Influencia de las técnicas espectroscópicas y el método de análisis en la estimación del grado de conversión de diferentes composites bulk-fill

Resumen

Introducción: Los composites se encuentran entre los materiales restauradores directos más utilizados en Odontología (Sadowsky 2006; Kwon et al. 2012). Al abordar la limitada profundidad de polimerización de los composites convencionales, los avances en la tecnología en términos de nuevos monómeros, translucidez, sistemas iniciadores y tecnología de relleno, así como la necesidad de una verdadera alternativa a la amalgama (Fisher et al. 2018), han llevado a la comercialización de una nueva clase de composites conocidos como "materiales de obturación en bloque, en masa o composites bulk-fill" (Garoushi et al. 2013; Goracci et al. 2014). Según los fabricantes, estos materiales polimerizan adecuadamente cuando se colocan en incrementos de hasta 4-5 mm de espesor, mientras se mantiene una baja tensión de contracción de polimerización. El grado de conversión (GC) es una característica clave en el estudio de los composites dentales, ya que afecta a las propiedades tanto física como mecánicas del polímero, así como a su biocompatibilidad (Fronza et al. 2015; Tauböck et al. 2015). Este parámetro representa el porcentaje de dobles enlaces de carbono sin reaccionar C=C en el material polimerizado en relación con el material sin polimerizar (Shin et al. 1993). Diferentes técnicas espectroscópicas vibratorias como la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la reflexión total atenuada (ATR-FTIR) y la espectroscopia Raman (FT-Raman) han sido utilizadas para detectar y analizar las características de la composición estructural y química en diversos materiales. Sin embargo, FT-Raman, FTIR y ATR-FTIR son técnicas espectroscópicas complementarias y dependen de diferentes reglas de selección y propiedades de polarización (Ferracane y Greener 1984; Tarumi et al. 1999; Par et al. 2015). El grado de conversión parece variar para materiales y procedimientos técnicos similares dependiendo de la preparación de muestras (Ferracane y Greener 1984; Park 1996; Silikas et al. 2000), el método de análisis de espectros: considerando picos superpuestos u ocultos (Rueggeberg et al. 1990; Gauthier et al. 2005), o el procedimiento para calcular la amplitud o las áreas de los picos de referencia (Rueggeberg et al. 1990; Khalil et al. 2007). El objetivo general de esta tesis es determinar la influencia de la técnica espectroscópica (FTIR, ATR-FTIR y FT-Raman), la metodología utilizada para el análisis espectrométrico (área o amplitud), el tipo de material (bulk-fill o convencional) y su consistencia (fluido o moldeable) y la profundidad (superficie (0 mm) y 4 mm) en los valores de grado de conversión de los diferentes composites. Material y Métodos: Se analizaron 18 composites dentales. Entre ellos, se analizaron 15 composites bulk-fill siendo 9 composites fluidos/inyectables (Admira Fusion Flow (Voco), Admira Fusion x-base (Voco), Fill-Up!™ (Coltene/Whaledent), Filtek™ Bulk Fill Flowable (3M ESPE), G-ænial BULK Inyectable (GC), everX Flow Bulk (CG), Surefil® SDR® Flow+ (Dentsply), Venus ® Bulk Fill Flow (Heraeus Kulzer) y Xtra-Base (Voco)) y 6 composites regulares/moldeables (Admira Fusion (Voco), Admira Fusion x-tra (Voco), Aura Bulk Fill (SDI Limited Bayswater), SonicFill™ 2 (Kerr), Tetric EvoCeram® Bulk Fill (Ivoclar Vivadent) y Xtra-Fill (Voco)). También se analizaron 3 composites convencionales: Brilliant EverGlow® Flow (Coltene/Whaledent), Brilliant Everglow™ (Coltene/Whaledent) y Venus® Pearl (Heraeus Kulzer). Se confeccionaron diez moldes de cada composite de 4 mm de diámetro y 5 mm de altura separables en cada milímetro; y se fotopolimerizaron según lo