Σύνθεση και μελέτη ιδιοτήτων οδοντιατρικών νανοσύνθετων υλικών πολυμεθακρυλικής μήτρας

Abstract

In the present dissertation, the synthesis and the study of properties of dental light-cured resin nanocomposites were occured. Specifically, three sets of experiments took place: (a) at first, the effect of the structure of the silane coupling agent on properties of resin nanocomposites was studied. These nanocomposites consist of a Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt) matrix, fumed silica nanoparticles (Aerosil OX50) as filler, which are silanized with the silanes or their blends: (i) MPS, (ii) OTMS, (iii) UDMS, (iv) MPS/OTMS (50/50 wt/wt) και (v) UDMS/OTMS (50/50 wt/wt). It is pointed out that the silane UDMS was used for this aim for the first time. (b) Secondly, the effect of the amount of the silane coupling agent on properties of resin nanocomposites was evaluated. These nanocomposites consisted of a Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt) matrix, fumed silica nanoparticles (Aerosil OX50) as filler, silanized with the silanes: (i) MPS και (ii) UDMS. For each silane, the amounts of silane were: 1.0 – 2.5 – 5.0 – 7.5 - 10 wt-% relative to silica. (c) Thirdly, the influence of the size of the filler particles on properties of resin nanocomposites was determined. These nanocomposites consisted of a Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt) matrix, fumed silica nanoparticles with different size (Aerosil ΟΧ50, Aerosil 90, Aerosil 130, Aerosil 150, Aerosil 300) as filler, silanized with the silanes: (i) MPS and (ii) UDMS. In all cases, silica nanoparticles were silanized with silane or blends of silanes and then they were identified by FTIR spectroscopy and thermogravimetric analysis. The silanizated silica nanoparticles were mixed with the dimethacrylate matrix and the unpolymerized material was irradiated with visible light. Degree of conversion of light cured composites was determined by FT-IR analysis. It was also determinated the static and the dynamic mechanical properties of composites, immediately after light-cured and after storage of composites in water, sorption characteristics and volumetric change of materials after their storage in water or ethanol/water solution 75 vol-%. Finally, thermogravimetric analysis has been used for the study of the thermal stability of composites. The silane-coupling agent structure used for the silanization of silica nanoparticles has an effect on properties of composites. The amount of silane-coupling agent affect the orientation of the silane molecules relatively to the silica surface and therefore it affects the properties of corresponding composites. There is a optimum amount of silane, which is not the same for all the properties. Finally, the properties of composites are dependent on the filler particles size.

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και η μελέτη ιδιοτήτων οδοντιατρικών φωτοπολυμεριζόμενων νανοσύνθετων υλικών πολυμεθακρυλικής μήτρας. Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκαν τρεις σειρές πειραμάτων: (α) στην πρώτη σειρά μελετήθηκε η επίδραση της δομής του συζευκτικού μέσου στις ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών. Αυτά τα υλικά έχουν ως μήτρα το μίγμα των διμεθακρυλικών εστέρων Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt), ως πληρωτικό υλικό την πυρογενή σίλικα Aerosil OX50 και ως συζευκτικό μέσο τα σιλάνια ή τα μίγματά τους: (i) MPS, (ii) OTMS, (iii) UDMS, (iv) MPS/OTMS (50/50 wt/wt) και (v) UDMS/OTMS (50/50 wt/wt). Το σιλάνιο UDMS χρησιμοποιείται πρώτη φορά για αυτό το σκοπό. (β) στο δεύτερο πειραματικό κύκλο εξετάστηκε η επίδραση της ποσότητας του συζευκτικού μέσου στις ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών, τα οποία έχουν ως μήτρα το μίγμα των διμεθακρυλικών εστέρων Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt), ως πληρωτικό υλικό την πυρογενή σίλικα Aerosil OX50 και ως συζευκτικό μέσο τα σιλάνια: (i) MPS και (ii) UDMS. Για κάθε σιλάνιο, η ποσότητα του σιλανίου που χρησιμοποιήθηκε ήταν 1,0 – 2,5 – 5,0 – 7,5 - 10 wt-% ως προς τη σίλικα. (γ) τέλος, στην τρίτη σειρά πειραμάτων μελετήθηκε η επίδραση του μεγέθους των κόκκων του ανόργανου πληρωτικού υλικού στις ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών, με μήτρα το μίγμα των διμεθακρυλικών εστέρων Bis-GMA/TEGDMA (50/50wt/wt), πληρωτικό υλικό πυρογενή σίλικα με διαφορετικό μέγεθος κόκκων (Aerosil ΟΧ50, Aerosil 90, Aerosil 130, Aerosil 150, Aerosil 300) και ως συζευκτικό μέσο τα σιλάνια: (i) MPS και (ii) UDMS. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα νανοσωματίδια της σίλικας, αφού τροποποιήθηκαν επιφανειακά με το σιλάνιο ή το μίγμα των σιλανίων, χαρακτηρίστηκαν με τη βοήθεια της φασματοσκοπίας FTIR και της θερμοσταθμικής ανάλυσης. Τα σιλανοποιημένα νανοσωματίδια αναμίχθηκαν με τη διμεθακρυλική μήτρα και η πάστα του σύνθετου υλικού που προέκυψε φωτοπολυμερίστηκε με έκθεση σε ορατή ακτινοβολία. Ο βαθμός μετατροπής του σκληρυμένου υλικού προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία FTIR. Στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν οι στατικές και δυναμικές μηχανικές ιδιότητες των υλικών, αμέσως μετά το φωτοπολυμερισμό τους και κατόπιν παραμονής τους σε νερό. Επίσης, μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά της ρόφησης και οι ογκομετρικές αλλαγές των υλικών, αφού αποθηκεύτηκαν σε νερό ή υδατικό διάλυμα αιθανόλης 75 vol-%. Τέλος, η εκτίμηση της θερμικής αντοχής και η μελέτη της θερμικής αποσύνθεσης των σύνθετων υλικών πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια της θερμοσταθμικής ανάλυσης. Συμπερασματικά, πρόεκυψε ότι οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών επηρεάζονται από τη δομή του συζευκτικού μέσου, που χρησιμοποιείται για την τροποποίηση των νανοσωματιδίων της σίλικας. Η ποσότητα του συζευκτικού μέσου (σιλανίου) καθορίζει τον προσανατολισμό των μορίων του σιλανίου σε σχέση με την επιφάνεια των σωματιδίων της σίλικας, και συνεπώς τις φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες των αντίστοιχων σύνθετων υλικών˙ μια βέλτιστη ποσότητα σιλανίου υπάρχει, η οποία δεν είναι κοινή σε όλες τις ιδιότητες. Επίσης, το μέγεθος των κόκκων του πληρωτικού υλικού επηρεάζει τις ιδιότητες των σύνθετων υλικών.