Dielectric Analysis of polymerization kinetics for resin based composites

Hintergrund und Ziele Dentale Komposite werden mittlerweile zur Füllungstherapie sämtlicher Kavitätentypen eingesetzt. Dennoch wird die klinische Anwendung nachwievor durch eine hohe Polymerisationsschrumpfung und damit verbundene Polymerisationsspannungen behindert. Zur Optimierung der Füllungskunststoffe wird das Polymerisationsverhalten anhand verschiedener Untersuchungsmethoden erforscht. Ziel dieser Studie war es, ausgehend von der dielektrischen Analyse (DEA) einen Versuchsaufbau zu konstruieren, der die Untersuchung des Aushärtungsprozesses lichthärtender Komposite ermöglicht,und damit anschließend die Polymerisationskinetik sieben verschiedener Komposite zu analysieren. Material und Methode Mit Hilfe der dielektrischen Analyse (DEA) wurde die Ionenviskosität während der Photopolymerisation unter kontinuierlicher Veränderung einzelner Versuchsparameter (Temperatur, Polymerisationseinheit und –modi, Ausgangsviskosität,Lampenabstand, Schichtstärke, Polymerisationszeit)untersucht. Die Ionenviskositäten sieben kommerzieller Komposite, darunter sechs Nanohybridkomposite sowie ein Siloran basiertes Füllungsmaterial, wurden während der Aushärtung aufgezeichnet. Die Messungen (n=5) wurden unter standardisierten Bedingungen (trocken, 37 °C) unter Abschirmung von Tageslicht durchgeführt. Die Ionenviskosität wurde über einen Zeitraum von 5 min bei einer Messfrequenz von 10 Hz aufgezeichnet. Die statistische Auswertung erfolgte mittels ANOVA (mod LSD post hoc, α = 0,05). Ergebnisse Mittels DEA konnten reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Die Erhöhung der Komposit Temperatur ging mit einer Abnahme der Ionenviskositätswerte am Onset einher. Bei Untersuchung der verschiedenen Polymerisationsmodi wurde der Wendepunkt im Exponential Modus gegenüber den beiden anderen Modi (Standard, Medium) als letztes erreicht. Mit zunehmender Schichtstärke und abnehmender Polymerisationszeit sanken die Ionenviskositätswerte an allen Meßpunkten ab. Filtek Silorane wies im Vergleich zu allen anderen untersuchten Kompositen die höchste Onset Zeit auf, erreichte aber als erstes sein Maximum. Bezüglich der Ionenviskositätswerte am Onset und am Wendepunkt gestaltete sich die Reihenfolge der Materialien in aufsteigender Form wie folgt: Filtek Silorane, Grandio SO, Clearfil Majesty Posterior, Grandio, Tetric Evo Ceram, Kalore, Venus Diamond. Bei Belichtungsende wie auch beim Maximum wies Clearfil Majesty Posterior die niedrigste Ionenviskosität auf. Schlussfolgerungen Die Dielektrische Analyse (DEA) eignet sich zur Untersuchung der Polymerisationscharakteristik zahnärztlicher Füllungskunststoffe. Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung sind innerhalb eines gewissen Rahmens möglich. Durch Vorwärmen lässt sich die Ausgangsviskosität von Kompositen im unpolymerisierten Zustand nachweislich verringern. Durch Soft Start Polymerisation kann das Erreichen des Wendepunktes der Ionenviskositätskurve hinausgezögert und damit offensichtlich die Gelzeit verlängert werden. Die Applikation von Inkrementen > 3 mm oder die Anwendung zu niedriger Polymerisationszeiten führten bei Grandio Flow zu insuffizienter Härtung. Siloranbasierte Füllungskunststoffe scheinen im Vergleich zu herkömmlichen Nanohybridkompositen höhere Polymerisationsgeschwindigkeiten aufweisen zu können. Bei den sieben untersuchten Komposit Fabrikaten waren mit zunehmendem Füllstoffgehalt niedrigere Ausgangsionenviskositäten feststellbar. Aufgrund der eingesetzten Nanofüllstofftechnologie ist ein hochgefülltes dentales Komposit nicht zwangsläufig mit steifer Konsistenz und schwieriger Applikation in der Praxis zu verbinden.Introduction Today dental composites are used for the treatment of almost all types of cavities. Nevertheless the general use of resin filling materials is still limited by high polymerization shrinkage and associated polymerization stress. To optimize the clinical performance different methods of cure monitoring are used to research polymerization kinetics of dental composites. The aim of this study was to create an experimental set-up upon dielectric analysis (DEA),which allows real-time monitoring of light curing dental filling materials,and to analyse the polymerization behaviour of seven commercial composites. Materials and methods Dielectric analysis (DEA) was used to measure the variations in ion viscosity gradient during photopolymerization coming up by continued changing of different test parameters (temperature, lightcuring unit, polymerization mode, initial composite viscosity, distance between lightcuring unit and filling material,time of light application). Ion viscosity of seven commercial composite resins (six nanohybrid composites, one silorane based composite) was recorded during photopolymerization. The measurements (n=5) were conducted in a standardized and calibrated environment (dark, dry, 37°C) and data acquisition was set to 5 min with a capture rate of 10 Hz. The data were analysed with ANOVA (mod LSD post hoc, α = 0,05). Results DEA Measurements achieved repeatable results. Increasing composite temperature resulted in a decrease of ion viscosity at the onset. Comparing different polymerisation modes (standard, medium, exponential) conversion point was reached last by using exponential mode. As increments were increased and polymerization time was reduced ion viscosity decreased at all breakpoints. Comparing different composites Filtek Silorane showed the highest Onset time but reached its maximum first. The sequence of the composites comparing ion viscosities at the onset and conversion point in ascending order was: Filtek Silorane, Grandio SO, Clearfil Majesty Posterior, Grandio, Tetric Evo Ceram, Kalore, Venus Diamond. Clearfil Majesty Posterior exhibited lowest ion viscosity at the end of light application and maximum. Conclusion Dielectric analysis is suitable to analyse polymerization characteristics of dental resin composites. Drawing conclusions to material composition seems to be possible within certain limits. Preheating is a possibility to reduce the initial viscosity of uncured composites. The appearance of the conversion point of the ion viscosity curve can be delayed by using soft start polymerization,a fact that obviously indicates the possibility to prolong the gel time. Furthermore application of increments greater than 3 mm or low curing times resulted in insufficient light curing of Grandio Flow. Siloran based composites seem to have higher curing speed than resin based filling materials. With increased filler level the investigated resin composites showed lower values of initial viscosity. Due to the used nanofiller technology highly filled resin composites are not necessarily involved with rigidity and difficult application in clinical use