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 светоотвер# ждающих 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.

Начало статьи читайте в «ДентАрте» №3/2006

Галогеновые приборы

В настоящее время наиболее часто применяемым светоотверждающим источником, работающим в видимом диапазоне, является галогеновая лампа. Как показано на рис. 4, спектральная эмиссия фильтрованного кварцвольфрамгалогенового излучения достаточно сопоставима с кривой поглощения большинства широко используемых фотопоглотителей на основе камфорохинона, что делает, таким образом, применение этих приборов очень эффективным для инициации полимеризации с применением камфорохинона. Более того, хотя на рис. 5 видно, что кривая поглощения фенилпропандиона не так близка по параметрам с эмиссионной кривой типичного галогенового излучения, однако есть достаточно значительный общий участок в диапазоне ~~ 400-450 нм, чтобы сделать возможным отверждение фотопоглотителя типа фенилпропандиона.

В дополнение к наличию спектрального распределения, которое достоверно сравнимо с системой камфорохинона, в настоящее время у галогеновых отверждающих приборов есть несколько других преимуществ. Во-первых, эта технология применяется в течение многих лет, она надежна и логична. Во-вторых, производительная мощность галогеновых ламп возросла с годами так, что в этом спектральном диапазоне световая эмиссия достаточно интенсивна для отверждения реставрационных материалов в течение короткого промежутка времени. В-третьих, оптико-волоконные световоды претерпели усовершенствования, такие как конусность, позволяющие накапливать больше световой энергии и передавать ее на меньшее поле для повышения интенсивности светового потока.

В то же время галогеновые приборы имеют и много недостатков.13 Одним из них является недостаточный коэффициент полезного действия источника излучения. Естественным следствием этого метода генерации излучения является очень широкий спектральный диапазон излучения — от темных инфракрасных до интенсивно ультрафиолетовых участков электромагнитного спектра. Это значит, что излучение галогеновых приборов должно быть хорошо отфильтровано, поэтому только относительно малый процент спектральной эмиссии используется в отверждении реставрационных материалов. К тому же, поскольку галогеновая лампа излучает большое количество инфракрасных лучей, она генерирует значительное количество тепла, которое должно быть отфильтровано и нейтрализовано. Следовательно, каждый галогеновый источник должен интенсивно охлаждаться.

Другим недостатком кварцвольфрамгалогеновой технологии является низкая надежность лампы и фильтра. Лампы со временем изнашиваются, и мощность излучения постепенно снижается. Без постоянного измерения мощности невозможно определить, достаточно ли ее для обеспечения полного отверждения реставрационных материалов. Падение мощности лампы также может быть внезапным и полным, и тогда излучение будет отсутствовать совсем. Наконец, фильтры подвергаются влиянию значительного нагревания и могут выйти из строя. Когда это случается, волны нежелательной длины могут оказывать влияние на пациента или оператора.14 Из-за значительных недостатков галогеновых приборов были разработаны другие источники излучения спектра видимого диапазона.

Плазменнодуговые полимеризаторы

Необходимость увеличения мощности отверждающих приборов привела к изобретению плазменнодуговых ламп, имеющих большую интенсивность световой эмиссии. В плазменнодуговых технологиях электрический разряд высокочастотного тока пробегает между двумя электродами, что в свою очередь формирует высокоэнергетичную форму материи, называемую плазмой. Так как эмиссия излучения в этих системах очень интенсивна, большинство производимого излучения имеет длину волны, которая не может быть использована с системой инициации на основе камфорохинона (рис. 6). Как и в случае с галогеновой лампой, для управления световой эмиссией плазменнодуговой лампы требуются интенсивные фильтрация широкого участка спектра и охлаждение. Обычно плазменнодуговые лампы дают очень интенсивный световой поток, особенно на дискретных максимумах. В результате время отверждения стоматологических реставрационных материалов соответственно сокращается.2 И все же эти лампы также имеют недостатки, которые делают их не идеальными для отверждения стоматологических материалов.

