UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ODONTOLOGIA MESTRADO EM CLÍNICA INTEGRADA

ANA KARLA SOUZA BRAZ

ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO

TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA

Recife 2008

ANA KARLA SOUZA BRAZ

ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO

TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA

Recife 2008

Dissertação apresentada ao colegiado da Pós-graduação em Odontologia do Centro de Ciências da Saúde da Universidade Federal de Pernambuco como requisito parcial para obtenção do grau de mestre em Odontologia com área de concentração em Clínica Integrada. Orientador: Prof. Dr. Anderson S. L. Gomes

Braz, Ana Karla Souza

Estudo de propagação de fratura em compósitos odontológicos utilizando tomografia por coerência óptica / Ana Karla Souza Braz. – Recife: O Autor, 2008.

14 folhas.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal

de Pernambuco. CCS. Odontologia, 2008.

Inclui bibliografia e anexos.

1. Propagação de fratura em compósitos odontológicos. 2. Tomografia por coerência óptica – Odontologia. I.Título.

616.314 CDU (2.ed.) UFPE 617.695 CDD (22.ed.) CCS2008-033

DEDICATÓRIA

Em primeiro lugar a DEUS, que tem iluminado meus caminhos e meus pensamentos.

Aos meus pais FRANCISCO E JANEIDE, por sempre terem me incentivado a estudar e a

vencer na vida pelo caminho do trabalho, esforço e dignidade. Obrigada por terem sempre me

apoiado em todas as jornadas e pela confiança em mim depositada.

Ao meu marido RODIVAN, companheiro em todos os momentos, por ser tão

compreensivo, proporcionando-me a tranqüilidade necessária e sempre me incentivando nas

horas de desânimo. Do fundo do meu coração, agradeço pela doação e, principalmente, pela

paciência e companheirismo que você sempre demonstrou durante todos os instantes de nossas

vidas. Amo muito você!

À minha filha NATÁLIA, fonte de toda luz e pureza, você foi o melhor presente de

DEUS. Seu sorriso me transmite paz, realização e conforto. Você é a razão de minha vida.

AGRADECIMENTO ESPECIAL

Ao meu orientador Prof. Dr. ANDERSON STEVENS LEÔNIDAS GOMES, agradeço pela

maneira como me recebeu e como sempre me tratou ao longo desses anos. Seus ensinamentos e a

confiança em mim depositada serão eternamente lembrados. Obrigada por ter acreditado em

mim, por não ter medido esforços quando foi necessário, por permitir minhas manifestações

científicas e por ter me dado liberdade para trabalhar. Sua participação foi fundamental para que

este trabalho pudesse avançar e chegar ao final.

AGRADECIMENTOS

À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, especialmente à Pós-graduação em

Odontologia, na pessoa do coordenador Prof. Dr. JAIR CARNEIRO LEÃO, por ter me

oportunizado a realização deste curso.

AO CORPO DOCENTE E PROFESSORES CONVIDADOS DO PROGRAMA DE PÓS-

GRADUAÇAO EM ODONTOLOGIA DA UFPE, que contribuíram para a minha formação.

Obrigada pela dedicação e orientação científica recebida.

À PÓS-GRADUAÇÃO DA FOP/UPE, na pessoa do coordenador do curso de

Mestrado/Doutorado em Dentística, Prof. Dr. RODIVAN BRAZ, pela disponibilização do

Laboratório de Pesquisa em Biomateriais para confecção dos corpos de prova e realização dos

ensaios mecânicos.

Ao aluno de Doutorado em Física, BERNARDO KYOTOKU, pela ajuda no laboratório durante a

confecção das imagens e na manipulação do equipamento de OCT.

Aos FUNCIONÁRIOS DA PÓS-GRADUAÇÃO, vocês são importantíssimos para o nosso

desempenho. Sintam-se parte deste trabalho.

Aos COLEGAS DE MESTRADO, cujo convívio levarei para sempre em minhas lembranças.

A todos que de forma direta ou indireta ajudaram na realização deste trabalho.

SUMÁRIO

DEDICATÓRIA

AGRADECIMENTO ESPECIAL

AGRADECIMENTOS

APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

RESUMO

ABSTRACT

1. INTRODUÇÃO

- 1.1 Descrição do Equipamento de OCT ------------------------------------------- 8

- 1.2 Estudo de Propagação de Fratura em compósitos utilizando OCT -------- 9

2. REFERÊNCIAS --------------------------------------------------------------------------------- 11

3. ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------------- 14

ARTIGO 1: Fiber-reinforced composite analysis using optical coherence

tomography after mechanical and thermal cycling

ARTIGO 2: Evaluation of crack propagation in dental composites by optical

coherence tomography

APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO Esta dissertação consta de dois artigos científicos publicados em revistas internacionais como

descrito abaixo:

Artigo 1:

Fiber-reinforced composite analysis using optical coherence tomography after mechanical

and thermal cycling

Referência: Bernardo C. Kyotoku, Ana Karla S. Braz, Rodivan Braz, Anderson S. L. Gomes. Fiber-

reinforced composite analysis using optical coherence tomography after mechanical and thermal cycling

Proceedings of SPIE, Vol. 6425, Lasers in Dentistry XIII, Peter Rechmann, Daniel Fried, Editors, 64250B

(Mar. 8, 2007) doi:10.1117/12.700929.

Artigo 2:

Evaluation of crack propagation in dental composites by optical coherence tomography

Referência: Ana K.S. Braz, Bernardo C. Kyotoku, Rodivan Braz, Anderson S.L. Gomes. Evaluation of

crack propagation in dental composites by optical coherence tomography, Dent Mater (2008),

doi:10.1016/j.dental.2008.04.011

RESUMO

ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA

ÓPTICA

Estudos atuais sobre os príncipios da fadiga consideram que o processo de fratura ocorre em três fases: início da fratura, fratura de propagação lenta e fratura final. O objetivo deste estudo foi de analisar os sítios de início de fratura e da fase de propagação lenta da fratura em compósitos odontológicos reforçados por fibra, utilizando imagens geradas usando a tomografia por coerência óptica. A investigação microscópica tradicional, mais comumente utilizada para estudar estes materiais, é uma técnica destrutiva, a qual requer o seccionamento das amostras, e é essencialmente uma medida de superfície. Com base nestas considerações, nesta pesquisa analisamos o interior de amostras de resinas compostas reforçadas com fibras, antes e após ciclagem termo/mecânica, simulando as condições orais e utilizando a tomografia por coerência óptica (TCO). O sistema utilizado usou a técnica de TCO no domínio de Fourier trabalhando com um comprimento de onda de 800nm e 6µm de resolução espacial axial. A longo prazo, as fraturas causam invasões bacterianas, as quais causam a formação de placa e cálculo, provocando conseqüentemente cárie e doença periodontal. Sendo assim, imagens não invasivas de compósitos dentais , possibilitam uma avaliação clínica periódica que asseguram a saúde do paciente. Além disso, imagens em TCO são poderosos métodos de análise quantitativa da propagação de fratura, e pode ser potencialmente usada in vivo.

Palavras-chave Resina, Tomografia por coerência óptica, propagação de fratura

ABSTRACT

CRACK PROPAGATION STUDY IN DENTAL COMPOSITES BY OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

Contemporary approaches to fatigue principles consider a fracture process in three phases: crack initiation, slow crack growth, and fast fracture. The purpose of this study was to analyze the sites of fracture initiation and slow crack propagation in a fiber reinforced composite, using images produced by the optical coherence tomography. The traditional microscopy investigation, most commonly used to study this material, is a destructive technique, which requires specimen sectioning and are essentially surface measurements. On the basis of these considerations, in this research we analyzed the interior of a dental sample reinforced with fiber after a mechanical and thermal cycling to emulate oral conditions using optical coherence tomography (OCT). The device we are using is a home built Fourier domain OCT working at 800 nm with 6 μm special-axial resolution. In long term, fractures allow bacterial invasion provoking plaque and calculus formation that can cause caries and periodontal disease. Therefore, non invasive imaging of the bridge fiber enables the possibility of periodic clinical evaluation to ensure the patient health. Furthermore, OCT images can provide a powerful method for quantitative analysis of crack propagation, and can potentially be used for in vivo.

Keyword Resin, Optical Coherence Tomography, Crack Propagation

INTRODUÇÃO 1.1 Descrição da Técnica de Tomografia por Coerência Óptica (TCO)

Tomografia por coerência óptica (TCO) é uma nova modalidade de diagnóstico por

imagem que foi apresenta pela primeira vez em 1991 por Huang et al. A TCO produz imagens

das estruturas internas de materiais e sistemas, e se baseia na medida da luz refletida e

retroespalhada no meio em estudo. Podem ser obtidas imagens com resolução entre 1-15µm e

em tempo real. (BOUMA, TEARNEY,2002; FUJIMOTO,2003)

O princípio do funcionamento da TCO é semelhante ao ultra-som, que é uma

modalidade clínica bem estabelecida, para imageamento das estruturas internas do corpo

(KREMKAU, 1984; FISH,1990; KREMKAU, 1990; ZWIEBEL, 1992; ERBEL, 1998) . O ultra-

som é usado em muitas aplicações clínicas, incluindo imagens internas de órgãos, imagens

endoscópicas e intravasculares. Neste sistema, uma onda sonora de alta freqüência é lançada

dentro do material ou tecido sendo formada a imagem, a onda sonora então é refletida ou

retroespalhada destas estruturas que possuem diferentes propriedades acústicas (FUGIMOTO,

2002).