especificado por el fabricante. Para cada molde, las rodajas correspondientes a 0 mm (superficie) y 4 mm de profundidad se analizaron mediante las diferentes técnicas espectroscópicas: FT-Raman, ATR-FTIR y FTIR. Estas capas se analizaron con ATR-FTIR y FT-Raman. Posteriormente, se pulverizaron y 2 mg del polvo obtenido fue mezclado con 95 mg de Bromuro potásico (KBr) para obtener discos bajo presión que se analizaron con FTIR. También se analizaron cinco muestras de cada material sin polimerizar. Se registraron tres espectros de cada parte del molde y de cada muestra del material sin polimerizar con cada una de las técnicas espectroscópicas. Para el análisis FT-Raman, los espectros se obtuvieron utilizando un espectrómetro Raman JASCO NRS-5100 (Jasco Inc. Maryland, EEUU), utilizando un láser de diodo rojo de 785 nm mantenido a 500 mW. Los espectros se adquirieron entre 1500-1750 cm-1 con una resolución de 1 cm-1, tiempo de exposición de 10 segundos con 10 acumulaciones. Para el análisis ATR-FTIR, las muestras se analizaron con el espectrómetro FTIR JASCO 6200 (Jasco Inc.) equipado con un accesorio ATR con punta de diamante (ATR Pro ONE. Jasco Inc.). Todos los espectros fueron adquiridos entre 600 y 4000 cm-1, con una resolución espectral de 1 cm-1 y tiempo de adquisición de 10 segundos con 10 acumulaciones. Los datos espectrales de FTIR se recogieron con un espectrómetro FTIR JASCO 6200 (Jasco Inc.) con un soporte de transmisión acoplado. Los espectros se adquirieron en el modo de transmisión entre 600 y 4000 cm-1, a una resolución de 1 cm-1 en 1024 escaneos. Se utilizó una técnica estándar para estudiar todos los espectros en todas las pruebas. Se consideraron dos picos para el cálculo del GC: 1637 cm-1 (metacrilato, C=C) y 1607 cm-1 (doble enlace de carbono aromático, estándar interno, C=C). Para los composites basados en tecnología ORMOCER®, se consideró el pico de referencia a 1584 cm-1 (C=C), propuesto por varios autores utilizando diferentes análisis espectroscópicos vibracionales (Halvorson et al. 2003). Para SDR el pico estándar se consideró a 1600 cm-1 de acuerdo a la bibliografía previa, debido a la ausencia de C=C aromáticos en su estructura (Alshali et al. 2013; Marovic et al. 2015; Yu et al. 2017). Asimismo, se obtuvo el área y la amplitud de los picos de referencia para calcular el grado de conversión a 0 y 4 mm de profundidad. Se calcularon las medias y desviaciones estándar y la normalidad de las variables fue comprobadas mediante el test de Shapiro-Wilks. Las comparaciones por parejas (0 y 4 mm; Área y Amplitud) entre los especímenes se realizaron con el test T-Student. En el caso de las variables con más de una categoría (técnicas espectroscópicas y materiales) se utilizó el análisis de la varianza (ANOVA) de un factor. También se analizaron interacciones entre factores y se correlacionaron variables mediante el test de Pearson. Se estableció un nivel de significación de p<0,05. Resultados y Discusión: ATR-FTIR logró valores de GC significativamente más altos que las otras pruebas espectroscópicas. Además, FT-Raman también obtuvo resultados de conversión significativamente más altos que FTIR. Estos resultados fueron coherentes tanto al analizar los datos en conjunto, como al dividir los datos dependiendo de la profundidad estudiada. Los valores significativamente mayores obtenidos por ATR-FTIR y FT-Raman en comparación con FTIR se podrían atribuir, en parte, a la preparación de la muestra, ya que ATR-FTIR y FT-Raman son técnicas superficiales que no requieren preparación pero para la preparación de la pastilla de FTIR es necesaria la pulverización de una parte de material. Se utilizó el disco correpondiente a la profundidad de polimerización 0-1 mm y 4-5 mm, por lo que el espectro