Kompozitų chemija ir fizika

Straipsnis iš OdontologijaWiki.

Staipsnyje didžiausias dėmesys skiriamas odontologinių kompozicinių medžiagų cheminei sudėčiai

Odontologijoje naudojamos kompozicinės medžiagos, kaip ir visos kompozicinės medžiagos, yra sudėtinės cheminės medžiagos, susidedančios iš dviejų pagrindinių sudėtinių dalių. Odontologiniai kompozitai susideda iš monomerinės matricos, kuri, medžiagai sukietėjus, virsta polimerine, ir užpildo dalelių, tolygiai pasiskirsčiusių toje matricoje. Užpildo dalelės sudaro tvirtą jungtį su matrica dėka rišančių medžiagų. Be šių pagrindinių komponentų, odontologiniuose kompozituose yra nedidelis kiekis kitų medžiagų, dalis kurių turi kritiškai svarbų vaidmenį, o dalis yra pagalbinės. Tai yra tokios medžiagos, kaip polimerizacijos aktyvatoriai/iniciatoriai ir inhibitoriai, dažai, radiokontastinės medžiagos.

Kompozito matrica

Dimetakrilatų, dažniausiai naudojamų odontologinių kompozicinių medžiagų sudėtyje, struktūrinės formulės ir cheminių pavadinimų santraupos

Kompozito polimerizacijos stadijos: 1 - linijinių makroradikalų su "kabančiais" dvigubais ryšiais formavimasis; 2 - skersinių ryšių susidarymas ir gelio mikrodalelių susiformavimas; 3 - trimačio polimerinio tinklo susidarymas gelio taške

Kompozito matrica prieš naudojant medžiaga yra sudaryta iš vieno ar kelių monomerų mišinio. Medžiagai kietėjant polimerizacijos būdu, monomerinė kompozito matrica virsta polimerine matrica.

Kompozitų matricos fizikinės savybės

Į kompozicinės matricos sudėtį paprastai įeina ne vienas monomeras/polimeras, o keli, todėl fizikinių parametrų rėmai yra gana platūs ir priklauso nuo sudėtinių dalių tarpusavio santykio.

Kompozitų matricos polimerizacija

Monomerai, dažniausiai naudojami kompozito matricos sudėtyje, yra metakrilatai arba dimetakrilatai (Pav. Dimetakrilatų, dažniausiai naudojamų odontologinių kompozicinių medžiagų sudėtyje, struktūrinės formulės ir cheminių pavadinimų santraupos). Polimerizacijos procesui prasidėjus įvykus iniciacijai laisvu radikalu, pradeda formuotis vis didėjantys linijiniai makroradikalai, kadangi polimerizacijos proceso eigoje viename monomere vienu metu reakcija vyksta tik ties viena dviguba jungtimi (Pav. Kompozito polimerizacijos stadijos). Vėlyvesnėse grandinės augimo stadijose, makroradikalai pradeda jungtis tarpusavyje, ko pasėkoje susidaro mikrogelio dalelės. Galiausiai, medžiagai polimerizuojantis toliau ir pasiekus gelio tašką, susiformuoja trimatė polimerinė struktūra. Odontologijoje naudojamų kompozitų gelio taškas pasiekiamas per labai trumpą laiką. vos per porą sekundžių. Nors šioje stadijoje medžiaga savo išore gali ir visai nesiskirti nuo pilnai polimerizuoto kompozito, tačiau jos mechaninės savybės yra dar labai prastos, kadangi tik maža dalis monomerų pilnai buvo įjungti į polimerinių grandinių sudėtį. Dėl šios priežasties, norint pasiekti gerų mechaninių medžiagos savybių, reikia tęsti polimerizacija ilgesnį laiką, kol didžioji dalis dvigubų jungčių (o kartu ir laisvų monomerų ar laisvų monomerų galų) bus integruota į polimerų sudėtį. Fotopolimerams paprastai pakanka 20-60 sekundžių polimerizacijos laiko, nors laikas gali varijuoti, priklausomai nuo tokių aspektų, kaip polimerizuojančio įrenginio šviesos galingumas į paviršiaus ploto vienetą bei polimerizuojamo kompozito matmenys.

Siloranų ir oksiranų struktūrinės formulės

Kai kuriuose naujuosiuose kompozituose naudojami ne dimetilakrilatai, o visai kiti monomerai, tokie kaip siloranai ir oksiranai, kurie pasižymi gerokai mažesniu polimerizaciniu susitraukimu (Pav. Siloranų ir oksiranų struktūrinės formulės).

Didžioji dauguma dabar naudojamų kompozicinių plombinių medžiagų kietėja dėl šviesos poveikio polimerizacijos proceso iniciatoriui, kuris beveik visose medžiagose yra kamforochinonas. Kamforochinonas labiausiai jautrus šviesai, kurios bangos ilgis yra 468 nm, bei pakankamai jautrus 400-500 nm diapazone.

Monomerų konversijos laipsnis

Kompozito makroradikalams pradėjus skersinio susijungimo procesą bei formuojantis trimačiam tinklui, kompozitas kietėja. Dėl nepakankamo susiformavusio trimačio polimerinio tinklo lankstumo normaliomis sąlygomis, kompozito monomerų konversijos į polimerus laipsnis nesiekia 100 %, o tai reiškia, kad tinkliniame polimere dar yra likę dvigubų jungčių, kurios, jei būtų sudarytos tinkamos sąlygos, galėtų sudalyvauti reakcijoje. Skirtingi monomerai turi skirtingą konversijos laipsnį ir to beveik neįtakoja užpildo dalelių pridėjimas. MMA konversijos laipsnis normaliomis sąlygomis yra net 99,5%, kuomet TEGDMA jis lygus 68,2%, o Bis-GMA - vos 56%.

