Herstellung und Charakterisierung von Acrylharzen mit bioaktiven Gläsern

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16624 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Ziel dieser Studie war die Herstellung eines bioaktiven Acrylmaterials durch Zugabe verschiedener Glasarten. Handelsübliches polymerisiertes Acrylharz wurde mit 10 % von vier verschiedenen Glasarten in Pulverform gemischt und ausgehärtet. Biegefestigkeit, Sorption und Löslichkeit der Proben wurden gemäß ISO 20795-1:2013 getestet. Die Gesamtzahl der in den Tests verwendeten Proben betrug 60. Die Materialien wurden in künstlichen Speichel mit einem pH-Wert von 4 und 7 gegeben und die Elution wurde für 0, 1, 28 und 42 Tage durchgeführt. Die gesammelten Proben wurden mithilfe der Atomemissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma zum Nachweis von Ca-, P- und Si-Ionen und mithilfe der Ionenchromatographie zum Nachweis von F-Ionen analysiert. Die nach der Modifizierung mit Gläsern erhaltenen Materialien zeigten im Vergleich zu reinem Polymethylmethacrylat eine geringere Druckfestigkeit, erfüllten jedoch die Normanforderungen. Zwei Glastypen zeigten höhere Löslichkeitswerte im Vergleich zu dem in der ISO-Norm definierten Wert. Biomin C und S53P4 setzten nach 42 Tagen in künstlichem Speichel Ca-, P- bzw. Si-Ionen frei. Mit 10 % Biomin C- und S53P4-Gläsern modifizierte Acrylharze können unter sauren Bedingungen 28 und 42 Tage lang eine wertvolle Quelle für Ca- und P-Ionen sein.

Trotz des Aufkommens neuer Alternativen werden Acrylmaterialien immer noch am häufigsten für die Herstellung von herausnehmbarem Zahnersatz in der prothetischen Zahnheilkunde verwendet. Diese Beliebtheit ist unter anderem auf den langjährigen Einsatz und die einfache Verarbeitung in zahntechnischen Laboren zurückzuführen1,2. Acrylmaterialien zeichnen sich durch gute optische Eigenschaften und Biokompatibilität3 aus. Leider haben Acrylharze neben einigen Vorteilen auch einige Nachteile, wie zum Beispiel den eingeschränkten Speichelfluss im Prothesenbasisbereich. Durch das Tragen von Zahnprothesen, die Nahrungsaufnahme und den damit einhergehenden verminderten Speichelfluss im Bereich der Restzähne sinkt der pH-Wert, was wiederum zu Zahnveränderungen an den Restzähnen führen kann. Der Speichelfluss wird an den Stellen gestört, an denen das Acrylmaterial mit Weichgewebe oder Zähnen in Kontakt kommt4,5. Daher sollten Acrylharze modifiziert werden, um ihre Bioaktivität zu erhöhen.

In der wissenschaftlichen Literatur gibt es ausführliche Diskussionen über die Bedeutung des Begriffs „bioaktives Material“, aber gemäß den Empfehlungen der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) aus dem Jahr 2012 wird es als „Material, das dafür entwickelt wurde“ definiert spezifische biologische Aktivität induzieren;“ Mit anderen Worten: Ein Material, das bei einem lebenden Organismus eine Reaktion hervorruft, kann als bioaktives Material bezeichnet werden6.

