مجله دانشکده دندان‌پزشکی اصفهان

بررسی مقاومت به شکست لامینیت‌های سرامیکی تقویت شده با نانوذرات باریم تیتانات به روش اجزاء محدود

نوع مقاله : مقاله‌های پژوهشی

چکیده

مقدمه: موضوع تقویت لامینیت‌های سرامیکی با نانوذرات، به جهت کاهش نرخ شکست آن‌ها می‌تواند توسط روش اجزاء محدود مورد بررسی قرار گیرد. هدف این مطالعه، بررسی پتانسیل تقویت لامینیت‌های سرامیکی توسط نانوذره باریم تیتانات در فاز کریستالی بود.
مواد و روش‌ها:این مطالعه‌ی تجربی- تحلیلی در بهار 1403 در دانشکده‌ی دندان‌پزشکی دانشگاه علوم پزشکی کردستان انجام شد. مطالعه شامل تهیه‌ی 8 مدل با استفاده از نرم‌افزار Ansys 2024 R1، سه بعدی مش‌بندی شده لامینیت‌های سرامیکی (Innovative Pressable Solutions) IPS تقویت شده با غلظت‌های 5، 10 و 20 درصد نانوذره‌ی باریم تیتانات می‌باشد. دو نیرو با زاویه‌ی 60 و 125 درجه به سطح انسیزوپالاتال لامینیت‌های سرامیکی وارد شدند. تحلیل اجزاء محدود با استفاده از تنش معادل فون مایزز که پیش‌بینی‌کننده‌ی احتمال شکست مواد است انجام شد. داده‌ها به روش آنالیز کیفی تحلیل و تفسیر شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، افزودن نانوذرات باعث افزایش مقدار تنش معادل فون مایزز و درنتیجه رفتار بهتر لامینیت‌های سرامیکی در برابر شکست می‌شود. با افزایش غلظت نانوذرات میزان حداکثر تنش معادل افزایش می‌یابد اما در مقابل، میزان حداقل تنش معادل کاهش می‌یابد و رفتار نمونه‌ها در مواجه با تنش‌های پایین‌تر از نظر استحکام شکست بدتر می‌شود. البته برای غلظت 10 درصد وزنی نانوذره‌ی باریم تیتانات مقدار حداقل تنش معادل نیز افزایش می‌یابد
نتیجه گیری: مطابق یافته‌ها افزودن نانوذرات باریم تیتانات به ساختار لامینیت‌های سرامیکی IPS می‌تواند توزیع تنش حداکثر در ساختمان لامینیت را کاهش داده و با افزایش میزان تنش معادل که پیش‌بینی‌کننده‌ی رفتار لامینیت پیش از بروز شکست می‌باشد، می‌تواند ساختمان لامینیت را نسبت به بروز ترک و در نهایت شکست مقاوم سازد.
کلمات کلیدی: ونیرهای دندانی؛ باریم تیتانات؛ شکست؛ استحکام خمشی؛ آنالیز اجزاء محدود  

عنوان مقاله [English]

Investigating the Fracture Toughness of Ceramic Laminate Veneers Reinforced with Barium Titanate Nanoparticles Using the Finite Element Method

چکیده [English]

