Zvyšují self-etching adheziva spolehlivost dentinového bondingu? In-vitro studie

Overview

Na souboru devíti total-etch a self-etching adhezivních systémů zahrnujících OptiBond FL, Gluma Comfort Bond, Prime & Bond NT, AdheSE, Adper Prompt, Adper Prompt L-Pop, Clearfil SE Bond, Xeno III a iBond byla testována pevnost vazby ve smyku na dentinu a fraktografie lomových ploch řádkovací elektronovou mikroskopií. Adheziva byla hodnocena podle kritické pevnosti vazby, při které dojde k lomu 10 % vzorků. Ve shodě s výsledky fraktografické analýzy byly nalezeny významné rozdíly jak mezi skupinami total a self-etching adheziv, tak mezi adhezivy v těchto skupinách. Nejvyšší spolehlivost a převážně smíšené energeticky náročné lomy, zasahující do dentinu, byly nalezeny u skupiny klasických 3 a 2krokových total-etch systémů OptiBond FL a Gluma Comfort Bond, ale i u self-etching systémů AdheSE a Clearfil SE Bond. U těchto systémů lze s vysokou pravděpodobností očekávat vysokou pevnost vazby a reprodukovatelné chování. U skupiny Adper Promt, iBond a Xeno III s kohezním lomem adheziva, či smíšenými lomy byla spolehlivost nižší. Pro dosažení dobré adheze je při jejich aplikaci nutné pečlivě dodržovat pracovní postup. Na druhou stranu adheziva Prime & Bond NT a zejména Adper Prompt L-Pop v blistrech s adhezním porušením na rozhraní dentinu a adheziva vynikaly nízkou pevností vazby a nízkou spolehlivostí. U self-etching adheziv může jejich vlastnosti velmi negativně ovlivnit i stárnutí během skladování, zejména při nedodržení doporučených podmínek skladování.

Klíčová slova:
dentin - adheziva - pevnost vazby - spolehlivost

ÚVOD

I přes neustálý vývoj kompozitních materiálů zůstává jejich slabým místem polymerační kontrakce a omezená schopnost vytvářet pevnou a dlouhodobě stabilní vazbu se sklovinou a zejména s dentinem. Po přelomovém objevu leptání skloviny, jako předpokladu vazby akrylátových monomerů ke sklovině, se ukázalo, že dosažení hermetického spoje mezi hydrofilním dentinem a hydrofobními kompozity je komplikovanější. Mnohaletý výzkum v této oblasti ukázal, že postup vytvoření vazby k dentinu musí obecně zahrnovat tři kroky: demineralizaci preparovaného dentinu leptáním kyselinou fosforečnou či jejími deriváty, priming monomery smáčejícími hydrofilní i hydrofobní povrchy a poté vlastní bonding hydrofobními pryskyřicemi. Složitost tohoto postupu, časová náročnost, citlivost k vlhkosti a řadě dalších, ne vždy snadno kontrolovatelných faktorů, vedla ke snaze o urychlení a zjednodušení celého postupu. V případě total etch (TE) techniky, kdy je z povrchu dentinu odstraněna nesoudržná vrstva preparační drtě (smear layer) a demineralizován podpovrchový intaktní dentin leptáním 35-37% kyselinou fosforečnou, byl pracovní postup zjednodušen spojením primingu a bondingu do jednoho kroku. Ukázalo se však, že v důsledku kolapsu odhalených kolagenních vláken při sušení leptaného dentinu nemusí docházet k jejich  dokonalé impregnaci [28, 20]. Problém nedokonale chráněných kolagenních vláken, která jsou místem prvotní degradace adhezního spoje, nebyl uspokojivě vyřešen ani bondováním na vlhký povrch dentinu adhezivy s rozpouštědly acetonového typu umožňující odpaření vody [24]. Snaha o překonání těchto nedostatků byla jednou z hlavních myšlenek vývoje self-etching (SE) adheziv, u nichž je leptání spojeno s primingem do jednoho kroku. Toho je dosaženo použitím aduktů akrylátových monomerů a kyseliny fosforečné nebo použitím organických kyselin s polymerizovatelnou dvojnou vazbou. Aplikace těchto systémů teoreticky zaručuje, že hloubka demineralizace dentinu odpovídá i hloubce průniku akrylátových monomerů, což by mělo zajistit dokonalou impregnaci demineralizovaného dentinu monomery. Výhodou těchto systémů je nejenom odstranění rizika kolapsu kolagenních vláken, nižší pooperační citlivost, ale i menší citlivost těchto systémů k dodržení pracovního postupu [18]. SE adheziva však nejsou také bez problémů. Bylo zjištěno, že ani u těchto systémů není dokonale zabráněno průniku vody podél rozhraní hybridní vrstvy a dentinu [21]. Menší kyselost SE primerů a náchylnost k hydrolýze může snižovat hloubku demineralizace smear layer a intaktního podpovrchového dentinu a zhoršovat jeho impregnaci složkami adheziv [3, 25]. V důsledku hydrolýzy kyselých primerů na bázi esterů kyseliny fosforečné a hydrolýzy dimetakrylátů v kyselém prostředí [17] může dojít ke změně vlastností těchto adheziv v průběhu skladování, a tím k podstatnému poklesu jejich adheze k zubním tkáním [16]. Rovněž vysoký obsah vody v těchto systémech, nezbytný pro disociaci kyselých skupin, může vést k nižší konverzi monomerů v hybridní vrstvě [31] a negativně ovlivňovat pevnost vazby.

