Współczesna dentystyka odtwórcza opiera metody rekonstrukcji bezpośredniej ubytków zębowych w znacznym stopniu na kompozytach polimerowych. Ciągłe poszukiwanie nowych rozwiązań mających na celu poprawę właściwości wytrzymałościowych, walorów estetycznych, spowodowało wprowadzenie w latach 40. materiałów tzw. chemoutwardzalnych. Około 30 lat później wprowadzono utwardzane światłem widzialnym kompozyty polimerowe. Materiały te stanowią mieszaninę wielofunkcyjnych monomerów metakrylanowych (spoiwo organiczne) z wypełniaczami nieorganicznymi lub organiczno-nieorganicznymi, oraz m.in. dodatkami inicjującymi i stabilizującymi. Istotnym momentem w historii kompozytów dentystycznych było zsyntetyzowanie przez RL Bowena żywicy bis-GMA, czyli 2,2´-bis[(2-hydroksy-3-metakryloiloksypropoksy)fenylo]propanu, która wyparła polimetakrylan metylu. Podstawowym powodem, dla którego uznano wyższość monomeru Bowena była znaczna różnica w skurczu polimeryzacyjnym: 6,4 % dla bis-GMA, z kolei dla poli(metakrylanu metylu) – 24,8 % (1). Jako wypełniacze stosuje się różne postacie dwutlenku krzemu: kwarc krystaliczny, krzemionkę bezpostaciową czy też szkło kwarcowe. Faza nieorganiczna decyduje o właściwościach fizycznych kompozytu, takich jak: wchłanianie wody, skurcz polimeryzacyjny, współczynnik rozszerzalności termicznej, a także twardość i mikrotwardość. Rodzaj cząstek wypełniacza pozwala na podział kompozytów na trzy grupy: z makrowypełniaczem, mikrowypełniaczem oraz hybrydowe (2). Zastosowanie związków krzemoorganicznych, jako czynnika łączącego, umożliwia połączenie spoiwa organicznego z wypełniaczem. Składnikami dodatkowymi materiału kompozytowego są inhibitory oraz antyutleniacze. Ważnym z punktu widzenia dentystyki artystycznej dodatkiem są pigmenty, nadające odpowiednią barwę materiałowi. Można tu wymienić takie substancje chemiczne jak biel tytanowa, czerwień i żółcień żelazowa, siarczan baru, sadza. Jako fotoinicjatora w większości materiałów używa się kamforochinon, natomiast reduktorem jest benzoesan lub metakrylan N,N-dimetyloaminoetylowy i metylodietanolamina.

Polimeryzacja jest procesem chemicznym polegającym na prostym łączeniu się wielu cząsteczek zawierających wiązania wielokrotne w jeden związek wielkocząsteczkowy, bez produktu ubocznego. Proces ten może zostać inicjowany pod wpływem aktywacji światłem widzialnym, reakcji chemicznej lub temperatury. Podczas tworzenia się polimeru spotykamy się z problemem skurczu polimeryzacyjnego, który polega na zbliżaniu się do siebie cząsteczek na skutek oddziaływania sił Van der Waalsa. Przed polimeryzacją odległość między cząsteczkami zawierającymi wiązania podwójne C=C wynosi 3,4 Ĺ. W trakcie polimeryzacji następuje zamiana wiązań podwójnych C=C na pojedyncze C-C i odległość między cząsteczkami zmniejsza się do 1,54 Ĺ (3).

Wielkość skurczu zależy głównie od ilości wiązań podwójnych w monomerze, a kierunek skurczu od tego z iloma powierzchniami kompozyt jest związany. I tak wyróżniamy:

– Skurcz swobodny (kompozyt nie jest związany z żadną powierzchnią), w którym wektory skierowane są ku centrum materiału.

– Skurcz kompozytu związanego z jedną powierzchnią, gdzie kierunek przebiega do powierzchni, z którą kompozyt jest związany.

– Skurcz kompozytu umieszczonego pomiędzy dwoma ścianami, który przebiega kilkufazowo – początkowo kompensacja zmniejszania objętości będzie następowała przez przemieszczenie materiału od powierzchni niezwiązanej w kierunku ścian, a w miarę polimeryzacji nastąpi dalsze zmniejszenie objętości, aż do momentu oderwania od jednej ze ścian. W momencie, gdy siła skurczu polimeryzacyjnego przewyższa siłę połączenia systemu wiążącego, a materiał będzie łączył przeciwległe ściany ubytku jedną warstwą, powstanie szczelina brzeżna.

