Development and fabrication of conical-shaped channels on zirconia and PEEK materials by Nd:YAG laser regarding fiber integration of dental implants

Abstract

Teeth loss correction by dental implants is far from being the perfect solution, due to its rigid connection to the bone, instead of having the more dynamic natural periodontal ligament fiber connection. This dissertation aims to develop samples (zirconia and PEEK) with conical-shaped channels with the objective of the created surfaces able to restore the periodontal ligament fibers' natural irrigation, which can be incorporated in the future on root analogue implants. During this dissertation, numerous Nd:YAG laser perforations of these samples were made, focused on parameter optimization and machining strategy until reached the smallest complete perforation through the samples. The best perforation for zirconia was P 90%, V 6 mm/s and N 50000 for 13 repetitions, lowering the laser 0.095 mm each time, with air for debris removal, dry and doing the line segment strategy. PEEK’s perforation was similar but with P 60%, V 6 mm/s and N 90000 for only 1 repetition. After that, in vitro tests were made to verify the periodontal ligament’s fibroblasts and the bacteria's behavior in the presence of conical-shaped channels. Fibroblast viability and adhesion and the number of bacteria present in the samples was studied. In the end, successful complete perforations were achieved with promising small diameters and very satisfactory levels of fibroblast viability and adhesion. It was also observed some bacterial movement through the channels but restricted. This dissertation was able to prove that it is possible to create and recreate conical-shaped channels on different samples, small enough to be comparable to dentinal tubules, having the channel’s diameters on zirconia going from 158.371 ± 51.086 μm to 32.035 ± 18.643 μm and on PEEK from 131.789 ± 3.5527 μm to 17.851 ± 4.099 μm. The channels were still able to guarantee fluid movement through them while also offering good fibroblast viability and adhesion and restricting some bacterial movement through them.

A correção da perda de dentes por implantes dentários é longe de perfeita, devido à sua conexão rígida com o osso, em vez da dinâmica natural conexão pelas fibras do ligamento periodontal. Esta dissertação tem como alvo o desenvolvimento de amostras (zircónia e PEEK) com canais de forma cónica com o objetivo de criar superfícies capazes de restaurar a natural irrigação das fibras. Durante esta dissertação numerosos perfurações por laser Nd:YAG foram feitas nas referidas amostras focando em otimização de parâmetros e estratégias de maquinagem até ser atingida a mais pequena perfuração completa das amostras. A melhor perfuração em zircónia foi P 90%, V 6 mm/s e N 50000 por 13 repetições, baixando o laser 0.095 mm entre cada, com ar para remoção de detritos, a seco e usando a estratégia de segmentos de reta. A perfuração de PEEK foi semelhante, mas a P 60%, V 6 mm/s e N 90000 por apenas 1 repetição. Posteriormente testes in vitro foram realizados para verificar o comportamento dos fibroblastos do ligamento periodontal e de bactérias na presença de canais cónicos. A viabilidade e adesão de fibroblastos, bem como quantidade de bactérias presente nas amostras foram estudadas. No final, foram alcançadas perfurações completas com um diâmetro promissoriamente pequeno e níveis muito satisfatórios de viabilidade e adesão de fibroblastos. Também foi observado algum movimento bacteriano pelos canais, porém restringido. Esta dissertação provou que é possível criar e recriar canais cónicos em diferentes amostras, pequenos o suficiente para serem comparáveis aos túbulos dentinários, tendo os diâmetros em zircónia ido de 158.371 ± 51.086 μm para 32.035 ± 18.643 μm e em PEEK de 131.789 ± 3.5527 μm para 17.851 ± 4.099 μm. Os canais ainda foram capazes de garantir movimento através deles ao mesmo tempo que oferecem boa viabilidade e adesão a fibroblastos e ainda restringirem algum movimento bacteriano através deles.