DICCA Unige test di usura su blocco polimerico artificiale prove meccaniche materiali Zwick Roell

Presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale – DICCA dell’Università di Genova, l’anno è iniziato all’insegna della ricerca con applicazioni odontoiatriche.

Abbiamo incontrato Alberto Lagazzo che, dopo il dottorato in Scienza dei Materiali nel 2011, sta continuando il proprio percorso nel Laboratorio di Scienza e tecnologia dei materiali del DICCA e ci ha parlato della sua ricerca sull’usura delle frese per uso dentale, effettuata sia su materiale artificiale sia su osso naturale di origine animale.

 

– Buongiorno Alberto, qual è stato il focus della tua ricerca in questi ultimi mesi? 

In questi ultimi mesi ho lavorato soprattutto a prove comparative di incremento della resistenza al taglio di frese odontoiatriche, nello specifico sottoposte a cicli ripetuti di foratura e sterilizzazione in autoclave.

DICCA Unige impianto dentale e procedura di foratura prove meccaniche materiali Zwick Roell

Impianto dentale e procedura di foratura

Le frese dentali sono strumenti rotanti che vengono utilizzati per effettuare forature nell’osso mandibolare o mascellare allo scopo di preparare il sito su cui verrà inserito un impianto . Le frese utilizzate per la preparazione dei siti implantari sono esposte, nel loro uso clinico, a due diversi tipi di danneggiamento che possono ridurne in tempi più o meno lunghi le prestazioni: danneggiamenti dovuti all’usura meccanica e alterazione delle superfici di taglio eventualmente dovute ai trattamenti di sterilizzazione in autoclave.

Ho eseguito una serie di prove comparative su sei modelli di frese di diversi produttori per poter valutare qualitativamente e quantitativamente i due tipi di danneggiamento, in modo da simulare le condizioni di esercizio più frequenti  secondo protocolli di prova concordati con un’azienda del settore finanziatrice della ricerca.

 

Quale metodo di analisi hai adottato?

Nel caso delle prove di usura, ho tenuto come riferimento l’articolo di B.H. Harris e  S.S. Kohles Effects of Mechanical and Thermal Fatigue on Dental Drill Performance riportato in The International Journal of Oral & Maxillofacial Implants,16 [6] 2001.

DICCA Unige test di usura su blocco polimerico artificiale prove meccaniche materiali Zwick Roell

Test di usura su blocco polimerico artificiale presso il DICCA – Università di Genova

Con ogni fresa abbiamo effettuato 50 cicli di foratura, ogni ciclo consistente in tre fori di profondità crescente in un blocco di materiale campione eseguiti a velocità di avanzamento costante e velocità di rotazione costante (Fig.2).

L’operazione è stata possibile utilizzando un dispositivo elettromedicale odontoiatrico per chirurgia implantare in grado di variare la velocità di rotazione e di fornire il corrispondente momento torcente. Il manipolo su cui è inserita la fresa è stato fissato alla macchina Zwick Roell Z050 mediante afferraggio costruito appositamente nel laboratorio DICCA (Fig.3).

 

Quale è stato il ruolo della strumentazione Zwick?

Abbiamo utilizzato la macchina Zwick Roell Z050 per il posizionamento verticale della fresa ad una distanza fissata dal materiale campione;  abbiamo poi fatto avanzare la fresa in direzione verticale all’interno del campione di lunghezza fissata, funzione della lunghezza della fresa, a una velocità costante e misurato quindi la forza normale di penetrazione.

 

Come e quando hai effettuato le relative modifiche?

Ho controllato lo stato di danneggiamento dell’utensile all’inizio della prova, dopo 30 cicli e alla fine dei 50 cicli, misurando sia la coppia resistente della fresa sia la forza assiale che si oppone in punta alla sua penetrazione. Nell’ambito di ogni controllo sono state anche osservate al microscopio ottico le superfici di taglio, rilevando eventuali danneggiamenti rispetto al controllo iniziale.

Nelle prove relative al processo di sterilizzazione ho seguito una procedura analoga, effettuando 50 cicli di sterilizzazione in autoclave, con controlli delle prestazioni al taglio identici a quelli descritti sopra, all’inizio della prova, dopo 30 cicli e alla fine della prova.

I due parametri di resistenza al taglio (coppia e carico assiale di penetrazione) rilevati durante i controlli, ma anche nel corso dei cicli di usura (ogni 5 cicli), sono stati utilizzati come indici delle prestazioni della fresa e quindi della progressiva perdita di affilatura dei taglienti. Maggiori incrementi di questi parametri (coppia e carico assiale) rispetto al controllo iniziale hanno registrasto un maggior logoramento, rispettivamente per i taglienti sulla superficie laterale della fresa e per quelli in punta.

 

Quali materiali hai utilizzato per svolgere le prove?

Dicca Unige test di usura su osso animale macchine di prova materiali Zwick Roell

Test di usura su osso animale pressso DICCA – Università di Genova

Ho scelto come materiale campione, su cui effettuare tutti i fori relativi sia ai cicli di usura sia a quelli di controllo,  un polimero a elevata densità, commercializzato come sostituto dell’osso corticale per i test in laboratorio su strumentazione odontoiatrica.

Questo materiale ha il vantaggio di essere abbastanza omogeneo, anche se naturalmente è impossibile stabilire a priori quanto e se il suo effetto usurante sulle frese differisca da quello dell’osso naturale. A titolo di verifica sono state effettuate sulle frese già sottoposte al protocollo di usura prove di foratura in osso naturale, nella fattispecie costole di bovino.

 

– Quali sono le ricadute pratiche di questa ricerca e gli ulteriori ambiti di sviluppo? Sono in atto ulteriori ricerche in ambito odontoiatrico?

La valutazione delle proprietà meccaniche delle frese per uso odontoiatrico e più nello specifico la resistenza ad usura e l’efficienza di foratura ha importanti ricadute sia sul piano tecnico sia sul piano clinico.

Si tratta infatti di frese diverse per forma, ad esempio diametro, lunghezza, profilo del tagliente e per tipologia del materiale, metallico o metallico rivestito con uno strato di materiale ceramico. Una maggior resistenza a usura si ripercuote innanzitutto sul tempo di vita del dispositivo. L’efficienza di foratura poi è un parametro fondamentale in quanto è strettamente legato al danno che viene inferto al tessuto osseo durante il trattamento. Ad esempio una bassa efficienza di foratura crea un aumento di temperatura tale da poter addirittura portare alla necrosi del tessuto osseo, con conseguente allungamento dei tempi di guarigione o in casi estremi anche al fallimento dell’impianto.