Optical and mechanical characterization of 3D-printing polymer-based resin materials for fixed dental restorations: influence of building orientation

Abstract

El color y las propiedades ópticas de los materiales juegan un papel muy importante cuando se intenta emular la apariencia natural de la dentición. Un amplio conocimiento a cerca de las características del color basadas en la percepción visual y del aspecto estético de las resinas dentales, adquirido a partir de sus propiedades ópticas, podría ayudar a los clínicos en la selección del material y el shade adecuados, facilitando así la obtención de restauraciones dentales con apariencia natural. Las resinas de impresión 3D son utilizadas habitualmente para la fabricación de restauraciones parciales fijas provisionales, que deben satisfacer adecuadamente las demandas estéticas tanto de los pacientes como de los clínicos. Sin embargo, apenas existen estudios en la bibliografía científica actual a cerca de las propiedades ópticas y características colorimétricas de los materiales dentales restauradores de impresión 3D. Diversos factores, tales como los parámetros de impresión, el espesor de capa y la impresora específica que se utilice, influyen en las características finales del material. El ángulo de impresión, orientación de impresión o dirección de construcción, haciendo referencia a la orientación de construcción de las capas, es un parámetro de gran relevancia en las etapas iniciales de los procesos de fabricación aditiva, que podría permitir modular la anisotropía y las vulnerabilidades físicas inherentes a los materiales impresos, derivadas de las técnicas de fabricación por capas. Se ha demostrado que la orientación de impresión influye tanto en las propiedades mecánicas como en la precisión de impresión de las resinas restauradoras de impresión 3D. En este sentido, la caracterización del comportamiento mecánico de los materiales dentales poliméricos comprende tanto la evaluación de la resistencia la flexión (σf), como del módulo de elasticidad (E). Además, el comportamiento colorimétrico y las propiedades ópticas de estas resinas también podrían verse afectados por la orientación de impresión de las estructuras de resina. Hasta ahora carecemos de información suficiente en relación a cómo la orientación de impresión y el espesor estructural influyen en el color, la translucidez y otras propiedades ópticas (tales como la dispersión, la absorción, la reflectancia y la transmitancia de la luz) de las resinas de impresión 3D, lo cual justifica la necesidad de realizar futuros estudios al respecto. Esta información resulta esencial para manejar adecuadamente estos materiales, satisfaciendo las expectativas estéticas, cada vez más elevadas, de los pacientes. En este contexto, la presente Tesis Doctoral está integrada por varios estudios diseñados y llevados a cabo para abordar y resolver las cuestiones mencionadas anteriormente.

Color and optical properties of materials hold special significance in emulating the natural appearance of teeth. A comprehensive understanding of the characteristics of color based on visual perception and the aesthetic appearance of dental resins, derived from their optical properties, can assist dental practitioners in the selection of suitable materials and shades, facilitating the attainment of a lifelike appearance in dental restorations. 3D printing resins are frequently used for the manufacture of temporary fixed partial restorations, which should fullfil adequately the esthetic demands of patients and clinicians. However, studies addressing questions concerning color characteristics and optical properties of 3D printed restorative dental materials are scarce in the current literature. Diverse factors, including printing parameters, layer thickness, and the specific printer employed, exert influence over the final material characteristics. The printing angle, printing orientation, or build direction, which refers to the orientation of layer construction, stands as a crucial parameter during the initial stages of additive manufacturing (AM) processes, capable of aiding in modulating the anisotropy and physical vulnerabilities inherent in printed materials produced through layering fabrication techniques. It has been demonstrated that the printing orientation has an influence on both the mechanical properties and the printing accuracy of 3D-printed restorative resins. In this sense, mechanical behavior characterization of polymeric dental materials involves the assessment of both flexural strength (σf) and elastic or Young's modulus (E). Furthermore, the colorimetric behavior and optical properties of these resins could also be affected by the printing orientation of the resin structures. To date, there is a lack of information regarding how printing orientation and structural thickness affects the color, translucency and other optical properties (including scattering, absorption, light reflectance and transmittance) of 3D printed resins, justifying the need for further studies. This information is crucial for an effective management of these materials, and to meet the growing esthetic expectations of patients. In this context, the present Doctoral Thesis involves several studies designed and carried out to address and resolve the mentioned issues.