Технология светового отверждения: прошлое, настоящее и будущее

«ДентАрт» №4, 2006 год

Пол Д. Хэммсфар,
Майкл Т. О'Коннор,
Ксюлинг Ванг,
подразделение технических исследований фирмы Дентсплай/Колк
(г. Милфорд, США)

Появление систем светоотверждаемых смол привело к разработке различных технологий получения света, необходимого для их отверждения. Свет, будучи электромагнитным излучением, состоит из широкого спектра энергий, включающего ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную составляющие. Каждый диапазон излучения, характеризующийся длиной волны, имеет отличительные характеристики в химических реакциях, что наиболее заметно при полимеризации стоматологических материалов. Галогеновый, плазменнодуговой, лазерный и, в последнее время, светодиодный излучатель — все они были важными технологиями, использованными для получения необходимого света посредством стоматологических светоотверждающих ламп. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Таким образом, знание их важно для понимания стоматологами-профессионалами полимеризационных процессов и путей, которыми световое излучение воздействует на эти процессы.

Важной вехой в истории современной реставрационной стоматологии стало применение светоотверждаемых композитов для прямых и непрямых реставраций. До этого двухкомпонентные системы инициации полимеризации, применявшиеся для отверждения композитов, требовали, чтобы две пасты смешивались непосредственно перед применением и смесь помещалась в полость реставрируемого зуба в пределах рабочего времени соответствующего материала. Как легко можно представить, процесс смешивания потенциально становился причиной неправильной пропорции смеси и неравномерного смешивания, что могло привести к последующей неудаче всей реставрации.1 Кроме того, ограниченное рабочее время материала требовало соответствующих навыков быстрой работы с композитом, а это не позволяло гарантировать оптимальное введение его в полость зуба.

Использование систем светоотверждаемых смол привело к развитию множества технологий применения излучения, необходимого для их полимеризации.2 Кварцвольфрамгалогеновый, плазменнодуговой излучатели, лазер (свет, усиленный стимуляцией эмиссии излучения) и, в последние годы, светодиодный излучатель — все это важные технологии, используемые при отверждении стоматологических материалов. В этой статье речь идет о многих из них, но в первую очередь необходимо определить само излучение и его взаимодействие с системами инициации, которые начинают процесс отверждения.

Типы светового излучения

Свет — это электромагнитное излучение, состоящее из широкого спектра энергий, определяемых длиной волны. Электромагнитный спектр обычно разделяют на несколько разных участков, основываясь на длине волны (рис. 1).3

Для отверждения стоматологических материалов из всего спектра наиболее важны три участка — инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый. Ультрафиолетовое излучение состоит из фотонов с длиной волн приблизительно 10-400 нм. Такие фотоны обладают экстремальной энергией и не только активируют электроны в химической связи, но могут также и полностью разрушить эти связи.4 Как результат, ультрафиолетовые фотоны вступают в многочисленные химические реакции. Однако значительная энергия фотонов связана с сильным поглощением, что часто приводит к беспорядочным разрушениям связей и нежелательным побочным реакциям, которые трудно контролировать.4 Соответственно, они могут привести к деградации отвержденного полимера и повредить ткани полости рта, если не применять соответствующие меры защиты. Более того, хотя глаз человека не может видеть ультрафиолетовые фотоны, он может быть поврежден ими при длительном воздействии.5 Следовательно, медицинские работники и врачи-стоматологи должны быть осторожны при использовании ультрафиолетового излучения.

Видимый свет — это электромагнитное излучение, которое обнаруживается глазом человека. Оно состоит из волн длиной 400-750 нм, от фиолетового коротковолнового излучения с высокой энергией до красного длинноволнового излучения с низкой энергией. Большинство материалов только слабо поглощают видимое излучение и склонны пропускать, отражать или рассеивать большинство фотонов, которые взаимодействуют с ними. Таким образом, видимые фотоны в общем не связаны с выделением теплоты (хотя при интенсивном видимом излучении небольшая часть энергии, связанная с видимым диапазоном, может также привести к молекулярному возбуждению).6 Фотоны видимого излучения, поглощаемые материалами, имеют тенденцию ассоциироваться с перемещением электронов в химических связях и, как результат, могут приводить к химическим реакциям внутри и между молекулами. Инфракрасное излучение состоит из фотонов с длиной волн ~~ 750 нм-1 мм. Эти фотоны взаимодействуют с веществом наиболее сильно, возбуждая внутренние молекулярные вибрации.5 Поскольку внутренние вибрации быстро превращаются в генерализованное молекулярное движение, проявляющееся как нагревание, инфракрасное излучение при нормальных условиях связано с повышением температуры. В то же время, инфракрасные фотоны очень редко имеют достаточно энергии, чтобы вызвать разрушение или перераспределение химических связей между атомами, и, следовательно, не принимают участия в химических реакциях. Хотя источники инфракрасного излучения могут быть полезны в нагревателях, применяемых для приготовления пищи, избыточная инфракрасная энергия может быть довольно вредной для тканей (таких, как пульпа), которые чувствительны к значительному повышению температуры.7

