Kompozitní materiály Chemie, složení, vlastnosti
Pavel Bradna
1. lékařská fakulta, Karlova Universita, Praha, Česká republika Výzkumnýústav stomatologický
[email protected]
Názvosloví: též pryskyřičné kompozity (resin composites), kompozity, kompozita
Oblasti použití: Výplňový, dostavbový, fixační materiál
Co jsou to kompozity? Heterogenní materiály složené z polymerní matrice a částicového plniva Hlavní části: • matrice (matrix) • plnivo (filler) • vazebná činidla (coupling agents)
Typy kompozitů • Částicové (particulate) kompozity - beton, výrobky pro aut. průmysl, sport atd. Ve stomatologii výplňové, dostavbové a fixační
• Vláknové kompozity „Fibre Reinforced Composites“ (FRC) – dřevo, kosti, skelné/uhlíkové/aramidové lamináty. Ve stomatologii dlahovací, nosné části můstků, čepy
Funkce jednotlivých částí: matrice přenáší mechanické zatížení na vyztužující částice/vlákna plniva - chrání „zatížené“ plnivo před poškozením vnějším prostředím (voda) plnivo - „nese“ zatížení působící na kompozit vazebná činidla - zprostředkují dokonalý přenos sil z matrice na plnivo - usnadňují rozptýlení plniva v monomerech
Reakce tuhnutí - radikálová polymerace metakrylátových skupin
Složení matrice - monomery, iniciátory, stabilizátory (inhibitory samovolné polymerace) Monomery 1. BIS-GMA - (2,2-bis[4-(2hydroxy-3-metakryloyloxypropoxy) fenyl]propan)
Obecná struktura dimetakrylátových/diakrylátových monomerů U BIS-GMA schopnost tvorby H-můstků – vysoká viskozita – nutné míchat s TEGDMA, EGDMA (etylénglykol dimetakrylát), eBIS-GMA (etoxylovaná BIS-GMA), HDMA (viz část Polymerace) CH3
CH3
OH
H2C=C-C-OCH2-CH-CH2OO
Metakrylát. skup
C
CH3
OH
-OCH2-CH-CH2O-C-C=CH2
CH3
„Spacer“ část molekuly mezi 2 metakrylátovými/akrylátovými jednotkami
O
Metakrylát. skup
Větší molární hmotnost - menší počet 2 vazeb v objemové jednotce – menší polymerační smrštění, cca . 5-6 obj. %
- uretandimetakrylát - (2,2,4-trimetylhexametyl 2. UDMA -bis-(2-carbamoyl-oxyetyl)dimetakrylát)
3. TEGDMA - trietylénglykoldimethakrylát (nízkoviskozní ředidlo)
4. HDMA
- 1,6 hexandioldimetakrylát
Typy kompozitních materiálů podle iniciační reakce: Chemicky tuhnoucí typy: dostavby, fixace – tam, kde není zaručen „průnik“ světla, ale i levnější výplně
Dvousložkové/dvoukomponentní, systémy: základní (base-peroxidová) pasta/katalyzátorová pasta (amin) případně i prášek/tekutina – starší typy Světlem tuhnoucí/polymerující typy: výplňové materiály jednokomponentní (CQ/PPD-amin) Duálně tuhnoucí typy: fixační cementy, některé dostavbové materiály dvousložkové/dvoukomponentní
Chemicky tuhnoucí kompozity Iniciační systém: (dibenzoylperoxid + terc.amin)
Nevýhody: Zbarvování reakčními produkty aminů, stabilizátorů, peroxidů
Světlem tuhnoucí/polymerovatelné (LC/VLC – light/visible light curing) kompozity
Fotoiniciátory: Kafrchinon (CQ)
Intenzivně žlutýzabarvuje světlé odstíny kompozitů proto kombinace CQ a PPD
Alternativně: 1-fenyl-1,2 propandion (PPD, λ = cca 420 nm)
Amin:
(koiniciátory-zdroj volných radikálů)
etyl-4-(N,N’-dimetylamino)benzoát (4EDMAB), N,N’-dimetylaminoetylmetakrylát (DMAEMA)
Inhibitory: 4-MF, BHT
Plniva: Silanizací povrchově upravené: Ba-Sr sklo, Zr syntetické sklo (Zr-silica), pyrogenní SiO2 (silica), pigmenty (dříve i křemen-velmi tvrdý - větší abraze antagonistů, zbarvování)
Vazebná (silanizační) činidla:
γ-metakryloxypropyltrimetoxysilan (A 174)
Upravený povrch
Neupravený povrch
OCH3 OCH3
HO-Si-
HO-Si-
1. Hydrolýza metoxy skupin a jejich reakce se silanolovými skupinami na povrchu částic plniva skla za uvolňování metanolu
+ O H2
-O-Si-
O-Si-