Při hodnocení adhezivních systémů mají nejvyšší vypovídací schopnost dlouhodobé klinické zkoušky realizované na dostatečně obsáhlých souborech pacientů za definovaných podmínek a všeobecně přijatých kritérií, provedených na nezávislých pracovištích [1]. Z důvodů velké časové a legislativní náročnosti zkoušek na lidských subjektech bývají jejich výsledky často k dispozici až po ukončení aktivního používání adheziv. Proto je nutné většinu předklinických, ale i následných zkoušek provádět in vitro. Jednou ze screeningových metod charakterizace účinnosti adhezivních systémů je měření pevnosti spoje mezi zubní tkání a kompozitními materiály. Zkouška se provádí v tahu nebo smyku, přičemž měřenou veličinou je síla potřebná k odtržení výplňového materiálu od dentinu či skloviny. Výsledky těchto zkoušek jsou však závislé na jejich uspořádání [22, 29, 30], velikosti styčné plochy [19], struktuře dentinu [13], typu preparačních nástrojů [5], zkušenostech pracovníka [10, 23] a řadě dalších parametrů. Pevnost vazby je nejčastěji charakterizována aritmetickým průměrem, doplněným o směrodatnou odchylku, která dosahuje 30, ale i 100% průměru. Příčinou takto vysoké variability může být citlivost adhezní vazby k proměnlivé struktuře dentinu či odchylkám od optimálního pracovního postupu. Vysoký rozptyl naměřených hodnot pevnosti vazby a jejich závislost na konkrétním experimentálním uspořádání je častou příčinou neschopnosti těchto zkoušek spolehlivě předpovídat klinickou účinnost adheziv [7].

Aritmetický průměr přikládá stejný význam nízkým i vysokým hodnotám pevnosti vazby. Při hodnocení vlastností adheziv mají ale větší význam nízké hodnoty, které představují zvýšené riziko selhání adheziva. Kvalita adheziv by proto měla být posuzována z hlediska pravděpodobnosti, že s daným systémem bude dosaženo takové vazby k tvrdým zubním tkáním, jež bude dostatečná ke kompenzaci polymerační kontrakce kompozitních materiálů a mechanických zatížení vyvolaných žvýkacími silami v oblasti adhezního spoje. Jelikož pevnost vazby nemá normální Gaussovo rozdělení, doporučuje se aproximovat rozložení naměřených dat dvouparametrovou Weibullovou distribuční funkcí [11]. Pravdpodobnost P_f, že při napětí σ dojde k porušení vazby, je Weibullovou funkcí definována vztahem:

Pf = 1 - exp [-(σ/σ_o)^m],

kde charakteristická pevnost σ_o je mírou pevnosti materiálu, Weibullův modul m odráží variabilitu pevnosti vazby, a tudíž distribuci defektů ve vzorku [15]. Vysoké hodnoty m indikují úzkou distribuci defektů, a tedy pevnosti vazby, a rovněž lépe předvídatelné chování adhezního spoje. Na druhou stranu nízké hodnoty m jsou typické pro širokou distribuci defektů vysokou variabilitu pevnosti vazby. Znalost parametrů Weibullovy distribuce dat umožňuje výpočet pravděpodobnosti porušení adhezní vazby pro libovolnou úroveň působícího napětí, anebo řešit opačnou úlohu: pro předem zvolenou a akceptovatelnou frekvenci porušení, například 10 % vzorků, vypočítat napětí při porušení a toto napětí použít pro charakterizaci spolehlivosti adheziv [2, 8]. Toto napětí lze interpretovat i tak, že v 10 % případů bude pevnost vazby menší, nebo naopak v 90 % případů vyšší než zmíněná hodnota kritického napětí. Je zřejmé, že čím nižší je toto kritické napětí, tím menší je spolehlivost daného adheziva.

Cílem této práce bylo změřit pevnost vazby několika typických self-etching adhezivních systémů na dentinu, porovnat ji s vybranými a klinicky osvědčenými total-etch systémy a pokusit se o odhad jejich spolehlivosti pomocí Weibullovy analýzy. Nulová hypotéza předpokládala, že spolehlivost self-etching adheziv je v důsledku menšího počtu pracovních kroků vyšší, než v případě total-etch adhezivních systémů. Druhá nulová hypotéza předpokládala, že spolehlivost self-etching systémů nezáleží na době skladování.

MATERIÁL A METODIKA

Použité materiály, aplikované dle návodu výrobce, zahrnovaly adheziva různých typů a různých pracovních postupů (tab. 1). Klasické TE systémy a odpovídající leptací gely byly zastoupeny 3krokovým adhezivním systémem Optibond FL/Kerr Gel Etchant (4. generace), 2krokovými systémy Gluma Comfort Bond/Gluma Etch Gel 20 s rozpouštědlem na bázi etanolu a Prime & Bond NT/Conditioner 36 (5. generace), obsahujícím jako rozpouštědlo aceton. SE adheziva byla reprezentována 2krokovými adhezivy AdheSE a Clearfil SE Bond, 1krokovými Adper Prompt L-Pop a Xeno III (6. generace) a all-in-one adhezivem iBond (7. generace). Pro zkoušky stárnutí adheziv v průběhu jejich skladování byla u adheziva AdheSE použita jedna výrobní šarže na začátku a druhá na konci doby použitelnosti. V případě adheziva Adper byly testovány systémy distribuované jak v lahvičkách (Adper Prompt), tak v blistrech (Adper Prompt L-Pop). Všechna adheziva byla kombinována s mikrohybridním kompozitem Opticor New, který obsahuje směs BIS-GMA, TEGDMA a barium křemičité plnivo o průměrné velikosti částic 0,7 mm.

Příprava vzorků:

Zkoušky adheze byly realizovány pro každý adhezivní systém na souborech minimálně 20-24 lidských intaktních molárů a premolárů, dle metodiky ISO/TS 11405:2003(E). Po extrakci a odstranění měkkých tkání byly zuby skladovány nejprve v roztoku 0,5% chloraminu T po dobu jednoho týdne a poté v destilované vodě. Zuby byly používány nejdéle do 6 měsíců od jejich extrakce. Po odstranění kořenů a po fixaci zubu v nerezovém kroužku pomocí pryskyřice Spofacryl (Spofa-Dental a.s.), byla odstraněna vrstva skloviny orálně či bukálně pomaluběžnou pilou (Isomet Buehler, USA) s pracovní částí řezného kotouče pokrytou diamantovým brusivem za chlazení vodou. Povrch dentinu byl zabroušen pod vodou SiC brusným papírem P 1200. Následně byly dle návodu výrobce aplikovány adhezivní systémy (tab. 1). Adheziva Adper Prompt a Xeno III byla pro každý vzorek čerstvě namíchána, u Adper Prompt L-Pop byl použit vždy nový blistr. Pro dosažení lesklého povrchu dentinu, což je požadováno v návodu k tomuto adhezivu, bylo nutné jej v několika případech aplikovat ve více vrstvách, případně použít 2-3 blistry. Kompozitní nástavba na povrchu dentinu byla vytvořena pomocí kruhové polyetylénové formičky vnitřního průměru 3,5 mm a výšky 2 mm, polymerovaná v jedné vrstvě po dobu 40 sekund. Pro polymeraci byla použita halogenová lampa Elipar Trilight (3M ESPE) o výkonu 850 mW/cm², jejíž světelný výkon byl pravidelně kontrolován ověřeným testerem.

Měření pevnosti vazby:

Pevnost vazby ve smyku byla měřena po 24 hodinách expozice vzorků ve vodě o teplotě 37 ^oC s pomocí univerzálního zkušebního stroje Shimadzu AGS-G (Shimadzu, Japonsko) při rychlosti posunu příčníku 0,75 mm/min. a uchycením zkušebních vzorků v přípravku BENCOR MULTI T (Danville, USA) s rovným čelem zatěžovacího trnu. Pevnost vazby ve smyku byla vypočítána ze síly při porušení (lomu) vzorku a velikosti kontaktní plochy mezi dentinem a kompozitem. Fraktografická analýza povrchů byla provedena pomocí stereomikroskopu Nikon SMZ 2T, vybaveného kamerou Olympus C5060 a detailně hodnocena skenovacím elektronovým mikroskopem JEOL JSM-5500 (Jeol, Tokyo, Japonsko). Pro zvýšení kontrastu byla lomová plocha pokovena zlatem. Fraktografické hodnocení lomových ploch bylo provedeno podle převažujícího charakteru lomu:

• Adhezní lom: lomová linie prochází mezi adhezivem a povrchem dentinu s charakteristickými stopami brusiva na lomové ploše.
• Smíšený lom: lomová linie zahrnuje jak oblast adheziva, tak dentinu či kompozitu.
• Kohezní lom adheziva: lomová linie prochází vrstvou adheziva většinou s viditelnými stopami jeho plastického přetvoření.

Parametry Weibullovy distribuce a jejich konfidenční intervaly byly vypočítány z 20-23 naměřených dat. Statistická významnost rozdílů byla posuzována na základě porovnávání konfidenčních intervalů parametrů Weibullova rozdělení. Jestliže konfidenční intervaly obou parametrů se u různých adheziv překrývaly, byly výsledky považovány za statisticky shodné. Všechny výpočty, včetně kritického napětí σ_0,1, při kterém selže 10 % testovaných vzoků, byly provedeny pomocí statistického softwaru (STATISTICA 7.1, StatSoft Inc, Tulsa, USA).

