Фізико-хімічні властивості композитних матеріалів

Полімеризаційна усадка

Композитні матеріали в процесі полімеризації піддаються полімеризаційна усадці, що виникає унаслідок взаємозближення часток у результаті впливу сил Ван дер Ваальса (Van dеr Vaals). Преполімеризаційна відстань між частками, що містять прості зв'язки С-С складає 3-4 ангстрема і після полімеризації зменшується до 1.54 ангстрема. Одночасно відбувається заміна подвійних зв'язків С=С на прості, компенсація полімеризаційної усадки складає близько 10%. Величина усадки обумовлена кількістю подвійних зв'язків у мономері. Полімеризаційна усадка тим більша, чим більше часток наповнювача містить композит. Для матеріалів з макронаповнювачами (традиційні і гібридні композити) вона складає 1 -2,5%, для матеріалів з мікронаповнювачами - 2-3,5%.

Деякі матеріали дають усадку, перевищуючу 7,1%. Усадка фотополімерних матеріалів у 60% випадків виникає на першій хвилині експозиції. Тому збільшення тривалості експозиції від 30с до 60с збільшує полімеризаційну усадку. Полімеризація світлотвердного матеріалу починається в місці його зіткнення з променем фотополімеризаційної лампи, отже усадка матеріалу виникає на стороні, протилежній променю світла. З огляду на цю обставину світлову полімеризацію фотокомпозита варто починати з боку твердих тканин зуба чи раніше нанесеного шару композитного матеріалу. У іншому випадку (початок полімеризації з поверхні нанесеного шару композита) можливий відрив полімеризуємого шару від поверхні твердих тканин зуба внаслідок полімеризаційної усадки матеріалу.

У композитах хімічного затвердіння полімеризація починається і проходить порівняно рівномірно у всій товщі матеріалу. Тому його усадка найбільш виражена на поверхні нанесеного шару композита і компенсується внесенням у каріозну порожнину матеріалу з надлишком. Величина усадки залежить від виду використовуваного матеріалу і способу усунення дефекту.

Для компенсації полімеризаційної усадки фотокомпозитних матеріалів рекомендується їхнє пошарове внесення в каріозну порожнину, при цьому товщина шару не повинна перевищувати 2 мм. Дана методика пошарового діагонального внесення матеріалу забезпечує значне зменшення усадки. При пломбуванні каріозних порожнин II класу для досягнення повної полімеризації матеріалу рекомендується використовувати світлопровідні клини, безперешкодно пропускаючі світловий потік.

Увеликій і глибокій каріозній порожнинах полімеризація першого шару композита, розташованого на дні чи приясенній стінці затруднена. Унаслідок полімеризаційної усадки утвориться зазор між матеріалом і твердими тканинами чуба. Компромісне рішення - використання сэндвіч-техніки з застосуванням склоіономерів як перший шар у найбільш глибоко розташованих і важкодоступним для променя полімеризаційної лампи ділянках каріозної порожнини. Далі простір порожнини послідовно заповнюють шарами композитного матеріалу, що наносяться по діагоналі. Полімеризаційна усадка приводить до післяопераційної чутливості зуба, знижуючи міцність пломби. Негативні наслідки полімеризаційної усадки:

- ослаблення зв'язків органічної матриці:

- утворення внутрішніх тріщин матеріалу з наступним розколюваннями і відломами;

- порушення крайового прилягання й утворення щілини внаслідок мікропідтікання;

- збільшення пористості матеріалу;

- збільшення поверхні матеріалу, що піддається окислюванню.

Сорбція води

Розчинність композитних матеріалов, а також різка зміна температури послабляє зв'язки між матрицею полімеру і частками наповнювача, зв'язаними силаном. Це приводить до гідролітичної деградації матеріалу, що виявляється в пористості поверхні і зниженні його міцності. Сорбція води, виникаюча в результаті явища капілярності в мікронаповнених матеріалах більша (1,5-2 мг/см²), чим у макронаповнених і гібридних (0,2-1,1 мг/см²).

Гібридні матеріали відрізняються мінімальною сорбцією води, що обумовлено низьким процентним вмістом гідрофобної по своїй хімічній природі органічної фази. У результаті сорбції води в пломбі з композитного матеріалу відбуваються наступні зміни:

1. Компенсація полімеризаційної усадки внаслідок розширення матеріалу. Здавалося б, що це позитивний процес, але його не варто переоцінювати.

