BUDOWA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH, ICH TRWARDIENIE, SORPCJA WODY ORAZ REAKCJE ALERGICZNE

budowa MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH 

 

Materiały kompozytowe (kompozycyjne, złożone, ang. composites) składają się z:

•         części (fazy) organicznej stanowiącej matrycę (matrix), w którą wbudowane są wypełniacze (fillers)

•         fazy nieorganicznej

Obydwie fazy materiału są połączone z sobą chemicznie przy udziale związków sprzęgających, stanowiących fazę wiążącą [fazy nieorganicznej (fillers) stanowi ok. 60-80% masy materiału]. W kompozytach mikrocząsteczkowych stanowi ona 52-60% objętości, zaś w przypadku materiałów kompozytów hybrydowych dochodzi nawet do 88%.

Jako wypełniacze stosowane są przede wszystkim: fosforany, krzemiany, różne szkła (barowe, strontowe, lantanowe, bizmutowe itp.), dwutlenek krzemu i inne. Cząsteczki nieorganiczne (wypełniacze) występują pod postacią, kuleczek odłamków, płytek, włókien, a także w postaci proszku.

Makrowypełniacze stanowią zmielone, zgniecione i przesiane cząstki minerałów kwarcu i szkła. Rozmiary cząsteczek wahają się w granicach od 0,2 do 70μm, przy czym, w zależności od rodzaju materiału, ich wielkość jest różna.

Zadaniem wypełniacza jest poprawa właściwości fizycznych kompozytu, co przyczynia się do zwiększenia trwałości wypełnień. Wypełniacz zmniejsza skurcz polimeryzacyjny i rozszerzalność termiczną kompozytu, zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie, zmniejsza sprężystość i sorpcję wody, zwiększa twardość kompozytu i jego odporność na ścieranie. Cząstki wypełniacza są odpowiednio barwione, twarde, nietoksyczne, odporne na wodę i rozpuszczalniki chemiczne w środowisku jamy ustnej. 

Faza organiczna – matryca kompozytu (matrix), stanowi jego element spajający i zajmuje 20-30% objętości materiału. Składa się z różnych żywic zdolnych do polimeryzacji – diakrylanów a także związki regulujące proces polimeryzacji. Inicjatory i przyspieszacze są dodawane celem otrzymania wolnych rodników niezbędnych w procesie polimeryzacji.

Problemem technologicznym było trwałe połączenie fazy organicznej z nieorganicznym wypełniaczem. Hydrofobowa żywica matrycy, z uwagi na odmienne własności chemiczne, nie wykazuje adhezji do hydrofilnej części nieorganicznej. Złożona budowa kompozytu między innymi znacznie ogranicza możliwości połączenia już spolimeryzowanej porcji kompozytu z następną warstwą po upływie piętnastu minut, zamoczeniu, zaślinieniu itp. Między innymi tłumaczy się to tym, że szlifowana powierzchnia kompozytu składa się w znacznej części z obnażonych wypełniaczy, które pozbawione są już warstwy silanu. Dołączenie w tych warunkach następnej porcji kompozytu nie jest więc takie trwałe. Niejednorodna budowa wewnętrzna kompozytów (żywica-wypełniacze) oraz niepewność połączenia fazy organicznej z nieorganiczną ujemnie wpływa na strukturę powierzchni kompozytów oraz na ścieralność występującą w warunkach klinicznych. Połączenie fazy organicznej i nieorganicznej decyduje o wytrzymałości fizykomechanicznej materiału, dlatego też wprowadzono prepolimeryzację umożliwiającą uzyskanie cząsteczek kompozytu o średnicy od 1 do 200 μm (cząstek organicznych wzmocnionych cząsteczkami nieorganicznymi), które miesza się następnie z nie spolimeryzowaną masą kompozytu.

W celu sterowania procesem polimeryzacji, polepszenia zdolności składowania oraz trwałości barwy dodawane są do żywicy organicznej czynne środki chemiczne jako dodatki w wysokości do 5%: związki inicjujące polimeryzację, zapobiegające samoczynnemu wiązaniu materiału, środki absorpcyjne, barwniki i pigmenty.

Twardnienie materiałów kompozytowych.

