Materialtechnische Untersuchungen von Alignermaterialien aus Formgedächtnispolymeren

Abstract

Unsichtbare Aligner sind beliebt, da sie ästhetisch ansprechend sind, Aligner-Therapien bieten im Vergleich zur konventionellen kieferorthopädischen Behandlung effektivere Möglichkeiten zur Förderung der Mundhygiene, da Patienten die Aligner tagsüber herausnehmen können. (Ashari und Mohamed, 2016), weniger Zahnarztbesuche erfordern und tech- nisch einfacher zu handhaben sind (Yassir et al., 2022). Der schrittweise Korrektor der Zahnfehlstellung erfolgt mithilfe von Alignern, die Translationen und Rotationen mit einer begrenzten Schrittgröße ermöglichen, über einen Zeitraum von 10-14 Tagen (Moutawakil et al., 2021; Tamer et al., 2019). Die begrenzte Zahnbewegung pro Aligner-Schiene erhöht die Anzahl der Schienen pro Behandlung, was die finanzielle Belastung, Kunststoffverbrauch und Umweltauswirkungen steigert (Elshazly et al. 2022). Die Integration intelligenter Materialien, wie Formgedächtnispolymeren, Shape Memory Polymers (SMPs), wurde vorge- schlagen (Elshazly et al., 2021; Elshazly et al., 2022; Lee et al., 2022). SMPs können temporäre Formen beibehalten und bei geeignetem Stimulus in ihre ursprüngliche Form zurückkehren (Lendlein und Kelch, 2002; Liu et al., 2007; Meng und Li, 2013).<br /> Die klinische Wirksamkeit von durchsichtigen Alignern hängt von verschiedenen Faktoren ab (Upadhyay und Arqub, 2021; Yassir et al., 2022), wobei die Materialeigenschaften eine entscheidende Rolle spielen (Cremonini et al., 2022; Momtaz, 2016). Mehrschichtige Hyb- ridmaterialien wurden entwickelt, um Einschränkungen einschichtiger Materialien zu überwinden, indem sie harte Außenschalen mit einer weicheren Innenschicht kombinieren, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und höherem Patientenkomfort führt (Lombardo et al., 2016). Das herkömmliche Thermoformverfahren beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften von Aligner-Materialien (Dalaie et al., 2021; Golkhani et al., 2022). Als Alternative wurde der direkte 3D-Druck eingeführt, um kumulative Fehler zu eliminieren, mit dem Ziel höherer Präzision, besserer Designkontrolle, geringerer Komplexität der Lieferkette und niedrigeren Produktionskosten (Elshazly et al., 2022; Koenig et al., 2022; Lee et al., 2022; Peeters et al., 2019; Shivapuja et al., 2019; Tartaglia et al., 2021).<br /> Bisher gibt es in der Literatur keinen umfassenden Überblick über die Materialeigenschaften von Alignern, die aus SMPs, 3D-gedrucktem Harz oder 3D-gedrucktem Formgedächtnisharz (4D-Aligner) hergestellt werden. Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, physikochemische und mechanische Analyseergebnisse von 3D-gedruckten Formgedächtnis-Alignern (4D-Alignern) im Vergleich zu thermogeformten Alignern vorzustellen.

<strong>Objectives: </strong> To conduct a physiochemical and mechanical material analysis on 3D printed shape-memory aligners in comparison to thermoformed aligners.<br /> <strong>Materials and Methods: </strong> Four materials were examined, including three thermoformed materials: CA Pro (CP), Zendura A (ZA), Zendura FLX (ZF), and one 3D printed material: Tera Harz (TC-85). Rectangular strips measuring 50 × 10 × 0.5 mm were produced from each material. Five tests were conducted, including differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), shape recovery tests, three-points bending (3 PB), and Vickers surface microhardness (VH).<br /> <strong>Results: </strong> DSC recorded glass transition temperatures (Tg) at 79.9 °C for CP, 92.2 °C for ZA, 107.1 °C for ZF, and 42.3 °C for TC-85. In DMA analysis at 20–45 °C, a prominent decrease in storage modulus was observed, exclusively for TC-85, as the temperature increased. Notably, within the temperature range of 30–45 °C, TC-85 exhibited substantial shape recovery after 10 min, reaching up to 86.1 %, while thermoformed materials showed minimal recovery (1.5–2.9 %). In 3 PB test (at 30, 37, 45 °C), ZA demonstrated the highest force at 2 mm bending, while TC-85 exhibited the lowest. Regarding VH at room temperature, there was a significant decrease for both ZA and ZF after thermoforming. ZA had the highest hardness, followed by ZF and TC-85, with CP showing the lowest values.<br /> <strong>Conclusions: </strong> TC-85 demonstrates exceptional shape memory at oral temperature, improving adaptation, reducing force decay, and enabling, together with its higher flexibility, extensive tooth movement per step. Additionally, it maintains microhardness similar to thermoformed sheets, ensuring the durability and effectiveness of dental aligners.<br /> <strong>Clinical relevance:</strong> The 3D printed aligner material with shape memory characteristics (4D aligner) has revolutionized the orthodontic aligner field. It showed mechanical properties more suitable for orthodontic treatment than thermoforming materials. Additionally, it offers enhanced control over aligner design and thickness, while optimizing the overall workflow. It also minimizes material wastage, and reduces production expenses.