Na Tomografia por Coerência Óptica, medidas da distância e da microestrutura são

executadas utilizando a luz, que é refletida e retroespalhada pelas características microestruturais

internas ao material ou tecido (HUANG, 1991). A diferença principal entre o ultra-som e a TCO

é que a velocidade da luz é aproximadamente um milhão de vezes mais rápida do que a

velocidade do som. Também é importante notar que, por causa da imagem de ultra-som depender

de ondas sonoras, ele requer o contato direto com o material ou tecido para que haja a

transmissão das ondas sonoras. A imagem em TCO, ao contrário, pode ser realizada sem contato

físico ou necessidade de um meio especial de transmissão.

Os componentes básicos de um sistema de tomografia por coerência óptica são o

interferômetro de Michelson (espelhos, divisor de feixe e fotodetector) e a fonte de luz. Existem

dois domínios para implementação da TCO: O domínio temporal e o domínio de Fourier ou

espectral. O domínio temporal é a modalidade clássica, e é denominada assim devido à

coincidência temporal entre a luz vinda do braço de referência e a luz vinda da região sondada.

Uma nova forma de determinar a estrutura. Outra forma de determinar a estrutura de um objeto a

partir da informação do espectro da luz retroespalhada foi descrita. Essa foi a primeira

demonstração do conceito de tomografia por coerência óptica no domínio de Fourier. Estudos

posteriores demonstraram a superioridade da TCO no domínio de Fourier em relação à TCO

temporal com relação à sensibilidade, desviando o foco de diversos grupos que trabalham com

TCO para esta modalidade em particular (LEITGEB, 2003).

.

1.2 Estudo de Propagação de Fratura em compósitos utilizando TCO Ao longo dos anos, a fratura após fadiga mostrou ser uma causa comum de falha das

restaurações. A longevidade das restaurações é dependente de uma série de fatores, incluindo a

habilidade do profissional, a técnica e os materiais utilizados, os cuidados do paciente com a

higiene oral, o meio bucal e a susceptibilidade do paciente à cárie. A fadiga das restaurações

dentais também é influenciada pela absorção de água pela matriz resinosa (TAKESHIGE, 2006;

BRAEM, 1995; VALLITTU,1998) e pelas forças cíclicas mastigatórias (BRAEM, 1994;

BARAN, 2001). Sendo assim, ciclagem térmica e mecânica podem causar fraturas a longo prazo

de uso clínico (RANTALA, 2003; LASSILA, 2004).

Os estudos atuais sobre o princípio das fraturas mecânicas consideram o processo de

fratura em três fases: fratura inicial (crack initiation), fratura de propagação lenta (slow crack

growth) e fratura rápida (fast fracture). A última fase é muito curta em duração, já a fratura inicial

é representada por heterogeneidades como porosidades, partículas, ranhuras na superfície e/ou no

interior do material (FREIMAN, 1973). Cargas cíclicas conduzem à fratura denominada, fratura

de propagação lenta. Exposição à água, adicionalmente, causa uma variedade de efeitos de

enfraquecimento nas resinas compostas: degradação na interface partículas de carga/matriz

resinosa e um efeito visco-elástico na matriz. Todos estes efeitos aceleram a fratura de

propagação lenta (SODERHOLM, 1990).

Existem três áreas características que envolvem a origem da fratura na superfície dos

materiais frágeis. A primeira é geralmente uma região relativamente suave, conhecida por área de

espelho (mirror region). A segunda é uma área de pontilhados discretos, chamada de região mista

(mist region) e a terceira é uma região muito rugosa, um região em forma de entalhe (hackle

region). Esta última região conduz a uma fratura macroscópica ramificada que é uma bifurcação

da fratura principal. As fronteiras onde “mist, hackle e crack branching” podem ou não ser

simétricas em relação à origem da fratura. A formação destas três regiões ocorre sob um

característico fator de “stress” constante. (MECHOLSKY JR, 1995). No entanto, medir a

propagação de fratura não é algo trivial porque a identificação da posição do ponto de início da

fratura é difícil, considerando as dimensões reduzidas dos espécimes (GALYNA, 2005)

Os estudos de propagação de fratura em materiais são realizados normalmente mediante

a fractografia, a qual pode proporcionar entre outras coisas, a origem da fratura, a direção da

propagação, o tipo de carga que a causou, etc (DELLA BONA, 2004). Apesar de bem

estabelecida, a fractografia é um estudo apenas de superfície, além do que é necessário o preparo

do corpo de prova para utilização em microscopia eletrônica de varredura, despendendo mais

tempo para obtenção dos dados (MECHOLSKY, Jr., 1995). Neste trabalho são apresentadas

imagens obtidas com a técnica de TCO da propagação de fratura na estrutura interna de um

compósito. Foi possível visualizar, de forma não invasiva e não destrutiva, o sítio de início da

fratura, a direção da propagação e as regiões características em torno da fratura. Os resultados

obtidos demonstram a importância da técnica na caracterização de materiais dentários, abrindo

uma importante janela de oportunidade inclusive para avaliações quantitativas.

REFERÊNCIAS

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ANEXOS