse para su selección clínica del comportamiento frente a la microfiltración y la contracción de polimerización.

PALABRAS CLAVES. Dureza, resistencia compresiva, módulo elástico, resinas compuestas.


Abstract

Objective. Identify, analyze and compare the hardness, elastic modulus and compressive strength of three composite resins (microhybrid: Z-250; packable methacrylate-based P-60 and Resin-Based silorano: P-90, 3M).
Methods. Ten specimens were prepared in an open ring of 2 mm in height, to carry out testing in a Vickers hardness. For the ten specimens the elastic modulus and compressive strength used a metallic cylindrical mold of 5.0 mm in diameter and 8.0 mm in height were tested in the Shimadzu Universal Testing Machine A64S 5kN at a speed of 1 mm / min to produce fracture. The data were analyzed with the normality test of Shapiro Wilk and then applied the Hotelling T-test, with p<0.5.
Results. We found statistically significant difference between the hardness of the three resins, with a higher Z -250. The compressive strength is greater in the P-90, and the elastic modulus is greater in the Z250.
Conclusions. Under the conditions of this study we can conclude that the mechanical behavior of methacrylate-based resins and siloranos is governed by its composition, and mainly the inorganic filler, its type, percentage, size and treatment of the particles. A higher percentage of inorganic filler harder and smaller particle size, lower elastic modulus, properties that should not be separated for clinical selection of behavior in microfiltration and shrinkage.

KEYWORDS. Hardness, compressive strength, elastic modulus, resin composites.


INTRODUCCION

Desde la década de los 60´s cuando Bowen a partir de monómeros Bis-GMA mejoró las propiedades físicas y mecánicas de las resinas acrílicas, se han presentado numerosos estudios que han aportado al desarrollo de diferentes tipos de resinas compuestas, convirtiéndose éste, en uno de los principales objetos de estudio en materiales dentales (1), intentando día a día mejorar sus características físicas, tanto estéticas como mecánicas, tratando de controlar factores adversos como su contracción de polimerización, inherente a su naturaleza química. Las resinas compuestas son una buena respuesta para la necesidad operatoria estética de los pacientes en la actualidad, pero su adecuado uso en el sector posterior implica adecuadas propiedades mecánicas y manejo de la contracción de polimerización.

Es así, como la casa 3M desarrolló un nuevo sistema de restauración para el sector posterior llamado FiltekTM P90, basados en la química del silorano, utilizando un agente adhesivo exclusivo para el material y garantizando un volumen de contracción menor al 1%. El Silorano, que reemplaza al Bis-GMA, está compuesto por Siloxano y Oxirano, que son moléculas hidrófobas y de baja contracción. Se encuentran pocos reportes en la literatura reciente sobre la comparación de varias propiedades de los nuevos sistemas de polimerización de las resinas compuestas Silorano con las resinas convencionales (2).

Las causas fundamentales de las fallas de las resinas compuestas indicadas para restauraciones posteriores son: la sensibilidad post-operatoria causada como consecuencia del mal manejo de la contracción al polimerizar, microfiltración por deficiencias en el proceso adhesivo, la baja resistencia al desgaste, que trae consigo la pérdida de la forma anatómica bajo la atrición en el proceso masticatorio, fractura de los márgenes y dentro del cuerpo de la restauración(3), y dificultad en el pulido y brillado. El contenido, tamaño y distribución de las partículas de relleno tienen gran influencia en las propiedades físico-mecánicas de estos materiales. La fracción en volumen de los rellenos y el nivel de carga en las resinas está relacionado con la resistencia del material, el módulo elástico, así como con la resistencia a la fractura. La resistencia al desgaste de las resinas compuestas se ha mejorado significativamente con la disminución del tamaño promedio de las partículas y el incremento de la carga de relleno (1).

Durante la polimerización de los metacrilatos, ocurre una conversión de los grupos monómeros en polímeros, uniéndose las unidades monoméricas entre sí por medio de enlaces covalentes, que generalmente no alcanza el 100% de conversión. La contracción volumétrica que sufre la resina a base de metacrilato durante el curado oscila entre el 1,35 y el 7,1%, dependiendo la cantidad de matriz orgánica (monómero), el volumen y tamaño del relleno inorgánico, el grado de conversión y el factor cavitario, teniendo en cuenta que a mayor volumen de material fotopolimerizado será mayor el porcentaje de contracción, de momento sigue siendo aceptado 2mm como el grosor máximo de material a fotopolimerizar , tanto por contracción como por asegurar una profundidad de curado completa del material (4).

