Zastanawiasz się, jak wydać pracę doktorską, habilitacyjną lub monografie? Chcesz dokonać zmian w stylistyce i interpunkcji tekstu naukowego? Nic prostszego! Zaufaj Wydawnictwu Borgis - wydawcy renomowanych książek i czasopism medycznych. Zapewniamy przede wszystkim profesjonalne wsparcie w przygotowaniu pracy, opracowanie dokumentacji oraz druk pracy doktorskiej, magisterskiej, habilitacyjnej. Dzięki nam nie będziesz musiał zajmować się projektowaniem okładki oraz typografią książki.

© Borgis - Nowa Stomatologia 2/2006, s. 78-81
*Paweł Ira1, Anna Kopytyńska 1, Agnieszka Dąbrowska2, Tomasz W. Kupka3, Marta Tanasiewicz3, Mirosław Gibas2
Ile wynosi skurcz polimeryzacyjny hybrydowego (nano/submikrowypełnionego) kompozytu polimerowego dla dentystyki artystycznej?
What is the polymerization shrinkage of a hybrid (nano/submicroparticle-filled) polymer-based composite used in artistic dentistry?
1 ze Studenckiego Koło Naukowe Zakładu Propedeutyki Stomatologii Śl.AM w Katowicach
3 z Zespołu Badawczego Odontologii Eksperymentalnej Zakładu Propedeutyki Stomatologii Śl.AM w Katowicach
Kierownik Zakładu: dr n. med. Michał Kaszuba
2 z Katedry Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii PŚ w Gliwicach
Kierownik Katedry: dr hab. n. techn. Mirosław Gibas
Wstęp
Współczesna dentystyka odtwórcza opiera metody rekonstrukcji bezpośredniej ubytków zębowych w znacznym stopniu na kompozytach polimerowych. Ciągłe poszukiwanie nowych rozwiązań mających na celu poprawę właściwości wytrzymałościowych, walorów estetycznych, spowodowało wprowadzenie w latach 40. materiałów tzw. chemoutwardzalnych. Około 30 lat później wprowadzono utwardzane światłem widzialnym kompozyty polimerowe. Materiały te stanowią mieszaninę wielofunkcyjnych monomerów metakrylanowych (spoiwo organiczne) z wypełniaczami nieorganicznymi lub organiczno-nieorganicznymi, oraz m.in. dodatkami inicjującymi i stabilizującymi. Istotnym momentem w historii kompozytów dentystycznych było zsyntetyzowanie przez RL Bowena żywicy bis-GMA, czyli 2,2´-bis[(2-hydroksy-3-metakryloiloksypropoksy)fenylo]propanu, która wyparła polimetakrylan metylu. Podstawowym powodem, dla którego uznano wyższość monomeru Bowena była znaczna różnica w skurczu polimeryzacyjnym: 6,4 % dla bis-GMA, z kolei dla poli(metakrylanu metylu) – 24,8 % (1). Jako wypełniacze stosuje się różne postacie dwutlenku krzemu: kwarc krystaliczny, krzemionkę bezpostaciową czy też szkło kwarcowe. Faza nieorganiczna decyduje o właściwościach fizycznych kompozytu, takich jak: wchłanianie wody, skurcz polimeryzacyjny, współczynnik rozszerzalności termicznej, a także twardość i mikrotwardość. Rodzaj cząstek wypełniacza pozwala na podział kompozytów na trzy grupy: z makrowypełniaczem, mikrowypełniaczem oraz hybrydowe (2). Zastosowanie związków krzemoorganicznych, jako czynnika łączącego, umożliwia połączenie spoiwa organicznego z wypełniaczem. Składnikami dodatkowymi materiału kompozytowego są inhibitory oraz antyutleniacze. Ważnym z punktu widzenia dentystyki artystycznej dodatkiem są pigmenty, nadające odpowiednią barwę materiałowi. Można tu wymienić takie substancje chemiczne jak biel tytanowa, czerwień i żółcień żelazowa, siarczan baru, sadza. Jako fotoinicjatora w większości materiałów używa się kamforochinon, natomiast reduktorem jest benzoesan lub metakrylan N,N-dimetyloaminoetylowy i metylodietanolamina.
