Development of innovative technologies for the next generation of dental composites

Abstract

Methacrylate based dental composites are frequently used materials for direct restorations in the dental industry. Unfortunately, marginal leakage and marginal gap formation are issues which occur in such restorations and could result in several clinical problems like postoperative sensitivity or the formation of secondary caries. A common source for marginal leakage and marginal gap formation is the polymerization shrinkage and corresponding shrinkage stress formed during the curing of resin-based composites. An effective way for the reduction of shrinkage stress in dental composite is the use of addition-fragmentation chain transfer agents. The first three chapters were dedicated to the synthesis and evaluation of various addition-fragmentation chain transfer agents like allyl sulfides and allyl sulfones in monomer mixture and dental composites. Such materials based on the novel synthesized chain transfer agents (CTAs) were assessed on the reactivity, glass transition temperature, mechanical properties (flexural strength and modulus), double bond conversion, shrinkage stress, ambient light working time and CTA leaching. These tests revealed that the incorporation of additional polymerizable moiety in allyl sulfide and allyl sulfone-based CTA structures improves the mechanical properties of the corresponding dental composites and reduces CTA leaching significantly. Furthermore, a suitable photoinitiator system was found for the use of CTA in high concentrations in dental composites without impairing the evaluated properties. Overall, the combination of the novel CTAs with the suitable photoinitiator system allowed the formation of low shrinkage dental composites exhibiting excellent properties. Another source for the development of marginal leakage or gap formation is the generation of bubbles and voids during the placement of packable composites owing to the stiffness of these materials. A standard procedure to reduce the consistency of packable composites is preheating. Unfortunately, the preheating of typical composites does not result in a flowable consistency. Hence, we envisioned to improve the drop in consistency upon heating by optimizing the filler surface/ monomer mixture interaction. Several silane coupling agents were synthesized and used to functionalize glass fillers. The resulting filler particles were evaluated in dental composites in diverse filler concentrations on flexural strength, flexural modulus, double bond conversion and on the consistency at various temperatures. Especially, packable composites containing filler functionalized with large methacrylate bearing silanes exhibited an excellent drop in consistency upon heating without impairing the mechanical properties. Therefore, the use of filler particles functionalized with tailored silanes is a promising solution for the development of packable composites with an adaptable consistency.

Methacrylat basierte dental Komposite sind häufig verwendete Materialien für die direkte Füllungstherapie in der Dentalindustrie. Leider sind solche Restorationen oft von Randspaltbildung und schlechter Randdichtigkeit betroffen, welche zu mehreren klinischen Problemen wie postoperativer Überempfindlichkeit und Bildung von sekundärer Karies führen können. Eine übliche Quelle für Randspaltbildung und schlechte Randdichtigkeit ist der Polymerisationsschrumpf und die dazugehörige Schrumpfspannung, die sich während der Aushärtung des Harz-basierten Komposits bilden. Ein effektiver Weg für die Reduktion der Schrumpfspannung in dentalen Kompositen ist die Verwendung von Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungsreagenzien. Die ersten drei Kapitel dieser Arbeit widmen sich der Synthese und Evaluierung von verschiedenen Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungsreagenzien, wie Allyl Sulfiden und Allyl Sulfonen, in Monomermischungen und dentalen Kompositen. Diese Kettenregler-basierten Materialien wurden auf ihre Reaktivität, Glasübergangstemperatur, mechanische Eigenschaften (Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul), Doppelbindungsumsatz, Schrumpfkraft, Lichtempfindlichkeit und Auswaschbarkeit von Kettenreglern getestet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Einbau einer zusätzlichen polymerisierbaren Gruppe in die Struktur der Allyl Sulfid- und Allyl Sulfon-basierten Kettenreglern zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der dentalen Kompositen und zu einer reduzierten Auswaschung der Kettenregler führt. Zusätzlich wurde ein geeignetes Photoinitiatorsystem gefunden, welches den Einsatz von hohen Kettenregler-Konzentrationen in dentalen Kompositen erlaubt, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Im Grossen und Ganzen ermöglicht die Kombination der neuen Kettenregler mit dem geeigneten Photoinitiatorsystem die Herstellung von "low-shrinkage" Kompositen mit exzellenten Eigenschaften.Ein anderer Ursprung für die Randspaltbildung und schlechte Randdichtigkeit ist die Entstehung von Blasen und Hohlräumen während des Platzierens von stopfbaren Kompositen in Zahnkavitäten, die sich auf Grund der steifen Konsistenz solcher Komposite bilden. Eine klassische Methode, um stopfbare Kompositen zu verflüssigen ist Erwärmen. Leider führt das Erwärmen von typischen Kompositen nicht zu einer fliessfähigen Konsistenz. Aus diesem Grund wollen wir die Konsistenzänderung beim Erwärmen verbessern, indem wir die Interaktion zwischen Monomermischung und Füllstoffoberfläche optimieren. Mehrere Silan-basierte Kopplungsreagenzien wurden synthetisiert und verwendet, um Füllstoffe zu beschichten. Diese Füllstoffe wurden anschliessend in verschiedenen Konzentrationen in dentalen Kompositen auf die Biegefestigkeit, das Elastizitätsmodul, den Doppelbindungsumsatz und die Konsistenz bei verschiedenen Temperaturen evaluiert. Besonders stopfbare Komposite, die funktionalisierte Füllstoffe mit langen Methacrylat-basierten Silanen enthielten, zeigten eine exzellente Konsistenzänderung beim Erwärmen, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Deshalb ist die Verwendung von Füllstoffen, die mit massgeschneiderten Silanen funktionalisiert wurden, eine vielversprechende Lösung für die Entwicklung von stopfbaren Kompositen mit einer adaptiven Konsistenz.