Polimerizacinis susitraukimas

Odontologijoje naudojamų kompozicinių medžiagų sudėtyje esančių akrilinių monomerų tankis yra didesnis, negu polimerizacijos pasekoje susidariusio polimero, todėl kietėjimo metu besiformuojantis akrilinis polimeras traukiasi. Monomero ir polimero tankių skirtumą nulemia skirtingas atstumas tarp gretimų monomerų molekulių/dalių. Metilmetakrilate atstumas tarp atskirų monomero molekulių nulemiamas van der Waals'o sąveikos ir lygus 0,34 nm, kai polimetilmetakrilate iki 0,154 nm sumažėjusį atstumą tarp gretimų monomero segmentų nulemia susidaręs kovalentinis ryšys. Skirtingų akrilatų polimerizacinis susitraukimas yra skirtingas, tai galima išskaičiuoti žinant monomero ir jo polimero tankį.

Lent. Pagrindinių odontologijoje kompozicinių medžiagų sudėtyje naudojamų akrilinių monomerų ir polimerų tankiai bei susitraukimo laipsnis

Odontologinių medžiagų instrukcijose dažnai nurodomas kompozicinių medžiagų susitraukimo linijinis koeficientas, kuris yra gerokai mažesnis, negu tūrinis susitraukimo koeficientas. Norint sužinoti tūrinį susitraukimo koeficientą žinant linijinį, reikia pakelti kūbu prie vieneto pridėtą linijinį susitraukimo koeficientą. Ir atvirkščiai, jei norima sužinoti linijinį susitraukimo koeficientą žinant tūrinį, reikia ištraukti trečio laipsnio šaknį iš tūrinio susitraukimo koeficiento, padidinto vienetu.

Kadangi kompozicinė medžiaga susideda ne tik iš polimeru virstančio monomero, bet ir iš užpildo dalelių, kurių tiek pagal tūrį, tiek pagal masę yra didesnė dalis, susitraukimo koeficientai yra gerokai mažesni nei jei butų vien monomero virstančio polimeru. Apytiksliai suskaičiuoti susitraukimo tūrinį koeficientą kompozito, kuriame yra nurodytas kiekis užpildo, galima padauginus gautą tūrinį monomero susitraukimo koeficientą iš užpildo kiekio kompozicinėje medžiagoje procentais. Dėl šios priežasties, takios kompozicinės medžiagos, kurios paprastai turi mažesnį kiekį užpildo, turi didesnį susitraukimo koeficientą, nei pakuojamosios.

Yra pastebėta ryšys tarp polimerizacinio susitraukimo laipsnio, molekulinės monomero masės ir jo klampumo. Kuo didesnės molekulinės masės monomeras, tuo mažesnis jo polimerizacinio susitraukimo laipsnis, tačiau tai tampa praktine problema, kadangi didesnės molekulinės masės monomerai yra gerokai klampesni.

Lent. Tam tikrų monomerų molekulinės masės, susitraukimo koeficiento ir klampumo koreliacija

Polimerizacinio susitraukimo ir vidinės įtampos susidarymo tarpusavio priklausomybės schema

Polimerizuojantis kompozicinės medžiagos matricai, susitraukimas nėra tolygus dėl skirtingų polimerizacijos proceso stadijų. Pirmomis polimerizacijos proceso sekundėmis kompozito matrica dar nespėja sudaryti skersinių ryšių ir elgiasi kaip klampus skystis, todėl, net ir esant medžiagos tankio pokyčiui, nėra vidinės įtampos (Pav. Polimerizacinio susitraukimo ir vidinės įtampos susidarymo tarpusavio priklausomybės schema). Taškas, kuriame pradeda formuotis skersiniai ryšiai ir susidaryti vidinė įtampa yra gelio taškas. Pasiekus gelio tašką, spartėja polimero susitraukimas, medžiaga jau elgiasi ne kaip skystis, o kaip elastinė kieta medžiaga, todėl susidaro vidinė įtampa. Taigi, maždaug apie 80% polimerizacinio susitraukimo sąlygoja vidinės įtampos susidarymą.

Užpildas

Rišančios medžiagos

Silanizacijos schema. Viršuje - 3-metakriloksipropiltrimetoksisilano struktūrinė formulė

Kaip rišančios medžiagos odontologiniuose kompozituose yra naudojami silanai - tai yra organinės silicio turinčios medžiagos, kurios sugeba reaguoti tiek su kompozito matrica, tiek su užpildo dalelėmis.

Viena iš tokių medžiagų yra 3-metakriloksipropiltrimetoksisilanas. Šio junginio metoksigrupės jungiasi su užpildo dalelių paviršiumi bei su kito silano metoksigrupėmis, taip sudarydami homopolimerą aplink užpildo dalelę. Dvigubos jungties silano molekulės radikale buvimas įgalina jungimasi prie kompozito organinės matricos (Pav. Silanizacijos schema).

Polimerizacijos proceso reguliatoriai

Polimerizacijos iniciatoriai

Polimerizacijos inhibitoriai

Nuorodos ir literatūra

1. Polymers for Dental and Orthopedic Applications - edited by Shalaby W. Shalaby, Ulrich Salz.

2. Restorative Dental Materials - edited by Robert G. Craig, John M. Powers.