Methods and physical chemistry of resin-based dental composites

Abstract

Les propriétés des composites dentaires ont été nettement améliorées depuis leur invention, mais la compréhension de la physique qui guide leurs propriétés est toujours obscure. L’objectif de cette thèse est de découvrir les tendances et relations qui régissent l’effet des agents de remplissage sur les propriétés du composite qui en résulte. La photocalorimétrie (pDSC) a déjà été utilisée pour mesurer le degré de conversion des résines dentaires, mais les paramètres de mesure n’ont jamais été adéquatement définis. En utilisant des variations systématiques dans la séquence d’analyse, la température, la masse d’échantillon, l’intensité lumineuse ou la composition atmosphérique, un protocole optimisé a été établi pour obtenir des résultats fiables et reproductibles. Une série de composites dentaires a ensuite été formulée avec de la silice sphérique à basse dispersité de tailles gradées de 75 à 1000 nanomètres à différents taux de chargement. La viscosité de ces composites avant la polymérisation a été mesurée et utilisée pour améliorer le modèle classique Krieger-Dougherty de viscosité des suspensions de façon à ce qu’il inclue l’aire de surface des particules en plus du taux de chargement. Ce model étendu (EKD) a aussi été utilisé pour calculer la conversion du composite. C’est le premier modèle unifié qui permet de calculer la viscosité et la conversion des composites en utilisant seulement la taille des agents de remplissage et la composition de la résine. Le chargement maximal et les propriétés mécaniques de ces mêmes composites ont aussi été étudiées. Bien que le chargement maximal fonctionnel varie selon la taille des particules, la force flexurale ultime des composites dépend seulement du taux de chargement des particules et non de leur taille. D’autres tests avec ces composites ont démontré que la taille des particules est directement liée à la transparence des matériaux, ainsi l’opacité augmente avec la taille des particules. Cet œuvre avance les limites de la compréhension des matériaux dentaires. Le nouveau protocole de pDSC permet des mesures plus fiables de conversion et le model EKD nous permet de prédire plus précisément les propriétés des composites par leurs composantes seules. Les règles établies dans cette thèse peuvent donc être utilisées pour concevoir des composites avec les propriétés désirées de viscosité avant polymérisation, de conversion, de propriétés mécaniques et de transparence.

The properties of dental resin composites have improved significantly since their inception, but the fundamental physics behind their properties remain to be explained or modeled comprehensively. The aim of this thesis is therefore to study the fundamental trends and relationships between the filler particles constituting these materials and the resulting properties. Photocalorimetry (pDSC) methods have been used previously to measure the degree of conversion in dental resins, but the measurement parameters have never been adequately assessed. Through systematic variations of the analysis sequence, sample mass, temperature, light intensity, and atmospheric composition, an optimized protocol was established to yield reliable and reproducible results. A series of dental composites was then formulated with spherical silica particles of graded sizes from 75 to 1000 nanometers at different loading levels. The viscosity of these composites before polymerization was measured and used to expand the classic KriegerDougherty suspension viscosity model to account for filler surface area in addition to filler loading. This extended model (EKD) was also used to model composite conversion, resulting in the first unified model of composite viscosity and conversion using only filler size and resin composition. The maximum loading and post-cure mechanical properties of these same composites were also examined. Although the maximum functional filler loading varied according to the filler size, the ultimate flexural strength of the materials depended only on the filler loading. Further tests with these composites showed that filler size was directly responsible for transparency of the materials, with opacity increasing as a function of filler size. This work pushes the boundaries of understanding in dental composites. The newly established protocol for pDSC measurements yields more reliable conversion data, and the EKD model allows for more accurate predictions of dental composite properties directly from their component parts. The guidelines established here can now be used to design new composites with the desired properties of viscosity, conversion, mechanical strength, and transparency. Keywords: photocalorimetry, pDSC technique, viscosity, loading, spherical silica, surface area, transparency, formulations, guidance, technical understanding.