Strategies for potential toughening of acrylic denture bases polymerized with microwave energy

Abstract Thiourethane additives have been shown to improve properties in several dental polymer applications. The aim of this study was to verify the effect of the addition of thiourethane oligomers and acrylamide or isobornyl-based plasticizers on the physical properties of the denture base acrylic resin polymerized with microwaves. Thiourethane oligomer (TU) was synthetized and added to microwaved acrylic resin in proportions varying between 3 and 14 wt%. Separate experimental groups included the addition of dimethyl acrylamide (DMAM) and isobornyl methacrylate as plasticizers, at concentrations varying from 5 to 20 wt%. Samples were polymerized using microwave energy at 500 Watts for 3 min, deflasked at room temperature, stored in water at 37 °C for 24 h, and evaluated for: linear dimensional change, gloss, Knoop hardness, surface roughness, impact strength, yield strength, elastic modulus, toughness, yield strength, viscosity, glass transition temperature and network heterogeneity, and water sorption/solubility. Data were analyzed with ANOVA/Tukey's post-hoc test (a=5%). The addition of TU led to properties that were similar or worse than the materials to which it was not added, except for dimensional stability. The impact on properties was statistically significant for all materials above 20% addition of TU. The addition of DMAM at 5 wt% or isobornyl methacrylate at 10 wt% improved yield strength and modulus, but increased water sorption and solubility. Except for dimensional stability, the addition of thiourethane oligomers to acrylic denture base materials compromised most tested properties. The use of DMAM and isobornyl methacrylate improved properties for selected compositions.

Resumo Aditivos de tiouretano demonstraram melhorar propriedades de polímeros em diversas aplicações. O objetivo deste estudo foi verificar o efeito da adição de oligômeros de tiouretano, monômeros de acrilamida ou baseados em funcionalidade isobornil na propriedades físicas de bases de dentadura de acrílico polimerizadas em micro-ondas. O oligômero de tiouretano (TU) foi sintetizado e adicionado à resina acrílica em proporções variando de 3 a 14% em peso. Dimetil acrilamida (DMAM) e isobornil metacrilato (IBMA) foram adicionados em formulações separadas como plastificantes em concentrações variando de 5 a 20% em peso. As amostras foram polimerizadas usando energia de micro-ondas (500 Watts oor 3 min), desincluídas da mufla a temperature ambiente, armazenadas em água a 37°C por 24 h, e submetidas aos testes de: alteração dimensional linear, brilho, dureza Knoop, rugosidade superficial, resistência ao impacto, tensão normal de escoamento, módulo de elasticidade, tenacidade, viscosidade, temperatura de transição vítrea e heterogeneidade da rede polimérica, além de sorção de água e solubilidade. Os dados foram analisados com ANOVA e teste de Tukey (a=5%). A adição de TU não afetou ou diminuiu todas as propriedades, exceto pela estabilidade dimensional. O impacto nas propriedades foi estatisticamente significante para todos os materiais em concentrações acima de 20% de TU. Isso pode ser explicado por um encurtamento das cadeias e diminuição do empacotamento das cadeias lineares do PMMA. A adição de 5% de DMAM ou 10% de isobornil metacrilato melhoraram a tensão de escoamento e o módulo, mas aumentaram a sorção de água e solubilidade. Exceto pela estabilidade dimensional, a adição de oligômeros de tiouretano à bases de dentatura compostas por resina acrílica prejudicou todas a propriedades testadas. O uso de DMAM e isobornil metacrilato melhorou as propriedades para composições selecionadas.

Impact of Material Shade and Distance from Light Curing Unit Tip on the Depth of Polymerization of Composites

Abstract This study aimed to evaluate the effect of the composite shade and distance from the light-curing unit (LCU) tip on the irradiance reaching the bottom of composite disks and on the depth of polymerization. Composites of three shades (opaque - OXDC, bleach - BXL, and A2) were inserted into molds with 3-mm of thickness positioned over a spectrometer and photo-activated with the LCU (Bluephase) tip placed at 0 or 1 cm from the composite surface. The mean irradiance reaching the bottom of composite was recorded during the entire photo-activation (30 s). Specimens (2 x 2 x 4 mm) were polymerized and used to map the degree of conversion achieved in different depths from irradiated surface. Specimens were sectioned into slices that were positioned over the platform of the infra-red microscope connected to the spectrometer to map the conversion. The conversion was measured in eight different depths every 500-µm. Increasing the distance of LCU tip reduced the irradiance only for A2. Interposing OXDC disks resulted in lowest values of irradiance and A2 the highest one. A tendency to decrease the conversion was observed towards the bottom of specimens for all experimental conditions, and the slope was more accentuated for OXDC. Differences among shades and distances from LCU tip were evident only beyond 1.5-2.0 mm of depth. In conclusion, both composite shade and distance from LCU tip might affect the light-transmission and depth of polymerization, while the effect of last was more pronounced.