VÝSLEDKY

Parametry Weibullovy distribuce spolu s jejich 95% konfidenčními intervaly, korelačními koeficienty, aritmetickými průměry a směrodatnými odchylkami shrnuje tabulka 2. Jak je patrné z vysokých hodnot korelačních koeficientů r>0.920, byla shoda experimentálních dat a Weibullovy distribuce akceptovatelná (obr. 1). Nejvyšší hodnoty kritické pevnosti v rozsahu σ_0,1=17,1-14,1 MPa byly nalezeny u 3krokového TE systému Optibond FL, 2krokového Gluma Comfort Bond a u SE 2 krokových systémů AdheSE 1 a Clearfil SE Bond. Velmi dobrou adhezi u těchto systémů podporovalo i vysoké procento smíšených lomů zasahujících do dentinu, které jsou typické pro energeticky náročné lomy (obr. 2). Signifikantně nižší hodnoty kritické pevnosti σ_0,1=13,4-10,2 MPa vykazovaly 1kroková SE adheziva Adper Prompt, Xeno III and iBond (tab. 2). S výjimkou Adper Prompt, u něhož byl pozorován i určitý podíl smíšených lomů zasahujících do dentinu, byly u iBond nalezeny převážně kohezní lomy adheziva (obr. 3, 4). Naproti tomu u Xeno III lomová linie procházela mezi dentinem a adhezivem, často s typickými a ojedinělými „ostrůvky“ kohezně porušeného adheziva (obr. 5, 6). Nejnižší kritická pevnost vazby σ_0,1=7,8-4,8 MPa a adhezní charakter lomů (obr. 7, 8), byl pozorován u 2krokového TE systému Prime&Bond NT, 1krokového SE Adper Prompt L-Pop, a  u AdheSE 2 na konci doby exspirace.

DISKUSE

Při hodnocení kvality adheziv má význam především pravděpodobnost s jakou bude dosaženo takové vazby, která odolá zatížením působícím na adhezní spoj. Tento pravděpodobnostní přístup k hodnocení adheziv lze provést s použitím Weibullovy analýzy. V předkládané studii jsme se pokusili touto metodou ověřit pracovní hypotézu, že self-etching adheziva s jednodušším pracovním postupem přinášejí větší spolehlivost dentinového bondingu oproti předchozím generacím total-etch adheziv. Podle hodnot kritické pevnosti vazby lze zkoušené adhezní systémy rozdělit do tří skupin.

Skupina 1 s nejvyššími hodnotami kritického napětí σ_0,1=17,1-14,1 MPa, zahrnuje klinicky úspěšný [4, 14] klasický 3krokový TE systém Optibond FL, 2krokové TE adhezivum Gluma Comfort Bond, 2kroková SE adheziva AdheSE 1 a Clearfil SE Bond (tab. 2). Vysoké hodnoty kritické pevnosti vazby byly u nich dosaženy nejenom díky vysokým hodnotám charakteristických pevností, ale kromě Optibond FL a Clearfil SE Bondu i vysokým hodnotám Weibullova modulu, který dosahoval pro Gluma Comfort Bond a AdheSE 1 hodnot m=8,3-6,5. A to i přesto, že v případě Gluma Comfort Bond byly na spodině hybridní vrstvy nalezeny ojedinělé oblasti kolagenních vláken ne zcela impregnované vazebnými monomery (obr. 9, 10). U Optibondu FL a Clearfil SE Bond naznačuje nižší Weibullův modul v intervalu 4,7-4,9 poněkud vyšší rozptyl jejich adhezních vlastností, což může odrážet větší náchylnost ke vzniku defektů a nehomogenit v adhezním spoji. Díky vysokým hodnotám charakteristické pevnosti lze však i u těchto adheziv s vysokou pravděpodobností předpokládat tvorbu spolehlivé vazby k dentinu.

Druhou skupinu tvoří SE 1krokový Adper Prompt a Xeno III a též all-in-one iBond s kritickou pevností vazby σ_0,1=10,2-13,4 MPa. Zatímco jejich charakteristická pevnost byla velmi blízká σ=17,3-18,2 MPa, hlavní rozdíly v chování těchto systémů se odrážely ve Weibullově modulu. V případě Xeno III dosahoval hodnoty 4,2, pro Adper Prompt a iBond dosahoval hodnot m=7,5 a m=6,4 (tab. 2). U této skupiny, zahrnující výhradně self-etching adheziva, může být pokles adheze způsoben například poklesem polymeračního stupně vazebných monomerů způsobený přítomností zbytkové vody [9], hydrolýzou monomerů [26] nebo mikroporozitou v adhezní vrstvě [27]. Na nižší spolehlivosti Xeno III a Adper Prompt se může podílet i vliv nepřesností v dávkování primeru a bondu při přípravě jejich směsi před aplikací. Snížená schopnost vytvářet spolehlivou vazbu k dentinu se v případu Xeno III projevovala i v morfologii lomových ploch, kde jsou patrné nepravidelně rozmístěné „ostrůvky“ kohezně porušeného adheziva, naznačující místa s vyšší adhezí (obr. 5). Z klinického pohledu je u těchto systémů potřeba věnovat zvýšenou pozornost pečlivému dodržování pracovního postupu, případně volit větší počet nanesených vrstev [12] a pečlivě vysušit vrstvu naneseného adheziva před jeho polymerací [6].