Materiały kompozytowe należą do grupy plastycznych materiałów do wypełnień. Reakcja wiązania (twardnienia) polega na polimeryzacji żywicy stanowiącej matrix kompozytu. Polimeryzacja jest to proces chemiczny polegający na prostym łączeniu się wielu cząsteczek zawierających wiązania wielokrotne w jeden związek wielkocząsteczkowy, bez jakiegokolwiek produktu ubocznego. Polimeryzacja materiałów kompozycyjnych jest wolnorodnikową polimeryzacją addycyjną. W procesie wiązania niezbędne jest wytworzenie wolnych rodników, które inicjują proces polimeryzacji. Wolne rodniki powstałe pod wpływem systemów inicjujących powodują rozpadanie się podwójnych wiązań monomerów i rozpoczęcie procesu polimeryzacji.

Kompozyty polimeryzują (twardnieją) w dwojaki sposób: po zmieszaniu masy podstawowej z katalizatorem (dwuskładnikowe) albo po naświetleniu światłem halogenowym o ściśle określonej długości fali świetlnej (jednoskładnikowe).

Kompozyty dwuskładnikowe produkowane są w postaci pasta-pasta, proszek-płyn (żywica), pasta-płyn, zaopatrzonych w system aktywacji chemicznej – nadtlenek benzoilu z aminą trzeciorzędową. Inicjatorem jest nadtlenek benzoilu, który wchodząc w reakcję z aminą trzeciorzędową powoduje powstawanie wolnych rodników. Polimeryzacja aktywowana chemicznie zachodzi jednolicie w całej masie materiału. Materiały dwuskładnikowe najczęściej produkowane są w postaci dwóch past: pasty podstawowej i pasty katalizatora. Kompozyty pasta-pasta rozrabia się najczęściej przez zmieszanie pasty podstawowej z pastą katalizatora w proporcji 1:1 np.: Concise/3M, Silar/3M, Isopast/Vivadent i inne.

Nieliczne materiały produkowane są w postaci proszku i płynu, (podobnie jak cementy krzemowe). Materiały te przygotowuje się przez zmieszanie proszku z płynem w określonych proporcjach np. Evicrol firmy Spofa Dental. Materiały dwuskładnikowe rozrabia się zazwyczaj łopatkami z tworzyw sztucznych na bloczkach papierowych oraz nakłada się do ubytku przy pomocy instrumentów z tworzyw sztucznych - nakładaczy i upychadeł. Stosowanie instrumentów metalowych zarówno do rozrabiania materiałów jak i nakładania do ubytków powoduje starcie metalowych instrumentów przez ostrokonturowe cząsteczki twardego wypełniacza zawartego w masie kompozytu. Prowadzi to do przebarwienia materiału na sinawo - brudny kolor. Tylko nieliczne materiały takie jak: Isopast i Izofill, Izomolar firmy Vivadent można rozrabiać instrumentami metalowymi. Mieszanie ręczne katalizatora z bazą powoduje wprowadzenie do masy pęcherzyków powietrza co pogarsza strukturę wewnętrzną, a tym samym i strukturę powierzchni rekonstrukcji, sprzyja wprowadzeniu zanieczyszczeń i przedłuża czas pracy. Polimeryzacja materiału następuje w ściśle określonym przez producenta czasie. Zazwyczaj materiały zarabia się przez 30 sek., następne 30 sek. jest do dyspozycji lekarza na wprowadzenie materiału do ubytku, zaś twardnieją w ciągu kolejnych 2 min.

Kompozyty jednoskładnikowe. Materiały te produkowane są w postaci pasty, lub gęstego płynu (materiały typu flow), zaopatrzonych w system inicjacji polimeryzacji światłem widzialnym – zazwyczaj 0,2-0,7% kamforohinonu wraz z aminą alifatyczną. Materiały te po wyciśnięciu z opakowania i wprowadzeniu do ubytku, naświetla się światłem halogenowym (źródło światła o długości fali 470 nm) w celu spolimeryzowania. Energia świetlna aktywuje diketon (kamforohinon), który łączy się z aminą – powstaje związek kompleksowy, który rozpadając się tworzy wolne rodniki inicjujące polimeryzację żywicy kompozytowej. Aktywacja światłem halogenowym powoduje wiązanie od 40 do 60% żywicy kompozytowej natychmiast po rozpoczęciu naświetlania.

Należy pamiętać, że materiały złożone, zwłaszcza posiadające dużą ilość nieorganicznego wypełniacza, mogą przedwcześnie polimeryzować przy świetle operacyjnym lub świetle z otoczenia. Dlatego też zaleca się, aby asysta podczas przekazywania materiału chroniła go przed światłem lampy górnej oraz zamykała pilnie po użyciu .
 

