Composite – Thành phần

Về cơ bản, composite là một loại nhựa đã được gia cố bằng cách thêm các hạt silica được gọi là chất độn. Nghiên cứu tiên phong của Bowen cùng với sự phát triển của kỹ thuật ăn mòn axit và chất kết dính, đã tạo nên một cuộc cách mạng trong nha khoa phục hồi. Nó thay thế phần lớn các loại nhựa silicat và acrylic phục hồi trước đó. Composite là một hệ thống bao gồm một hỗn hợp của hai hoặc nhiều đại phân tử, về cơ bản là không hòa tan vào nhau và khác nhau về hình thức. Các đặc tính của vật liệu composite vượt trội hơn so với các đặc tính của các thành phần riêng lẻ của nó. Vật liệu composite tạo thành cứng hơn và bền hơn vật liệu nền nhựa, nhưng ít giòn hơn thủy tinh. Ví dụ về vật liệu composite tự nhiên là men răng và ngà răng (mạng lưới được làm từ collagen, với các tinh thể hydroxyapatite hoạt động như chất độn). Mặc dù vật liệu composite ban đầu được phát triển cho các mục đích phục hồi, việc sử dụng của chúng sau đó được mở rộng để bao gồm các phục hồi tạm thời, dán, v.v.

Các thành phần cơ bản của nhựa composite

• Mạng lưới nhựa — Bis-GMA hoặc urethane dimethacrylate
• Chất độn — thạch anh, silica keo hoặc thủy tinh kim loại nặng
• Tác nhân ghép nối — Organosilanes.

Ngoài ra chúng còn chứa

• Hệ thống trùng hợp — Hóa hoặc quang trùng hợp.
• Chất ức chế (0,01%) – Ngăn chặn quá trình trùng hợp sớm, ví dụ: butylated hydroxytoluene (BHT)
• Chất hấp thụ tia cực tím — để cải thiện độ ổn định của màu sắc
• Opacifer— (0,001 đến 0,007%), ví dụ: titanium dioxide và nhôm
• Sắc tố màu – để phù hợp với màu răng.

Mạng lưới nhựa

Composite nha khoa sử dụng hỗn hợp các monome là dimethacrylat thơm hoặc béo. Trong số này, Bisphenol-A-glycidyl methacrylate (bis-GMA), urethane dimethacrylate (UDMA) và Bisphenol-A-polyethylene glycol diether dimethacrylate (bis-EMA) được sử dụng phổ biến nhất. Triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) được thêm vào để kiểm soát độ nhớt. Bis-GMA được phát triển bởi R.L Bowen (Bowen’s resin) vào đầu những năm 1960. Các đặc tính của nó vượt trội hơn so với các đặc tính của nhựa acrylic. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế như:

• Độ nhớt cao yêu cầu sử dụng monome pha loãng
• Khó trong việc tổng hợp một composite thuần túy
• Không khí ức chế mạnh đối với quá trình trùng hợp
• Hấp thụ nước cao vì sử dụng chất pha loãng
• Sự co ngót do trùng hợp và những thay đổi về cấu trúc do nhiệt vẫn tồn tại
• Giống như các loại nhựa khác, nó không bám vào cấu trúc răng

Để làm cho nó được chấp nhận về mặt lâm sàng, các monome pha loãng được thêm vào chất nền nhựa để giảm độ nhớt của nhựa. Nó cũng cho phép kết hợp nhiều chất độn hơn. Chất pha loãng cho phép liên kết chéo rộng rãi giữa các chuỗi, do đó làm tăng đề kháng của chất nền với dung môi. Monomer pha loãng thường được sử dụng là TEGDMA. Vì vậy, nhựa composite phải được pha trộn với các monome khác nhau để tối ưu hóa các đặc tính của chúng.

Hạn chế của TEGDMA bao gồm:

• Độ co ngót cao.
• Góp phần làm giảm thời hạn sử dụng do thâm nhập vào các plastic wall.
• Có tính ưa nước nên composite dễ bị ẩm dẫn đến đặc hoặc mềm của hỗn hợp trong một số điều kiện khí hậu nhất định.

