Wear behavior of glass-ceramic and polymer-infiltrated ceramic materials for dental applications

Abstract

Wear of teeth and restorative materials has been often reported by general dental practitioners and researchers. Wear can occur at tooth-tooth, restoration-tooth, or restoration-restoration contacting surfaces, depending on the properties of the related synthetic and natural materials. All-ceramic restorations are the most popular type of dental restorations due to their optical and mechanical properties. However, the abrasiveness of ceramic materials results in progressive wear of contacting surfaces such as resin composite or tooth enamel. Concerning aaesthetics, strength, and wear, new glass ceramics and composites have been commercially introduced in the field of dentistry. The objective of the present work is to study the tribological behavior of a zirconia-reinforced lithium silicate glass-ceramic and a polymer-infiltrated ceramic. Samples were tested on a reciprocating ball-on-plate tribometer at 30 N applied load, 1 Hz and stroke length of 2 mm. The wear sliding tests were carried out against an alumina ball in artificial saliva at 37 ºC. Additionally, micro-scale abrasion tests were also performed in the presence of abrasive particles to simulate three-body abrasion conditions. The micro-scale abrasion tests were performed at 60 rpm with a normal load of 0.8 N for 600 revolutions of a stainless-steel ball in contact with a suspension of hydrated silica particles. After wear tests, the worn surfaces were inspected by scanning electron microscopy (SEM) and Energy-Dispersive Spectroscopy (EDS). The main wear mechanism found during the tests was abrasion. However, the hybrid ceramic, during the reciprocating tests, presented an unstable adhesive tribo-layer, associated with a delamination process. Congruently, the wear volume obtained during the micro-abrasion tests were higher for the polymer infiltrated ceramic than for the glass-ceramic, 1.44x10-1 mm3, and 9.89x10-2 mm3, respectively. The same happened to the specific wear rate for sliding tests where the hybrid ceramic obtained 5.33x10-5 mm3/N.m and the glass-ceramic 3.17x10-5 mm3/N.m. For all test conditions, zirconia reinforced glass-ceramic, presented higher wear resistance than hybrid ceramic, combined with lower friction coefficient against alumina, which indicates the potential of this reinforced glass-ceramic for application in dental restorations.

O desgaste dos dentes e materiais de restauro, tem sido referenciado muitas vezes por médicos dentistas e investigadores. O desgaste pode ocorrer na interação de superfícies em contacto, dente-dente, restauro-dente, ou mesmo restauro-restauro, dependendo das propriedades dos materiais sintéticos e naturais. Os restauros totalmente cerâmicos são o tipo mais popular de restauros dentários, devido às suas propriedades óticas e mecânicas. No entanto, a abrasividade dos materiais cerâmicos resulta no desgaste progressivo das superfícies em contacto como resinas compósitas ou esmalte dentário. Tendo em conta a estética, resistência e desgaste, novos vitrocerâmicos e compósitos têm sido introduzidos no campo da dentária. O objetivo do presente trabalho é o estudo do comportamento tribológico de um vitrocerâmico de silicato de lítio reforçado com zircónia e de uma cerâmica infiltrada com polímero. As amostras foram testadas num tribómetro esfera-placa em deslizamento linear alternativo, com uma carga aplicada de 30 N, 1 Hz e 2 mm de amplitude. Estes testes foram realizados contra uma esfera de alumina em saliva artificial a 37 ºC. Além disso, foram realizados testes de abrasão em micro-escala, na presença de partículas abrasivas para simular condições de abrasão a três corpos. Os testes de micro-abrasão foram realizados a 60 rpm e com uma carga normal fixa de 0,8 N para 600 rotações da esfera em aço, usando uma suspensão de sílica hidratada. Após os testes tribológicos, as superfícies desgastadas foram inspecionadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e por espetroscopia de energia dispersiva (EDS). O principal mecanismo de desgaste encontrado durante os ensaios foi a abrasão. Porém, o cerâmico hibrido, apresentou uma tribo-camada adesiva e instável, associada a um processo de delaminação. Congruentemente, o volume de desgaste obtido durante os testes de microabrasão foi maior para o cerâmico infiltrado com polímero do que para o vitrocerâmico, 1,44x10-1 mm3 e 9,89x10-2 mm3, respetivamente. O mesmo aconteceu com a taxa de desgaste específica para testes de deslizamento em que a cerâmica híbrida resultou em 5,33x10-5 mm3/N.m e a vitrocerâmica 3,17x10-5 mm3/N.m. Para todas as condições de teste, o vitrocerâmico reforçado com zircónia apresentou maior resistência ao desgaste do que o cerâmico híbrido, combinando com menor coeficiente de atrito contra a alumina, o que indica o potencial de aplicação deste vitrocerâmico reforçado em restaurações dentárias.