Introduction: The issue of enhancing ceramic laminates with nanoparticles to decrease their failure rate can be explored using the finite element method. The purpose of this study was to investigate the potential strengthening of ceramic laminates by incorporating barium titanate nanoparticles in the crystalline phase.
Materials and Methods: This experimental-analytical study was conducted in the spring of 2023 in the Faculty of Dentistry of Kurdistan University of Medical Sciences. The laboratory study utilized Ansys software to create eight meshed 3D models of IPS e.max Press ceramic laminates reinforced with 5%, 10%, and 20% concentrations of barium titanate nanoparticles. Two forces at 60 and 125 degrees were applied to the incisor palatal surface of the ceramic laminates. Finite element analysis using von Mises equivalent stress predicted material failure probability. The data were analyzed and interpreted qualitatively.
Results: The results indicated that adding nanoparticles increased von Mises equivalent stress, resulting in improved fracture resistance of ceramic laminates. Increasing nanoparticle concentration raised the maximum equivalent stress but decreased the minimum equivalent stress, leading to decreased fracture strength under lower stresses. However, at a 10% concentration of barium titanate nanoparticles by weight, minimum equivalent stress increased.
Conclusion: Based on the study's findings, incorporating barium titanate nanoparticles into IPS Emax Press ceramic laminates can reduce maximum stress distribution within the laminate structure. This increase in equivalent stress can enhance laminate resistance to cracking and ultimately failure.
Keywords: Dental Veneers, Barium Titanate, Fracture, Flexural Strength, Finite Element Analysis

