Use of fiber-reinforced composite framework and thermochromic pigment in maxillofacial prostheses

Abstract

The purpose of this investigation was to evaluate the possibility to enhance certain qualities of facial prostheses. Polymethyl methacrylate is still being used as base mate¬rial or clip carrier material, but it is hard and heavy, and debonding of the silicone from the acrylic base material is a frequent problem. This thesis aims to evaluate the use of fiber-reinforced composite (FRC) as framework material for maxillofacial silicone prostheses. FRC has been used as reinforcement in removable and fixed partial dentures since the 1990s. This material is lightweight and can be fabricated to compress the margins of the prosthesis slightly, to keep it tightly against the skin during jaw movements and facial expressions. Additionally, the use of a thermochromic pigment, colorless in room temperature and red in a cold environment, was studied in order to evaluate the possibility of using this color changing pigment in facial prostheses to mimic the color change of facial skin in cold weather.

The tensile bond strength between pre-impregnated, unidirectional FRC and maxillofacial silicone elastomer was studied. Three different bonding agents or primers were compared. Bond strength was improved by one of the primers and by roughening the surface. The effect of a skin compressing glass fiber-reinforced composite framework on facial skin blood flow was studied by using a face mask, constructed with a compression pad corresponding to the outer margin of a glass fiber-reinforced framework beam of a facial prosthesis. The skin blood flow of ten healthy volunteers, aged 23-25 years, was measured during touch, light, and moderate compression of the skin, by using laser Doppler imaging technique. None of the compressions showed any marked effects on local skin blood flow. There were no significant differences between blood flow during compression and at baseline.

Maxillofacial silicone elastomer was colored intrinsically with conventional color pigments: a control group containing only conventional pigments was compared to two test groups with 0.2 wt% and 0.6 wt% thermochromic pigment added. The color of the material was measured with a spectrophotometer in room temperature and after storage in a freezer. The color stability of the maxillofacial silicone elastomer colored with thermo¬chromic pigment was evaluated by artificial aging. The color dif¬ference of the L* (lightness) and a* values (redness), comparing color after the samples were stored at room temperature and in a freezer (-19°C), was statistically significant for both 0.2 wt% and 0.6 wt% thermo¬chromic pigment groups. The differences in the b* values (yellowness) were statistically significant for the 0.6 wt% group. Exposure to ultraviolet (UV) radiation led to visually noticeable and statistically signifi¬cant color changes (ΔE) in all color values in both test groups. The specimens containing thermochromic pigment were very sensitive to UV radiation.

In conclusion, a framework of fiber-reinforced composite can successfully be bonded to maxillofacial silicone elastomer, and a framework beam, compressing the facial skin, did not remarkably alter the skin blood flow on healthy, young adults. The thermochromic pigment showed color change in maxillofacial silicone elastomer. However, artificial aging showed that it was too sensitive to UV radiation to be used, as such, in maxillofacial prostheses.

Lasikuitukomposiittirungon ja termokromisen pigmentin käyttö kasvoproteeseissa

Tämän väitöskirjatyön tarkoitus oli selvittää, onko mahdollista parantaa kasvoproteesien tiettyjä ominaisuuksia. Lasikuiduilla vahvistettua komposiittimuovia on käytetty vahvistamaan siltoja ja irrotettavia proteeseja 1990-luvulta saakka, ja tämä materiaali voisi olla huomattavasti miellyttävämpi, kevyempi ja teknisesti helppokäyttöisempi kasvoproteesirunkomateriaali kuin tähän asti käytetty polymetyylimetakrylaatti. Lasikuiturunkoa voidaan muotoilla siten, että se kevyesti painaa proteesin ulkoreunoja kasvojen ihoa vasten, jolloin proteesin reuna pysyy tiiviisti kasvojen ihossa kiinni leuan ja kasvolihasten liikkeiden aikana, mikä parantaa kasvo-proteesin käyttövarmuutta ja -mukavuutta. Tutkimuksessa selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää termokromista - huoneenlämmössä läpinäkyvää ja kylmässä punaista – reversiibelisti väriä muuttavaa pigmenttiä kasvoproteesisilikonissa. Keinotekoisella vanhenemisella tutkittiin, soveltuisiko tämä pigmentti kliiniseen käyttöön.

Työssä testattiin kolmen eri primerin ja kahden eri pintaominaisuuden (sileä ja karhennettu) vaikutusta kasvoproteesi- silikonin ja lasikuiduilla vahvistetun komposiittimuovin väliseen sidoslujuuteen. Sekä primeri että lasikuidulla vahvistetun komposiittimuovin makroskooppinen pintarakenne vaikutti sidoslujuuteen. Karhennetulla lasikuitupinnalla ja yhdellä primerillä saavutettiin paras sidoslujuus.

Lasikuiturungon aiheuttaman paineen vaikutusta kasvojen ihon verenkiertoon tutkittiin kasvomaskilla, joka oli valmistettu vastaamaan kasvoproteesin lasikuiturungon ihoa komprimoivaa uloketta. Laser Doppler Imaging (LDI) tekniikkaa käyttäen tutkittiin kevyen kosketuksen, kevyen ja keskinkertaisen paineen aiheuttamaa mahdollista muutosta kasvojen ihon verenkiertoon terveillä, 23-25 vuotiailla koehenkilöillä. Kasvomaskin aiheuttama kompressio ei merkittävästi vaikuttanut kasvojen ihon verenkiertoon.

Termokromista pigmenttiä sekoitettiin ihonväriseen kasvoproteesisilikoniin pitoisuuksissa 0,2 ja 0,6 paino%. Kontrolliryhmänä toimi ihonvärinen silikoni ilman termokromista pigmenttiä. Silikonin väri mitattiin spektrofotometrillä huoneenlämmössä ja kylmäsäilytyksen (-19°C) jälkeen. Väriarvoissa L*(vaaleus) ja a* (punaisuus) todettiin merkitsevä ero molemmissa ryhmissä jotka sisälsivät termokromista pigmenttiä, ja b* -arvossa (keltaisuus) ainoastaan 0,6% ryhmässä. Keinotekoinen vanheneminen ultravioletti (UV) -sädetystä ja inkubaattorisäilytystä käyttäen osoitti että termokrominen pigmentti on erittäin herkkä UV valolle.

Yteenvetona voidaan todeta, että lasikuiturungon ja kasvoproteesisilikonin sidoslujuus on riittävän hyvä kliiniseen käyttöön kasvoproteeseissa. Kasvoproteesirungon lasikuitu-ulokkeet eivät vähennä ihon verenkiertoa terveillä aikuisilla. UV säteilyherkkyyden vuoksi termokrominen pigmentti ei sellaisenaan sovellu kliiniseen käyttöön kasvoproteeseissa.