Polimeryzacja jest procesem chemicznym polegającym na prostym łączeniu się wielu cząsteczek zawierających wiązania wielokrotne w jeden związek wielkocząsteczkowy, bez produktu ubocznego. Proces ten może zostać inicjowany pod wpływem aktywacji światłem widzialnym, reakcji chemicznej lub temperatury. Podczas tworzenia się polimeru spotykamy się z problemem skurczu polimeryzacyjnego, który polega na zbliżaniu się do siebie cząsteczek na skutek oddziaływania sił Van der Waalsa. Przed polimeryzacją odległość między cząsteczkami zawierającymi wiązania podwójne C=C wynosi 3,4 Ĺ. W trakcie polimeryzacji następuje zamiana wiązań podwójnych C=C na pojedyncze C-C i odległość między cząsteczkami zmniejsza się do 1,54 Ĺ (3).
Wielkość skurczu zależy głównie od ilości wiązań podwójnych w monomerze, a kierunek skurczu od tego z iloma powierzchniami kompozyt jest związany. I tak wyróżniamy:
– Skurcz swobodny (kompozyt nie jest związany z żadną powierzchnią), w którym wektory skierowane są ku centrum materiału.
– Skurcz kompozytu związanego z jedną powierzchnią, gdzie kierunek przebiega do powierzchni, z którą kompozyt jest związany.
– Skurcz kompozytu umieszczonego pomiędzy dwoma ścianami, który przebiega kilkufazowo – początkowo kompensacja zmniejszania objętości będzie następowała przez przemieszczenie materiału od powierzchni niezwiązanej w kierunku ścian, a w miarę polimeryzacji nastąpi dalsze zmniejszenie objętości, aż do momentu oderwania od jednej ze ścian. W momencie, gdy siła skurczu polimeryzacyjnego przewyższa siłę połączenia systemu wiążącego, a materiał będzie łączył przeciwległe ściany ubytku jedną warstwą, powstanie szczelina brzeżna.
Skurcz polimeryzacyjny jest przyczyną nieszczelności brzeżnej, co może prowadzić do powstania pęknięć szkliwa oraz rozwoju próchnicy wtórnej (1). Obecnie badania dowodzą, iż odsetek powrotu próchnicy spowodowany przez zjawisko skurczu polimeryzacyjnego stanowi od 14 do 54 % (4). Zmniejszenie objętości materiału zależy w głównej mierze od rodzaju użytego kompozytu oraz od sposobu jego naświetlania. Optymalnie skurcz winien mieścić się w granicach od 1,5 do 5% (5).
W procesie polimeryzacji, według Braga, najważniejsze znaczenie ma gel point, czyli moment, w którym kompozyt podlega prawom mechaniki ciał stałych. Im później materiał osiąga punkt żelowania, tym charakteryzuje się mniejszym skurczem i działaniem mniejszych naprężeń wewnętrznych (6).
Skurcz polimeryzacyjny powoduje, iż w kompozycie powstają duże naprężenia, w szczególności w miejscu jego kontaktu z tkankami zęba. Naprężenia te zależą od wielkości skurczu oraz od modułu Young´a kompozytu. Wartości te są wprost proporcjonalne do naprężenia. Kompozyty o niskich wartościach modułu Young´a, np. płynne i półpłynne, pomimo dużego skurczu polimeryzacyjnego będą wykazywały mniejsze naprężenia w okolicy kontaktu z zębem, a co za tym idzie, lepszą szczelność brzeżną (7). Zjawisko skurczu polimeryzacyjnego staramy się niwelować stosując m.in. coraz to nowe lampy polimeryzacyjne, metody polimeryzacji, np. pulsacyjnej lub lampy plazmowe (7, 8), modyfikując organiczną matrix, skład i rozmiar wypełniacza oraz polepszając właściwości czynników/systemów wiążących kompozyt z twardymi tkankami zęba.
