Influência da modificação do desenho de infraestruturas cerâmicas e metálicas na vida útil à fadiga e no modo de falha

Influence of modified framework design in all-ceramic and metal-ceramic crowns fatigue life and failure mode

Fabio Cesar Lorenzoni^I; Leandro de Moura Martins^I; Nelson Renato Franca Alves da Silva^II; Paulo Guilherme Coelho^III; Estevam Augusto Bonfante^IV; Van Purdy Thompson^V; Gerson Bonfante^VI

^IDoutorando em Reabilitação Oral, Faculdade de Odontologia de Bauru, Universidade de São Paulo, Bauru, SP, Brasil
^IIDoutor em Reabilitação Oral. Professor do Departamento de Prótese, College of Dentistry, New York University, Nova York, Estados Unidos ]]> ^IIIDoutor em Biomateriais e Bioengenharia. Professor do Departamento de Biomateriais e Biomimética, College of Dentistry, New York University, Nova York, Estados Unidos
^IVDoutor em Reabilitação Oral, Faculdade de Odontologia de Bauru, Universidade de São Paulo, Bauru, SP, Brasil
^VChefe do Departamento de Biomateriais e Biomimética, College of Dentistry, New York University, Nova York, Estados Unidos
^VIProfessor Titular do Departamento de Prótese, Faculdade de Odontologia de Bauru, Universidade de São Paulo, Bauru, SP

Endereço para correspondência

RESUMO

Avaliar a influência da modificação do desenho da infraestrutura na vida útil à fadiga e no modo de falha em coroas metalo-cerâmicas e alumina infiltrada por vidro. Quarenta réplicas de um primeiro molar superior foram produzidas para receber coroas com infraestrutura padrão ou modificada. A infraestrutura modificada consistiu do desenho padrão (0,5 mm de espessura) aumentada por uma cinta lingual, unindo dois postes proximais. A carga (30-300 N) foi aplicada por um endentador metálico (3,18 mm raio) na superfície oclusal, durante 106 ciclos ou até a falha. A cada 125.000 ciclos o teste era interrompido para avaliar os danos. Fraturas catastróficas ou da porcelana de revestimento e a presença da trinca cone interno estendendo-se a infraestrutura foram os critérios utilizados para definir falha. As superfícies fraturadas e as polidas foram analisadas com estereomicroscópio e por microscopia eletrônica de varredura. A distribuição de Weibull foi utilizada para a análise estatística. A vida útil à fadiga da metalo-cerâmica foi significativamente maior que da alumina; contudo, a modificação não alterou este parâmetro nos grupos metálico ou cerâmico. Os grupos metalo-cerâmico apresentaram trincas cone interno sem fraturas da porcelana de revestimento. O grupo alumina com infraestrutura padrão apresentou principalmente fratura da porcelana de revestimento, enquanto que no grupo alumina com infraestrutura modificada se observou cone interno. A vida útil à fadiga não melhorou com a modificação no desenho das infraestruturas. O modo de falha variou de acordo com o material da infraestrutura.

Palavras-chave: Cerâmica. Coroa dentária. Prótese dentária.

To evaluate the effect of framework design on the fatigue life and failure modes of metal-ceramic and glass-infiltrated alumina. Forty composite resin tooth-replica of a prepared maxillary first molar were produced to receive crowns of a standard or modified framework design. Core design modification consisted of a standard, connecting to proximal struts. R-ratio fatigue loading was delivered with a spherical steel indenter (3.18 mm radius) on the center of the occlusal surface at a 30-300 N load range, until completion of 106 cycles or failure. Fatigue was interrupted every 125.000 cycles for damage evaluation. Catastrophic fracture, chipping within veneering porcelain, or inner cone crack reaching the core-veneer interface were the criteria for failure. Fractured and polished surfaces were characterized under light polarized microscopy followed by scanning electron microscopy. Weibull distribution fit was used for examining differences between groups. The highest fatigue life was observed for metal-ceramic crowns, but no significant differences were observed for groups with or without framework design modification. Failure modes of metal-ceramic comprised inner cone cracks without porcelain fracture. Glass-infiltrated alumina standard crowns presented bulk fracture whereas glass-infiltrated alumina modified crowns failed mainly through veneer. Fatigue life was not improved with framework design modification. Failure modes varied according to core material.