C H =C 2 (CH )3 R 2. Kopolymerace molekul silánu s monomery vytváří pevnou a stabilní vazbu mezi částicemi plniva a matricí
Povrch částice skleněného plniva
CH2=C(CH3)-R
HO-Si-
Povrch částice skleněného plniva
OCH3
O-SiO
C H =C 2 (CH )3 R
O-
CH
3O
O-
H
Rozdělení kompozitů podle velikosti plniva Typ
plnivo
1. Konvenční kompozity (makrofilní, nepoužívají se)
křemen, sklo (5 – 50 µm)
Naplnění 50-65 hmotn %
Křemen - velmi tvrdý, výrazná abraze a zabarvování povrchu kompozitu Phillips‘ Science of Dental Materials
2. Mikrofilní kompozity - rozemletý předpolymerizát s amorfním Si02 (0,04 µm) tvoří „organické plnivo“ s velikostí částic (1–50µm)
- amorfní=pyrogenní Si02 (0,04 µm) Cca 60 obj. % plniv
Výhody: vysoce estetický (opalescence), snadno leštitelný Phillips‘ Science of Dental Materials
Nevýhody: menší mechanická pevnost
3. Hybridní kompozity
- mleté sklo částic 1 – 5 µm, - pyrog. Si02 (0,04 µm) 0-3 hmot. % (nastavení thixotropních vlastností a nelepivosti)
Naplnění ~ 70 hmot. %
Phillips‘ Science of Dental Materials
Výhody: univerzální (spíše molárový úsek) mechanickou odolností Nevýhody: horší estetika obtížnější leštitelnost
4. Mikrohybridní kompozity - mleté sklo pod 1 µm - pyrog. Si02 5-10 hmot. % Naplnění 70 – 75 hmotn. %
5. Nanokompozity/nanohybridní kompozity 1. Syntetické sférické nanočástice ~ 100 – 400 nm 2. Nano“klastry“ (aglomeráty nanočástic) nebo částice mletého skla velikosti 1 – 3 µm
Výhody: Větší stupeň naplnění (80 hmtn %) Snížená polymerační kontrakce Vynikající estetické vlastnosti (opalescence, snadná leštitelnost, dlouhodobý lesk) Snížená obraze Nevýhody: Vyšší cena
Výhody kompozitních materiálů: • V barvě zubů • Vysoká mechanická odolnost - odolnost proti abrazi, tuhost • Nízká rozpustnost v ústní dutině
Nevýhody: • • • • •
Neadherují k zubním tkáním Polymerační kontrakce Chybí protektivní účinek (F iontů, kationty amalgámů) Pracnost Vysoká cena
Rozdělení kompozitů podle velikosti plniva Typ kompozitu
Plnivo
Velikost částic [µm]
Konvenční
Ba-Sr sklo, křemen
Mikrofilní
1. předpolymerizát (amorfní Si02 d=0,04 „organické plnivo“ 2. amorfní Si02
5 – 50 1–50 µm)
Hybridní
1. Ba-Sr sklo 2. amorfní Si02
Mikrohybridní
1. Ba-Sr sklo, syntetické Zr-Si (zirconia-silica) 2. amorfní Si02
Nanokompozity
1. nanočástice 2. nano“klastry“ - aglomeráty nanočástic/mleté sklo
0,04 1-5 0,02-0,04 <1 0,02-0,04 ~ 0,10 – 0,04 1–3
Kompomery (hybridní materiály KOMPOzit a skloionoMER) Polyacid modified composite resins
Kombinace vlastností kompozitů a skloionomerů a) kompozitů Odolností kompozitů
Dobrou estetikou Jednosložkové b) skloionomerů -
Elucí F iontů Adhezí k zubním tkáním
Charakteristika: Neobsahují vodu Jednosložkové (LC, ve stříkačce, kompulích) Dvousložkové – chemicky polymerující P/P
Složení: Matrice: monomery s COOH skupinami a konvenční BISGMA, TEGDMA, UDMA apod. Např: adukt alkyltetrakarboxylové kyseliny a hydroxyetylmetakrylátu
~ 3 - 5 hmotn. % ve směsi s UDMA, TEGDMA
Plnivo: Sr reaktivní sklo obdobné GIC, Ba sklo (RTG), YbF3
Reakce tuhnutí: Převažuje radikálová polymerace, neutralizační reakce mezi COOH skupinami monomerů a alkalickými kationty v malém rozsahu a až po delší době a sorpci vody. Vlastnosti a použití vesměs obdobné kompozitním materiálům, ale snížená mechanická odolnost
Literatura: • Craig RG., Powers JM., WatahaJC: Dental Materials, Properties and Manipulation 8th. Edition, Mosby • Powers JM., Sakagushi RL: Craig´s Restorative Dental Materials, 12th. Edition, Mosby • Gladwin M., Bagby M.: Clinical Aspects of Dental Materials, Theory, Practice and Cases, 2nd. Edition, Lippincott Williams/Williams • Anusavice KJ.“ Phillips´ Science of dental Materials, 11th Edition, Saunders