Materiał i metody
W badaniach wykorzystano materiał Miris(tm) (Coltčne Whaledent) Enamel o barwie Ivory Trans, lot number KH062, który jest hybrydowym, światłoutwardzalnym kompozytem polimerowym. Jego fazę organiczną stanowią monomery: bis-GMA, bis-EMA i TEGDMA, natomiast nieorganiczną wypełniacz submikronowy (silanizowane szkło barowe i strontowe o średniej wielkość cząstek 600 nm – zakres wielkości cząstek 400-2500 nm) oraz nanowypełniacz (amorficzna krzemionka <100 nm). Materiał znajduje zastosowanie we wszystkich typach ubytków (zarówno w zębach przednich, jak i tylnych). Aplikacja materiału oparta jest na koncepcji warstwowej, gdzie dwie odmiany materiału, osobno dla zębiny i dla szkliwa, stanowią syntetyczny substytut tkanek twardych zęba. Efekty specjalne można osiągnąć stosując farby, w które dopełniony jest pełny zestaw. Systemem wiążącym dla materiału jest A.R.T. BOND (2-step etch & rinse approach).
Do wyznaczenia skurczu polimeryzacyjnego potrzebne są wartości gęstości materiału przed i po polimeryzacji. W oznaczeniu gęstości wykorzystano metodę piknometryczną stosowaną w densytometrii. Do pomiarów użyto piknometru o objętości 25 cm3, szczelnie zamkniętego korkiem ze szklanym szlifem (9, 10). Badanie polegało na wykonaniu serii ważeń: piknometru, piknometru napełnionego cieczą (wodą destylowaną), naczynia z badanym materiałem, a także piknometru z materiałem i cieczą. Z uwagi na małą średnicę wlotu piknometru, z materiału uformowano drobiny o kształcie kuleczek. Natomiast chcąc oznaczyć gęstość materiału po polimeryzacji wykonano próbki w kształcie krążka posługując się metalowymi pierścieniami o następujących wymiarach wewnętrznych: średnica (15±0,1) mm, głębokość (1±0,1) mm. Tak przygotowany materiał poddano fotopolimeryzacji lampą o długości fali w przedziale 460-500 nm, po czym pokruszono spolimeryzowane próbki. Gęstość materiału badanego wyznaczono ze wzoru:
Przyjęto następujące oznaczenia:
m 1 – masa piknometru
m 2 – masa piknometru z wodą
m 3 – masa piknometru z materiałem
m 4 – masa piknometru z wodą i materiałem
r – gęstość materiału
rw – gęstość wody = 1 g/cm3.
Po wyznaczeniu gęstości, przed i po utwardzeniu, obliczano skurcz polimeryzacyjny materiału badanego z następującego wzoru:
gdzie:
Przyjęto następujące oznaczenia:
ra – średnia gęstość niespolimeryzowanego materiału
rb – średnia gęstość spolimeryzowanego materiału
a – objętość właściwa niespolimeryzowanego materiału
b – objętość właściwa spolimeryzowanego materiału
Wyniki
Wyniki badań przedstawiono w tabelach 1 i 2.
Tabela 1. Rezultaty pomiarów mas materiału niespolimeryzowanego; wyznaczone gęstości.
Ważeniam1 (g)m3 (g)m4 (g)m2 (g)r (g/cm3) rb (g/cm3)
I22,7108523,7928548,2507047,753651,851,876?0,021
II22,7829023,8749048,3507047,832901,902
III22,7118023,8200048,2779047,760801,875
Tabela 2. Rezultaty pomiarów mas materiału spolimeryzowanego; wyznaczone gęstości.
Ważeniam1 (g)m3 (g)m4 (g)m2 (g)r (g/cm3) rb (g/cm3)
I22,7108523,8286548,2981547,753351,9511,929?0,019
II22,7829023,9016048,3675047,828101,931
III22,7118023,8287048,2945047,764301,904
Po wyznaczeniu gęstości przed i po utwardzeniu, obliczono średni skurcz polimeryzacyjny dla materiału badanego, który wyniósł 2,83%.