Zaletami tego systemu jest brak konieczności ręcznego zmieszania składników preparatu . Grubość warstwy, która jest w stanie spolimeryzować uzależniona jest od rodzaju preparatu, koloru i właściwości lampy polimeryzacyjnej. Czas naświetlania waha się od 20 do 60 sekund. W trakcie naświetlania oczy lekarza i asystentki powinny być ochronione przez okulary lub osłony ponieważ światło polimeryzacyjne jest szkodliwe dla wzroku.

Sorpcja wody i rozpuszczalność materiałów kompozytowych.

Charakterystycznymi cechami materiałów kompozytowych znajdujących się w wilgotnym środowisku jamy ustnej są:
- sorpcja wody (pęcznienie)

- rozpuszczalność (dezintegracja)

Materiały na bazie żywic chłoną wodę, powiększając swoją objętość (pęcznieją). Ilość wody pochłanianej przez materiał kompozycyjny zależy od rodzaju materiału, a ściślej mówiąc od udziału w nim składnika żywiczego. Większą ilość wody pochłaniają materiały mikrocząsteczkowe - od 1,5 do 2 mg/cm², mniejszą makrocząsteczkowe 0,6-1,1 mg/cm², zaś hybrydowe cechuje najmniejsza sorpcja wody - 0,2-0,6 mg/cm2. Najmniejsze właściwości sorpcji wody mają materiały hybrydowe. 

Sorpcja wody przez materiał kompozycyjny pociąga za sobą szereg zmian, w większości niekorzystnych, tak w materiale jak i jego połączeniu z tkankami zęba. Skutkiem sorpcji wody jest zmniejszenie wytrzymałości materiału kompozytowego (pęcznienie powoduje rozluźnienie struktury materiału – zmniejszenie spójności żywicy i osłabienie połączenia między żywicą i wypełniaczem). Pęcznienie materiału powoduje naprężenia w miejscu połączenia materiału ze szkliwem i zębiną, które wraz ze skurczem polimeryzacyjnym materiału, przyczyniają się do powstania szczeliny brzeżnej. 

Sorpcja wody wiąże się także z rozpuszczalnością materiałów kompozytowych. Rozpuszczalność materiałów kompozytowych, po zakończeniu chemicznego wiązania jest niewielka, ale prowadzi do hydrolitycznej degradacji materiału, co objawia się porowatością powierzchni i osłabieniem jego wytrzymałości.
Sorpcja wody rozpoczyna się 4-6 godzin po założeniu wypełnienia i trwa ok. 28 dni, przy czym najintensywniej przebiega w ciągu pierwszych 7-10 dni. Dlatego też wydaje się celowym zalecanie pacjentowi z założonym wypełnieniem kompozytowym, szczególnie w odcinku przednim łuku zębowego, aby przez kilka godzin unikał takich produktów, jak kawa, herbata, papierosy, gdyż barwniki w nich zawarte mogą penetrować powierzchnię materiałów na głębokość od 3 do 5 μm. Przebarwienia wypełnień mogą zdarzać się zarówno w przypadku materiałów chemo-, jak i światłoutwardzalnych. Większość wypełnień chemoutwardzalnych traci kolor w ciągu 1-3 lat po założeniu. Jest to związane z utlenianiem pozostałych amin trzeciorzędowych. Wypełnienia światłoutwardzalne są bardziej odporne na przebarwienia, pod warunkiem że są prawidłowo spolimeryzowane.

Reakcje alergiczne związane z kompozytami.

W następstwie bezpośredniego kontaktu materiału kompozytowego z tkankami może dojść do powstania reakcji alergicznych.

Niecałkowicie spolimeryzowana żywica zawiera monomery, które są silnymi alergenami. Najbardziej niebezpiecznym alergenem jest HEMA. Monomer przenika przez kanaliki zębinowe do miazgi i powoduje powstawanie odpowiedzi immunologicznej.

Poza monomerami częstą przyczyną reakcji alergicznych jest formaldehyd - produkt reakcji utleniania, który występuje w spolimeryzowanym kompozycje jeszcze 115 dni po utwardzeniu, najczęściej w najbardziej zewnętrznej warstwie materiału, wiążącej przy dostępie tlenu.

Monomery alifatyczne i aromatyczne mogą wywoływać także reakcje alergiczne w postaci dermatoz (chorób skóry) kontaktowych u personelu medycznego. Alergeny te posiadają zdolność przenikania nawet przez rękawice ochronne z lateksu. Profilaktyka polega na unikaniu bezpośredniego kontaktu materiału kompozytowego ze skórą.