Functional capabilities of ceramic nanostructures used for reinforcement of polymer structural materials for dental purposes

Abstract

Objective. To present biomechanical substantiation of the possibility of using a post-resection obturator prosthesis made of polyamide thermoinjection material, dispersion-reinforced with nanostructured titanium dioxide.

Materials and methods. The biomechanical method of mathematical modeling was applied in the work. The construction of the calculated finite element model included: determination of the mechanical properties of materials; construction of a geometric model; creation of a finite element grid; setting the boundary conditions of force effects.

Results. Preliminary studies of the physical and mechanical characteristics of reinforced polyamide showed an increase in maximum stresses and Ung's modulus by 8,4 % and 7,2 %, respectively, which corresponds to the standards of ISO 1567: 1999. The results of biomechanical calculations of the strength of the elements of the prosthesis-obturator are the following: the level of maximum stresses within the strength indicators under horizontal load is 45,25 MPa, under vertical load (equivalent stress value) – 30,88 MPa, maximum stresses in the contact area with the occlusal pad – 35,00 MPa, deformations determined in the load area – 0,001, and the presence of retaining clasps distributes stresses on the surface of the supporting tooth and reduces them by 11 %. These facts determine a sufficient stability and good fixation of the post-resection prosthesis.

Conclusions. Based on the results of physical and mechanical studies of the maxillary prosthesis-obturator made of thermo-injection polyamide reinforced with nanoscale titanium dioxide, the necessary strength characteristics and structures were determined, that indicates the prospects for its clinical application in the practice of an orthopedic dentist for the treatment of patients with acquired defects of the jaw bones.

Keywords

defect of upper jaw / jaw prosthesis / biomechanical calculation / polyamide base material / ceramic materials based on zirconium dioxide / titanium dioxide

References

[1] Gileva O.S., Libik T.V., Kazanceva E.V., Kodzaeva E.S. Assessment of the level of oncological alertness in the system of oncostomatological prevention. Dental Fo-rum 2019; 4: 28–29 (in Russian).

[2] Гилева О.С., Либик Т.В., Казанцева Е.В., Кодзаева Э.С. Оценка уровня онкологической настороженности в системе онкостоматологической профилактики. Dental Forum 2019; 4: 28–29.

[3] Epifanova S.A., Polyakov A.P., Rebrikova I.V., Dorohin D.V., SHapran S.O. Postoperative defects of the upper jaw. Vestnik Nacional'nogo mediko-hirurgicheskogo Centra im. N.I. Pirogova 2018; 13 (4): 132–136 (in Russian).

[4] Епифанова С.А., Поляков А.П., Ребрикова И.В., Дорохин Д.В., Шапран С.О. Послеоперационные дефекты верхней челюсти. Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н.И. Пирогова 2018; 13 (4): 132–136.

[5] Halyavina I.N., Gileva O.S., Libik T.V., Koshkin S.V., Kuklina E.A., Kuklin N.S. Evaluation of the effectiveness of complex dental rehabilitation of patients with certain forms of oral precancerous. Endodontiya Today 2019; 17 (3): 13–16 (in Russian).

[6] Халявина И.Н., Гилева О.С., Либик Т.В., Кошкин С.В., Куклина Е.А., Куклин Н.С. Оценка эффективности комплексной стоматологической реабилитации пациентов с отдельными формами предрака полости рта. Эндодонтия Today 2019; 17 (3): 13–16.

[7] SHulyatnikova O.A. Optimization of the orthopedic stage of treatment in complex specialized care for patients with defects of the maxillofacial region. Rossijskij stomatologicheskij zhurnal 2016; 2: 94–98 (in Russian).

[8] Шулятникова О.А. Оптимизация ортопедического этапа лечения в комплексной специализированной помощи пациентам с дефектами челюстно-лицевой области. Российский стоматологический журнал 2016; 2: 94–98.

[9] Treatment of patients with jaw bone defects. Pod red. F.I. Kislyh, G.I. Rogozhnikov, M.D. Kacnel'son. Moscow: Medicinskaya kniga 2006; 196 (in Russian).

[10] Лечение больных с дефектами челюстных костей. Под ред. Ф.И. Кислых, Г.И. Рогожников, М.Д. Кацнельсон. М.: Медицинская книга 2006; 196.

[11] Lebedenko I. YU. Modern domestic materials for metal-free dentures. Stomatologiya 2017; 1 (96): 60–62 (in Russian).

[12] Лебеденко И.Ю. Современные отечественные материалы для безметалловых зубных протезов. Стоматология 2017; 1 (96): 60–62.

[13] Lebedenko I. YU., Nazaryan R.G., Romankova N.V., Maksimov G.V., Vuraki N.K. Comparative analysis of modern methods of manufacturing bridge-shaped dentures based on zirconium dioxide. Rossijskij stomatologicheskij zhurnal 2015; 19 (2): 6–9 (in Russian).

[14] Лебеденко И.Ю., Назарян Р.Г., Романкова Н.В., Максимов Г.В., Вураки Н.К. Сопоставительный анализ современных методов изготовления мостовидных зубных протезов на основе диоксида циркония. Российский стоматологический журнал 2015; 19 (2): 6–9.

[15] Rogozhnikov A.G., Gileva O.S., Hanov A.M., SHulyatnikova O.A., Rogozhnikov G.I., P'yankova E.S. The use of digital technologies for the manufacture of zirconium dioxide dentures, taking into account the individual parameters of the dental system of the patient. Rossijskij stomatologicheskij zhurnal 2015; 1: 46–51 (in Russian).