2. Ослаблення зв'язків між мономером і наповнювачем, що погіршує такі властивості як стійкість до розтягання і вигину, стійкість до стирання, модуль еластичності.

3. Зниження адгезії до тканин зуба, що приводить до виникнення крайової щілини і наступному випаданню пломби.

4 Погіршення естетичного виду пломби внаслідок зміни її прозорості.

По закінченні процесу хімічного зв'язування (полімеризації) композитного матеріалу його розчинність незначна і складає 0,01 –0,06 мг/ см². Різна сорбція води і розчинність композитних матеріалів обумовлені:

- видом і кількістю мономера - матеріали на основі уретан 2-метакрилата (УДМА) характеризуються меншою сорбцією води і розчинністю;

- співвідношенням наповнювача і мономера - матеріали з великою кількістю мономера і відповідно меншою наповнювача поглинають воду в більшій мірі;

• ступенем полімеризації - скорочення часу світлової полімеризації матеріалу на 25% викликає 2-кратне збільшення сорбції води і 4-6 - кратне збільшення його розчинності. Як міцність, так і естетичність пломби у великому ступені залежать від відповідного ступеня полімеризації. Розпад і дезінтеграція композитів обумовлені наступними факторами:

• наявністю зв'язаних метакрилових груп:

- вимиванням іонів металів, тобто барію чи стронцію, що додаються для рентгенконтрастності матеріалу;

- розсіюванням значної кількості макрочасток наповнювача в матриці, внаслідок чого знижується стійкість матеріалів з мікрочастинками до гідролітичного розпаду. Сорбція води починається через 4-6 годин після пломбування, продовжується близько 28 днів. Але найбільше інтенсивно проходить протягом перших 7-10 днів. Тому після пломбування фотополімерним матеріалом, особливо фронтальних зубів, доцільно рекомендувати пацієнту, щоб він кілька годин не вживав каву, чай, нікотин і ін. Харчові барвники, що містяться в цих продуктах, проникають крізь поверхню композита на глибину від 3 до 5 мкм і зафарбовують поверхню пломби. Зміна її кольору може виникнути як у випадку використання хімічно твердних композитів, так і фотополімерів Більшість пломб із хімічнотвердних композитів змінюють колір протягом 1 -3 років після пломбування. Це пов’язано з окислюванням залишкових третинних амінів ініціаторної системи полімеризації. Пломби з фотополімерних матеріалів більш стійкі до зміни кольору за умови правильної полімеризації матеріалу.

Коефіцієнт теплового розширення

Зміна температури в середовищі порожнини рота викликає розширення і стиск тканин зуба, а також матеріалів, використовуваних для їхнього відновлення. При високій температурі виникає розширення матеріалів, при низькій - стиск. При великій різниці між коефіцієнтом теплового розширення тканин зуба і застосовуваного матеріалу утвориться крайова щілина, викликаючи мікропідтікання і вторинний карієс.

Величина коефіцієнта теплового розширення для різних тканин і матеріалів складає: 11,4х10^-6/⁰C, дентин 8,3; амальгама 25; акрил 92; силікатний цемент 7,6; гібридні і макронаповнені композити 30-40; мікронаповнені композити 60.

Коефіцієнт теплового розширення матеріалів з мікронаповнювачем, через високий зміст мономера і часток кремнієвих наповнювачів, удвічі вище чим традиційних матеріалів. Гібридні композити мають такий же коефіцієнт, як амальгама, тому вони більш підходять для пломбування бічних зубів. З метою зниження коефіцієнта теплового розширення можна додати частки наповнювача з цинкового скла. Для компенсації коефіцієнта теплового розширення деякі матеріали містять кілька видів наповнювача.

Рентгеноконтрасність

Пломби з композитного матеріалу повинні бути рентгеноконтрасними. Це необхідно для визначення контурів пломб, наявності нависаючих країв, недостатнього заповнення каріозної порожнини, крайових дефектів, міхурців повітря, а також для виявлення вогнищ вторинного карієсу.