Eine der bestehenden Strategien zur Modifizierung von Acrylmaterialien und zur Bildung bioaktiver Materialien ist die Zugabe verschiedener Arten von Nanomaterialien wie Silber und Titanoxid7,8,9,10. Eine weitere Strategie ist die Zugabe verschiedener Arten von Arzneimitteln, beispielsweise Antibiotika11 und Chlorhexidin12,13. Zusätzlich zu diesen Ansätzen kann auch der Einsatz unterschiedlicher Arten bioaktiver Gläser die Modifizierung von Acrylmaterialien ermöglichen. Diese Art von Keramik unterliegt unter dem Einfluss von Wasser einer allmählichen Hydrolyse und gibt verschiedene Arten von Ionen an die Umgebung ab, beispielsweise Fluor- und Phosphatanionen oder Calciumkationen6. Diese Strategie wird bereits in großem Umfang bei Glasionomerzementen sowie bei Kompositfüllungen14,15,16,17 und kieferorthopädischen Klebstoffen18 angewendet. Alkalische Kationen erhöhen den pH-Wert und Fluoranionen haben nachweislich kariostatische Wirkungen. Eluierte Ionen können, wie im Fall von Glasionomerzement, die Remineralisierungsfunktion übernehmen17,18,19. Allerdings können sie bei einem niedrigeren pH-Wert vollständig hydrolysieren und somit kein Hydroxylapatit (HA) bilden; Der minimale pH-Wert für die HA-Bildung liegt individuell bei 4,5–5,520.

Bisher wurden diese Gläser erfolgreich in Glasionomerzement, Verbundwerkstoffen und Zahnpasta (Biomin)18 eingesetzt. Beispielsweise wurden Bioglas 45S5 und S53P4 erstmals Ende der 1970er Jahre synthetisiert und werden seit 1985 klinisch eingesetzt21. Durch die Zugabe von CaF2 kann Glas Fluorionen freisetzen. Eine übermäßige Zugabe von CaF2 führt jedoch zu einer unkontrollierten Kristallisation kristalliner Phasen, einschließlich der Bildung von Cuspidin und Fluoridionen. Deshalb wurde 2015 das Glas Biomin C entwickelt, das Chlorionen enthält20. Aus zahnmedizinischer Sicht wird Chlorapatit in Gegenwart von Wasser vollständig in HA umgewandelt22. Biomin F ist ein Beispiel für Fluorglas, das in diesen Tests verwendet wird.

Ziel dieser Studie war die Synthese eines Acrylmaterials, das durch die Freisetzung von Calcium-, Phosphor- und Fluorionen bioaktive Eigenschaften aufweist.

Basierend auf ähnlichen Systemen von Methacrylatharzen, die in Verbundwerkstoffen vorhanden sind, wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Zugabe spezieller Glasarten zu Polymethylmethacrylat (PMMA) zu einem Material mit bioaktiven Eigenschaften führen kann.

Bioaktive Glasproben wurden von Cera Dynamic (Kent, England) durch einstündiges Schmelzen bestimmter Oxide bei einer Temperatur von 1500 °C und anschließendes schnelles Abkühlen in destilliertem Wasser (Schmelzabschreckung)21 hergestellt. Anschließend wurden die Proben gemahlen, um Partikel der Größe d50 = 5 μm zu erhalten. Diese Pulverproben wurden in der vorliegenden Studie verwendet.

Acrylharzproben wurden durch Mischen von 10 % bioaktiven Gläsern (nach Masse, Tabelle 1) mit PMMA-Harzen (Superacryl Plus, SpofaDental, Tschechische Republik) hergestellt. Um eine homogene Mischung zu erreichen, wurde eine Kugelmühle (Jezirska Porcelana, Tschechische Republik) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 40 U/min verwendet. Durch 2-stündiges Mischen mit Keramikkugeln (300 g) wurde eine homogene Mischung aus 10 g Glas und 90 g PMMA erhalten.

Anschließend wurden die Materialien (PMMA und bioaktive Gläser) mit Methylmethacrylat vermischt und einer thermischen Polymerisation unterzogen. Als Referenzmaterial wurde Superacryl Plus-Harz (SpofaDental, reines PMMA) verwendet. Bei allen getesteten Proben betrug das Pulver-zu-Flüssigkeits-Verhältnis 2/1 [g] und die thermische Polymerisation wurde gemäß den Anweisungen des Herstellers (Superacryl Plus, SpofaDental) nach der bekannten Küvettentechnik durchgeführt. Im Wachsausschmelzverfahren wurden sechs Formen für Acrylkunststoff im Gips von Mramorit Blue (SpofaDental, Tschechische Republik) hergestellt. Alle Formen wurden auf eine Laborpresse gestellt und das überschüssige Material durch Anwendung eines Drucks von 2000 kg/mm2 für 10 Minuten entfernt.