[16] Рогожников А.Г., Гилева О.С., Ханов А.М., Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Пьянкова Е.С. Применение цифровых технологий для изготовления диоксидциркониевых зубных протезов с учетом индивидуальных параметров зубочелюстной системы пациента. Российский стоматологический журнал 2015; 1: 46–51.

[17] Oxides of titanium, cerium, zirconium, yttrium, aluminum. Properties, application and methods of obtaining. Pod red. З.Р. Ismagilov, V.V. Kuznecov, L.B. Ohlopkova Novosibirsk: Izd-vo SO RAN 2010; 246 (in Russian).

[18] Оксиды титана, церия, циркония, иттрия, алюминия. Свойства, применение и методы получения. Под ред. З.Р. Исмагилов, В.В. Кузнецов, Л.Б. Охлопкова Новосибирск: Изд-во СО РАН 2010; 246.

[19] Porozova S.E., Gurov A.A., Kamenschikov O. Yu., Shuliatnikova O.A., Rogozhnikov G.I. Study of a Nanostructured Anatase Coating on the Rutile Surface. Russian journal of non-ferrous metals 2019; 60 (2): 194–199 (in Russian).

[20] Porozova S.E., Gurov A.A., Kamenschikov O. Yu., Shuliatnikova O.A., Rogozhnikov G.I. Study of a Nanostructured Anatase Coating on the Rutile Surface. Russian journal of non-ferrous metals 2019; 60 (2): 194–199.

[21] Porozova S.E., Rogozhnikov A.G., SHokov V.O., Pozdeeva T. YU. Optimization of conditions for obtaining zirconium dioxide nanopowders by sol-gel method. Novye ogneupory 2020; (11): 38–43 (in Russian).

[22] Порозова С.Е., Рогожников А.Г., Шоков В.О., Поздеева Т.Ю. Оптимизация условий получения нанопорошков диоксида циркония по золь-гель методу. Новые огнеупоры 2020; (11): 38–43.

[23] Rogozhnikov A.G. Method of preparation and physico-mechanical testing of domestic ceramic materials based on zirconium dioxide from nanostructured powders. Ural'skij medicinskij zhurnal 2015; 133 (10): 113–119 (in Russian).

[24] Рогожников А.Г. Способ получения и физико-механические испытания отечественных керамических материалов на основе диоксида циркония из наноструктурированных порошков. Уральский медицинский журнал 2015; 133 (10): 113–119.

[25] Rogozhnikov A.G. Biological properties of modified zirconium dioxide granules (according to experimental studies). Problemy stomatologii 2015; 11 (3–4): 49–56 (in Russian).

[26] Рогожников А.Г. Биологические свойства модифицированных гранул диоксида циркония (по данным экспериментальных исследований). Проблемы стоматологии 2015; 11 (3–4): 49–56.

[27] ZHoludev S.E., Ivlev YU.N. Aesthetic and biomechanical approach to the production of individual pin structures. Sbornik trudov vserossijskoj V nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. Kirov 2021: 70–72 (in Russian).

[28] Жолудев С.Е., Ивлев Ю.Н. Эстетический и биомеханический подход к изготовлению индивидуальных штифтовых конструкций. Сборник трудов всероссийской V научно-практической конференции с международным участием. Киров 2021; 70–72.

[29] Nyashin YU. I., Rogozhnikov G.I., Rogozhnikov A.G., Nikitin V.N., Astashina N.B. Biomechanical analysis of dental implants made of titanium and zirconium dioxide alloy. Rossijskij zhurnal biomekhaniki 2012; 1 (55):

[30] Няшин Ю.И., Рогожников Г.И., Рогожников А.Г., Никитин В.Н., Асташина Н.Б. Биомеханический анализ зубных имплантатов из сплава титана и диоксида циркония. Российский журнал биомеханики 2012; 1 (55): 102–109.

[31] 102–109 (in Russian).

[32] Лукьянов С.И., Бандура А.В., Эварестов Р.А. Температурная зависимость модуля Юнга нанотрубок на основе диоксида титана TiO2: молекулярно-механическое моделирование. Физика твердого тела 2015; 57 (12): 2391–2399.

[33] Luk'yanov S.I., Bandura A.V., Evarestov R.A. Temperature dependence of Young's modulus of titanium dioxide-based TiO2 nanotubes: molecular mechanical modeling. Fizika tverdogo tela 2015; 57 (12): 2391–2399 (in Russian).

[34] Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Порозова С.Е., Рогожников А.Г., Леушина Е.И. Функциональные наноструктурированные материалы на основе диоксида титана для использования в ортопедической стоматологии. Проблемы стоматологии 2020; 16 (1): 171–177.

[35] SHulyatnikova O.A., Rogozhnikov G.I., Po-rozova S.E., Rogozhnikov A.G., Leushina E.I. Functional nanostructured materials based on titanium dioxide for use in orthopedic dentistry. Problemy stomatologii 2020; 16 (1): 171–177 (in Russian).

[36] Зотов А.И., Демченко Д.Н. Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для изготовления съёмных пластиночных протезов и аппаратов. Молодой ученый 2015; 13: 270–274.

[37] Zotov A.I., Demchenko D.N. Basic polymers used in dentistry for the manufacture of removable plate prostheses and devices. Molodoj uchenyj 2015; 13: 270–274 (in Russian).

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector