Urethane based vinylcyclopropanes for low shrinkage dental composites

Abstract

Komposite werden für zahnmedizinische Restaurationen seit über 50 Jahren verwendet und stellen mittlerweile eine gute Alternative zu Amalgam dar. Vor allem durch ihren geringen Preis, die gute Formbarkeit und die herausragende Ästhetik konnten sich solche Zahn-Komposite erfolgreich in der Zahnmedizin etablieren. Die organische Matrix besteht hauptsächlich aus Monomeren wie Dimethacrylaten und Additiven (z.B. Initiatoren, Stabilisatoren, Pigmenten,...). Bevor das Komposite ausgehärtet wird liegen die Monomere mit einer Van-der-Waals Distanz untereinander vor, welche sich während des Aushärtens zu einer kovalenten Bindung umformt. Diese Umformung führt zu einem Volumenschrumpf während der Photopolymerisation. Dieses Schrumpfverhalten ist eine der größten Herausforderungen für Forschung und Industrie.[1] Durch die zusätzlich auftretende Schrumpfspannung bilden sich Mikrorisse wodurch die Langlebigkeit der Füllung beeinträchtigt ist und der erneute Befall von Karies schneller eintreten kann. Zyklische Monomere wie Vinylcyclopropane (VCPs) weisen einen signifikant reduzierten Volumenschrumpf bei der Photopolymerisation auf und sind eine gute Alternative für Methacrylate in der Entwicklung von schrumpfarmen Kompositen. In dieser Arbeit wird die Synthese von neuen difunktionellen VCPs 3-11 beschrieben und die Reaktivität mittels Photo-dynamischer Differenzkalorimetrie untersucht. Als Photoinitiator wurde für diese Untersuchungen Bis(4-methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) verwendet. Mit der Echtzeit NIR Photoreheologie Messung wurde das rheologische Verhalten (Zeit bis zum Gelieren, polimerisationsinduzierte Schrumpfkraft) und das chemische Verhalten (Doppelbindungsumastz am Gelpunkt, finaler Doppelbindungsumsatz) der synthetisierten VCPs in situ untersucht. Komposite basierend auf VCP 3-11 zeigten gute mechanische Eigenschaften und der Volumenschrumpf und die Schrumpfkraft konnten im Verglich zu den methacrylat-basierenden Materialien signifikant reduziert werden.

Composite materials, which are used for dental restorations for more than 50 years are gradually replacing amalgams. Such dental composites have led to a breakthrough in modern dentistry since they are easy to manipulate, inexpensive and have excellent esthetic properties. Their organic matrix is mainly based on monomers such as dimethacrylates and additives (e.g. initiators, stabilizers, pigments). Before curing the monomer molecules are located at Van-der-Waals distance to each other, which changes during curing with the formation of covalent bonds. This causes a volumetric shrinkage during photocuring and has been a major challenge for research and industry.[1] The resulting shrinkage stress is supposed to generate microleakage, marginal staining, secondary caries and post-operative sensitivity. Cyclic monomers like vinylcyclopropanes (VCPs) exhibit dramatically reduced shrinkage upon curing and can be a conceivable alternative to methacrylates for the development of low-shrinkage composites. In this study the synthesis of new difuncitonal VCPs 3-11 is described. The reactivity is studied with photo-differential scanning calorimetry using bis(4-methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) as photoinitiator. Real-time near-infrared photorheology measurements are performed to evaluate rheological behavior (i.e., time of gelation, polymerization-induced shrinkage force) and chemical conversion (i.e., double bond conversion at the gel point, final double bond conversion) of the vinylcyclopropanes in situ. Composites based on VCPs 3¿11 show good mechanical properties and exhibit significantly lower volumetric shrinkage and shrinkage stress than corresponding dimethacrylate-based materials.