Die Proben wurden in einem Rahmen bei 60 °C in Wasser gehalten und die Temperatur innerhalb von 30 Minuten auf 100 °C erhöht. Abschließend wurde das Polymerisationsmaterial 1 Stunde lang bei 100 °C gehalten und dann allmählich abgekühlt. Nach der Polymerisation wurden die Proben aus den Formen entnommen, mit Sandpapier (200, Kolo, Polen) poliert und für weitere Tests verwendet. Das Schema des Verfahrens ist in Abb. 1 dargestellt.

Schema der Probenvorbereitung und -prüfung.

Sorption und Löslichkeit wurden gemäß ISO 20795-1: 2013 (en), Zahnheilkunde – Prothesenbasispolymere23, analysiert. Insgesamt wurden 60 Stücke auf Biegefestigkeit untersucht, deren Abmessungen 65 × 10 × 3,3 mm betrugen. Diese Proben wurden dann 24 Stunden und 30 Tage in destilliertem Wasser gelagert. Das Medium wurde alle 3 Tage gewechselt.

Die mechanische Bruchfestigkeit wurde anhand von Dreipunktauslenkungen (50-mm-Auflagen) ermittelt und der Bruchkopf auf 5 mm/min eingestellt. Für die Tests wurden 60 Proben vorbereitet (sechs für jede Materialart). Als Referenzmaterial wurde reines PMMA verwendet.

Gemäß ISO 20795-1: 2013 (en), Zahnheilkunde – Prothesenbasispolymere, sind Sorption und Löslichkeit in destilliertem Wasser in den ersten 7 Tagen wichtige Parameter, die den Standard von Acrylharzen bestimmen23. Diesem Test wurden 30 Proben mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 1 mm unterzogen, die aus Acrylharz und 10 % bioaktiven Gläsern hergestellt wurden. Als Referenzmaterial dienten Scheiben aus PMMA.

Sorption (A) und Löslichkeit (B) wurden basierend auf den Gleichungen berechnet. (1) und (2):

Dabei ist M2 die Masse der Probe nach 7-tägigem Eintauchen in destilliertes Wasser, M1 die Masse vor dem Eintauchen in Wasser, M3 die Masse des Materials nach dem Eintauchen in Wasser und Trocknen im Exikator und S das Volumen der Probe Scheibe mit einem kalibrierten Messschieber gemessen.

Um die bioaktiven Eigenschaften der Proben zu analysieren, wurden Ionen aus Acrylmaterialien in künstlichem Speichel bei pH 4 und 7 freigesetzt. Für die Tests wurden Scheiben mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 1 mm hergestellt und wie zuvor beschrieben thermisch polymerisiert. Die Gesamtzahl der Proben in dieser Studie betrug 15 (drei für jeden Materialtyp). Als Referenzmaterial dienten Scheiben aus PMMA.

Die künstliche Speichellösung wurde durch Auflösen von Natriumchlorid (0,4 g) (NaCl, Sigma Aldrich, Polen), Kaliumchlorid (1,21 g) (KCl, Sigma Aldrich, Polen) und hydratisiertem Kaliumdihydrogenphosphat (0,78 g) (NaH2PO4 × 2H2O) hergestellt , Sigma Aldrich, Polen), hydratisiertes Natriumsulfid (0,12 g) (Na2S × 9H2O, Sigma Aldrich, Polen) und Harnstoff (1,0 g) (Sigma Aldrich, Polen) in hochreinem Wasser (1000,0 g) (Merck, Deutschland). Die vorbereitete Lösung wurde in zwei Gefäße überführt und mit Salzsäure (0,1 Mol) bzw. Natriumhydroxid (0,1 Mol) (beide von Merck, Deutschland)24 auf pH 4 und 7 eingestellt.