Skurcz polimeryzacyjny jest przyczyną nieszczelności brzeżnej, co może prowadzić do powstania pęknięć szkliwa oraz rozwoju próchnicy wtórnej (1). Obecnie badania dowodzą, iż odsetek powrotu próchnicy spowodowany przez zjawisko skurczu polimeryzacyjnego stanowi od 14 do 54 % (4). Zmniejszenie objętości materiału zależy w głównej mierze od rodzaju użytego kompozytu oraz od sposobu jego naświetlania. Optymalnie skurcz winien mieścić się w granicach od 1,5 do 5% (5).

W procesie polimeryzacji, według Braga, najważniejsze znaczenie ma gel point, czyli moment, w którym kompozyt podlega prawom mechaniki ciał stałych. Im później materiał osiąga punkt żelowania, tym charakteryzuje się mniejszym skurczem i działaniem mniejszych naprężeń wewnętrznych (6).

Skurcz polimeryzacyjny powoduje, iż w kompozycie powstają duże naprężenia, w szczególności w miejscu jego kontaktu z tkankami zęba. Naprężenia te zależą od wielkości skurczu oraz od modułu Young´a kompozytu. Wartości te są wprost proporcjonalne do naprężenia. Kompozyty o niskich wartościach modułu Young´a, np. płynne i półpłynne, pomimo dużego skurczu polimeryzacyjnego będą wykazywały mniejsze naprężenia w okolicy kontaktu z zębem, a co za tym idzie, lepszą szczelność brzeżną (7). Zjawisko skurczu polimeryzacyjnego staramy się niwelować stosując m.in. coraz to nowe lampy polimeryzacyjne, metody polimeryzacji, np. pulsacyjnej lub lampy plazmowe (7, 8), modyfikując organiczną matrix, skład i rozmiar wypełniacza oraz polepszając właściwości czynników/systemów wiążących kompozyt z twardymi tkankami zęba.

W badaniach wykorzystano materiał Miris(tm) (Coltčne Whaledent) Enamel o barwie Ivory Trans, lot number KH062, który jest hybrydowym, światłoutwardzalnym kompozytem polimerowym. Jego fazę organiczną stanowią monomery: bis-GMA, bis-EMA i TEGDMA, natomiast nieorganiczną wypełniacz submikronowy (silanizowane szkło barowe i strontowe o średniej wielkość cząstek 600 nm – zakres wielkości cząstek 400-2500 nm) oraz nanowypełniacz (amorficzna krzemionka <100 nm). Materiał znajduje zastosowanie we wszystkich typach ubytków (zarówno w zębach przednich, jak i tylnych). Aplikacja materiału oparta jest na koncepcji warstwowej, gdzie dwie odmiany materiału, osobno dla zębiny i dla szkliwa, stanowią syntetyczny substytut tkanek twardych zęba. Efekty specjalne można osiągnąć stosując farby, w które dopełniony jest pełny zestaw. Systemem wiążącym dla materiału jest A.R.T. BOND (2-step etch & rinse approach).

Do wyznaczenia skurczu polimeryzacyjnego potrzebne są wartości gęstości materiału przed i po polimeryzacji. W oznaczeniu gęstości wykorzystano metodę piknometryczną stosowaną w densytometrii. Do pomiarów użyto piknometru o objętości 25 cm³, szczelnie zamkniętego korkiem ze szklanym szlifem (9, 10). Badanie polegało na wykonaniu serii ważeń: piknometru, piknometru napełnionego cieczą (wodą destylowaną), naczynia z badanym materiałem, a także piknometru z materiałem i cieczą. Z uwagi na małą średnicę wlotu piknometru, z materiału uformowano drobiny o kształcie kuleczek. Natomiast chcąc oznaczyć gęstość materiału po polimeryzacji wykonano próbki w kształcie krążka posługując się metalowymi pierścieniami o następujących wymiarach wewnętrznych: średnica (15±0,1) mm, głębokość (1±0,1) mm. Tak przygotowany materiał poddano fotopolimeryzacji lampą o długości fali w przedziale 460-500 nm, po czym pokruszono spolimeryzowane próbki. Gęstość materiału badanego wyznaczono ze wzoru:

Przyjęto następujące oznaczenia:

m ₁ – masa piknometru

m ₂ – masa piknometru z wodą

m ₃ – masa piknometru z materiałem

m ₄ – masa piknometru z wodą i materiałem

r – gęstość materiału

r_w – gęstość wody = 1 g/cm³.

Po wyznaczeniu gęstości, przed i po utwardzeniu, obliczano skurcz polimeryzacyjny materiału badanego z następującego wzoru:

gdzie:

Przyjęto następujące oznaczenia:

r_a – średnia gęstość niespolimeryzowanego materiału

r_b – średnia gęstość spolimeryzowanego materiału

V´ _a – objętość właściwa niespolimeryzowanego materiału

V´ _b – objętość właściwa spolimeryzowanego materiału