Entwicklung 3D-druckbarer Materialien für die Orthodontie

Abstract

This master thesis deals with the development of 3D-printable materials for orthodontics. The aim of this work is the improvement of stress relaxation of photopolymers, without impairing the thermomechanical properties and photochemical reactivity. Creeping is influenced by time, temperature and molecular structure. The creeping mechanism is based on constant force and increasing elongation. However, stress relaxation is defined by constant elongation and decreasing force. Materials in medical technologies, especially in orthodontics are usually used in wet and warm environment. Therefore, it is essential to search out the material parameters, defining stress relaxation and retardation. In addition, different photopolymer resins were mixed. Stereolithography and casting technology were used to create specimens. The polymerization was initiated by UV-light or -laser. Samples with different crosslink density, nanocellulose fibers and inorganic nanoparticles were mixed and polymerized. Tempering and artificial ageing were used to improve thermomechanical properties. Dynamic-mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC), tensile test and rheometric sediment analysis (RSA) were applied to charities the material properties. Furthermore, the statistical significance of the mechanical test method RSA was investigated.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von 3D- druckbaren Materialien für die Orthodontie. Das Ziel ist eine Verbesserung der Spannungsrelaxation von Photopolymeren, ohne dabei ihre thermomechanischen Eigenschaften und photochemische Reaktivität herabzusetzen. Kriechen beschreibt die temperatur- und zeitabhängige plastische Deformation unter konstantem Krafteinfluss. Spannungsrelaxation charakterisiert die Reduktion der Spannung bei konstanter Dehnung. Da in der Medizintechnik Materialien häufig bei Temperaturen um die 37°C im Einsatz sind und speziell in der Orthodontie Kontakt zu Speichel (Flüssigkeiten) besteht, gilt es herauszufinden, welche Werkstoffparameter einen Einfluss auf die Kriechbeständigkeit haben. Deshalb wurden unterschiedliche Photopolymerharze hergestellt, welche entweder gegossen oder mit 3D- Druckverfahren erzeugt wurden. Anschließend wurden sie mittels UV-Licht ausgehärtet und geprüft. Es wurden Proben mit unterschiedlicher Vernetzungsdichte, Nanocellulose und anorganischen Nanopartikeln hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA), dynamischer Differenzkalorimetrie (DDK/ engl. DSC), Zugprüfung und Rheometrische Feststoffanalyse (RSA) bestimmt. Ebenso wurde die statistische Aussagekraft der mechanischen Prüfverfahren hinsichtlich Varianz und Probekörpergeometrie analysiert.