Die aus den Dentalmaterialien gewonnenen Proben (drei Proben von jeweils Glas und Acrylharz als Referenz, Durchmesser 5 mm, Dicke 1 mm) wurden in künstlichem Speichel bei pH 4 und 7 extrahiert. Eine Scheibe jedes Materials wurde in Polypropylengefäßen aufbewahrt und abgedeckt mit 5 ml künstlicher Speichellösung. Nach der Extraktion wurde eine Probe des Materials in einen neuen Behälter überführt und mit neuem künstlichen Speichel aufgefüllt. Die vorbereiteten Proben wurden auf einen Schüttler gegeben und bei 37 °C inkubiert (Sigma Aldrich, Polen). Die Anzahl der vorbereiteten Replikate wurde angepasst, um den Extraktionsprozess nach 1, 28 bzw. 42 Tagen zu beenden. Nach dem Extraktionsprozess wurden die Proben mit Spuren reiner Salpetersäure (Merck, Deutschland) angesäuert und auf ein Volumen von 20 ml aufgefüllt. Die Blind- und Extraktionsproben wurden dann in der Multielementanalyse verwendet.

Die Acrylharze (fünf Proben) wurden mithilfe der zweistufigen Nassmineralisierungsmethode in einem geschlossenen System mit Mikrowellenunterstützung unter Verwendung des Mikrowellenzersetzungssystems START D (Milestone, Italien) zersetzt. Die zerkleinerten Proben mit einem Gewicht von jeweils etwa 0,1 g wurden in ein Teflongefäß gegeben und der Prozess wurde in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wurden jeder Probe jeweils 3 ml hochreines entmineralisiertes Wasser und Schwefelsäure (Merck, Deutschland) zugesetzt. Die Mineralisierung erfolgte 10 Minuten lang bei 100 °C und einer Ofenleistung von 1000 W. Im zweiten Schritt wurde Spuren reiner Salpetersäure (5,0 ml) (Merck, Deutschland) in die Teflongefäße mit permineralisierten Materialien gegeben. Der Prozess wurde 35 Minuten lang bei 200 °C und 1000 W Ofenleistung durchgeführt. Nach Beendigung des Prozesses wurden die abgekühlten Mineralien in Flaschen aus einem HDPE-Material (Polyethylen hoher Dichte) umgefüllt und auf ein Gewicht von etwa 50 g verdünnt.

Die Elementzusammensetzung von Speichelextrakten und reinen Acrylharzen wurde nach der Methode der Atomemissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma unter Verwendung des optischen Spektrometers iCAP 6500 Duo mit horizontalem und vertikalem Plasma (Thermo Fisher Scientific, USA) analysiert. Das Spektrometer war mit einem Ultraschall-Zerstäuber U5000AT + (CETAC, USA) ausgestattet, der etwa zehnfach niedrigere Nachweisgrenzen der Konzentration der Proben aufwies. Die Extrakte und reinen Proben von Acrylharzen wurden mit den validierten Forschungsmethoden im Chemischen Labor für Multielementanalysen analysiert, das vom Polnischen Zentrum für Akkreditierung (AB696) akkreditiert ist.

Die Konzentration an Fluoridionen in den Extrakten wurde durch Ionenchromatographie unter Verwendung eines Dionex ICS 1100-Ionenchromatographen (Thermo Fisher Scientific, USA) bestimmt. Der Dentalmaterialextrakt wurde direkt durch einen sterilen 0,2-µm-Spritzenfilter in die Chromatographiesäule injiziert. Die Konzentration der Fluoridionen wurde mit einer Retentionszeit von etwa 2,5 Minuten gemessen.

Die statistische Analyse wurde mittels einer einfaktoriellen ANOVA unter Verwendung des Tukey HSD Test Calculator durchgeführt, der bei Astasta.com erhältlich ist. Für alle Tests wurde ein Konfidenzniveau von p < 0,05 angenommen.