El proceso de polimerización de los siloranos ocurre a través de una reacción de apertura de anillo catiónica que resulta en una menor contracción de polimerización, comparado con las resinas basadas en metacrilato que se polimerizan a través de una reacción de adición de sus enlaces dobles (2).

Además de la contracción, se busca un material cuyas propiedades mecánicas sean similares a las de la estructura dental para poder garantizar una restauración que responda a las necesidades físicas del sistema estomatognático, añadiendo además, la importancia de la biocompatibilidad y la estética, temas cuya importancia se ha multiplicado en los últimos años y que requiere evaluación investigativa constante de los materiales de reciente lanzamiento en el mercado y con innovación química. Las características de éstas nos permiten clasificarlas, compararlas e indicarlas para diferentes usos. El objetivo del presente estudio es medir bajo los estándares de normas técnicas el módulo elástico, la dureza y la resistencia compresiva de la resina Silorano P90®, la resina microhíbrida Z250® y la resina de alta densidad P60® de la casa comercial 3M, para poder valorar su comportamiento frente a los esfuerzos a los que puede estar sometida una restauración sobretodo en dientes posteriores y así mismo, se quiso comparar los valores obtenidos entre cada uno de los grupos para analizar su comportamiento mecánico, y si existía o no correlación entre las diferentes propiedades mecánicas.


MATERIALES Y METODOS

Se realizó un estudio de tipo experimental cuantitativo, para la medición y comparación de las propiedades mecánicas de las tres resinas compuestas. Se midieron las variables Dureza, Resistencia Compresiva y Módulo Elástico.

Dureza. Se fabricaron diez probetas de cada material: Filtek Z250, Filtek P60 y Filtek P90 (3M ESPE), utilizando un color estándar (B2). El material polimérico fue compactado en un anillo abierto a 2 mm de altura, de acuerdo a las instrucciones del fabricante, Se cubrió el anillo de metal con una sección de la película de poliéster dejando ligero exceso, para evitar la formación de burbujas y se polimerizó con lámpara de luz halógena a una intensidad de 600 mW/cm2, durante 40 segundos. Se retiraron las probetas de ensayo del anillo y se les realizó un pulido y brillado a espejo con lijas y felpas, excluyendo las muestras que tuvieran defectos de superficie. Las seleccionadas para el ensayo se almacenaron en agua destilada a (37 +/- 1)°C en el Hygrobatt durante 24 horas y se llevó a cabo el ensayo de dureza de acuerdo con la norma ISO 6507-2 (5). Para la prueba de dureza se utilizó un sistema de micro-indentación con un indentador de diamante vickers el cual consta de una pirámide de 136°; ésta penetro el material con una carga de 200 gr a una velocidad de 20 seg. El indentador produjo una indentación cuadrada cuyas diagonales se midieron para determinar el número de dureza vickers de cada muestra. Se realizaron tres indentaciones en la muestra siguiendo una línea imaginaria horizontal con una distancia aproximada de 1 mm entre una y otra indentación y se promediaron para determinar la dureza de cada probeta (5).

Resistencia Compresiva y Módulo Elástico. Se prepararon 10 especímenes de cada resina del mismo color (B2), utilizando un molde cilíndrico metálico de 5.0 mm de diámetro x 8.0 mm de longitud. El material fue manipulado de la misma forma que para las probetas de la prueba de dureza, aunque la condensación fue realizada en varios incrementos de máximo 2 mm y fueron polimerizadas también lateralmente luego de ser extraídas del molde. Los cilindros se almacenaron en agua destilada a (37 +/- 1)°C en el Hygrobath durante 24 horas, para luego realizar las pruebas en la Maquina Universal de Ensayos Shimadzu A64S 5kN en donde se calibraron y se midieron las probetas y fueron montadas para poder aplicarles una fuerza compresiva a una velocidad de 1 mm/min, hasta obtener la fractura del espécimen (5,6). El momento de la fractura fue detectado por la máquina arrojando instantáneamente el valor de la fuerza soportada por el material.