Фотоинициаторы

Фотоинициируемые системы, используемые в стоматологических материалах, в целом состоят из двух компонентов. Первый компонент — это светопоглотитель, который захватывает фотоны и возбуждает их так, что это приводит к перемещению электрона. Второй — ускоритель, обычно амин, который или принимает возбужденный электрон, или отдает его, чтобы сформировать свободный радикал. Этот свободный радикал может потом реагировать с мономерами в пасте композита. Течение химической реакции4 схематически показано на рис. 1.

Фундаментальный принцип фотополимеризации: фотоинициируемая система, смешанная со стоматологическим реставрационным материалом, абсорбирует световое излучение с длиной волны, соответствующей абсорбционным свойствам фотопоглотителя.8 Таким образом, в зависимости от фотопоглощающей системы световая энергия абсорбируется из соответствующего спектрального диапазона. Эта спектральная энергия превращается в химическую энергию в виде такого промежуточного звена реакции, как свободные радикалы, которые впоследствии вступают в реакцию с мономерами и олигомерами.8

Ультрафиолетовая фотополимеризация

Открытие светоактивируемых систем-инициаторов позволило заменить комбинацию двух компонентов самоотверждающихся систем на единый светоотверждаемый состав, исключив этап смешивания компонентов оператором. К тому же, увеличилось рабочее время реставрационного материала, поскольку теперь его помещали непосредственно в полость или на зубной протез без дополнительного этапа смешивания на стекле или в лотке. Более того, поскольку в отсутствие сильного источника излучения светоактивируемые материалы остаются работоспособными, рабочее время значительно увеличивается. В результате клиницист может вносить материал с меньшим ограничением по времени. Впервые в качестве светоактивируемых веществ, применяемых в композитах, отверждающихся с помощью ультрафиолетового излучения, были использованы бензоиналкилные эфиры, поскольку они отвечали требованиям, предъявляемым к специально созданному классу фотопоглотителей.9 Одним из первых источников излучения, использованных для активации этих фотопоглотителей, была полимеризационная лампа НУВА фирмы Дентсплай/Колк. Хотя ультрафиолетовое отверждение определенно было значительным шагом вперед в реставрационной стоматологии, оно имело несколько серьезных недостатков, что привело в современной стоматологической практике к практически полному отказу от него. Как указывалось ранее, излучение, генерированное ультрафиолетовым источником, вредно для глаз как пациента, так и стоматолога. Наконец, ультрафиолетовые фотоны могут стать причиной распада отвержденного полимера и привести к снижению прочности реставрационного материала.4

Фотополимеризация видимым излучением

Недостатки, связанные с использованием излучения ультрафиолетового диапазона, привели к открытию и разработке фотопоглотителей, приспособленных для активации более длинными и более безопасными волнами в пределах видимого излучения участка спектра — 400-500 нм.10 Переход от ультрафиолетового отверждения к отверждению видимым излучением сделал необходимым изменения в природе отверждающего излучения для активации стоматологических реставрационных материалов. Для стоматологических реставраций, активируемых видимым излучением, наиболее широко используется фотопоглотитель, которым является система, основанная на камфорохиноне (рис. 2). Камфорохинон абсорбирует видимое излучение в диапазоне 375-500 нм с максимумом на уровне ~~ 470 нм (рис. 3).11 Как альтернативные фотопоглотители используются также другие системы инициации, такие как 1-фенил-1,2-пропандион (рис. 2).12 Диапазон поглощения фенилпропандиона (рис. 3) связан с волнами более короткой длины с максимумом на уровне ~~ 400 нм. Таким образом, эффективная длина волн, при которых системы инициации абсорбируют световую энергию и, следовательно, генерируют свободные радикалы, различна и зависит от вида фотопоглотителя. Кроме того, интенсивность перехода абсорбированной световой энергии к генерации свободных радикалов зависит от особых количественных механических характеристик каждого фотопоглотителя.3