Poslední skupina zahrnovala acetonový total-etch Prime&Bond NT aplikovaný ve dvou krocích, dále Adper Prompt L-Pop v blistrech a AdheSE 2, na konci doby exspirace. U těchto adheziv byla nalezena nejnižší kritická pevnost vazby σ_0,1=4,8-7,8 MPa a typické adhezní porušení mezi dentinem a vrstvou adheziva (obr. 7, 8). Jelikož u těchto systémů hodnoty charakteristické pevnosti byly prakticky shodné, σ=13,1-13,5 MPa, hlavní rozdíly v jejich chování se odrážely ve Weibullově modulu. Zatímco u Prime&Bond NT nabýval Weibullův modul hodnoty 4,3 podobně jako u jiných systémů, u AdheSE 2 a Adper Prompt L-Pop dosahoval pouze 2,6 a 2,2. Takto nízké hodnoty ukazují na neschopnost těchto adheziv vytvářet spolehlivou vazbu k dentinu, a tudíž jen těžko předvídatelné chování. Za určitých podmínek mohou tyto systémy poskytovat dobrou vazbu k dentinu, za jiných pak zcela selhávat, což se projevilo lomem několika vzorků ještě během jejich přípravy k měření. Zatímco u AdheSE 2 lze hledat příčinu tohoto chování nejspíše v hydrolýze složek adhezivního systému v průběhu skladování [16], v případě Adper Prompt L-Pop může být příčina jiná. Jelikož Adper Prompt adjustovaný v lahvičkách vykazoval podstatně větší spolehlivost, lze se domnívat, že příčinou selhání tohoto systému je jeho balení v blistrech. Obtížné a zřejmě málo spolehlivé smíchání všech složek v blistru vedlo k tomu, že ne vždy bylo možné s jedním blistrem dosáhnout optimálního mísícího poměru, což se projevovalo i v obtížích při dosažení lesklého povrchu dentinu, požadovaného výrobcem.

Z porovnání jednotlivých adheziv je patrné, že total-etch systémy v 3- i 2krokovém uspořádání s rozpouštědly etanolového typu a self-etching 2kroková adheziva představují systémy s nejvyšší spolehlivostí. Tento závěr dobře odpovídá i dosud publikovaným výsledkům klinických studií [4]. Nicméně při hodnocení určitého adheziva je vždy významnější jeho konkrétní složení než fakt, zda se řadí do určité generace či skupiny adheziv. Současně tyto výsledky ukazují, že spoléhat při výběru adheziv pouze na publikovaná data aritmetických průměrů může vést k chybným závěrům. Nulové hypotézy o zvýšené spolehlivosti self-etching ve srovnání s total-etch adhezivy a o jejich stabilitě v průběhu doby exspirace bylo na základě těchto výsledků nutné odmítnout.

ZÁVĚR

Zkrácený pracovní postup a odstranění některých rizikových kroků nezvyšují spolehlivost self-etching adheziv oproti předchozím generacím total-etch systémů. Mezi systémy jak ze skupiny self-etching tak total-etch adheziv existují významné rozdíly vyplývající především z jejich odlišných složení.

Spolehlivost adheziv může být výrazně ovlivněna i jejich stářím v rámci deklarované doby použitelnosti a dodržením podmínek skladování.

Podpořeno grantem IGA MZ ČR č. NR/8278-3.

RNDr. Pavel Bradna, CSc.

Výzkumný ústav stomatologický

Vinohradská 48

120 21 Praha 2

e-mail: bradna@vus.cz