Die Biegefestigkeit ist einer der wichtigsten mechanischen Parameter für Acrylharze, die bei der Herstellung von Prothesenbasen verwendet werden. Sie bestimmt, ob eine aus einem solchen Material hergestellte Prothese während des Gebrauchs nicht reißt. Tabelle 2 zeigt die Biegefestigkeit von Acrylproben, die mit vier Arten bioaktiver Gläser modifiziert wurden, nach 24 Stunden und 30 Tagen.

Die Ergebnisse zeigten lediglich eine 10-prozentige Verringerung der Biegefestigkeit aller Proben mit bioaktiven Gläsern. Die höchste Biegefestigkeit wurde bei Proben mit Glas S53P4 und Biomin C beobachtet.

Nach 30 Tagen war eine weitere Verringerung der Biegefestigkeit im Vergleich zu den Ergebnissen nach 24 Stunden zu beobachten. Alle Ergebnisse lagen über 65 MPa, was der Mindestanforderung für Prothesenbasismaterialien gemäß der ISO-Norm entspricht.

Die zur Herstellung der Prothesenplatte verwendeten Materialien sollten eine geringe Sorptions- und Löslichkeit aufweisen. Diese beiden Faktoren sind für die Aufnahme von Speiseresten und Speichel sowie deren Verfärbung verantwortlich. Bei bioaktiven Materialien kann die Löslichkeit eine der Determinanten für die Freisetzung von Ionen in die Mundumgebung sein. Die nach 7 Tagen in destilliertem Wasser beobachteten Sorptions- und Löslichkeitswerte sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die höchste Löslichkeit wurde für Biomin F und 45S5 beobachtet: 3,29 ± 0,52 bzw. 4,94 ± 0,46 μg/mm3. Diese Werte deuten darauf hin, dass diese Materialien in Wasser löslich sein können und potenzielle Ionenquellen sind.

Die Werte der Auswaschung von Calcium-, Phosphat- und Fluoridionen sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Acrylsystem zusammen mit dem zugesetzten bioaktiven Glas Ionen in die Reaktionsumgebung abgeben und so als Rohstoffquelle für die Produktion von HA fungieren kann.

Die Ionenfreisetzungsrate hängt von der Art des verwendeten Glases ab. Im Fall von Biomin F wurden innerhalb der ersten 24 Stunden praktisch alle verfügbaren Calciumkationen aus den Proben ausgewaschen. Allerdings kann Biomin C unter sauren Bedingungen (pH 4) eine wertvolle Quelle für Calciumkationen (11,96 ± 1,79 mg/L) und Phosphatanionen (25,88 ± 3,88 mg/L) sein. Für S53P4-Glas wurden die höchsten Ionenfreisetzungswerte nach 42 Tagen bei pH 4 beobachtet.

In Biomin F waren Fluoridionen leicht verfügbar und wurden innerhalb der ersten 24 Stunden bei pH 4 schnell ausgelaugt. In einer neutralen Umgebung (pH 7) wurden Fluoridionen hingegen in geringeren Mengen, aber über einen längeren Zeitraum freigesetzt .

Die Geschichte der Synthese bioaktiver Gläser reicht weit zurück, und Versuche zur Herstellung bioaktiver Gläser wurden 1970 begonnen, als Hench beim Glasschmelzen eine kleine Menge CaF2 als Rohstoff in der Glaszusammensetzung anstelle einer bestimmten Menge CaO und Na2O verwendete. Er entdeckte jedoch, dass die Fähigkeit zur Apatitbildung mit zunehmender Calciumfluoridkonzentration abnahm. Dies weckte das Interesse an der Herstellung von Gläsern mit bioaktiven Eigenschaften, die heute in großem Umfang in Zement, Glasionomeren und Verbundwerkstoffen eingesetzt werden22.