La medición del Modulo Elástico se realizó por medio del mismo ensayo de compresión midiendo la deformación bajo el esfuerzo compresivo hasta el límite elástico.

Se realizó la prueba de normalidad de Shapiro-Wilk para definir la pertinencia de analizar los datos mediante estadígrafos paramétricos. Se aplicaron medidas de tendencia central (media y desviación standard) para resumir la presentación de los datos por grupo y corroborar su distribución normal. Para el análisis estadístico de los datos, se utilizó la prueba T-Hotelling de igualdad de medias para observar las similitudes o diferencias entre las propiedades de las diferentes resinas. Los datos fueron analizaron, con el empleo del paquete estadístico SPSS.

 

RESULTADOS

En la prueba de dureza se encontró diferencia estadísticamente significativa con un p< 0.315, de los valores medios de dureza, siendo mayor el de la resina Z250. Al comparar las resinas P60 con P90, se observa que hay diferencia estadísticamente significativa siendo mayor la dureza de la resina P60.
La resina P90 obtuvo el menor valor de dureza. En cuanto a la resistencia compresiva se encontró que, existe diferencia estadísticamente significativa con un p< 0.2299, entre la resistencia compresiva de la P90 que fue mayor a la de la Z250 y P60; mientras que al comparar las resinas Z250 con P60, no se halló diferencia estadística. En la prueba de módulo elástico al comparar las resinas Z250 con P60 y P90, se encontró diferencia estadísticamente significativa p< 0.5886 en los valores, siendo mayor el de la Z250. A su vez, no hay diferencia estadísticamente significativa al comparar las resinas P60 y P90. (Tabla 1)

Correlación de las propiedades de las resinas. Para analizar la relación entre las propiedades de cada resina se utilizó una matriz de correlación. Para la resina Z250, se encontró una correlación directa entre la resistencia compresiva y la dureza con un valor de 68%; mientras que el modulo elástico y la dureza se relacionan inversamente, es decir, a mayor dureza menor módulo elástico. En la resina P60 se puede ver una alta correlación entre resistencia compresiva, módulo elástico y dureza de manera directa. La correlación entre la dureza y la resistencia compresiva es del 97%, mucho mayor que la encontrada en la Z250. Para la resina P90 se encontró una correlación inversa entre el modulo elástico y la resistencia compresiva donde a menor modulo elástico aumenta la resistencia compresiva y se encontró baja correlación entre su resistencia compresiva y su dureza, solo obtuvo un 30%.

 

DISCUSION

Este estudio tuvo como objetivo medir propiedades mecánicas importantes en tres tipos diferentes de resinas compuestas que están indicadas como material de restauración para dientes posteriores.

En primera instancia, se determinó la dureza, que es útil para analizar la resistencia a la indentación de la resina, que puede relacionarse con su resistencia al desgaste y su capacidad de pulido y brillado; en segundo lugar, se determinó la resistencia compresiva que sirve para medir el comportamiento del material polimérico frente a esfuerzos de compresión, que son altamente representativos en el sector posterior durante el cierre mandibular y los movimientos masticatorios; y por último, el módulo elástico para observar el comportamiento elástico o deformación del material frente a una tensión, punto fundamental para correlacionar con la capacidad de disipación de esfuerzos y el comportamiento frente al estrés de contracción generado durante la polimerización en la interfase adhesiva.

La fase experimental de la metodología fue realizada según las normas ISO establecidas para materiales poliméricos, ya que es importante estandarizar cada paso para que sean más relevantes los resultados obtenidos. Una dificultad en la medición de la indentación en la superficie durante la prueba de dureza Vickers, se debe a que las partículas de relleno expuestas sobre la sección o el espécimen causan reflexión de la luz. Consecuentemente, para la rutina de prueba, la indentación se hace generalmente sobre una superficie polimerizada, lisa, tersa y brillante (7). Por lo tanto, de acuerdo con la literatura; en este estudio, la preparación de la superficie luego de la polimerización, se realizó con pulido y brillado a espejo, para retirar una posible capa inhibida que generaría menor dureza y bajo grado de conversión, paso que contribuye a lograr mejor contraste y reflectancia en el analizador de imágenes al observar la indentación realizada con el durímetro.

