La scelta dei materiali conta

Di quali materiali sono fatti i vostri rinforzi dentali? Come si differenziano dal materiale di rinforzo dentale stampato in 3D Hi-Fiber? In questa guida spiegheremo la scienza alla base del materiale di cui si compone Hi-Fiber e condivideremo alcune risorse per aiutarvi a conoscere le proprietà meccaniche ed il valore che Hi-Fiber può offrire al vostro laboratorio o studio dentistico.

Hi-Fiber, non il solito materiale composito 

Hi-Fiber è realizzato in materiali compositi caratterizzati da una fibra di rinforzo continua. Ciò fornisce grandi vantaggi in termini di proprietà meccaniche e leggerezza del prodotto finito.

Per evitare fraintendimenti terminologici, il termine "composito" può essere definito in modo più preciso. Parlando di materiale composito ci si riferisce ad materiale composto dall'unione, per adesione o coesione, di due o più fasi diverse, distinte e distinguibili e che manifestano reciprocamente proprietà fisiche sostanzialmente diverse. Questo è per esempio il caso di materiali compositi a matrice polimerica in cui a quest'ultima sono demandate le funzioni di protezione delle fibre di rinforzo, solitamente di vetro o di carbonio, e la corretta trasmissione del carico applicato, mentre alle fibre sono deputate le caratteristiche di resistenza meccanica  Dall'unione di queste fasi, nel nostro caso la matrice polimerica e fibre di vetro continue, si genera un materiale equivalente in grado di giovare delle proprietà di entrambi i costituenti. 

Hi-Fiber arriva dove il metallo non riesce

Dunque l’utilizzo di fibre di rinforzo continue mira a conferire al prodotto un'elevata resistenza meccanica, mentre il polimero viene contestualmente utilizzato per mantenere il composito unito, trasmettere efficacemente i carichi applicati e proteggere le fibre incorporate. Arrivati al momento di definire la ragione ed i vantaggi dell'utilizzo di questo particolare tipo di materiale, non si può prescindere dal chiarire il ruolo del rinforzo e della sua morfologia. 

Materiali compositi che incorporano rinforzi continui ed ininterrotti, forse simili per composizione ad altri rinforzati con cariche discontinue, si differenziano nettamente per le prestazioni attese. In particolare, materiali compositi con rinforzo in fibra continua si distinguono da altri rinforzati con fibra corta, come i dischi compositi fresati in cui la continuità di fibra è interrotta dall’operazione stessa di fresatura. 

I rinforzi in fibra continua, frequentemente utilizzati in settori esigenti come l'aerospazio, consentono infatti una migliore trasmissione dei carichi meccanici applicati e una corretta gestione dello stato di sforzo rispetto ad altre tipologie di materiali compositi. In altre parole, permettere alla fibra di trasmettere carico applicato per l’interezza della sua estensione rappresenta la soluzione ottimale per resistere agli stress imposti. 

Il vantaggio delle proprietà ispirate alla natura 

Un altro vantaggio, risiede nella possibilità di trovare espresse queste performance da un materiale con una densità decisamente ridotta. Questo fatto apre alla possibilità di progettare sistemi fibrorinforzati, come le strutture Hi-Fiber, in cui le proprietà meccaniche sono sviluppate da un prodotto con peso nettamente inferiore a quelle dello stesso prodotto realizzato in materiale metallico. Ad esempio, una protesi identica, progettata sul medesimo modello e rinforzata in CrCo pesa il 56% in più rispetto all’alternativa rinforzata con Hi-Fiber.

Rispetto a materiali con prestazioni attese equivalenti, il composito con rinforzo in fibra continua è un materiale più leggero: la migliore classe di materiali per rapporto peso/prestazioni.

Fra le altre caratteristiche di questa classe di materiali sicuramente è debito considerare l’anisotropia, ovverosia la caratteristica per la quale le proprietà di un materiale dipendono dalla direzione in cui esse vengono considerate. Il legno è un esempio di materiale che manifesta questo tipo di comportamento. E’ indubbio che la resistenza ad un carico imposto, come la piegatura applicata ad un pezzo di legno, è certamente diversa se si considera di piegare il legno "lungo la fibra" o "fra le fibra."

Perchè la direzione delle fibre di rinforzo è così fondamentale?

E’ possibile estendere questa logica anche al caso di un materiale composito con rinforzo in fibra continua unidirezionale, nel quale la resistenza sarà maggiore se il carico è imposto longitudinalmente alla direzione di fibra rispetto ad un altro applicato trasversalmente. Questo fenomeno è normalmente indesiderato a livello industriale, dove è mitigato per effetto dell’aggiunta di tessuti successivi di fibra di rinforzo orientati secondo direzioni differenti. Tuttavia, in un contesto di produzione digitale come quello delle strutture Hi-Fiber, l’anisotropia intrinseca ad un materiale di questo tipo può assumere una nuova e potente valenza, nel momento in cui diventa possibile determinare e guidare puntualmente la direzione delle fibre di rinforzo stesse, conferendo al composito una morfologia aderente al modello protesico ed offrendo al carico a trazione la direzione longitudinale di fibra, ossia quella di massima risposta a sollecitazione 

Ottimizzare il posizionamento lungo le linee di sforzo maggiormente sollecitate risulta in un prodotto caratterizzato da alte prestazioni e peso ridotto, in cui il materiale è utilizzato solo dove necessario. Questo è il motivo per cui, una volta creata la struttura Hi-Fiber, consigliamo di non modificarla fresandola, tagliandola od interrompendo la continuità di fibra in alcun modo.

Che caratteristiche deve avere un materiale in campo dentale?