Key words: Ceramics. Tooth crown. Dental prosthesis.

INTRODUÇÃO

O sistema metalo-cerâmico (MC) tem sido utilizado por mais de 40 anos na odontologia restauradora, sendo considerado como o tratamento padrão, tanto para coroas unitárias quanto para pontes fixas⁷. Entretanto, este sistema pode apresentar problemas relacionados à estética, pois existe a possibilidade do tecido mole adjacente à coroa tornar-se "acinzentado" ou até à exposição da margem metálica, se ocorrer recessão. Estes fatores adversos têm impulsionado o desenvolvimento dos sistemas totalmente cerâmicos²⁸. Dessa forma, o emprego de coroas totalmente cerâmicas é uma tendência devido às suas propriedades de biocompatibilidade e estética¹³. Contudo, devido a sua inerente fragilidade e baixa resistência às forças de tração¹³ quando sujeitas a elevadas cargas oclusais, como na região de molares, a fratura das infraestruturas cerâmicas parece ser o principal modo de falha destes sistemas¹⁰.

Nos últimos anos houve um rápido e consistente desenvolvimento dos materiais cerâmicos, com resistência à fratura variando entre 350 e 550 MPa para as infraestruturas de vidro cerâmico e alumina infiltrada por vidro, respectivamente. Este fato tem encorajado a indicação dos sistemas totalmente cerâmicos na região posterior²⁰. O In-Ceram Alumina é um sistema composto por aproximadamente 80% de alumina e infiltrado por vidro, resultando em uma infraestrutura que posteriormente é revestida por uma cerâmica feldspática para reproduzir a estética e a anatomia dentária desejada²⁷.

Uma revisão sistemática recentemente identificou que coroas dento-suportadas na região posterior, tanto de vidro cerâmico quanto de alumina infiltrada por vidro, apresentaram sobrevida significativamente menor do que as coroas metalo-cerâmicas¹⁷. As falhas nestes sistemas acontecem clinicamente por meio da propagação de trincas na infraestrutura cerâmica e/ou da porcelana de revestimento¹. Estas trincas podem originar-se a partir da margem cervical^18,24, da superfície oclusal³⁰ ou da superfície de cimentação⁶. Defeitos na superfície interna têm sido associados como fator que pode iniciar estas fraturas, especialmente em vidros cerâmicos e alumina infiltrada por vidro^21-22. Quando uma coroa é submetida a repetidos ciclos de carregamento, há a formação de campos de forças de tração na superfície de cimentação desta infraestrutura, os quais podem formar trincas radiais, sendo a fratura catastrófica a sua expressão clínica final^9,11. Com o objetivo de minimizar este tipo de falha, a introdução dos policristais de zircônia tetragonal estabilizada por ítrio (PZT-I), que devido a sua elevada tenacidade à fratura e resistência flexural diminuiu a formação destas forças de tração e a flexão da porcelana de cobertura⁹. Entretanto, a simples substituição do material cerâmico não é suficiente para evitar falhas mecânicas, pois a fratura da porcelana de revestimento passou a ser o principal modo de falha dos sistemas à base de PZT-I com taxas de 15 %²³ e 20 %¹⁹, por outro lado a fratura da sua infraestrutura é um acontecimento raro^2,16,20.