Wen Lien, et al (8), afirmaron que aumentando el contenido volumétrico de partículas inorgánicas, y modificando el tipo, la química, la morfología y el tamaño de la partícula se puede generar un aumento en la dureza, y que un grado de conversión elevado de los compuestos a base de metacrilato, es directamente proporcional al aumento de la dureza superficial, al igual que lo encontrado por Baldión, et al (9). Bajo las condiciones de este estudio la dureza de la resina microhíbrida Z250 fue mayor que la de la P60 y la P90, quizá debido a su mayor tamaño promedio de las partículas de relleno inorgánico, y al tipo de partícula constituida por sílice amorfa, que puede comportarse diferente a las partículas de cuarzo cristalino que se encuentran en la resina P90 (7). Según Peutzfield (10), el cuarzo tiene la ventaja de ser químicamente inerte, pero es difícil su trituración para producir partículas finas. Esto hace que los compuestos que contienen cuarzo sean más difíciles de pulir y pueden causar mayor abrasión en los dientes o restauraciones antagonistas.

Se han reportado muchos factores que influyen en la extensión y rata de desgaste de una estructura en cavidad oral (11). Las variables que se deben tomar en cuenta incluyen: la estructura y dureza del material, el área de la faceta, la duración del contacto dental, la velocidad relativa de las fuerzas opuestas, la temperatura, la carga, el pH y la presencia de lubricante que se encuentra entre las superficies de rozamiento, que en este caso sería la saliva (11).

En el presente estudio la resina Z250 obtuvo una dureza vickers mayor que las otras dos resinas, por lo que se podría inferir que, tendría una tasa de desgaste menor frente a fuerzas masticatorias; sin embargo, este comportamiento sigue siendo dependiente de los demás factores asociados antes mencionados.

Si se compara la dureza obtenida para las tres resinas con reportes de la literatura de la dureza superficial del esmalte, el valor de la Z250 que fue de 302.6 y el de la P60 que fue de 246.8, son similares a los valores de dureza reportados por diferentes autores para el esmalte dental. Según los estudios de Radlanski et al (12), la dureza Vickers en el esmalte superficial oclusal está entre 270 y 280, y en la unión dentina-esmalte de 200 a 220. El valor de microdureza Knoop para el esmalte, según Craig R (13) es de 343, siendo mayor que lo reportado con la prueba de microdureza Vickers y recientemente, se realiza de manera más significativa la medición de la nanodureza con puntas indentadoras de menor diámetro; para el esmalte se han encontrado valores de 310 a 340 MPa (14). Quizá también pueda inferirse que, a mayor dureza del material, el pulido y brillado de la restauración se dificulta sobre todo por su relación marcada con el contenido y tamaño de partícula, y aunque este no sea un punto crucial en dientes posteriores, si se podría esperar mejor textura superficial en la resina P90 por su valor de dureza más bajo.

En cuanto a la resistencia compresiva esta fue mayor en la P90. Esto puede deberse al comportamiento de partículas de relleno inorgánico que presentan menor tamaño (0,4um) comparado al de la Z250 y P60 (0.6um), lo que aumenta la posibilidad de agregar mayor cantidad de partículas de relleno logrando un 76% de volumen de carga comparado a un 60% y 62% respectivamente de las otras dos resinas. Autores como Wen Lien, et al (8) aseguran que el comportamiento de la resistencia frente a esfuerzos depende en gran medida de la matriz, el relleno inorgánico y el agente acoplador entre la matriz y el relleno.

Una característica importante observada en el comportamiento de las resinas compuestas es la capacidad de la capa de silano para canalizar los flujos de carga y disipar las tensiones de las redes de polímero flexible y compatible. Si no hay una adecuada zona de amortiguación formada por el acoplamiento de silano entre el relleno y la matriz, el fracaso tendrá lugar en la interfase. La evidencia sugiere que para metacrilatos convencionales, el agente de acoplamiento junto al relleno y la matriz, le confiere propiedades importantes al material. Así, se podrían atribuir los resultados de este estudio a que las partículas de P90 son silanizadas dentro de la matriz de relleno, mientras que la de la P60 no tiene el tratamiento de silano haciéndola menos resistente frente a esfuerzos compresivos.