Плазменнодуговые приборы достаточно дорого стоят и требуют значительных расходов при эксплуатации. К тому же полоса отфильтрованных волновых частот 400-500 нм в общем такая же, как и у галогеновых ламп. Из-за интенсивных максимумов, которые не совпадают с абсорбцией камфорохинона, какая-то часть этого излучения не делает ничего, кроме нагревания зуба. Поэтому в полости зуба возможно значительное накопление тепла, особенно при использовании светоотверждаемых материалов, требующих длительного воздействия для полного отверждения. Кроме того, чтобы минимизировать вредные эффекты накопления тепла в самой лампе, разряды должны быть разбиты на сравнительно короткие вспышки, обычно по 3-5 секунд с перерывами между ними для остывания. Следовательно, если для отверждения необходимо много циклов, снижается преимущество использования светового потока высокой интенсивности. И, наконец, из-за того, что плазменнодуговые приборы потребляют значительную электрическую мощность, для них невозможно создать беспроводное приспособление.

Приборы лазерного отверждения

Еще одна технология, применяемая в современной стоматологической практике для отверждения реставрационных материалов, — это отверждение лазером.15 В лазере электрическая энергия трансформируется напрямую в сплошной луч света. Фотоны, генерируемые лазером, характеризуются энергетическим уровнем газа, используемого в лазере, поэтому эмиссионное излучение может иметь только несколько характерных длин волны. Две наиболее интенсивные длины волн, создаваемые аргоновым лазером, имеют 514 нм (зеленый) и 488 нм (голубой). Технологические требования для фильтрационных зеркал лазера обуславливают применение светового потока с длиной волны только 488 нм, имеющейся внутри участка спектрального поглощения камфорохинона и, следовательно, способной инициировать реакцию отверждения (рис. 7).

Заметьте, что на рис. 7 шкала спектрального потока (в милливаттах) имеет масштаб в 3-4 раза больше шкалы обычного кварцвольфрамгалогенового излучателя. Поэтому излучение аргонового лазера, распределяясь только в узком диапазоне (всего несколько нанометров), является довольно интенсивным. С другой стороны, оно хотя и находится в рамках спектра абсорбции камфорохинона, но не совсем совпадает с этой абсорбцией. Лазер оперирует на участке абсорбции, который расположен далеко от максимума кривой камфорохинона и, следовательно, при отверждении композитов значительно менее эффективен, чем в случае концентрации лазерного излучения на максимуме абсорбции камфорохинона. Главное преимущество аргоновых лазеров как приборов для отверждения стоматологических материалов заключается в том, что они имеют высокое, хотя и очень узкое распределение длины волн. В итоге фотоны аргонового лазера имеют достаточно схожий коэффициент полезного действия в активации абсорбции камфорохинона. Однако эти приборы стоят дорого и требуют значительных расходов при эксплуатации. Они также не могут быть беспроводными, поскольку требуют очень мощного тока для создания энергетической инверсии, необходимой для функционирования и действенного охлаждения, что предотвращает изнашивание лазерной трубки. Кроме того, лазерная трубка так же недолговечна, как и плазменнодуговой излучатель. В результате основной прибор для лазерного излучения громоздок и неэргономичен при перемещении во время работы, а его ручная часть неудобна в манипуляциях возле пациента. Наконец, необходимы суровые меры безопасности при использовании лазеров для предотвращения отклонения луча и отражений, которые могут повредить мягкие ткани и глаза.15

Приборы светодиодного отверждения

Прибором для генерации фотонов, широко применяемым в последние годы, является светодиодный излучатель.16-18 Диод — это полупроводниковое устройство, имеющее в своем составе полупроводники донорного Н-типа и акцепторного П-типа, соединенные вместе. Материал донорного типа имеет избыток электронов, пригодных для проведения тока, а материал акцепторного типа имеет дефицит электронов (т.е. пустоты), которые также могут проводить ток. В месте соединения происходит комбинация пустот и электронов с формированием узкого участка без пустот и избыточных электронов. Напряжение, приложенное к устройству, заставляя перемещаться к месту соединения электроны из материала Н-типа и пустоты из материала П-типа, создает электрический ток как комбинацию электронов и пустот. В светодиодной технологии перемешивание электронов и пустот продуцирует фотоны с длиной волны, характерной для материала полупроводника, размера места соединения и других характеристик диода.