Типы фотополимеризационных источников

Для инициирования фотополимеризации были разработаны светоотверждающие приборы для применения в стоматологии. Как уже говорилось ранее, применение ультрафиолетовых отверждающих приборов в стоматологии продолжалось недолгое время, и они были заменены приборами, генерирующими фотоны в диапазоне видимого излучения. Таким образом, далее речь пойдет о приборах, создающих необходимое излучение в видимом диапазоне ~~ 400-500 нм.

Выражение признательности

Авторы с удовольствием выражают благодарность д-ру Фредреку Регбергу из Стоматологической школы Медицинского колледжа Джорджии, Аугуста, за предоставление материалов для диаграмм, использованных в этой статье.

Продолжение статьи читайте в следующем номере «ДентАрта»

Литература

  1. Sharkey S., Ray N., Burke F., et al. Surface hardness of light-activated resin composites cured by two different visible-light sources: an in vitro study. Quintessence Int 32(5):401-405, 2001.
  2. Kurachi C., Tuboy A., Magalhaes D., et al. Hardness evaluation of a dental composite polymerized with experimental LED-based devices. Dent Mater 17(4):309-315, 2001.
  3. Olayan H., Hamid H.S., Owen E. Photochemical and thermal crosslinking of polymers. J M S-Rev Macromol Chem Phys C 36(4):671-719, 1996.
  4. Gruber H.F. Photoinitiators for free radical polymerizations. Prog Polym Sci 17:953-1044, 1992.
  5. Anusavice K. (ed) Phillips' Science of Dental Materials 10 th ed. Philadelphia, WB Saunders Co., p.218, 1996.
  6. Jakubiak J., Babek J. Photoinitiators for visible light polymerization. Polimery 44:447-570, 1999.
  7. Kurachi C., Eduardo C.P., Magalhaes D.V., et al. Human teeth exposed to argon laser irradiation: determination of power-time-temperature working conditions. J Clin Laser Med Surg 17(6):255-259, 1999.
  8. Harrington E., Wilson H.J. Determination of radiation energy emitted by light activation units. J Oral Rehabil 22(5):377-385, 1995.
  9. Crivello J.V., Dietliker K., Bradley G. Photoinitiators for Free Radical Cationic and Anionic Photopolymerization, 2nd ed Chichester, John Wiley and Sons Ltd., pp 115-124, 1998.
  10. Bassiouny M.A., Grant A.A. A visible light-cured composite restorative. Clinical open assessment. Br Dent J 145(11):327-330, 1978.
  11. Nomoto R. Effect of light wavelength on polymerization of light-cured resins. Dent Mater J 16(l):60-73, 1997.
  12. Park Y.J., Chae K.H., Rawls H.R. Development of a new photoinitiation system for dental light-cure composite resins. Dent Mater 15(2):120-127, 1999.
  13. Stahl F., Ashworth S.H., Jandt K.D., et al. Light-emitting diode (LED) polymerization of dental composites: flexural properties and polymerization potential. Biomaterials 21(13):1379-1385, 2000.
  14. Miyazaki M., Hattori T., Ichiishi Y., et al. Evaluation of curing units used in private dental offices. Oper Dent 23(2):50-54, 1998.
  15. Cobb D.S., Vagas M.A., Rundle T. Physical properties of composites cured with conventional light or argon laser. Am J Dent 9(5):199-202, 1996.
  16. Whitters C.J., Girkin J.M., Carey J.J. Curing of dental composites by use of InGaN light-emitting diodes. Optics Letters 24(l):67-68, 1999.
  17. Jandt K.D., Mills R.W., Blackwell G.B., et al. Depth of cure and compressive strength of dental composites cured with blue light emitting diodes. Dent Mater 16(l):41-47, 2000.
  18. Mills R.W., Jandt K.D., Ashworth S.H. Dental composite depth of cure of halogen lamp and blue light emitting diode technology. Brit Dent J 186(8):388-391, 1999.
Наверх