LS9.2 Vernetzte Kunststoffe

"Normale" Monomere wie MMA werden mit einer C=C-Doppelbindung pro Molekül polymerisiert, so können zwei oder mehr kettenförmige Moleküle entstehen. Diese Polymerketten sind (außer durch Wasserstoffbrücken) nicht direkt untereinander vernetzt. Das sollte Dir soweit von der Polymerisation von Methylmethacrylat bekannt sein.

Vernetzung von Kunststoffen (Level 1/2)

Komposite müssen als Verblendungen sehr hart sein, um nicht sehr schnell durch Kaubelastungen zerstört bzw. abgerieben zu werden. Deshalb bestehen sie aus Momomeren mit zwei (oder mehr) statt einer Doppelbindung. Diese können dann statt nur Ketten eine quervernetztes Netzwerk bilden. Dieses Netzwerk ist sehr fest und sehr hart.

Im Bereich von Dentalkunststoffen kommen Verbindungen zum Einsatz, die von der Methacrylsäure abgeleitet sind – beispielsweise das Bis-GMA oder UDMA. Diese Monomere sind alle recht groß, und damit auch sehr hochviskos. Deshalb müssen weiteren Monomere hinzugefügt werden, die die Viskosität der Masse senken und sie damit gut modellierbar machen.

Bei der Polymerisation von dentalen Kompositen spielen Monomere und Co-Monomere unterschiedliche, aber sich ergänzende Rollen bei der Bildung eines verzweigten polymeren Netzwerks.

Vernetzung von Kunststoffen (Level 2)

Monomere

Monomere sind die grundlegenden Bausteine, die sich zu langen Polymerketten verbinden. Bei dentalen Kompositen wird häufig ein hochviskoses (sehr zähflüssiges) Monomer (wie Bis-GMA oder UDMA) verwendet, das durch seine molekulare Struktur und seine funktionellen Gruppen (beispielsweise Methacrylatgruppen) die Grundlage für das harte, stabile Polymernetz bietet, wenn es vernetzt wird. Das daraus entstehende Netzwerk verleiht dem Komposit die notwendige Festigkeit und Stabilität für den dentalen Einsatz.

Co-Monomere

Co-Monomere (manchmal auch als sekundäre Monomere bezeichnet) werden gemeinsam mit den Hauptmonomeren polymerisiert. Ihre wesentlichen Aufgaben sind:

• Verringerung der Viskosität: Oft haben die Hauptmonomere hohe Viskositäten, was die Handhabung erschweren kann. Comonomere wie TEGDMA (Triethylenglycolmethacrylat) werden eingesetzt, um die Viskosität zu senken und eine leichtere Verarbeitung zu ermöglichen.
• Verbesserung der Polymerisationsreaktion: Durch die Beimischung von Co-Monomeren kann eine dichtere und homogenere Vernetzung erreicht werden, was zu verbesserter mechanischer Stabilität und geringerer Schrumpfung während der Polymerisation führt.
• Modifikation der Eigenschaften des Endprodukts: Mit der Variation des Verhältnisses von Hauptmonomeren zu Co-Monomeren können Eigenschaften wie Flexibilität, Härte, Schrumpfungsverhalten und die indirekte Biokompatibilität des Komposits gezielt eingestellt werden.

Vernetzung von Kunststoffen (Level 3)

Bis-GMA

Bis-GMA (Bisphenol A-Glycidylmethacrylat) ist ein Harz, das häufig in zahnmedizinischen Kompositen, zahnmedizinischen Versiegelungen und zahnmedizinischem Zement verwendet wird. Es handelt sich um den Diester, der aus Methacrylsäure und dem Bisphenol A-Diglycidylether abgeleitet ist.