Ступінь рентгеноконтрасності тканин зуба і композитних матеріалів подібна з рентгеноконтрасністю стандартного зразка - алюмінієвої пластинки. Емаль - це нерентгеноконтрасна тканина, що відповідає алюмінієвій пластинці товщиною 4 мм, а дентин -пластинці товщиною 2 мм. Відповідно до міжнародних стандартів, матеріал рентгеноконтрасній, якщо його проникність відповідає проникності алюмінієвої пластинки товщиною 2 мм. Композитні матеріали в цьому відношенні значно поступаються амальгамі, проникністю, що відрізняється, рівній алюмінієвій пластинці товщиною 21 мм.

Рентгеноконтрасність композитних матеріалів забезпечується наявністю елементів з високою молекулярною масою, таких як барій, стронцій, що входять у їхній склад у виді нерозчинних чи високомолекулярних солей.

Пружність

Модуль пружності визначає міцність матеріалу і залежить від складу часток органічної фази, а також від міцності з'єднання матриці з наповнювачем. Чим вище модуль пружності, тим матеріал більш стійкий до деформації. Для матеріалів з мікронаповнювачем він складає в середньому 4-8 ГПа. що свідчить про високоточну структуру. Модуль пружності матеріалів з макронаповнювачем складає 7,1 –16,6 ГПа, гібридних композитів - 14 ГПа. Композитні матеріали з великою кількістю часток наповнювача відрізняються більш високим модулем пружності, подібним з дентином – 18,5 ГПа.

Композитні матеріали відрізняються значно меншою міцністю, порівняно з емаллю, модуль пружності якої складає 82,5 ГПа. Значне розходження модулів пружності матеріалу і тканин зуба може викликати деформацію і відкол матеріалу.

Пористість

Властива всім композитним матеріалам пористість, сприяє ретенції барвників, утворенню колоній бактерій, а також погіршує естетичний вигляд пломби. Світлотвердні композити відрізняються меншою пористістю в порівнянні з матеріалами хімічного тверднення. З фотополімерних матеріалів мінімальною пористістю відрізняються гібридні композити (0,18-2,5%), більшою - микронаповнені (0,3-3,8%) і максимальною -традиційні матеріали(0,7-8,4%).

Ступінь пористості залежить від:

- кількісного співвідношення мономера і наповнювача:

- способу підготовки матеріалу і маніпуляцій при внесенні його в порожнину зуба. При замішуванні матеріалу хімічної полімеризації утворюються пухирці повітря, що викликають пористість. Найбільш доцільне нанесення однокомпонентних матеріалів зі шприца-дозатора безпосередньо в порожнину зуба;

- ушкодження преполімеризованих часток наповнювача;

- сорбції води.

Корозія

Хімічний вплив середовища порожнини рота викликає гідролітичний розпад мономера чи наповнювача. Обидва процеси впливають на знос матеріалів як у місцях оклюзійних контактів, так і при відсутності змикання зубів.

Корозія в сполученні з іншими ускладненнями викликає утворення мікротріщин, що згодом можуть привести до великих відколів композита. Більш стійкі до корозії матеріали з великою кількістю наповнювача, забезпечують гладку поверхню після полірування, з гідролітично стабільною органічною фазою, а також сильним зв'язком між мономером і наповнювачем.

Прозорість

Основні оптичні характеристики всіх матеріалів - це прозорість поверхні, проникність і абсорбція. Відсутність прозорості є часткою вхідної і вихідної сили світла, будучи в такий спосіб величиною щільності світла.

Цю величину визначають з частки прозорості поверхні на чорно- білому фоні. Порівняльні дослідження показали, що композитні матеріали, що містять мікронаповнювачі, більш прозорі, чим традиційні матеріали. Багато авторів, виходячи з результатів клінічних досліджень і досліджень in vitro, підтвердили, що композитні матеріали, що знаходяться в порожнині рота. у водяному середовищі чи додатково експоновані, стають більш непрозорими. Прозорість визначається оптичною щільністю на мм².

Представниками цих матеріалів є: Degufill SC Micro-Hybrid (Degussa), ЗМ™ FILTEK™ Z250 (3M) Dialog (Schutz-Dental), ЗМ™ Valux™ Plus (3M), Te-Econom (Vivadent), ЗМ™ VALUX™ PLUS JUMBO (3M), ЗМ™ FILTEK™ A110 (3M), Synergy (Coltene, Швейцарія), ЗМ™ VITREMER™ (3M), Prodigy (Kerr), Herculite XRV (Kerr), Point 4 (Kerr).