(Vì những nhược điểm này, một số nhà sản xuất đã thay thế phần lớn TEGDMA bằng sự pha trộn của UDMA và bis-EMA).

Chỉ số khúc xạ là một đặc tính quan trọng đối với các vật liệu phục hồi vùng răng phía trước. Để có tính thẩm mỹ chấp nhận được, nhựa composite phải phù hợp với độ trong của men răng. Bis-GMA và TEGDMA có chỉ số khúc xạ tương ứng là 1,55 và 1,46, trung bình khoảng 1,5 khi kết hợp với nhau.

CHẤT ĐỘN

Chất độn đóng một vai trò quan trọng trong nhựa composite. Hầu hết các đặc tính quan trọng của nhựa được xác định bởi hàm lượng chất độn của nó. Chất độn composite được phân loại theo chất liệu, hình dạng và kích thước. Nhiều phân loại khác nhau của chất độn đã được đề xuất. Chúng được phân loại rộng rãi thành 3 nhóm – macro, micro và nano. Hỗn hợp của các kích thước hạt khác nhau được gọi là hỗn hợp lai.

Chức năng của chất độn

1. Cải thiện độ bền – Chất độn gia cố nhựa và cải thiện các đặc tính cơ học như độ bền, độ đặc, độ cứng, v.v.

2. Giảm co ngót — Khi có ít nhựa hơn, co sẽ giảm do đó làm giảm rò rỉ ở bờ phục hồi.

3. Giảm mòn – Chất độn đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm sự mài mòn của nhựa composite. Kích thước càng nhỏ và hàm lượng chất độn càng cao thì khả năng chống mài mòn càng tốt.

4. Độ mịn và thẩm mỹ bề mặt – Chất độn ảnh hưởng đến độ mịn bề mặt và tính thẩm mỹ sau này của composite. Kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng đánh bóng càng lớn. Kích thước hạt lớn hơn trong vật liệu composite ban đầu góp phần tạo ra độ nhám bề mặt và sự ố màu.

5. Giảm hấp thụ nước – Nhựa hấp thụ nước và làm cho nó dễ bị mòn và ố màu. Filler làm giảm sự hấp thụ nước bằng cách giảm hàm lượng nhựa tổng thể.

6. Giảm sự giãn nở và co lại do nhiệt — Chất độn có CTE thấp hơn so với nhựa.

7. Cải thiện xử lý lâm sàng (tăng độ nhớt giúp xử lý lâm sàng dễ dàng hơn).

8. Tạo cản quang — giúp cải thiện chẩn đoán (ví dụ: phát hiện sâu răng thông qua hình ảnh x quang, v.v.).

Các thuộc tính quan trọng của chất độn

Các thuộc tính quan trọng của chất độn, xác định các đặc tính và ứng dụng lâm sàng của vật liệu composite là

• Lượng chất độn được thêm vào
• Kích thước của các hạt và sự phân bố của nó
• Hình dạng của chất độn
• Chỉ số khúc xạ
• Độ cản quang
• Độ cứng