Muitos são os fatores que devem ser considerados quando se avalia a longevidade de próteses como: forma e espessura da infraestrutura e da porcelana de revestimento, técnicas laboratoriais, módulo de elasticidade dos componentes da restauração^8,29. Especialmente em relação ao último tópico, a modificação de desenho da infraestrutura adotada para as coroas metalo-cerâmicas pode ser importante para otimizar tanto as propriedades mecânicas, quanto melhorar os resultados de longevidade das coroas totalmente cerâmicas¹. As modificações no desenho das infraestruturas metálicas foram propostas no início do desenvolvimento do sistema metalo-cerâmico¹⁵ e consistem de uma cinta lingual conectada a dois postes proximais que promovem melhor suporte à porcelana de revestimento^12,25. Entretanto, o efeito destas mudanças em infraestruturas cerâmicas ainda não está completamente entendido, tendo em vista que suas formas têm sido empiricamente descritas e empregadas. Marchack e equipe conduziram uma avaliação não controlada sobre modificação do desenho de infraestruturas de zircônia, reportando uma diminuição do índice de fratura da porcelana de revestimento após a incorporação de uma cinta lingual de 2,0 mm nas infraestruturas¹⁴. Um recente trabalho in vitro mostrou que a modificação no desenho da infraestrutura (cinta lingual de 2,0 mm de altura com 1,0 mm de espessura unindo dois postes proximais de 3,5 mm de altura) melhorou significativamente a resistência à fratura (carregamento estático), tanto do sistema metalo-cerâmico quanto do sistema In-Ceram Alumina¹. Adicionalmente, estudos clínicos prospectivos observaram que, em pontes fixas em PZT-I com modificação no desenho da infraestrutura, diminuíram as taxas de fraturas da porcelana de cobertura²⁶.

MATERIAL E MÉTODOS

PREPARO DOS ESPÉCIMES

Um primeiro molar superior artificial foi posicionado em um manequim e preparado para receber uma coroa total. O preparo consistiu de uma redução oclusal de 2,0 mm, com redução das paredes axiais de 1,5 mm e um término com forma de chanfro com 1,2 mm de espessura e com ângulos internos arredondados. Este dente preparado foi moldado com um silicone de adição (Express - 3M ESPE, St Paul, MN, USA), resultando em um molde que foi utilizado como matriz. Esta foi posteriormente preenchida com incrementos de resina composta (Z100 - 3M ESPE, St Paul, MN, Estados Unidos) e após a fotopolimerização (Ultralux - Dabi Atlante, Ribeirão Preto, SP, Brasil) de todos os incrementos, obteve-se 40 réplicas do dente preparado. Estas réplicas foram incubadas em água destilada durante 30 dias para permitir a hidratação e eliminar qualquer alteração dimensional da resina composta após a cimentação das coroas⁵. Após o período de incubação, as réplicas de resina composta foram embebidas por resina acrílica (Jet – Clássico Artigos Odontológicos, São Paulo, SP, Brasil) no interior de tubos de PVC (25 mm de diâmetro), com o seu longo eixo alinhado ao longo eixo do tubo. A margem do preparo permaneceu 2,0 mm acima da superfície de resina acrílica. Posteriormente, cada réplica foi moldada com poliéter (Impregum F - 3M ESPE, St Paul, MN, Estados Unidos) e vazada com gesso especial (Durone - Polidental, São Paulo, SP, Brasil), resultando em 40 modelos de gesso.

Os modelos de gesso foram aleatoriamente divididos em 2 grupos (n = 20 cada) de acordo com o material da infraestrutura a ser utilizada; metal (MC) e alumina infiltrada por vidro (ICA). Cada grupo foi subdividido (n = 10 cada) de acordo com o desenho da infraestrutura, a qual poderia ser a padrão (MCs e ICAs) ou modificada (MCm e ICAm). O desenho padrão consistiu de infraestruturas com espessura uniforme de 0,5 mm em todas as suas paredes. Já o desenho modificado consistiu do desenho padrão (0,5 mm de espessura) acrescido de uma cinta lingual de 2,0 mm de altura com 1,0 mm de espessura conectada aos postes proximais com 3,5 mm de altura, como descrito previamente¹ (Figura 1).

