[Back]

G. Peer:
"Strategies for shrinkage stress reduction in photopolymers for dental restoratives";
Supervisor, Reviewer: R. Liska, J. Stampfl; Institut für Angewandte Synthesechemie, 2020; oral examination: 03-05-2020.

For many years, amalgam-based fillings were the first choice for dental restoratives, whereas the recent rise of photopolymerizable composites with their superior aesthetic appearance compared to the greyish mercury-based amalgam fillings and less health concerns led to a rethinking. Although more and more patients or doctors choose composites as dental restoratives, for some applications their durability is not still enough. This lower durability compared to amalgam fillings, roots in their detrimental shrinkage behavior and low toughness of the utilized polymers.
In this thesis, the issue of occurring shrinkage stress during polymerizations was tackled with three independent strategies and investigated by means of reactivity- and (thermo)mechanical testing. The regulation of network formation via addition-fragmentation chain transfer (AFCT) agents was conducted with a newly synthesized sterically hindered vinyl ether, which showed high reactivity, good regulation in methacrylates and led to significantly decreased shrinkage stress. Another strategy presents the utilization of low-shrinkage monomers and while these typically include highly viscous or ring-opening monomers, novel crosslinker based on cyclopolymerization are disclosed. These malonate-based monomers show a reactivity similar to methacrylates but with significantly lower occurring shrinkage stress. Furthermore, a good copolymerizability with methacrylates and the ability to be regulated by AFCT agents complete the picture and impressively show the potential of this substance class in dental materials. Lastly, nanogels were prepared with AFCT agents and used as organic filler in methacrylates. They could be prepared without disadvantage compared to conventional thiol-based nanogels and led to a significantly reduced shrinkage stress during photopolymerization.

Viele Jahre waren Füllungen auf Amalgambasis die erste Wahl bei Zahnrestaurationen, wobei photopolymerisierbare Komposite mit ihrer schönen Ästhetik im Vergleich zu den gräulichen Amalgamfüllungen und weniger gesundheitlichen Bedenken immer mehr in den Vordergrund treten. Obwohl sich immer mehr Patienten oder Ärzte für Kompositmaterialien als Zahnersatz entscheiden, reicht deren Haltbarkeit für einige Anwendungen jedoch nicht aus. Die auftretende Schrumpfung während der Polymerisation und spröde Materialen sind der Grund dieser geringeren Haltbarkeit.
In dieser Arbeit wurde das Problem der auftretenden Schrumpfspannung während der Polymerisationen mit drei Strategien versucht zu lösen, wobei die Wirksamkeit dieser Strategien mittels Reaktivitäts- und (thermo)mechanischer Tests untersucht wurde. Die Regulierung der Netzwerkbildung durch Kettentransferreagenzien wurde mit einem neu synthetisierten, sterisch gehinderten Vinylether durchgeführt, der eine hohe Reaktivität und gute Regulierung in Methacrylaten zeigte und zu einer signifikant verringerten Schrumpfspannung führte. Eine andere Strategie stellt die Verwendung von Monomeren mit geringer Schrumpfung dar. Während diese typischerweise hochviskose oder Ringöffnungsmonomere umfassen, wurden neue Vernetzer auf der Basis von Cyclopolymerisation untersucht. Diese auf Malonaten basierenden Monomere zeigen eine Reaktivität, ähnlich wie Methacrylate, aber mit einer signifikant geringeren auftretenden Schrumpfspannung. Darüber hinaus runden eine gute Copolymerisierbarkeit mit Methacrylaten und die Fähigkeit zur Regulierung durch AFCT-Agenten das Bild ab und zeigen eindrucksvoll das Potenzial dieser Substanzklasse. Zu guter Letzt wurden Nanogele mit Kettentransferreagenzien hergestellt und als organischer Füllstoff in Methacrylaten eingesetzt. Sie konnten ohne Nachteil gegenüber herkömmlichen Nanogelen auf Thiolbasis hergestellt werden und führten zu einer deutlich reduzierten Schrumpfspannung während der Photopolymerisation.

dental restoratives, composites as dental restoratives, durability, shrinkage stress, polymerizations