Первые светодиодные излучатели были созданы в начале 1960-х и излучали свет в красном, желтом и зеленом диапазонах. В прошлом десятилетии появились светодиоды, которые излучали голубую часть спектра, и только в последние несколько лет появились светодиоды с достаточно производительной интенсивностью, чтобы применяться в стоматологических светоотверждающих приборах. Поскольку световое излучение голубого светодиодного излучателя очень специфично по типу полупроводника, используемого для генерации излучения, диапазон длины волны света, излучаемого светодиодом, довольно узкий. Это является его преимуществом, поскольку голубым светодиодом не генерируется излучение ни ультрафиолетового, ни инфракрасного диапазонов. Появляется возможность использовать эти приборы без фильтров, которые необходимы в галогеновом и плазменнодуговом приборах (рис. 8).

Кроме того, при использовании светодиодного излучателя минимально воздействие тепла на ткани полости рта, поскольку отсутствуют волны инфракрасного диапазона (рис. 9). Как видно на рис. 10, спектральная эмиссия голубого светодиодного излучателя совпадает с абсорбционным максимумом камфорохинона, делая его идеально подходящим для полимеризации этих типов стоматологических материалов. Однако, поскольку светодиод имеет узкий диапазон длины волны (приблизительно 60 нм), эффективность абсорбции фотонов фенилпропандионом ограничена, поэтому светодиодные приборы не рекомендуются для отверждения материалов с системами инициации на основе фенилпропандиона. Как видно на рис. 11, все из представленных светодиодных приборов, появившихся на рынке, имеют одинаковый волновой диапазон и отличаются только интенсивностью излучения (приборы с более интенсивным излучением обладают большей эффективностью фотоинициации).

Светодиодные лампы имеют множество преимуществ в сравнении с другими, более традиционными источниками излучения для отверждения стоматологических материалов. Во-первых, длина волны светодиодного излучателя составляет приблизительно 470 нм, что идеально совпадает с длиной волны абсорбции камфорохинона, используемого в большинстве стоматологических материалов, отверждаемых видимым излучением. Более того, диапазон излучения пиковой интенсивности шире, чем диапазон лазерных приборов, но значительно уже диапазона галогенового и плазменнодугового источников, следовательно, более точно совпадает со спектром абсорбции камфорохинона, чем у любого другого из существующих источников излучения. Не нужно никаких фильтров или других подобных приспособлений, которые приводят к трансмиссионным потерям. А это значит, что излучение голубого светодиодного излучателя эффективнее любого другого источника для инициации отверждения материалов на основе камфорохинона. Все фотоны светодиода принимают участие в реакции инициации отверждения и имеют волновой диапазон, в котором система камфорохинона наиболее работоспособна. Кроме того, светодиодные излучатели наиболее эффективны при превращении электрического тока в излучение необходимого волнового диапазона.17 Коэффициент полезного действия светодиодного излучателя равен примерно 10%, в то время как КПД других источников излучения составляет гораздо меньше 1%. Это значит, что в светодиодной лампе генерируется гораздо меньше тепла, чем в других приборах, и ручной блок прибора может быть беспроводным с питанием от батарей. Это значительно улучшает эксплуатационные характеристики полимеризационных приборов, поскольку ручной блок больше не связан с громоздким основным прибором ни электрическим шнуром, ни хрупким и дорогим световодом. Еще одним преимуществом светодиодных отверждающих приборов над их предшественниками является то, что его основа — это материал в твердом состоянии. Он более прочный и менее изнашиваемый, чем лазерные трубки или галогеновые и плазменнодуговые лампы. К тому же, светодиодные излучатели имеют прогнозируемый срок эксплуатации несколько тысяч часов — в сравнении с менее чем ста часами самых высокопроизводительных галогеновых ламп.

Выводы

Полимеризация реставрационных материалов в течение последних лет улучшена и, без сомнения, будет совершенствоваться и дальше в направлении эффективности, расширения сферы применения и инновационных усовершенствований. Многочисленные методики и разнообразное оборудование применяются ко все большему количеству светополимеризуемых материалов. Каждое изобретение имеет присущие ему особенности, преимущества и недостатки. Знание основных особенностей этих полимеризационных процессов дает возможность стоматологам-практикам принимать обоснованные решения, наиболее подходящие для их практических нужд.

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.

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 10th 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