Resumo Este estudo objetivou avaliar o efeito da cor do compósito e da distância da ponta do aparelho fotopolimerizador (AFP) na irradiância alcançando a base do disco de compósito e na profundidade de polimerização. Compósitos de três cores (opaca - OXDC, clareado - BXL, e A2) foram inseridos em moldes com 3 mm de espessura posicionados sobre um espectrômetro e fotoativados com a ponta do AFP (Bluephase) colocada a 0 ou 1 cm da superfície do compósito. A irradiância média alcançando a base do compósito foi registrada durante toda a fotoativação (30 s). Amostras (2 x 2 x 4 mm) de compósito polimerizado também foram confeccionadas e usada para mapear o grau de conversão obtido em diferentes profundidades da superfície irradiada. As amostras foram seccionadas em fatias que foram posicionadas sobre a plataforma de um microscópio infra-vermelho conectado ao espectrômetro para mapear a conversão. A conversão foi mensurada em oito diferentes profundidades com 500-µm entre elas. Aumentando a distância da ponta do AFP reduziu a irradiância apenas para A2. Interpondo discos de OXDC resultou em menores valores de irradiância e A2 nos maiores. Uma tendência de redução na conversão foi observada em direção a base das amostras para todas as condições experimentais, com uma redução mais acentuada para OXDC. Diferenças entre as cores e distâncias da ponta do AFP foram evidentes apenas a partir de 1,2-2,0 mm de profundidade. Como conclusão, tanto a cor do compósito como a distância da ponta do AFP podem afetar a transmissão de luz e a profundidade de polimerização, enquanto que o efeito do último foi mais pronunciado.

Monomers used in resin composites: degree of conversion, mechanical properties and water sorption/solubility

The organic phase of resin composites is constituted by dimethacrylate resins, the most common monomers being the bisphenol A diglycidildimethacrylate (BisGMA), its ethoxylated version (BisEMA), triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) and urethane dimethacrylate (UDMA). This study compared the homopolymers formed from the monomers used in restorative dental composites in terms of their degree of conversion (DC) and reaction kinetics (by near infra-red spectroscopy, n=3), mechanical properties (flexural modulus and strength in three point-bending, FM and FS, respectively, n=15), water sorption and solubility (WS and SL, respectively - ISO 4049, n=5). Materials were made photopolymerizable by the addition of camphoroquinone/dimethylamine ethyl methacrylate. TEGDMA showed the highest DC, followed by BisEMA, UDMA and BisGMA, both at 10 min and at 24h (p<0.001). UDMA showed the highest rate of polymerization, followed by TEGDMA, BisEMA and BisGMA (H0=13.254, p<0.001). UDMA and TEGDMA presented similar FM, significantly higher (p<0.001) than BisEMA and BisGMA, which in turn present statistically similar values (p>0.001). For FS, UDMA presented the highest value (p<0.001), followed by TEGDMA, then by BisEMA and BisGMA, which were statistically similar (p>0.001). BisGMA showed the highest WS, and TEGDMA and BisEMA the lowest. UDMA was statistically similar to all (H0=16.074, p<0.001). TEGDMA presented the highest SL, followed by UDMA, BisGMA and BisEMA (p<0.001). The tested homopolymers presented different behaviors in terms of polymerization kinetics, flexural properties, water sorption and solubility. Therefore, the use of copolymers is justified in order to obtain high DC and mechanical properties, as well as good resistance to water degradation.

A fase orgânica de compósitos resinosos é constituída por dimetacrilatos, sendo os mais comuns o dimetacrilato de diglicidilabisfenol A (BisGMA), sua versão etoxilada (BisEMA), dimetacrilato de trietilenoglicol (TEGDMA) e dimetacrilato de uretano (UDMA). Este estudo comparou os homopolímeros formados pelos monômeros utilizados em compósitos restauradores dentários em relação a seus graus de conversão (GC) e cinética de reação (através de espectroscopia no infra-vermelho), propriedades mecânicas (módulo de elasticidade em flexão e resistência à flexão, MF e RF, respectivamente), sorção de água e solubilidade (SA e SL, respectivamente - ISO4049). Os materiais se tornaram fotopolimerizáveis pela adição de canforoquinona/metacrilato de dimetilaminoetila e foram fotoativados utilizando uma fonte de luz de quartzo-tungstênio-halogênio filtrada para 400-500 nm. O TEGDMA apresentou o maior GC, seguido pelo BisEMA, UDMA e BisGMA, tanto aos 10 min quanto após 24 h (p<0,001). O UDMA mostrou a maior velocidade de reação, seguido pelo TEGDMA, BisEMA e BisGMA (H0=13,254, p<0,001). O UDMA e o TEGDMA apresentaram MF semelhantes, estatisticamente superiores ao BisEMA e ao BisGMA (p<0,001), os quais por sua vez apresentaram valores estatisticamente semelhantes (p>0,001). Para RF, o UDMA apresentou o valor mais alto, seguido pelo TEGDMA, BisEMA e BisGMA (p<0,001), sendo os dois últimos estatisticamente semelhantes (p>0,001). O BisGMA apresentou a maior SA, e o TEGDMA e o BisEMA as menores. O UDMA foi estatisticamente semelhante a todos (H0=16,074, p<0,001). O TEGDMA apresentou a maior SL, seguido pelo UDMA, BisGMA e BisEMA (p<0,001). Os homopolímeros demonstraram desempenhos bastante distintos em relação à cinética de polimerização, propriedades em flexão e sorção e solubilidade. Tais diferenças justificam o uso de co-polímeros para a obtenção de materiais com propriedades físicas otimizadas.