Fizikalna, kemijska i električna svojstva eksperimentalnih kompozitnih materijala temeljenih na amorfnom kalcijevom fosfatu

Composite materials with amorphous calcium phosphate (ACP) release remineralizing ions that can be deposited in demineralized dental hard tissues and thus aid in the prevention of secondary caries. The main shortcomings of this class of experimental biomaterials are insufficient mechanical properties and fast degradation in the oral environment. The ACP-composites can be admixed with reinforcing fillers to improve mechanical properties and durability. The aim of this study was to investigate various properties of experimental ACP-composites that are important for their clinical applicability. Specifically, the effect of 10 wt% of reinforcing fillers comprising of barium glass and silica on the degree of conversion (DC), depth of cure, optical properties, and temperature rise during light curing were investigated. Additionally, a novel approach using impedance spectroscopy was used to explore the polymerization kinetics and microstructural characteristics of ACP-composites. ACP-composites attained very high DC (about 80%), and the DC was not considerably diminished by the addition of inert fillers. Curing efficiency at depth for ACP-composites was comparable to that of conventional composites, with depths of cure of 2-3 mm. Temperature rise that was produced during light curing of ACP-composites was no more harmful to dental pulp than that of conventional composites. Light transmittance of ACP-composites was in the range of conventional composites. Real-time light transmittance measurements were shown to provide useful information on polymerization kinetics. ACP-composites have shown different polymerization kinetics than the materials that contain only reinforcing fillers, with possible consequences on polymerization shrinkage and polymeric network structure. Impedance spectroscopy was demonstrated as a valuable tool for investigating various characteristics of ACP-composites. Impedance data used for describing the extent of polymerization correlated well with the DC data obtained by Raman spectroscopy. Kinetic parameters obtained by impedance measurements correlated well with light transmittance. Impedance measurements proved to be useful for quantifying the amount of water introduced to the composite by ACP fillers.Svrha rada: Eksperimentalni kompozitni materijali temeljeni na amorfnom kalcijevom fosfatu (amorphous calcium phosphate – ACP) otpuštaju kalcijeve i fosfatne ione i omogućavaju remineralizaciju tvrdih zubnih tkiva. Po mehaničkim svojstvima i trajnosti zaostaju za komercijalnim kompozitnim materijalima zbog visokog udjela topljivih čestica ACP-a koje nisu silanizirane i ne mogu se povezivati sa smolastom matricom. Dodatkom ojačavajućih silaniziranih punila od barijevog stakla i silike moguće je poboljšati mehanička svojstva, bez negativnog učinka na otpuštanje iona i remineralizirajuća svojstva. Svrha ovog rada bila je ispitati svojstva važna za kliničku primjenjivost ACP-kompozita: stupanj konverzije i njegovu ovisnost o debljini sloja i trajanju svjetlosne aktivacije polimerizacije, svjetlosnu transmisiju i porast temperature tijekom polimerizacije. Dodatno, pomoću impedancijske spektroskopije ispitana su električna svojstva ACP-kompozita koja su omogućila detaljniji uvid u mikrostrukturu materijala. Materijali i postupci: Kompozitni materijali pripremljeni su miješanjem smole temeljene na bisfenol-A-etilmetakrilatu te punila sastavljenog od 40% ACP i 10% ojačavajućih punila od barijevog stakla i silike u različitim omjerima. Svi sastojci kompozita pomiješani su u dvostruko asimetričnoj centrifugalnoj miješalici. Stupanj konverzije određen je Ramanovom spektroskopijom na cilindričnim uzorcima promjera 3 mm i visine 6 mm. Ramanovi spektri su prikupljeni neposredno nakon svjetlosne aktivacije polimerizacije tijekom 20 ili 40 s s površine i zatim nakon 24 sata s pet mjernih dubina: površina, 1 mm, 2 mm, 3 mm i 4 mm. Svjetlosna transmisija izmjerena je u vidljivom spektru tijekom svjetlosne aktivacije polimerizacije uzoraka promjera 6 mm i debljine 2 mm u stvarnom vremenu. Temperatura tijekom polimerizacije izmjerena je termočlankom T-tipa u stvarnom vremenu na uzorcima iste geometrije. Električna svojstva izmjerena su impedancijskom spektroskopijom pri fiksnoj frekvenciji od 1 kHz i u frekvencijskom rasponu od 0,05 Hz do 1 MHz tijekom 24 sata. Iz kompleksne impedancije izračunata je električna provodnost, a impedancijski spektri su analizirani modeliranjem ekvivalentnog kruga. Rezultati: ACP-kompoziti su postigli visok stupanj konverzije (oko 80%), a učinak ojačavajućih punila na stupanj konverzije bio je zanemariv. Učinkovitost polimerizacije ACP-kompozita u ovisnosti o debljini sloja bila je usporediva onoj kod konvencionalnih kompozita, s dubinom polimerizacije od 2-3 mm. Porast temperature tijekom svjetlosne aktivacije polimerizacije ACP-kompozita u rasponu je vrijednosti izmjerenih kod komercijalnih kompozita. Svjetlosna transmisija ACP-kompozita bila je također u rasponu konvencionalnih kompozita. Mjerenja svjetlosne transmisije u stvarnom vremenu omogućila su prikupljanje korisnih informacija o kinetici polimerizacije. ACP-kompoziti su pokazali drukčiju kinetiku polimerizacije od konvencionalnih materijala koji sadržavaju samo ojačavajuća punila, s mogućim posljedicama na razvoj polimerizacijskog skupljanja i strukturu polimerne mreže. Demonstrirana je primjenjivost impedancijske spektroskopije kao vrijednog alata za ispitivanje različitih svojstava ACP-kompozita. Pomoću promjene električnih svojstava tijekom polimerizacije opisana je kinetika polimerizacije, a rezultati su dobro korelirali s vrijednostima stupnja konverzije izmjerenim Ramanovom spektroskopijom. Kinetički parametri dobiveni mjerenjem električnih svojstava pokazali su dobru korelaciju sa svjetlosnom transmisijom. Mjerenja impedancije su se pokazala korisnim za kvantifikaciju količine vode unesene ACP-punilima u kompozitni materijal. Zaključak: Istraživana svojstva eksperimentalnih ACP-kompozita (stupanj konverzije, dubina polimerizacije, svjetlosna transmisija, porast temperature tijekom polimerizacije) povoljna su za njihovu potencijalnu kliničku primjenu. Daljnjim istraživanjima potrebno je poboljšati mehanička svojstva kako bi se ACP-kompoziti mogli koristiti kao restaurativni materijali