obtenido es representativo de esos milímetros y no sólo de la superficie como en el caso de los espectros obtenidos con las otras técnicas. Además, a pesar de que la señal para enlaces alifáticos y aromáticos C=C es constante en la espectroscopía IR y Raman, las bandas Raman de enlaces dobles y triples tienden a ser mucho más fuertes que las del IR (Siesler 2012). Analizando el método espectroscópico, el cálculo del grado de conversión a través del área integrada de los picos logró valores más altos, en conjunto, que al estudiar el grado de conversión a través de la amplitud. Además, el uso de área o amplitud tuvo un impacto diferente dependiendo de los métodos espectroscópicos aplicados: FT-Raman o espectroscopía infrarroja (FTIR y ATR-FTIR). FT-Raman no mostró diferencias estadísticamente significativas entre los dos métodos en el cálculo del GC, pero en profundidad mostró valores GC mayores utilizando la amplitud frente a las relaciones de áreas para los composites bulk-fill fluidos y lo opuesto para los bulk-fill moldeables. Los métodos infrarrojos produjeron mayores valores de GC al utilizar las relaciones de áreas integradas frente a las relaciones de amplitudes, en superficie y en profundidad. La única excepción fueron los composites bulk-fill fluidos, en los que tanto utilizando ATR-FTIR como FTIR, a 0 y a 4 mm, no mostraron diferencias estadísticamente significativas entre los dos métodos de cálculo. Rueggeberg et al. (1990) concluyó que al usar un método apropiado de sustracción de la línea base, no se obtendrían diferencias significativas en el grado de conversión entre la relación de amplitudes o la relación de las áreas integradas de los picos, en cambio, otros trabajos han atribuido la posible variación del cálculo del GC a la influencia del material, a los procedimientos técnicos durante la preparación de la muestra (Ferracane y Greener 1984; Park 1996; Silikas et al. 2000) y al método de análisis de espectros: considerando picos superpuestos u ocultos (Rueggeberg et al. 1990; Gauthier et al. 2005), o el procedimiento para calcular la amplitud o las áreas de los picos de referencia (Khalil et al. 2007). Pianelli et al. (1999) observó que el GC calculado usando la relación de área integradas parecía más débil que el obtenido usando la relación de amplitudes con o sin deconvolución, atribuyendo estos resultados a un cambio en un pico cercano (C=O; 1715 cm-1) a los picos utilizados para el cálculo del GC tras la polimerización. Este cambio influiría en la localización y ajuste de la línea base, ejerciendo una influencia más marcada en el cálculo del grado de conversión a través de las áreas. Por otro lado, Khalil et al. (2007) también usando la espectroscopía FT-Raman informó de lo contrario y obtuvo un mayor GC al estudiar la relación de las áreas. A pesar de que ambos parámetros son utilizados para calcular el grado de conversión, en composites bulk-fill está más extendido el uso de las amplitudes, probablemente por su mayor facilidad de cálculo. Un grado de conversión mejorado en profundidad es el parámetro clave en esta nueva clase de composites. En el conjunto de los datos no se encontraron diferencias significativas entre el GC en superficie y en profundidad en los composites bulk-fill en contraposición a los composites convencionales, en los que el GC fue significativamente menor en profundidad con las tres técnicas. ATR-FTIR es el método más utilizado para estudiar el GC de los composites bulk-fill. En nuestro caso, obtuvimos un aumento significativo del GC para Venus® Bulk Fill Flow (Heraeus Kulzer) y Xtra-Base (Voco) y un aumento no significativo para Admira Fusión x-base (Voco), Fill-Up!