Thermal residual stress on porcelain veneer with zirconia framework and its potential influence on chipping risk

Parte I. A discrepância positiva, recomendada para as coroas protéticas em metalocerâmica, tem sido apontada como um dos fatores que pode contribuir para a maior taxa de lascamento (\"chipping\") nas porcelanas sobre a infraestrutura de zircônia Y-TZP. Objetivo: Comparar a distribuição das tensões residuais, in silico, em peças de duas camadas, uma de porcelana feldspáticas sinterizada sobre a outra, de material de infraestrutura, com discrepância de valores de coeficiente de expansão térmica linear (CETL) entre elas. Métodos: Espécimes de formato de barra plana e coroa com espessuras de 0,7 mm de infraestrutura e 1,5 mm de porcelana de cobertura foram investigadas por meio da análise elástica de elementos finitos. Oito condições de discrepância (\"mismatch\") de CETL foram simuladas, através da combinação de dois tipos de materiais de infraestrutura (zircônia e metal) e seis porcelanas de cobertura (distintas por valores de CETL). Além das combinações dos sistemas metal-porcelana e zircônia-porcelana recomendadas pelo fabricante, foram apresentados modelos com valores de mismatch similares (1 ppm/°C) com diferentes materiais de infraestrutura (metal ou zircônia) e modelos de infraestrutura de zircônia com porcelanas compatíveis ao metal também foram testadas. O protocolo de resfriamento após a sinterização adotado foi o protocolo denominado resfriamento lento, com taxa de 32ºC/min, entre 600 °C e a temperatura ambiente. Além disso, a natureza multidirecional das tensões residuais em barras e coroas foi apresentada para que fosse possível explorar as contradições aparentes entre os diferentes estudos. Foram analisadas as tensões principais máxima (?1) e mínima (?3), assim como as componentes paralelas a interface (?pi) ao longo eixo dos espécimes. Resultados: Espécimes barras e coroas geraram diferentes padrões de distribuições de tensões. Quando analisadas as combinações recomendadas pelo fabricante, tensões residuais em modelos de zircônia foram, significantemente, maiores aos modelos com infraestrutura metálica. Quando combinadas as infraestruturas de zircônia com as porcelanas indicadas para metal, os valores de tensões residuais foram ainda maiores. Tensões residuais não foram diferentes entre os modelos de infraestrutura em metal e em zircônia quando as discrepâncias de CETL foram similares (1 ppm/°C). Significância: Algumas conclusões obtidas com os espécimes planos não podem ser extrapoladas para as situações clínicas porque o formato dos espécimes influencia fortemente nos padrões de tensões residuais. Uma vez que discrepância positiva gera tensões de compressão circunferencial e tensões de tração radial e uma vez que as coroas com infraestrutura em zircônia tendem a ser mais vulneráveis para o lascamento (\"chipping\"), um estado livre de tensão de tração a partir da discrepância zero poderia ser mais vantajosa. Parte II. Objetivo: Verificar os padrões das tensões residuais em espécimes com formato de coroa utilizando dois tipos de métodos: Método de Indentação Vickers (MIV) e Análises em Elementos Finitos (AEF). Métodos: Infraestruturas anatômicas estilizadas e axissimétrica de zircônia e metal (n=20) foram recobertas com as respectivas porcelanas recomendadas (VM9/Y-TZP ou VM13/NiCrMo). As porcelanas foram sinterizadas de acordo com as instruções do fabricante, seguidas dos protocolos de resfriamento lento ou rápido. As coroas foram seccionadas longitudinalmente em duas metades. Para cada seção plana polida, sete indentações foram realizadas, distantes 0,375 mm da interface porcelana/infraestrutura. As regiões de medição foram rotuladas de acordo com o perfil do plano de corte: A - interface convexa da porcelana na área cervical, B - porcelana linear, paralela à parede axial da preparação do dente, C - interface côncava da porcelana, no ângulo oclusal e D - porcelana linear, paralela à parede oclusal. O indentador Vickers foi posicionado de forma a permitir o cálculo da tensão residual em duas orientações específicas: paralela e perpendicular à interface porcelana - infraestrutura. Os valores de tensão residual coletados foram submetidos a ANOVA e ao teste de Tukey. Os modelos de elementos finitos foram desenvolvidos de acordo com o teste experimental, exceto para a secção longitudinal. Resultados: Tensões residuais paralelas à interface, medidas por MIV, mostraram prevalência de compressão em coroas com infraestrutura em zircônia, e prevalência de tensões de tração em infraestrutura em metal, para ambos os protocolos de resfriamento. Os valores de tensões na região A foram similares aos das regiões B e inferiores aos das regiões C e D. Em relação à orientação perpendicular à interface, a tensão de tração nas coroas de infraestrutura metálica não foi influenciada nem pelo protocolo de resfriamento, nem pela região de medição. Contudo, para as coroas com infraestrutura em zircônia, as tensões de tração perpendicular foram maiores quando foi usado o protocolo de resfriamento lento. O padrão de tensões em MIV não ficou de acordo com os resultados encontrados em AEF. Este resultado não confirmou a influência das tensões residuais térmicas no lascamento das porcelanas de recobrimento nas coroas de zircônia.Part I. A positive mismatch, which is recommended for metal-ceramic dental crowns, was hypothesized to contribute to a greater chipping frequency in veneered YTZP structures. Objective: To compare residual stress distribution, in silico, of bilayered structures with a mismatch between the coefficient of thermal expansion (CTE) of framework and veneering feldspatic ceramic. Methods: Planar bar and crown-shaped bilayered specimens with 0.7 mm framework thickness and 1.5 mm porcelain veneer thickness were investigated using finite element elastic analysis. Eight CTE mismatch conditions were simulated, representing two framework materials (zirconia and metal) and six veneering porcelains (distinguished by CTE values). Besides metal-ceramic and zirconia-ceramic combinations indicated by the manufacturer, models presenting similar mismatch values (1 ppm/°C) with different framework materials (metal or zirconia) and zirconia-based models with metal-compatible porcelain veneers were also tested. A slow cooling protocol from 600 °C to room temperature was simulated, cooling rate of 32 ºC/min. In addition, the multidirectional nature of residual stresses in bars and crowns is presented to explore some apparent contradictions among different studies. The distributions of residual maximum and minimum principal stresses, as well as stress components parallel to the long axis of the specimens, were analyzed. Results: Planar and crown specimens generated different residual stress distributions. When manufacturer recommended combinations were analyzed, residual stresses obtained for zirconia models were significantly higher than those for metal-based models. When zirconia frameworks were combined with metal-compatible porcelains, the residual stress values were even higher. Residual stresses were not different between metal-based and zirconia-based models if the CTE mismatch was similar. Significance: Some conclusions obtained with planar specimens cannot be extrapolated to clinical situations because specimen shape strongly influences residual stress patterns. Since positive mismatch generates compressive hoop stresses and tensile radial stresses and since zirconia-based crowns tend to be more vulnerable to chipping, a tensile stress-free state generated with a zero CTE mismatch could be advantageous. Part II. Objective: Verify the residual stress profiles in crown-shaped specimens using Vickers Indentation Method (VIM). In addition, finite element analyses (FEA) were performed. Methods: Axisymmetric anatomically-based zirconia or metallic frameworks (n=20) were veneered with compatible porcelain (VM9/Y-TZP or VM13/NiCrMo). The porcelains were sintered according to manufacturer\'s instructions, followed by slow or fast cooling protocol. The crowns were longitudinally sectioned in two halves. For each well-polished section plane, seven indentations were made in the porcelain, along the veneer-framework interface, distance of 0.375 mm from interface. The measurement regions were labeled according to the profile of the interface on the cutting plane: A - convex porcelain in the cervical area, B - linear porcelain, parallel to axial wall of the tooth preparation, C - concave porcelain, at the occlusal angle and D - linear porcelain, parallel to occlusal wall. The Vickers indenter was positioned in order to enable the calculation of the residual stresses in two specific orientations: parallel and perpendicular to veneer-framework interface. The data were submitted to ANOVA and Tukey\'s test. The finite elements models were developed in accordance with experimental test, except for the longitudinal sectioning. Results: VIM parallel stresses showed prevalence of compression in zirconia-based crowns, and prevalence of tension in metal-based ones, for both cooling protocols. The stress values in region A were similar to those in region B and lower than those in regions C and D. Regarding perpendicular orientation, the tensile stresses of metal-based crowns were not influenced by the cooling protocol, nor by measurement region. However, for zirconiabased crowns, the tensile perpendicular stresses were higher when the slow cooling protocol was used. Conclusion: The VIM stress profiles were not in accordance with FEA results. This result did not confirm the influence of residual thermal stresses in chipping of veneered zirconia crowns