Sobre cada infraestrutura foi aplicada a cerâmica de cobertura orientada por um guia de silicone (Zetalabor – Zermack, Badia Polesine, Rovigo, Itália), o qual reproduziu a anatomia de um primeiro molar superior. Vale ressaltar que as espessuras aproximadas da superfície oclusal e das paredes axiais foram de 1,0 mm e 1,5 mm, respectivamente. Todas as coroas foram checadas quanto ao seu assentamento sobre a réplica de resina composta e não houve a necessidade de ajustes internos. Nenhum tratamento na superfície interna das coroas foi realizado antes da cimentação. As coroas foram glazeadas e cimentadas sobre as réplicas de resina composta com um cimento resinoso dual (RelyX ARC – 3M ESPE, St Paul, MN, Estados Unidos) com carga constante de 50 N na superfície oclusal durante 10 min. Os espécimes foram mantidos em água destilada a 37 oC durante 24h antes do teste. Todos os materiais utilizados estão apresentados na Tabela 1.

TESTE DE FADIGA

Todas as coroas foram submetidas a 106 de ciclos ou até fratura em uma máquina de fadiga (Modelo MSFM – Elquip., São Carlos, SP, Brasil), com carga variando entre 30-300 N. Esta carga de fadiga foi aplicada por meio de uma esfera metálica com 3,18 mm de raio no centro da superfície oclusal. As coroas permaneceram submersas em água destilada a 37º C durante todo o teste. A cada 125.000 ciclos as coroas eram inspecionadas à procura de danos com o auxílio de um estereomicroscópio (Leica Zeiss MZE – Mannheim, Alemanha). Após a inspeção os espécimes eram reposicionados na máquina para a continuação do teste, até a próxima inspeção (a cada 125.000 ciclos).

CARACTERIZAÇÃO DAS FALHAS

Os critérios utilizados para definir falha foram: fratura da infraestrutura cerâmica e/ou fratura da porcelana de revestimento (durante a ciclagem) e a visualização de trincas (cone interno) que atingiam a infraestrutura (metálica ou cerâmica)^21,22. As coroas que apresentaram fraturas durante o teste de fadiga foram caracterizadas com auxílio de estereomicroscópio (Leica Zeiss MZE - Mannheim, Alemanha) seguido pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Model S-3500N; Hitachi, Japão). Aquelas que não apresentaram fraturas após 106 ciclos foram consideradas como suspensas, contudo inclusas na análise estatística. Para caracterizar o tipo de falha das coroas suspensas ocorrido próximo às áreas de carregamento, as mesmas foram embebidas em resina epóxica (Resina Epóxica RD6921 – Redelease, São Paulo, SP, Brasil) e posteriormente seccionadas paralelamente ao ponto de carga oclusal. Após a secção, os espécimes foram polidos ao longo da extensão das trincas com lixas de carboneto de silício (100, 240, 320, 400, 500, 600), sob irrigação constante de água em uma politriz (Politriz metalográfica Struers DP-10 - Panambra, Cambuci, SP, Brasil). Assim, a superfície danificada pôde ser inspecionada com o estereomicroscópio (Leica Zeiss MZE, Mannheim, Alemanha). Espécimes que mostraram trincas cone interno atingindo a infraestrutura metálica foram classificados como não sobreviventes.

A falha durante a fadiga foi registrada em função do número de ciclos. Esta informação foi utilizada para determinar o parâmetro de distribuição de Weibull para cada grupo (Weibull 6 ++; Reliasoft, Tucson, AZ, Esatdos Unidos). Tanto o valor do módulo de Weibull Beta (ß) quanto o valor característico Eta (aqui o número de ciclos (n) no qual 62,3% dos espécimes poderiam falhar) foram determinados para cada grupo. Um gráfico com 85% de intervalo de confiança para Beta vs. Eta foi produzido para verificar as diferenças entre os grupos experimentais. A não sobreposição dos contornos no gráfico indicou que existiu diferença significante entre os grupos.