™ (Coltene/Whaledent), Filtek™ Bulk Fill (3M ESPE) y everX Flow™ Bulk (GC) en profundidad (4 mm) con respecto a la superficie (0 mm) considerando las mediciones FT-Raman; sin embargo, Xtra-Base mostró una tendencia contraria al estudiarlo con ATR-FTIR y FTIR. En el caso de Venus® Bulk Fill Flow, Marovic et al. (2014) y Zorzin et al. (2015) encontraron valores superiores en profundidad: de 66,8 a 78,8% y 73,45 a 80,07% respectivamente. Para Xtra-Base, Marovic et al. (2014) también encontró valores de GC superiores en profundidad, 67,5%, que en superficie (59,2%). Este autor propuso, además, que el aumento del GC en profundidad con respecto a la superficie se podría deber a la formación de calor debido a la naturaleza exotérmica de la polimerización en masa, dando lugar a un aumento del GC en partes más profundas de una muestra voluminosa, principalmente en compuestos con menor contenido de relleno. Este hecho podría explicar el comportamiento diferente de Venus® Bulk Fill Flow con 65% en peso de relleno (38% en volumen) y Xtra-Base con 75% en peso (58% en volumen) al estudiarlos con ATR-FTIR. Así, el aumento del contenido de relleno reduciría el GC (Halvorson et al. 2003). Otros estudios muestran una disminución del GC en profundidad tanto para Venus® Bulk Fill Flow (Papadogiannis et al. 2015; Par et al. 2015; Jain et al. 2018) como para Xtra-Base (Papadogiannis et al. 2015; Zorzin et al. 2015; Lempel et al. 2016; Nascimento et al. 2018). Desde un punto de vista clínico, el grado de conversión es uno de los elementos a tener en cuenta al elegir un material restaurador. En este estudio, y de acuerdo con otros autores, el grado de conversión de los composites bulk-fill fue fuertemente dependiente del material (Czasch e Ilie 2013; Ilie et al. 2013; Bucuta e Ilie 2014; Marovic et al. 2014; Al-Ahdal et al. 2015; Li et al. 2015; Tarle et al. 2015; Tauböck et al. 2015; Garoushi et al. 2016). Centrándose en los materiales individuales, es difícil distinguir las posibles interacciones entre la composición, el método de espectroscopía y análisis en del grado de conversión. No hay consenso sobre los requisitos mínimos de %GC de los materiales restauradores basados en resina, sin embargo, se ha propuesto que una conversión de al menos el 55% es deseable para un correcto rendimiento mecánico y una adecuada biocompatibilidad (Ferracane et al. 1997; Papadogiannis et al. 2015). De acuerdo a este criterio, en nuestro estudio, utilizando FTIR como técnica espectroscópica para calcular el GC, dos composites buk-fill fluidos no serían clínicamente aceptables; y solo el uso de un composite bulk-fill moldeable sería clínicamente aceptable. Usando FT-Raman, el GC a 4 mm de profundidad de los composites bulk-fill moldeables varía del 42 al 60%; esto disuadiría al clínico de su aplicación, sin embargo, los resultados de estos mismos composites analizados con ATR-FTIR los harían altamente recomendables, con valores de GC que variarían del 60 al 80%. Por otra parte, utilizando cualquier técnica y modo de procesamiento, ningún composite convencional sería recomendable para su uso en capas de 4 mm de profundidad. Conclusiones: El método de espectroscopía vibracional y la metodología de análisis de los espectros influyó significativamente en las mediciones de GC. El uso de una metodología estándar de análisis permitió apreciar diferencias relevantes entre el GC obtenido para los composites bulk-fill y convencionales comercializados y la influencia de los diferentes factores analizados. El grado de conversión de los composites bulk-fill no mostró diferencias en profundidad (4 mm) respecto a la superficie (0 mm) en contraposición a los composites convencionales. El grado de conversión es dependiente del material analizado, en especial de las formulaciones de la resina monomérica y las características de relleno.