El valor del módulo elástico, representa la rigidez del material dentro de un intervalo de elasticidad. A menor deformación bajo cargas, mayor será el módulo elástico (13). Cuanto más intensas son las fuerzas intermoleculares del material más grandes son las fuerzas básicas de atracción, y el módulo elástico se eleva.

Para un material isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo, siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, o deformación elástica (15); de allí, que en el presente estudio se utilizara el ensayo de resistencia compresiva para evaluar el módulo elástico. Al aplicar la ley de elasticidad de Hooke, que establece que la deformación unitaria que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada, y esta fuerza externa causa un esfuerzo o tensión interna que produce la deformación del mismo (16); se fundamenta la necesidad de correlacionar la medición del módulo elástico con el estrés de contracción.

El esfuerzo generado es un producto entre el cambio dimensional y el valor del módulo elástico, donde el cambio dimensional es la medida en porcentaje de contracción de una resina compuesta, multiplicado por el módulo elástico que está determinado por la rigidez del material; de ahí que no sólo sea importante el porcentaje de contracción de la resina, sino también, la capacidad de deformación de la misma al aplicar la fuerza, que en este caso sería la consecuencia de la fotopolimerización (17,18). Hay muchos factores que influyen en el estrés de contracción de una restauración en resina compuesta éstos son: la geometría de la cavidad, teniendo en cuenta el factor de configuración cavitario y el tamaño de la misma; en segundo lugar, la técnica de aplicación utilizada por el operador que depende de los incrementos, su espesor y disposición, y la intensidad de la luz; y por último, el material per se, con los dos factores ya mencionados que son el porcentaje de contracción y su módulo elástico (17).

Desde ese punto de vista, en este estudio se pudo determinar que el módulo elástico mayor de las resinas a base de metacrilato también puede ser un factor negativo para el estrés de contracción, adicional a su alto porcentaje de contracción por su naturaleza química; y que la resina P90 a base de silorano además de tener un bajo porcentaje de contracción, según lo reportan sus fabricantes, también se encontró que presenta un bajo módulo elástico, lo que puede favorecer en gran medida la disminución del estrés de contracción.

El modulo elástico menor en la resina P90 se puede relacionar directamente con el tamaño de partícula promedio más pequeño comparado al de la Z250, y adicionalmente, autores como Eick et al (4), aseguran que su composición inorgánica influye en su comportamiento al constituirse por partículas de cuarzo orientadas como en un sólido cristalino, interconectadas con SiO4 tetrahédrico y clasificado como tectosilicato, a diferencia de las otras dos resinas que poseen partículas de vidrio a base de sílica y su estructura es amorfa de orientación no cristalina. La resina Z250 además de sílice, posee relleno de partículas de zirconio (8), obteniendo como consecuencia diferente tipo de relleno inorgánico con mayor tamaño y cantidad por fracción de volumen.
Algunos autores explican que, en la resina P90 aún no está claro cómo la dinámica molecular del relleno y la matriz, y la configuración espacial de sus enlaces químicos entre los átomos de SiO4 puede dictar la rigidez de la materia macroscópica e influir en las propiedades del material, tales como resistencia a la flexión y módulo de flexión (2,8), por lo que aún quedan muchos estudios por realizar.

 

CONCLUSIONES

Bajo las condiciones de este estudio se puede concluir que:
1. La resina compuesta FILTEK Z250 tuvo una dureza y un módulo elástico estadísticamente mayor que la resina FILTEK P60 y FILTEK P90.
2. La resina compuesta FILTEK P90 tuvo una resistencia compresiva estadísticamente mayor que la resina FILTEK P60 y FILTEK Z250
3. Para la resina compuesta FILTEK P60 se encontró una alta correlación entre la resistencia compresiva, el módulo elástico y la dureza de manera directa
4. Para la resina Z250, se encontró una correlación directa entre la resistencia compresiva y la dureza; mientras que el modulo elástico y la dureza se relacionan inversamente
5. Para la resina P90 se encontró una correlación inversa entre el módulo elástico y la resistencia compresiva y se encontró baja correlación entre la resistencia compresiva y la dureza.

AGRADECIMIENTOS

A la Facultad de Odontología de la Universidad Nacional de Colombia por su apoyo financiero para la elaboración de este estudio dentro de la Convocatoria Interna de la Facultad, Año 2009.

 

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