RESULTADOS

O gráfico com intervalo de confiança de 85% (Figura 2) mostra a característica de resistência para todos os grupos. Observa-se que o grupo MCm apresentou o maior valor de Eta. Entretanto, houve uma sobreposição do contorno deste grupo com o grupo MCs, denotando que não houve diferença estatística entre ambos. O mesmo ocorreu entre os grupos ICA que apresentaram sobreposição dos contornos, demonstrando que também não houve diferença estatística entre ICAm e ICAs. Na comparação intergrupos, as coroas ICA apresentaram resultados de vida útil à fadiga menor e estatisticamente diferente em relação aos grupos metálicos (MCm e MCs). O resultado encontrado relaciona-se ao elevado número de espécimes considerados sobreviventes (ausência de falha até 106 ciclos ou de trincas cone interno atingindo a infraestrutura) para os grupos MCm (4/10) e MCs (6/10) que permitiram os melhores resultados.

MODOS DE FALHA

No grupo ICAm houve 6 espécimes que não apresentaram fraturas após o término da ciclagem. Por isso, as coroas foram embutidas em resina epóxica e sequencialmente polidas, sendo que em todos os 6 espécimes foram observadas trincas tipo cone interno alcançando a infraestrutura cerâmica (Figura 4). Três coroas deste mesmo grupo apresentaram a fratura coesiva na porcelana de revestimento, as quais se estenderam em direção à área da modificação resultando em exposição parcial da infraestrutura e, somente um espécime apresentou a fratura catastrófica (fratura da porcelana de revestimento e da infraestrutura cerâmica). Por outro lado, quatro espécimes do grupo ICAs apresentaram a fratura catastrófica, sendo este o principal modo de falha deste grupo (Figura 5). A análise fractográfica revelou que a trinca originou-se da superfície de cimentação e propagou-se em direção à porcelana de revestimento. Dentre os demais espécimes deste grupo, três apresentaram fraturas coesivas na porcelana de revestimento e três não apresentaram fraturas durante a fadiga, mas após o polimento observou-se a presença de trincas cone interno se estendendo à infraestrutura.

DISCUSSÃO

A modificação de desenho de infraestrutura avaliada não aumentou a característica de resistência independentemente do material utilizado (metal ou cerâmica). Entretanto, a análise mostrou superior resistência das coroas metalo-cerâmicas em relação às totalmente cerâmicas. Em relação ao modo de falha, pode-se constatar que os grupos MCm e MCs apresentaram modos de falhas similares. Em relação aos grupos com infraestrutura cerâmica, foi observado que o grupo ICAs apresentou um número maior de falhas relacionadas à fratura da infraestrutura. Enquanto que as trincas cone interno que atingiram a infraestrutura foram o principal modo de falha do grupo ICAm.

A modificação do desenho da infraestrutura avaliada foi sugerida no passado para solucionar problemas como as fraturas precoces e a falta de suporte oferecida à porcelana de revestimento em coroas metalo-cerâmicas^9,19,23,25. Contudo, estas modificações nunca haviam sido avaliadas laboratorialmente, provavelmente devido à elevada taxa de sucesso deste sistema e, também ao fato de que as principais complicações relacionadas a este sistema são de origem biológica (cárie e doença periodontal)³. De fato, os resultados deste estudo demonstram que, para a carga aplicada, não houve diferença entre os grupos MCm e MCs, assim como entre os grupos com infraestruturas cerâmicas.