Verbundwerkstoffe sind eng mit Acrylharzen verwandt, die das einfachste hochviskose Methacrylharz – Methylmethacrylat – enthalten, das nach der Polymerisation ein Netzwerk aus PMMA bildet. Ziel dieser Studie war es daher zu untersuchen, wie PMMA-basierte Materialien Ionen aus bioaktiven Gläsern freisetzen14.

Die Studienhypothese zu den mechanischen Eigenschaften und der Ionenfreisetzung von PMMA-basierten Materialien mit einer Beimischung bioaktiver Gläser wurde validiert.

Acrylharze zeigten nach Zugabe von vier Arten bioaktiver Gläser eine geringere Biegefestigkeit im Vergleich zum unmodifizierten Harz. Die Biegefestigkeit der Probe mit Biomin F (78,05 ± 5,91 MPa) war ähnlich der der Probe mit reinem PMMA (83,13 ± 2,85 MPa). Beide Materialien erfüllten die Anforderungen der ISO-Norm für Prothesenbasismaterialien. Dies liegt daran, dass der Füllstoff keine chemische Verbindung zum PMMA-Polymer hat. Ein ähnliches Szenario wurde bei Verbundwerkstoffen mit nicht silanisierten Füllstoffen beobachtet14. In der Studie von Bettencourt et al. verringerte die Zugabe einer anderen nicht gebundenen Substanz, Chlorhexidin, zu Probase Cold-Acryl dessen Bruchfestigkeit. Der Zusatz von Chlorhexidin verringerte jedoch nicht die Bruchfestigkeit von Kooliner- oder Ufi Gel Hard-Materialien. Superacryl Plus ist ein PMMA-basiertes Material, das Probase Cold ähnelt; Daher stimmen die Ergebnisse dieser Studie mit denen von Bettencourt et al.12,13 überein.

Die in Zahnprothesen verwendeten Materialien stehen während ihres gesamten Gebrauchs in ständigem Kontakt mit Wasser (Speichel sowie verzehrte Getränke und Lebensmittel). Eine längere Lagerung von Acrylmaterialien in Wasser verringert deren Bruchfestigkeit. Dies ist auf die plastifizierende Wirkung der Wasseraufnahme zurückzuführen, die in dieser Untersuchung bestätigt wurde25,26.

Wie in einer früheren Studie berichtet, liegt die Sorption von hitzehärtenden Acrylmaterialien in destilliertem Wasser oder künstlicher Kochsalzlösung zwischen 17,5 ± 0,88 und 27,25 ± 1,04 μg/mm327. Unser Referenzmaterial Superacryl Plus zeigte einen Sorptionswert von 10 μg/mm3, der je nach Testdauer und Polymerisationsmethode variieren kann28. Wie bereits erwähnt, zeigte die Biomin F-Probe einen Sorptionswert von 9,48 ± 0,81 μg/mm3. Dies könnte beweisen, dass Biomin F eine übermäßige Aufnahme von Wasser in das Material verhindert, was die wünschenswerteste Eigenschaft von Prothesenmaterialien ist.

Bei jedem Acrylmaterial hat seine chemische Struktur, z. B. der Gehalt an verschiedenen Ionen, einen großen Einfluss auf seine Sorption und Löslichkeit. Die Löslichkeit eines Acrylmaterials kann durch Zugabe verschiedener Oxide (ZrO2, TiO2) erhöht werden, die nicht chemisch an PMMA gebunden sind29,30,31.

Der hohe Gehalt an Natriumionen in mit Gläsern modifizierten Acrylharzen ist möglicherweise für deren höhere Löslichkeit und Sorption verantwortlich. Diese Ionen werden schnell ausgewaschen und gegen H3O+-Ionen ausgetauscht, wenn die Proben mit destilliertem Wasser in Kontakt kommen22.

Eine ähnliche Beobachtung wurde in der Studie von Khvostenko19 berichtet, in der ein Verbundwerkstoff mit bioaktiven Gläsern 30 Tage lang in destilliertem Wasser aufbewahrt wurde, wobei ein Glas mit einem niedrigen Na2O-Gehalt verwendet wurde, um Wasseraufnahme, Schwellung und mögliche Rissbildung zu minimieren, was zu einem erheblichen Aber führte verringerte Biegefestigkeit.

