Development of monomers and additives for advanced dental formulations

Abstract

Dental Composite bestehen aus vernetzenden Di(meth)acrylaten, geeigneten Füllstoffen und Additiven, und werden photochemisch ausgehärtet. Diese modernen Dentalmaterialien weisen gute mechanische Eigenschaften und eine ästhetische Färbung auf und umgehen weiters die Toxizitätsprobleme von Amalgam. Andererseits gibt es Nachteile wie limitierter Aushärtungstiefe oder Schrumpfspannungen, die die Entstehung von Randspalten verursachen können.<br />Photoinduzierte Frontal Polymerisation (FP) ermöglicht die Aushärtung von dickeren Schichten, jedoch konnte diese Technik entweder aufgrund hoher Fronttemperaturen oder wegen unzureichender Stabilität der thermischen Initiatoren in der Dentaltechnik bisher nicht angewendet werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde das neue Konzept der Copolymerisations-induzierten Destabilisierung entwickelt, welches niedrigere Fronttemperaturen bei ausreichender Stabilität des thermischen Initiators ermöglicht.<br />Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Reduktion der Schrumpfspannungen, welches durch den Zusatz von Reglern, die das Molekulargewicht eines Polymers reduzieren, erreicht werden soll.<br />Dadurch werden Gelphase und Glasphase des Polymerisations-prozesses zu höheren Umsätzen verschoben, was ein entscheidender Prozess für die Reduktion der Schrumpfspannungen ist. Verschiedene Regler aus den unterschiedlichsten Klassen wurden untersucht, wobei ein Regler gefunden wurde, der die Schrumpfkraft von verschiedenen Polymeren deutlich reduziert konnte, wobei die guten mechanischen Eigenschaften des Materials beibehalten wurden. Eine andere Methode zur Reduktion der Schrumpf-spannungen durch photochemischen Abbau eines Polymernetzwerks, welches eine spaltbare Funktionalität aufweist, wurde ebenfalls untersucht. Der Einbau einer hydrolytisch spaltbaren Ketal-Gruppe in ein Copolymer ermöglichte den Abbau des Polymernetzwerks (und damit eine potentielle Reduktion der Schrumpfspannungen) unter sauren Bedingungen, welche durch Anwesenheit einer geeigneten Photosäure unter Bestrahlung geschaffen wurden.<br />

Dental composites consist of certain fillers, crosslinking di(meth)acrylates and additives like a photoinitator and are cured by photopolymerization. These commonly used dental filling materials feature good mechanical properties and esthetical appearance, but suffer from drawbacks like limited curing depth and polymerization shrinkage stress.<br />Photoinduced frontal polymerization is a promising tool for the curing of thick films, but either high front temperatures or insufficient storage stability of the thermal initiator prevents an application of frontal polymerization in dental materials. In this thesis, a new concept of copolymerization induced destabilization which enables FP at lowered front temperatures while maintaining sufficient stability of the thermal initiator was developed. The reduction of the shrinkage stress which causes marginal leakage of dental fillings was realized by the addition of chain transfer agents (CTAs) which reduce the molecular weight of a polymer to delay gelation and vitrification during a polymerization process to higher conversions.<br />Several compounds out of different classes of CTAs were screened and one CTA was found which is able to significantly reduce the shrinkage force of different polymers cured in its presence, while maintaining satisfying mechanical properties of the polymers. Another method for the reduction of shrinkage stress after polymerization is the photochemical degradation of polymer networks bearing a cleavable moiety. The implementation of a hydrolytically cleavable ketal unit into a copolymer enabled decomposition of the polymer network under acidic conditions accomplished by a photoacid under irradiation; thus indicating the potential of this system to reduce shrinkage stress.