Si è soliti descrivere il comportamento meccanico a sollecitazione statica di un materiale sulla base di tre parametri principali: il modulo elastico (considerato un "indice" di rigidità di un materiale), la sforzo a rottura, ovvero la forza specifica di rottura di un campione standardizzato di materiale e la deformazione a rottura, ovvero la percentuale di deformazione relativa subita dal campione prima del fenomeno di rottura. L' energia necessaria per indurre rottura è invece solitamente indicata dall'area sottesa dalla curva sforzo-deformazione (ovvero l’area ombreggiata nel grafico qui sotto).

Il materiale composito di cui si compongono le strutture di rinforzo dentale Hi-Fiber, pur caratterizzato da un'alta resistenza meccanica, consente una deformazione più permissiva rispetto ai carichi imposti ed in conseguenza, considerando una medesima sollecitazione meccanica, è in grado di assorbire fino a cinque volte l'energia di rottura di una lega di titanio,  che è più rigida, ma anche meno permissiva.

A differenza di una protesi rinforzata in lega, l'energia applicata alla protesi non viene trasmessa rigidamente all'impianto, che può risultare quindi meno sollecitato, soprattutto in flessione. Ciò porta a ritenere che l'uso di strutture Hi-Fiber consenta di ridurre lo stress che agisce sull'intero insieme di impianti protesici per effetto del carico applicato sulla protesi. Questa capacità di assorbimento energetico del framework può portare inoltre benefici rispetto ai casi di fallimenti dovuti a distacco di resina estetica dalla struttura, spesso causati dalla differente rigidità relativa e dalla maggiore resistenza a deformazione delle leghe. Rotture di questo tipo sono spesso di difficile riparazione, costose e decisamente non agevoli per i pazienti.

Si può considerare, in questo senso, che l'adesione della resina estetica alle strutture di rinforzo Hi-Fiber è ottimizzata in chiave composizionale e morfologica. Compatibilità chimico-fisica tra la matrice polimerica e la resina estetica permette di migliorare la bagnabilità fra le due, generando interfacce adeguate e di migliorata resistenza. La struttura “a strati” ottenuta stampando in 3D le strutture di rinforzo Hi-Fiber permette inoltre di massimizzare la superficie utile al contatto delle due resine polimeriche e al loro ancoraggio reciproco.   

A differenza degli accoppiamenti tra materiali dissimili (ad esempio resina-metallo o resina-ceramica), la collocazione adiacente di materiali composizionalmente simili consente di ottenere un manufatto protesico con un comportamento omogeneo in termini di espansione termica, rigidità e comportamento alla deformazione, minimizzando i fallimenti da distacco. Pertanto, le condizioni per una buona adesione indicano un prodotto migliore in termini di trasmissione ottimale del carico dalla superficie della protesi al rinforzo, cioè al componente deputato alla resistenza meccanica del manufatto. 

Inoltre, quando si tratta di selezionare materiali per utilizzo in ambito protesico si fa riferimento a criteri di comfort biomeccanico rispetto all’utilizzo da parte dell’utente  finale paziente. Questi materiali sono selezionati ed ingegnerizzati per essere resistenti ma non troppo dissimili dai tessuti su cui sono installati. Basandosi anche sui feedback raccolti dai pazienti, il parziale accomodamento di deformazione tollerata dai rinforzi Hi-Fiber consente un maggiore comfort durante la masticazione. Questa caratteristica può essere ricondotta alla prossimità di valore dei moduli elastici, di Hi-Fiber e dell'osso corticale.

I benefici a lungo termine del processo di stampa 3D di materiali compositi 

Infine, selezionando un materiale per un’applicazione è debito considerarne l’evolvere delle performance attese nel corso del suo periodo programmato di servizio. L’affidabilità a lungo termine di un prodotto sollecitato periodicamente al di sotto della soglia di rottura statica (che in questo senso assume il significato di un “massimale” di resistenza a carichi imposti) è determinato dalla sua resistenza a fatica. In questo ambito, i materiali compositi sono spesso la scelta più indicata per via delle loro migliorate proprietà di resistenza a carichi ciclici e per questo preferiti per la fabbricazione di manufatti sollecitati periodicamente, come scafi navali o strutture d’impiego in aviazione.

Per il settore dentale i materiali compositi non rappresentano certo una novità, ma fino ad oggi non era ancora stato sviluppato un processo che permettesse di progettare digitalmente e stampare in 3D materiali compositi con rinforzo in fibra continua per la produzione di sottostrutture protesiche. 

Hi-Fiber, un’innovazione di Moi Dental, è un prodotto all’avanguardia e di assoluta novità nel panorama dentale. 

Conclusioni

l'uso di compositi rinforzati con fibra (FRC) in odontoiatria è descritto in letteratura da oltre 40 anni. [1]

Con l'avvento della tecnologia Continuous Fiber Manufacturing (CFM) per la stampa 3D,  è ora possibile sfruttare e ottimizzare i materiali compositi stampati in 3D per ottenere strutture dentali funzionali, esteticamente naturali e di lunga durata da utilizzare nella riabilitazione orale.

Per saperne di più su Hi-Fiber, registrati sul nostro sito web per ricevere una copia digitale della nostra brochure contenente una lista completa delle specifiche tecniche di Hi-Fiber, guarda i nostri webinar o parla con il nostro rappresentante.

[1]  Scribante A, Vallittu PK, Özcan M, Lassila LVJ, Gandini P, Sfondrini MF. Travel beyond Clinical Uses of Fiber Reinforced Composites (FRCs) in Dentistry: A Review of Past Employments, Present Applications, and Future Perspectives. Biomed Res Int. 2018 Oct 22;2018:1498901. doi: 10.1155/2018/1498901. PMID: 30426003; PMCID: PMC6217899.