Dyskusja
Wysiłki, mające na celu minimalizowanie skurczu polimeryzacyjnego dążą zasadniczo w dwóch kierunkach: ulepszania składu chemicznego materiału kompozytowego oraz czynników wiążących (11). Samym czynnikiem/systemem wiążącym nie jesteśmy w stanie zmniejszyć skurczu polimeryzacyjnego, a jedynie zniwelować jego skutki, poprzez wzrost siły adhezji; jeśli zostanie ona przewyższona przez siłę skurczu, dochodzi do powstania mikro- lub makrodefektów, w tym do tworzenia się szpar brzeżnej i/lub międzywarstwowej (12). Skuteczność stosowania systemów wiążących do twardych tkanek zęba zależy od jego właściwości adhezyjnych, struktury twardych tkanek zęba, do których dany materiał ma być przytwierdzony oraz precyzji operatora. Wprowadzenie mikro-, submikro lub nanowypełniaczy ma na celu kontrolowaną redukcję skurczu i porowatości kompozytów (11). Wyniki badań wskazują na to, iż wprowadzenie nano/submikrowypełnionych materiałów kompozytowych jest kolejnym etapem na drodze ich rozwoju technologicznego i może pozwolić na ograniczenie wielkości skurczu polimeryzacyjnego, a tym samym na uzyskanie satysfakcjonujących efektów w wymiarze klinicznym, w połączeniu z jego potencjalnymi walorami estetycznymi. W kontekście klasyfikacji wypełniaczy, autorzy ponawiają propozycję oryginalną, wg kryterium granulacji ziarna (13). Kategoryzuje ona trzy rodzaje wypełniaczy stosowanych w kompozytach polimerowych, ze względu nominalną wielkość ziarna, w układzie SI:
– 1000 nm (1 mm, 10-6 m) = mikrowypełniacz <100 000 nm (100 mm, 10-4 m),
– 100 nm (0,1 mm, 10-7 m) Ł submikrowypełniacz <1000 nm (1 mm, 10-6 m),
– 1 nm (0,001 mm, 10-9 m) Ł nanowypełniacz <100 nm (0,1mm, 10-7 m).
Obecnie wiele badań prowadzi się pod kątem stosowania różnych technik fotopolimeryzacji. Lampom polimeryzacyjnym stawia się coraz wyższe wymagania; powinny one emitować światło w zakresie długości fali od 400 do 500 nm. Im później kompozyt osiąga punkt żelowania, tym mniejszy jest jego skurcz po całkowitym utwardzeniu. Skutecznym sposobem opóźnienia wystąpienia punktu żelowania jest obniżenie intensywności światła polimeryzującego, a znaczną redukcję skurczu można osiągnąć przez zastosowanie tzw. techniki pulsacyjnej (ang.: pulse-delay cure) (7). Polega ona na dwuetapowym naświetlaniu kompozytu, najpierw przez 2-6 s światłem o małej intensywności, a następnie po dostosowaniu okluzyjno-artkulacyjnym, światłem o dużej intensywności, przez 20-40 s. Wg Stansbury i wsp., istotne jest nie tylko uchwycenie wartości skurczu dla poszczególnych kompozytów, lub nawet dla tego samego materiału w różnych metodach naświetlania, ale zaobserwowanie zachodzących w czasie polimeryzacji przemian strukturalnych (11). Zastosowana metoda badawcza pozwala na ilościowe określenie wartości skurczu, jednak jest ona, jak każda inna, obarczona błędem. Interesującym wydaje się wykonanie badań komparatywnych np. w piknometrze próżniowym oraz z użyciem najnowszych rodzajów lamp polimeryzacyjnych. Ponadto każda z lamp, wg Uhl i wsp. (14), podlega pewnym czynnikom obniżającym jej wydajność, jak np. zużywanie żarówki i filtra. Brak także znaczącej różnicy skurczu polimeryzacyjnego w zależności od użytej lampy czy techniki dla kompozytów zawierających, jako fotoinicjator jedynie kamforochinon.