Tatsächlich schwächt die Zugabe von Nichtpolymer-Netzwerk-bindenden Ionen die mechanischen Eigenschaften des Materials, aber im Fall bioaktiver Materialien gibt es einen Kompromiss zwischen mechanischen Eigenschaften und Ionenfreisetzung. Die von Raszewski7 durchgeführten Tests an einem mit Fritex und Kavitan modifizierten Acrylmaterial zeigten, dass die Zugabe von Gläsern, die in Glasionomerzement verwendet werden, 30 Tage lang zur Freisetzung von Fluorionen führte.

Al-Eesaa14,18 und Liu et al.10 zeigten, dass Glasmaterialien Ionen aus Verbundmaterialien an nahegelegene Gewebe transportieren können; Beispielsweise kann Glas 45S5 eine neue HA-Schicht auf der Oberfläche des Verbundmaterials bilden. Wie in dieser Studie gezeigt, kann das gleiche Glas auch Ionen aus PMMA-basierten Materialien freisetzen.

Bei einem niedrigeren pH-Wert (pH 4) verläuft der Glasabbau viel schneller als bei einem neutralen pH-Wert. Viele Autoren führen dieses Phänomen auf den ersten Schritt der Hydrolyse zurück, bei dem H+-Ionen aus dem Immersionsmedium gegen Ca2+-, Sr2+- und Na+-Ionen aus der Glasstruktur ausgetauscht wurden, was mit einem Anstieg des pH-Werts10,15 verbunden ist.

In der Literatur finden sich Informationen zu zwei Arten bioaktiver Gläser, die Phosphationen enthalten. Edén et al.30 und O'Donnell et al.31 beobachteten einen Zusammenhang zwischen der Menge und der Rate des unter der Oberfläche des Verbundwerkstoffs gebildeten Apatits.

In der vorliegenden Studie war die Freisetzung von Ionen bei saurem pH-Wert schneller. Allerdings wurden bei pH 7 mehr Silikat- und Phosphatanionen freigesetzt, was auf die Bildung der entsprechenden Salze zurückzuführen war.

Beispielsweise setzten die Proben, die S53P4-Glas enthielten, nach 42 Tagen bei pH 4 2,43 ± 0,36, 24,05 ± 3,61 und 3,02 ± 0,21 mg/L Ca2+, PO43− und SiO42− frei.

Während des zweiten Schritts des Glasabbaus in der Wasser-Speichel-Lösung führt die Entfernung von Protonen aus der Lösung zur Anreicherung von Hydroxylgruppen, was zur Freisetzung von Ca2+-Ionen in die Lösung bei gleichzeitigem Anstieg des pH-Werts22 führt. Dies wurde auch in der vorliegenden Studie nach dem Anstieg der Menge an Calciumionen über einen längeren Zeitraum bei S53P4- und Biomin-C-Gläsern festgestellt.

Im Fall von Glas, das Fluoridionen enthält (z. B. Biomin F), wird Fluorid aus dem Glas entfernt und von Apatit absorbiert, und es bilden sich die stabilsten Fluorapatitkristalle17,18. In der vorliegenden Studie betrug die Freisetzung von Fluorionen während der ersten 24 Stunden bei pH 4 7,05 ± 1,06 mg/L.

Wichtig ist die Rolle von Fluorionen in Methacrylaten, die nach ihrer Freisetzung aus Glas an der Bildung von Fluorapatit auf der Zahnoberfläche oder am Zahnrand im Kompositmaterial beteiligt sind26. Biomin F enthält CaF2 als Rohmaterial und kann eine Quelle für Fluorionen mit kariostatischen Eigenschaften sein17. In der vorliegenden Studie wurden F-Ionen aus Biomin F innerhalb der ersten 24 Stunden schnell aus der Speichellösung ausgewaschen.