Mit zwei polymerisierbaren Gruppen ist es anfällig für die Bildung eines vernetzten Polymers, das in zahnmedizinischen Restaurationen verwendet wird. Für zahnmedizinische Arbeiten wird hochviskoses Bis-GMA mit Aluminosilikatpartikeln, zerstoßenem Quarz und anderen verwandten Acrylaten gemischt; Änderungen der Komponentenverhältnisse führen zu unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Endprodukts. Bis-GMA wurde 1962 von Rafael Bowen (daher auch der zusätzliche Name Bowen-Monomer) in zahnmedizinische Kompositharze integriert. Bis zur Entwicklung von Matrixmaterialien in den frühen 2000er Jahren waren Bis-GMA und verwandte Methacrylatmonomere die einzigen Optionen für die organische Matrixzusammensetzung.

UDMA

UDMA (Urethanedimethacrylat) ist ein gängiger Monomerbestandteil für die Basis-Matrix der Komposite:

1. Funktion als Basis-Komponente:
   • UDMA dient als einer der Hauptbestandteile in der organischen Matrix von Dentalkompositen. Es vernetzt sich während der Polymerisation zu einem festen Polymernetzwerk, das die mechanische Stabilität der Restauration unterstützt.
2. Mechanische Eigenschaften:
   • Hohe Festigkeit und Zähigkeit:** Aufgrund seiner chemischen Struktur trägt UDMA zur Erreichung hoher Festigkeit und Zähigkeit der Komposite bei, was insbesondere bei Belastungssituationen im Kaugebiet vorteilhaft ist.
   • Geringe Polymerisationsspannung:** Durch seine polymerisationsreaktiven Eigenschaften führt UDMA zu einer relativ niedrigen, gleichmäßigen Polymerisationsspannung, was das Risiko von Rückzugskräften und Mikrorissen verringert.
3. Ästhetische Vorteile:
   • UDMA-basierte Komposite bieten oft eine gute Mischung aus ästhetischen Eigenschaften wie Transparenz und Farbbeständigkeit, was sie für ästhetische Restaurationen im vorderen Zahnsegment attraktiv macht.
4. Verarbeitungseigenschaften:
   • Fließfähigkeit und Handling: Die Verwendung von UDMA in Kombination mit anderen Monomeren kann die Viskosität der Kompositmischung so einstellen, dass eine optimale Handhabung und Anpassbarkeit an die Restorationsstelle gewährleistet wird.
   • Curing-Verhalten: UDMA-haltige Systeme reagieren gut auf Lichtpolymerisation, was eine kontrollierte Aushärtung und tiefergehende Vernetzung im Material erlaubt.
   • Biokompatibilität: Moderne UDMA-basierte Materialien werden so hergestellt, dass sie eine akzeptable Biokompatibilität aufweisen, was in der Zahnmedizin von großer Bedeutung ist.

TEGDMA

TEGDMA (Triethylenglycoldimethacrylat) ist eine weit verbreitete Komponente in der Zahnrestauration, besonders in Kompositmaterialien. Ähnlich wie UDMA spielt TEGDMA eine wichtige Rolle im Polymerisationsprozess, weist jedoch spezifische Eigenschaften auf, die seinen Einsatz in der Dentaltechnik beeinflussen. Im Folgenden eine detaillierte Erläuterung der Zusammenhänge und Funktionen von TEGDMA:

1. Funktion als Reaktiv-Diluent:
   • TEGDMA wird häufig als „reaktiv-Diluent“ verwendet. Das bedeutet, dass es die Viskosität des Kompositsystems reduziert, sodass andere hochviskose Monomere (z. B. UDMA oder Bis-GMA) besser verarbeitet werden können.
   • Durch seine Verwendung wird eine homogene Mischung erzielt, was die Handhabung und die Applikation des Materials an der Zahnrestaurationsstelle erleichtert.
2. Polymerisation und Vernetzung:
   • TEGDMA besitzt zwei methacrylatartige Doppelbindungen, über die es in die Polymerisation eingebunden wird. Während des Polymerisationsprozesses vernetzt es sich mit anderen Monomeren zu einem dreidimensionalen Polymernetzwerk.
   • Diese Vernetzung trägt maßgeblich zur Festigung und strukturellen Integrität des Kompositmaterials bei.
3. Einfluss auf mechanische Eigenschaften:
   • Aufgrund seiner relativ niedrigen Molekularmasse kann TEGDMA zu einer verbesserten Ausnutzung der Polymerisationsreaktion beitragen. Dies ermöglicht eine dichtere Vernetzung, was sich in guten mechanischen Eigenschaften des Endmaterials (etwa hohe Festigkeit) niederschlagen kann.
   • Allerdings besteht bei einem hohen Anteil von TEGDMA auch die Gefahr einer erhöhten Polymerisationsschrumpfung. Daher wird TEGDMA üblicherweise in Kombination mit Monomeren höherer Molekularmasse eingesetzt, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verarbeitbarkeit und physikalischer Stabilität zu erreichen.
4. Ästhetische Eigenschaften und Oberflächenqualität:
   • Der Einsatz von TEGDMA trägt zu einer glatten und gleichmäßigen Polymerisation bei, was sich positiv auf die Oberflächenqualität der Zahnrestauration auswirken kann.
   • Zudem unterstützt es eine homogene Dispersion von Füllstoffen, was zur Ästhetik des Endprodukts beiträgt.
5. Biokompatibilität:
   • Moderne Systeme achten darauf, dass der Anteil von TEGDMA so formuliert wird, dass nach der Polymerisation möglichst wenig monomerer Rest im Material verbleibt. Dies ist wichtig, um potenzielle cytotoxische Effekte zu minimieren und eine hohe Biokompatibilität zu gewährleisten.

HEMA

HEMA (2-Hydroxyethylmethacrylat) ist ein häufig eingesetztes Monomer in Dentalkompositen und spielt eine wichtige Rolle im Polymerisationsprozess. Im Folgenden die wesentlichen Aspekte seiner Funktion:

1. Funktion als reaktives Monomer:
   • HEMA besitzt eine methacrylatartige Doppelbindung, die während der Polymerisation aktiviert wird, wodurch es in das entstehende Polymernetzwerk eingebunden wird.
   • Durch seine geringe Molekülgröße kann HEMA in Bereichen mit eingeschränktem Platzangebot effektiv in die Matrix integriert werden.
2. Verbesserung der Benetzungs- und Haftungseigenschaften:
   • Aufgrund seiner hydrophilen Hydroxyethylgruppe verbessert HEMA die Benetzung von Füllstoffen und Substraten.
   • Diese Eigenschaft unterstützt die Wechselwirkung zwischen adhäsiven Komponenten und der Zahnsubstanz, was letztlich zu einer besseren Haftung der Kompositrestauration an der Zahnoberfläche führt.
3. Steigerung der Polymerisierungsqualität:
   • HEMA trägt zur homogeneren Verteilung der Monomere im System bei, was einen gleichmäßigeren Aushärtungsprozess ermöglicht.
   • Durch diese bessere Verteilung kann ein dichter vernetztes Polymernetzwerk erzielt werden, das die mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials optimiert.
4. Einfluss auf Polymerisationsverhalten:
   • HEMA reagiert in der Regel schnell und unterstützt die Polymerisationskinetik.
   • Allerdings kann ein zu hoher Anteil von HEMA auch zu einer Erhöhung der Wasseraufnahme und einer möglichen Beeinträchtigung der langfristigen mechanischen Stabilität führen. Daher muss sein Anteil in der Kompositformulierung sorgfältig abgestimmt werden.

Vernetzung von Kunststoffen (Level 4)

Die Toxikologie und Allergolie von Dentalkunststoffen ist ein wichtiges Thema bei der Verarbeitung von Kompositen. Nur die vollständige und sorgfältige Polymerisation der Komposite kann einigermaßen verlässlich vor allergischen Reaktionen oder pathologischen Begleiterscheinungen schützen.