Development of nanoparticles with fluorescence optical properties in specific wavelengths for light activation of resin-based dental restorative materials  

Orientadores: Marcelo Giannini, Mario Alexandre Coelho SinhoretiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de PiracicabaResumo: O objetivo neste presente estudo foi descrever um método de síntese de nanocristais ?-NaYF4:30%Yb,0.5%Tm com propriedades de fluorescência por upconversion (UC), em comprimentos de onda específicos para ativação de fotoiniciadores de uso odontológico quando irradiados por um laser infravermelho (IR), para indução de conversão monomérica de materiais restauradores odontológicos fotoativados. No primeiro capítulo deste estudo, um método de síntese para nanocristais-? foi descrito, utilizando diferentes reagentes químicos e temperatura controlada a diferentes períodos para crescimento dos cristais. Em seguida, um método de purificação, utilizando banhos consecutivos de etanol e clorofórmio, foi determinado, resultando em um pó branco. A caracterização morfológica dos cristais sintetizados foi realizada por meio de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), enquanto a composição foi determinada por meio de Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios-X (EDX). O espectro de emissão dos nanocristais quando excitados por um laser IR de 975 nm a 1 W foi avaliado por meio de espectrofotometria com uma configuração calibrada, utilizando um espectrofotômetro de 350-900 nm associado a um cabo de fibra óptica de 450 ?m e um sensor (n = 5). Os nanocristais obtidos foram observados como dispersos, de tamanho uniforme de 200nm e de única fase cristalina (hexagonal). O espectro de emissão através de UC foi observado a 365 nm, 450 nm, 475 nm, 650 nm e 800nm, quando os cristais foram expostos a um laser IR de 975 nm. Para o segundo capítulo, a transmissão de IR através de diferentes substratos odontológicos, quando comparada a luz azul, foi analisada por meio de um radiômetro. Uma abertura customizada foi impressa em termopolímero branco (ABS) e posicionada sobre o sensor, permitindo que a energia que era transmitida através dos diferentes materiais (n = 5) fosse detectada em uma determinada área. Análise de variância de três fatores demonstrou uma transmissão do laser IR estatisticamente maior para esmalte, resinas com partículas de fibra e cerâmicas de baixa translucidez, quando comparada à luz azul. Para o terceiro capítulo, os nanocristais foram incorporados a uma resina sem carga (Bis-GMA e TEGDMA) em diferentes concentrações (15%, 30% e 60% em peso) seguido da análise do espectro de emissão, do liner UC resultante, utilizando configuração similar de espectrofotometria (n = 5). Interposições de tecidos dentários e compósitos em diferentes espessuras foram posicionados entre a fonte de luz e o sensor, para determinar a eficiência no efeito de UC através de diferentes substratos (n = 5). A influência da emissão espectral do liner UC sobre o grau de conversão de uma resina fotoativada por luz azul (apenas) foi determinada por meio de Espectroscopia Transformada de Infravermelho de Fourier (FTIr) (n = 5). Os mesmos substratos do segundo capítulo foram interpostos de forma a determinar a influência da emissão gerada através de UC em situações clínicas. Uma concentração ideal de partículas foi definida em 30%. A emissão espectral foi reduzida por diferentes interposições, influenciando a cinética de polimerização de uma resina fotoativada por luz azul. No entanto, a análise de variância (p < 0.01) demonstrou que a emissão UC foi suficiente para induzir conversão monomérica em todos grupos avaliados através de FTIr. Em conclusão, a transmissão de IR através de diferentes substratos odontológicos foi suficiente para excitar nanocristais sintetizados de ?-NaYF4:30%Yb,0.5%Tm, resultando em um efeito UC suficiente para induzir conversão monomérica em um material resinoso fotoativado por luz azulAbstract: The aim of this study was to describe the synthesis route of ?-NaYF4:30%Yb,0.5%Tm nanocrystals with upconverting (UC) spectral emission, on wavelengths optimal for activation of Dental photoinitiators when irradiated by infrared (IR) laser, in order to induce monomeric conversion of light-curable dental restorative materials. For the first chapter of this study, a method for ?-nanocrystals synthesis was described, using different chemicals and controlled temperature for crystal growth. Following, a purification method, using consecutive baths of ethanol and chloroform, have been determined, resulting in a white powder. Morphological characterization of resulting nanocrystals was performed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (SEM), while composition was determined by Energy Dispersive X-Ray (EDX). Spectral emission of UC nanocrystals once exposed to a 1 W IR 975 nm laser was evaluated by a calibrated configuration for spectrophotometry, using a 350-900 nm spectrophotometer associated to a 450 ?m optical fiber cable and cosine corrector (n = 5). Nanocrystals of ?-NaYF4:30%Yb,0.5%Tm were obtained from synthesis confirming uniform size of 200nm, well-dispersed and single-phase (hexagonal) nanocrystals. Spectral UC emission was observed at 365 nm, 450 nm, 475 nm, 650 nm and 800 nm, once irradiated by 975 nm IR laser. For the second chapter, the transmission of IR through different dental substrates, when compared to blue light, was analyzed by using a thermopile, connected to a radiometer. A custom aperture was 3D-printed in white thermopolymer (ABS) and placed over the thermopile, allowing energy that was transmitted through dental tissues, composites and ceramics (n = 5) to be detected at a specific area. Analysis of variance (p < 0.01) determined that transmission of IR was significantly higher for enamel, fiber-reinforced composites and reduced translucency ceramics, when compared to blue light. For the third chapter, nanocrystals were incorporated to an unfilled resin (Bis-GMA and TEGDMA) at different concentrations (15%, 30% and 60%wt) and spectral emission of resulting UC liner was calculated using similar configuration of spectrophotometry (n = 5). Interpositions of dental tissues and composites at different thicknesses were placed between light source and cosine corrector, in order to determine the UC efficiency through different substrates (n = 5). The influence of the UC liner spectral emission on the degree of conversion of a blue-light curable resin was determined by Fourier Transformed IR (FTIr) spectroscopy (n = 5). Same substrates were interposed in order to determine the influence of UC emission at clinically relevant situations. Optimal concentration of UC nanocrystals was determined at 30%. Spectral emission was reduced by different interpositions, influencing the kinetic of cure of a blue-light curable resin. Furthermore, analysis of variance determined that UC emission was sufficient to induce monomeric conversion at all evaluated FTIr groups. In conclusion, IR light transmission through different dental substrates was sufficient to excite synthetized NaYF4:30%Yb,0.5%Tm nanocrystals, resulting in a UC effect that induced monomeric conversion of a blue-light curable resin based materialDoutoradoMateriais DentáriosDoutor em Materiais Dentários3110/2010, A043/2013CAPE