Die Geschwindigkeit und Menge der aus Glaspartikeln freigesetzten Ionen wird hauptsächlich von deren Größe beeinflusst, die, wie in der vorliegenden Studie gezeigt, bei etwa 5 μm liegen sollte. Daher wurden in dieser Studie Glaspartikel mit dem ausgewählten Durchmesser verwendet. Zu große Moleküle reagieren langsam, wohingegen kleine Moleküle eine sehr große Oberfläche haben. Der Ionenfreisetzungsprozess wird auch durch den Vernetzungsgrad der Methacrylatharze beeinflusst. In Verbundwerkstoffen werden 2–3 Funktionale als organische Phase verwendet. Methylmethacrylat hat eine Bindung, die zur radikalischen Polymerisation fähig ist20,32,33. Daher ist es weniger vernetzt als Verbundwerkstoffe.

In der vorliegenden Studie wurden solche Materialien durch Mischen von PMMA (Superacryl Plus-Pulver – PMMA) mit vier verschiedenen Glasarten hergestellt, die unter dem Einfluss von Wasser einer allmählichen Hydrolyse unterzogen wurden, wodurch Ionen an die Umgebung abgegeben wurden.

Das in dieser Studie synthetisierte Acrylmaterial erfüllte nach Modifikation mit bioaktivem Glas die Norm ISO 20795-1:2013 hinsichtlich Biegefestigkeit und Sorption.

Das mit 10 % Zusatz verschiedener Aktivgläser hergestellte Acrylharz kann Calcium- und Silizium-Phosphorionen freisetzen.

Im Fall von Biomin F-Glas verlief die Freisetzung von Fluorionen in einer sauren Umgebung sehr dynamisch (sie erfolgte innerhalb der ersten 24 Stunden). In einer neutralen Umgebung wurden die Ionen über einen Zeitraum von 42 Tagen allmählich freigesetzt.

Mit 10 % Biomin C und S53P4-Gläsern modifizierte Acrylharze können unter sauren Bedingungen (pH 4) über einen Zeitraum von 42 Tagen wertvolle Quellen für Calciumkationen und Phosphatanionen sein.

Die in der vorliegenden Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren danken Cera Dynamic Kent (England) für die Bereitstellung einer Probe bioaktiver Gläser zum Testen und SpofaDental für die Vorbereitung von Proben aus Acrylmaterial mit bioaktiven Gläsern.

SpofaDental, Markova 238, 506-01, Jicin, Tschechische Republik

Zbigniew Raszewski

Abteilung für fortgeschrittene Materialtechnologien, Breslauer Universität für Wissenschaft und Technologie, Breslau, Polen

Katarzyna Chojnacka

Abteilung für Gesichtsanomalien, Abteilung für dentofaziale Orthopädie und Kieferorthopädie, Medizinische Universität Breslau, Breslau, Polen

Marcin Mikulewicz

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ZR: Hat an der Konzeption, dem Design, der Datenerfassung und -interpretation mitgewirkt, alle statistischen Analysen durchgeführt, das Manuskript entworfen und kritisch überarbeitet. KC: Beitrag zur Konzeption, Gestaltung, Datenerfassung und Interpretation, Entwurf und kritische Überarbeitung des Manuskripts. MM: Hat zur Konzeption, Gestaltung und kritischen Überarbeitung des Manuskripts beigetragen. Alle Autoren gaben ihre endgültige Zustimmung und erklärten sich bereit, für alle Aspekte der Arbeit verantwortlich zu sein.

Korrespondenz mit Zbigniew Raszewski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Raszewski, Z., Chojnacka, K. & Mikulewicz, M. Herstellung und Charakterisierung von Acrylharzen mit bioaktiven Gläsern. Sci Rep 12, 16624 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20840-1

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Eingegangen: 07. Juli 2022

Angenommen: 19. September 2022

Veröffentlicht: 05. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20840-1

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