The submicron dimensional behavior of post-cure dental composites: an electronic speckle pattern-correlation interferometry study

Abstract

The high qualities of dental composite resins have established them as first choice materials for direct filling restorations. However their longevity is highly dependent on the integrity of the adhesive interface between the restoration and the tooth. This interface is in turn influenced by the dimensional behavior of the material and its response to the various conditions in the mouth. The composite fillings have to operate in a wet environment under constant thermal fluctuations. Phenomena like water absorption and elution of chemical species from the material, post- polymerization and changes in temperature strongly influence the dimensional behavior of the material, posing a challenge to the adhesive interface. In order to be able to investigate the impact of these phenomena on the dimensions of the material, and since the magnitude of these deformations is very small, a very sensitive method should be applied. Electronic speckle pattern- correlation interferomentry (ESPI) is a non-contact, non-destructive optical method for measuring small deformations of surfaces taking place in a range of 20 nm to 2 μm, being therefore suitable for performing this kind of measurements. The aim of this study was to measure the actual deformations of the composite when heated up to 37°C and to investigate the different impact of the factors influencing the dimensional behavior of the material. Accordingly, through these measurements the potential of ESPI for conducting small scale recordings of the deformations taking place in composite materials should be determined and a measurement protocol should be established in order to standardize this procedure. Within this framework, two materials were chosen, Admira (VOCO, Cuxhaven) for the preliminary measurements and Grandio (VOCO, Cuxhaven) for the main deformation measurements. Each specimen was stored dry (ambient conditions) or wet (water) for particular durations before measurement. The deformations taking place as the specimen was heated from 26°C to 37°C were recorded, with each recording lasting 27 min, corresponding to 400 measurements over the surface. Comparisons were made between the deformations recorded for the various groups. The impact of water absorption and post-polymerization over the dimensional behavior of the material was investigated with ESPI, as well as the time frame in which these phenomena exert their influence. Additional measurements in this direction included microindentation tests and measurements of the weight. The possibility of water pre-existing in the dry specimens was also examined. Through the measurements with the ESPI it was demonstrated that as temperature rose from 26°C up to 37°C, following an initial expansion all specimens shrank for the duration of the measurement (-0.05%≤deformation≤-0.011%). The largest and most dramatic dimensional response of the material was exerted at the first 24 hours after polymerization, regardless of the storage medium. 72 hours after polymerization the material showed the greatest stability. For storages longer than 72 hours and up to 1 month, the shrinkage values started rising again. Evidently, the first 24 hours are overall the most important period for the dimensional behavior of the material. The shrinkage exhibited as a result of the rise in temperature is the most statistically significant, even when this rise is only up to mouth temperature. During this time, post-polymerization exerts the greatest influence. By contrast, 72 hours after polymerization, the impact of water absorption is greater than that of post-polymerization. Through all these measurements it was demonstrated that ESPI is capable of measuring nanometer deformations and minute strains related to the molecular dynamics of the composites, relevant to the clinical conditions where these materials are used. Through the measurements with the ESPI, a measurement protocol was established standardizing the method for future investigations.

Die hohe Qualität der zahnärztlichen Komposite hat sich als erste Wahl für direkte Restaurationen etabliert. Doch ihre Langlebigkeit ist stark abhängig von der Integrität des adhäsiven Verbunds zwischen Restauration und Zahn. Diese Grenzfläche ist wiederum durch das dimensionale Verhalten des Materials und seine Reaktion auf die verschiedenen Bedingungen im Mund beeinflusst. Die Kompositfüllungen müssen einer feuchten Umgebung und konstanten thermischen Fluktuationen widerstehen. Phänomene wie Wasseraufnahme und Löslichkeit von chemischen Substanzen aus dem Material, Post-Polymerisation und Änderungen der Temperatur beeinflussen das dimensionale Verhalten des Materials und stellen eine Herausforderung an die Adhäsive Grenzfläche. Um in der Lage zu sein die Auswirkungen dieser Phänomene auf die Dimensionen des Materials zu untersuchen, insbesondere da die Größe dieser Verformungen sehr klein ist, sollte entsprechend eine sehr empfindliche Methode angewendet werden. Elektronische Speckle-Korrelation Interferometrie (ESPI) ist eine berührungslose, zerstörungsfreie, optische Methode zur Messung von kleinen Verformungen der Oberfläche, in einem Bereich von 20nm bis 2μm und ist deshalb geeignet für die Durchführung dieser Art von Messungen. Das Ziel dieser Studie war es, die tatsächlichen Verformungen des Kunststoffes zu messen, wenn er bis zu 37 ° C erhitzt ist und die unterschiedlichen Auswirkungen der Faktoren zu untersuchen, die das dimensionale Verhalten des Materials beeinflussen. Durch diese Messungen wird die Möglichkeit kleinste Deformationen im Kunststoff mit ESPI aufzunehmen untersucht. Zur Standardisierung wurde ein Messprotokoll eingerichtet. Im Rahmen dessen wurden zwei Materialien gewählt: Admira (VOCO, Cuxhaven) für den vorläufigen Messungen und Grandio (VOCO, Cuxhaven) für die Hauptdeformationsmessungen. Für bestimmte Zeiträume vor der Messung wurde jede Probe trocken (Umgebungsbedingungen) bzw. feucht (Wasser) gelagert. Verformungen während des Verfahrens, zwischen dem Heizen von 26°C bis 37°C, wurden gemessen und aufgenommen. Jede Aufnahme dauerte 27 min, bzw. entspricht 400 Messungen auf der Oberfläche. Vergleiche zwischen den Verformungen der verschiedenen Gruppen wurden durchgeführt. Die Auswirkungen der Wasseraufnahme und Polymerisation über dem dreidimensionalen Verhalten des Materials wurde mit ESPI untersucht, sowie der Zeitraum, in dem diese Phänomene ihren Einfluss ausüben. Zusätzliche Messungen in diese Richtung enthalten die Mikroindentation- Tests und Messungen des Gewichts. Die Möglichkeit von Wassereinlagerung in den trockenen Proben wurde ebenfalls untersucht. Durch die Messungen mit dem ESPI wurde gezeigt, dass während des Temperaturanstiegs von 26°C auf 37°C nach einer ersten Expansion alle Proben schrumpften. Für die Dauer der Messung entsprach dies -0,05%≤Verformung≤-0,011%. Die größte und dramatischste dimensionale Reaktion des Materials findet innerhalb der ersten 24 Stunden nach der Polymerisation statt, unabhängig von dem Lagerungsmedium. 72 Stunden nach der Polymerisation zeigt das Material die größte Stabilität. Für Lagerungszeiträume zwischen 72 Stunden und 1 Monat, zeigte sich wieder ein Anstieg der Schrumpfung. Offensichtlich sind die ersten 24 Stunden insgesamt die wichtigsten für die Dimensionen des Materials. Die Schrumpfung als Folge des Anstiegs der Temperatur ist statistisch signifikant, auch wenn dieser Temperaturanstieg nur auf Niveau der Mundtemperatur ist. Während dieser Zeit übt die Post-Polymerisation den stärksten Einfluss aus. Im Gegensatz dazu sind 72 Stunden nach der Polymerisation die Auswirkungen der Wasseraufnahme größer als die der Polymerisation. Außerdem wurde durch diese Experimente gezeigt, dass die Messung mit ESPI Nanometerverformungen und Spannungen der Kunststoffe, unter klinisch relevanten Bedingungen, möglich ist. Durch die Messungen mit ESPI wurde ein Messprotokoll zur Standardisierung für zukünftige Untersuchungen hergestellt.