1. Kích thước chất độn: Kích thước của chất độn ảnh hưởng đến độ nhẵn bề mặt và khả năng chống mài mòn. Các chất độn càng nhỏ thì độ nhẵn bề mặt càng lớn. Vật liệu composite microfilled có độ mịn bề mặt tốt nhất và độ mài mòn thấp nhất. Điều này là do các hạt được loại bỏ ở cùng tỷ lệ với chất nền nhựa nếu chúng nhỏ hơn. Các hạt lớn hơn dẫn đến bề mặt thô hơn. Sự ra đời của các hạt nano hứa hẹn rất nhiều về việc cải thiện độ mịn, khả năng chống mài mòn tốt cũng như các đặc tính cơ học được cải thiện.
2. Filler loading: đề cập đến lượng chất độn có thể được kết hợp thực tế vào nhựa. Lượng chất độn có thể được thêm vào tùy thuộc vào loại chất và mục đích sử dụng. Hầu hết các vật liệu composite lai có loading nằm trong khoảng từ 60 đến 70% thể tích. Sự ra đời của các chất độn nano mới hơn cho phép loading lớn hơn lên đến 79,5% thể tích. Microfillers làm dày nhựa nhanh chóng. Vì vậy, các nhựa microfilled thường không có cùng loading như các loại nhựa có kích thước hạt lớn hơn như hạt lai.
3. Sự phân bố kích thước hạt: Hầu hết các vật liệu composite lai hiện đại có các hạt có kích thước từ 0,01 đến 10 µm. Microfillers thường nằm trong khoảng 0,01 – 0,07 (trung bình 0,04 µm). Để tăng lượng chất độn trong nhựa, cần phải thêm chất độn theo một loạt các cỡ hạt. Nếu một kích thước hạt duy nhất được sử dụng, một khoảng trống sẽ tồn tại giữa các hạt. Sau đó, các hạt nhỏ hơn có thể lấp đầy những khoảng trống này, do đó làm tăng hàm lượng chất độn.
4. Hình dạng của chất độn Dựa trên hình dạng, 3 loại chất độn được sử dụng – không đều, hình cầu và dạng xốp. Hình dạng ảnh hưởng đến loading và các đặc tính xử lý của composite.
5. Chỉ số khúc xạ. Đối với thẩm mỹ, chất độn nên có độ trong suốt tương tự như cấu trúc răng. Để đạt được điều này, chiết suất của chất độn phải phù hợp chặt chẽ với chiết suất của nhựa. Hầu hết các chất độn bằng thủy tinh và thạch anh có chỉ số khúc xạ là 1,5, phù hợp với chiết suất của bis-GMA và TEGDMA

Các loại chất độn

Nhựa tổng hợp có thể chứa nhiều loại chất độn

• Thạch anh
• Glass hoặc ceramic có chứa kim loại nặng
• Boron silicat
• Silicat nhôm liti
• Ytterbium tri fluoride
• Keo Silica

1. Chất độn thạch anh: Chúng thu được bằng cách nghiền hoặc xay thạch anh. Chúng chủ yếu được sử dụng trong vật liệu composite thông thường. Chúng trơ về mặt hóa học và rất cứng. Điều này làm cho việc phục hình khó đánh bóng hơn và có thể gây mài mòn các răng đối diện và phục hình.
2. Thủy tinh / gốm sứ có chứa kim loại nặng: Những chất độn này cung cấp độ trong suốt cho phục hồi nhựa. Tăng cường cản quang làm cho vật liệu tổng hợp có thể phát hiện được trên phim chụp X quang để hỗ trợ chẩn đoán. Ví dụ như glass bari, zirconium, ytterbium fluoride, kẽm và stronti. Thường được sử dụng nhất là thủy tinh bari. Nó không trơ như thạch anh. Một số bari có thể rỉ ra theo thời gian
3. Chất độn giải phóng florua: Một số vật liệu tổng hợp hiện nay có khả năng giải phóng fluoride. Điều này bao gồm các chất độn như ytterbium trifluoride và thủy tinh Ba-Al-fluorosilicate. Trong một sản phẩm thương mại (Tetric ceram), hàm lượng YbF3 cao tới 17% trọng lượng. Hàm lượng thủy tinh Ba-Al- fluorosilicat là 5% trọng lượng.
4. Silica dạng keo: Chúng có thành phần và chiết suất tương tự như thạch anh nhưng không cứng hoặc mài mòn. Điều này là do dạng ‘vô định hình’ (hoặc không tinh thể) của chúng. Chúng còn được gọi là ‘microfillers’, thu được bằng quá trình nhiệt phân hoặc kết tủa. Các hạt silicagel dạng keo có diện tích bề mặt lớn (50 đến 400 m2 / g), do đó, ngay cả một lượng nhỏ microfiller cũng làm dày nhựa. Chúng được thêm vào một lượng nhỏ trong vật liệu composite lai (5% trọng lượng) để điều chỉnh độ nhớt của bột nhão. Các loại lai có lượng microfiller từ 10 đến 15% trọng lượng. Trong vật liệu composite microfilled, nó là chất độn chính được sử dụng (20 đến 59% thể tích). Vì chúng không thể được thêm vào một lượng lớn nên tổng lượng chất độn của vật liệu composite microfilled thấp hơn so với các loại thông thường hoặc lai.