1. Babu PJ, Alla RK, Alluri VR, Datla SR, Konakanchi A. Dental Ceramics: Part I – An Overview of Composition, Structure and Properties. American Journal of Materials Engineering and Technology [Internet]. 2015 Jan 23;3(1):13–8. Available from: http://pubs.sciepub.com/materials/3/1/3/materials-3-1-3.pdf
2. Cornacchia TPM, De Las Casas EB, Cimini CA, Peixoto RG. 3D finite element analysis on esthetic indirect dental restorations under thermal and mechanical loading. Medical & Biological Engineering & Computing [Internet]. 2010 Jul 16;48(11):1107–13. Available from: https://doi.org/10.1007/s11517-010-0661-7
3. Arora A, Upadhyaya V, Arora SJ, Jain P, Yadav A. Evaluation of fracture resistance of ceramic veneers with different preparation designs and loading conditions: An in vitro study. The Journal of Indian Prosthodontic Society [Internet]. 2017 Jan 1;17(4):325. Available from: https://doi.org/10.4103/jips.jips_37_17
4. Morimoto S, Albanesi RB, Sesma N, Agra CM, Braga MM. Main clinical outcomes of Feldspathic Porcelain and Glass-Ceramic Laminate Veneers: A Systematic Review and Meta-Analysis of Survival and Complication Rates. International Journal of Prosthodontics [Internet]. 2016 Jan 1;29(1):38–49. Available from: https://doi.org/10.11607/ijp.4315
5. Gorelov BM, Kotenok EV, Makhno SM, Sydorchuk V, Khalameida S, Zazhigalov VA. Structure and optical and dielectric properties of barium titanate nanoparticles obtained by the mechanochemical method. Technical Physics [Internet]. 2011 Jan 1;56(1):83–91. Available from: https://doi.org/10.1134/s1063784211010117
6. Montealegre-Melendez I, Neubauer E, Angerer P, Danninger H, Torralba JM. Influence of nano-reinforcements on the mechanical properties and microstructure of titanium matrix composites. Composites Science and Technology [Internet]. 2011 May 1;71(8):1154–62. Available from: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.04.005
7. Nelson SJ. Wheeler's Dental Anatomy, Physiology and Occlusion: 1st SAE-E-book. Elsevier Health Sciences; 2015 May 25.
8. Rosenstiel SF, Land MF, editors. Contemporary Fixed Prosthodontics-E-Book: Contemporary Fixed Prosthodontics-E-Book. Elsevier Health Sciences; 2015 Jul 28.
9. Turgut S, Bagis B. Effect of resin cement and ceramic thickness on final color of laminate veneers: an in vitro study. The Journal of prosthetic dentistry. 2013 Mar 1;109(3):179-86.
10. Wakabayashi N, Ona M, Suzuki T, Igarashi Y. Nonlinear finite element analyses: advances and challenges in dental applications. Journal of dentistry. 2008 Jul 1;36(7):463-71.
11. Grether MF, Coffeen WW, Kenner GH, Park JB. The mechanical stability of barium titanate (ceramic) implants in Vitro. Biomaterials, medical devices, and artificial organs. 1980 Jan 1;8(3):265-72.
12. Arora A, Upadhyaya V, Arora SJ, Jain P, Yadav A. Evaluation of fracture resistance of ceramic veneers with different preparation designs and loading conditions: An: in vitro: study. The Journal of Indian Prosthodontic Society. 2017 Oct 1;17(4):325-31.
13. Mert Eren M, Celebi AT, İçer E, Baykasoğlu C, Mugan A, Yücel T, Yıldız E. Biomechanical behavior evaluation of resin cement with different elastic modulus on porcelain laminate veneer restorations using micro-CT-based finite element analysis. Materials. 2023 Mar 16;16(6):2378.
14. Cordero F. Quantitative evaluation of the piezoelectric response of unpoled ferroelectric ceramics from elastic and dielectric measurements: Tetragonal BaTiO3. Journal of Applied Physics. 2018 Mar 7;123(9).
15. Dong L, Stone DS, Lakes RS. Softening of bulk modulus and negative Poisson ratio in barium titanate ceramic near the Curie point. Philosophical magazine letters. 2010 Jan 1;90(1):23-33.
16. Kolupaev VA. Equivalent stress concept for limit state analysis. Darmstad, Germany: Springer; 2018 Jan 18.
17. Hill R. The mathematical theory of plasticity. Oxford university press; 1998.
18. Eraslan O, Inan O, Secilmis A. The effect of framework design on stress distribution in implant-supported FPDs: A 3-D FEM study. European journal of dentistry. 2010 Oct;4(04):374-82.
19. Siegel RW. Cluster-assembled nanophase materials. Annual Review of Materials Science. 1991 Aug;21(1):559-78.
20. Esparza-Vazquez SJ, Rocha-Rangel E, Rodriguez-Garcia JA, Hernandez-Bocanegra CA. Strengthening of alumina-based ceramics with titanium nanoparticles. Materials Sciences and Applications. 2014 May 29;2014.
21. Uyor UO, Popoola PA, Popoola OM. Network structural hardening of polypropylene matrix using hybrid of 0D, 1D and 2D carbon-ceramic nanoparticles with enhanced mechanical and thermomechanical properties. Journal of Polymer Engineering. 2022 Jul 26;42(6):520-34.
22. Uyor UO, Popoola PA, Popoola OM. Network structural hardening of polypropylene matrix using hybrid of 0D, 1D and 2D carbon-ceramic nanoparticles with enhanced mechanical and thermomechanical properties. Journal of Polymer Engineering. 2022 Jul 26;42(6):520-34.
23. Uchino K. Piezoelectric Devices for Sustainability Technologies.
24. Ahamed M, Akhtar MJ, Khan MM, Alhadlaq HA, Alshamsan A. Barium titanate (BaTiO3) nanoparticles exert cytotoxicity through oxidative stress in human lung carcinoma (A549) cells. Nanomaterials. 2020 Nov 22;10(11):2309.
25. Kim Y, Kim H, Oh HT, Kim S, Lee JK. Highly fluorinated barium titanate nanoparticle dispersion for fabrication of lithographically patterned thin films. Materials. 2019 Dec 5;12(24):4045.
26. Karthikeyan V, Chander NG, Reddy JR, Muthukumar B. Effects of incorporation of silver and titanium nanoparticles on feldspathic ceramic toughness. Journal of Dental Research, Dental Clinics, Dental Prospects. 2019;13(2):98.
27. Uno M, Nonogaki R, Fujieda T, Ishigami H, Kurachi M, Kamemizu H, Wakamatsu N, Doi Y. Toughening of CAD/CAM all-ceramic crowns by staining slurry. Dental materials journal. 2012 Oct 2;31(5):828-34.
مجله دانشکده دندان‌پزشکی اصفهان
دوره 20، شماره 3 - شماره پیاپی 3
مهر 1403
صفحه 184-195