Esperado somente para as infraestruturas cerâmicas, as fraturas catastróficas ocorreram em 5 espécimes, sendo 4 destes no grupo ICAs, possivelmente com origem relacionada a trincas tipo radial com origem na superfície de cimentação. Isto pode estar correlacionado com as propriedades mecânicas da alumina infiltrada por vidro, a qual apresenta resistência à fratura de aproximadamente 550 MPa e tenacidade à fratura de 3 MPa m^1-2. Estas diferenças podem explicar o motivo da alumina ser mais propensa às fraturas catastróficas. Considerando estas propriedades, a alumina foi escolhida, pois esta poderia se beneficiar mais de uma infraestrutura modificada do que o PZT-I, onde as fraturas de infraestrutura são raras¹. Embora a análise Weibull não tenha detectado diferenças entre o comportamento dos grupos cerâmicos, o modo de falha entre ambos foi distinto. Observou-se que no grupo ICAm a maioria dos espécimes (n = 6) resistiram 106 ciclos sem apresentar fraturas (catastrófica ou da porcelana de revestimento), embora todos estes tenham revelado trincas cone interno alcançando a infraestrutura. Dessa forma é possível especular o importante papel das estruturas que modificaram o desenho padrão (poste proximal e cinta lingual) no suporte oferecido à porcelana de revestimento.

Os grupos com infraestrutura metálica (MCm e MCs) não apresentaram fraturas após 106 ciclos. Devido à dificuldade de caracterizar as falhas neste sistema na ausência de fraturas, todas as coroas foram embebidas em resina epóxica e polidas para que a estrutura interna da porcelana de revestimento pudesse ser avaliada. A análise destas coroas revelou danos próximos à área de aplicação de carga. Todos os espécimes mostraram trincas tipo cone interno (atingindo ou não a infraestrutura), a qual possivelmente está relacionada com a fadiga cíclica em água, indicando que a cerâmica de cobertura não foi capaz de impedir a propagação destas trincas ao longo de sua espessura^21-22. Dessa forma, os espécimes que não apresentaram a trinca cone interno alcançando a infraestrutura foram considerados como sobreviventes para a análise Weibull. Vale ressaltar que se a fadiga cíclica continuasse, resultaria em fraturas da porcelana de revestimento em um dado momento.

A metodologia empregada foi limitada por simular apenas as cargas no sentido axial, sem realizar o componente de deslizamento horizontal, o qual reproduziria de forma mais acurada a fisiologia oclusal⁴. Dessa forma, novos estudos que contemplem o deslizamento lateral durante o carregamento cíclico e outros materiais cerâmicos devem ser conduzidos para simular com maior precisão o efeito destas modificações no desenho da infraestrutura.

CONCLUSÃO

Dentro das limitações deste estudo pode ser concluído que a modificação no desenho, tanto da infraestrutura metálica quanto da cerâmica não melhorou a característica de vida útil à fadiga. Portanto, a hipótese nula 1, a qual postulava que a modificação do desenho da infraestrutura não aumentaria a vida útil à fadiga, tanto das coroas metalo-cerâmicas quanto das de alumina infiltrada por vidro, foi aceita. Entretanto, a hipótese nula 2, a qual postulava que não haveria diferença no modo de falha entre os grupos com infraestrutura metálica e cerâmica, foi parcialmente rejeitada. Enquanto a hipótese foi aceita para o grupo MC, pois não houve diferença no padrão de falha, na segunda foi rejeitada uma vez que as coroas ICAs fraturaram em sua maioria catastroficamente e as ICAm não.

AGRADECIMENTOS

Os autores são especialmente gratos ao Dr. André Inácio Lorenzoni e ao Dr. Van P. Thompson. Os autores também agradecem ao Centro de Pesquisa Integrada I (CIP-I - FOB/USP), a Hitachi S3500N SEM (Faculdade de Odontologia da Universidade de Nova Iorque - NIH/NIDCR) e, ao Núcleo de Apoio à Pesquisa em Microscopia Eletrônica de Varredura (NAP/MEPA – ESALQ/USP). Este estudo foi financiado, parcialmente, pelo CNPq PEC-PG Brasil processo número 133202-2007-3.

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Endereço para correspondência:
Fabio Cesar Lorenzoni
Faculdade de Odontologia de Bauru – USP
Departamento de Prótese
Alameda Dr. Octávio Pinheiro Brizolla, 9-75
17012-101 – Bauru – São Paulo – Brasil ]]> E-mail: fcesarlorenzoni@yahoo.com.br

Recebido: 19/02/2010
Aceito: 09/04/2010