Thông tin thêm

Hạt nano silica: Đây hiện là những hạt chất độn nhỏ nhất được sử dụng trong vật liệu composite nha khoa. Hạt nano được định nghĩa là các hạt có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Trong công nghệ nano, một hạt được định nghĩa là một vật thể nhỏ hoạt động như một đơn vị hoàn chỉnh liên quan đến vận chuyển và đặc tính của nó.

Việc áp dụng công nghệ hạt nano đã mở ra thế hệ nhựa composite tiếp theo. Việc kết hợp các hạt nano silica vào nhựa composite đã cải thiện nhiều đặc tính của nhựa composite, đặc biệt là khả năng chống mài mòn và khả năng đánh bóng. Các hạt nano trong vật liệu tổng hợp có thể được sử dụng ở 2 dạng.

• Hạt nano — một hạt nano đơn lẻ (kích thước nằm trong khoảng từ 5-25 nm)
• Các đám nano — một nhóm các hạt nano (tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn).

Sản xuất chất độn

Các hạt chất độn có thể được tạo ra: (1) bằng cách nghiền, xay và sàng các khối ceramic lớn, (2) bằng cách ngưng tụ SiO2 từ pha hơi dưới dạng các giọt nhỏ của microfiller, hoặc (3) bằng cách kết tủa các hạt chất độn từ dung dịch (sol-gel). Các chất độn nhỏ nhất chỉ có thể được sản xuất theo cách thực tế từ pha hơi hoặc bằng các quy trình sol-gel.

CHẤT NỐI

Các chất kết nối liên kết các hạt độn với ma trận nhựa. Các vật liệu tổng hợp sớm nhất không sử dụng các tác nhân ghép nối. Điều này dẫn đến các khiếm khuyết vi mô giữa chất độn và nhựa xung quanh. Sự thấm dịch vào những khiếm khuyết này gây ố màu và dẫn tới thất bại. Thông thường, nhà sản xuất xử lý bề mặt của chất độn bằng chất kết nối để liên kết chất độn với ma trận nhựa.

Chức năng của các tác nhân ghép nối

1. Chúng cải thiện các đặc tính của nhựa thông qua việc truyền ứng suất từ mạng lưới nhựa tới các hạt chất độn cứng hơn

2. Chúng ngăn không cho nước xâm nhập vào bề mặt phân cách chất độn-nhựa.

3. Chúng liên kết các chất độn với ma trận nhựa do đó làm giảm sự mài mòn.

Các tác nhân ghép nối thường được sử dụng nhất là organosilanes (3-methacryloxypropyltrimethoxysilane).

Chất dán là một phân tử có các nhóm methacrylate ở một đầu và các nhóm metoxy (OCH3) ở đầu kia. Khi có nước hấp phụ, các nhóm metoxy thủy phân để tạo thành các nhóm silanol (-Si-OH), sau đó tạo liên kết ion với các nhóm silanol của chất độn tạo thành liên kết siloxan (-Si-O-Si-). Đầu kia có nhóm methacrylate tạo liên kết cộng hóa trị với nhựa khi nó được trùng hợp. Điều này hoàn thành quá trình ghép nối. Zirconat và titanat cũng có thể được sử dụng làm chất kết nối.

Nguồn: Manappallil, J. J. (2016). Basic dental materials. Jaypee.