W świetle zastosowanej metody i pozyskanych rezultatów, średnia wartość skurczu polimeryzacyjnego materiału badanego, czyli 2,83%, mieści się w granicach normy przyjętej dla wartości skurczu polimeryzacyjnego przez Ferracane (5). Istotnym wydaje się, aby bacznie obserwować, w którym kierunku nastąpi rozwój technologii i metod polimeryzacji materiałów kompozytowych, a także śledzić osiągnięcia naukowców i prowadzić obserwacje we własnej praktyce dentystycznej, a dopiero w oparciu o tę przekrojową wiedzę, obrać właściwy kierunek stosowanych procedur odtwórczych.
Zjawisko skurczu polimeryzacyjnego jest obecnie szeroko dyskutowane przez środowiska naukowe, jednak nie ma wątpliwości, co do słuszności i zalet stosowania materiałów kompozytowych. Korzyści wynikające z zastosowania nowoczesnych kompozytów w artystycznej dentystyce odtwórczej są bezsprzeczne.
Wnioski
1. Średni skurcz polimeryzacyjny materiału badanego wyniósł 2,83%. Wartość wyznaczonego skurczu jest zadowalająca, mając na uwadze fakt, iż przyjęte granice normy mieszczą się w zakresie 1,5-5,0%.
2. Korzyści wynikające ze stosowania nowoczesnych kompozytów w artystycznej dentystyce odtwórczej są bezsprzeczne.
Piśmiennictwo
1. Cowperthwaite G.F. et al.: Biomedical and Dental Application of Polymers. Plenum Press 1981: 379. 2.Dwornicka K. et al.: Materiały do wypełnień we współczesnej dentystyce odtwórczej. red. Ilewicz L. a-medica press, Bielsko Biała 2003: 54-61. 3.Tomankiewicz M.: Materiały kompozytowe i szklano-jonomerowe w praktyce stomatologicznej. Czelej, Lublin 2002: 16-27. 4. Hanning M., Friedrichs C.: Comparative in vivo and in vitro investigation of interfacial bond variability. Oper. Dent., 2001, 26: 3-11. 5.Jack L., Ferracane.: Developing a more complete understanding of stresses produced in dental composites during polymerization. Dental Materials 2005, 21: 36-42. 6.Braga R.R., Ferracane J.J.: Alternatives in polymerization contraction stress management. J. Appl. Oral. Sci., 2004, 12 (sp. issue): 1-11. 7.Okoński P.: Polimeryzacja światłoutwardzalnych materiałów kompozytowych, Nowa Stomatologia 2000, 14:18-21. 8.Disacciati J.A.C. et al.: Effect of Light Intensity and Irradiation Time on the Polymerization Process of a Dental Composite Resin. Materials Research 2004, 7, 2: 313-318. 9.Broniewski T. et al.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 2000, 127. 10. PN-92/C-89035: Tworzywa sztuczne. Metody oznaczania gęstości i gęstości względnej tworzyw nieporowatych. 11. Stansbury J.W. et al.: Conversion-dependent shrinkage stress and strain in dental resins and composites. Dental Materials 2005, 21: 56-67. 12. Kupka T. et al.: Evaluation of interlayer adaptation based on our own method, evaluated by the use of digital, computer analysis and strength test. Journal Nippon Dental Univ., 2000, 3: 21-270. 13. Kupka T., Tanasiewicz M.: Nowy Materiał dla Dentystyki Artystycznej. Propozycja Klasyfikacji Kompozytów Żywicznych. XXX-lecie Oddziału Stomatologicznego w Lublinie. Stomatologiczne Targi Wschodnie, Lublin 2003. 14. Uhl A. et al.: Time dependence of composite shrinkage using halogen and LED light curing. Dental Materials 2005, 21: 278-286.
otrzymano: 2005-12-20
zaakceptowano do druku: 2006-02-20

Adres do korespondencji:
*Paweł Ira
Zakład Propedeutyki Stomatologii Śl.AM w Katowicach
Pl. Akademicki 17, 41-902 Bytom
tel/fax: (0-32) 282-79-93
e-mail: pira@slam.katowice.pl

Nowa Stomatologia 2/2006
Strona internetowa czasopisma Nowa Stomatologia