粘度可增加的牙科复合材料的组合物和方法与流程

本文公开了一种双组分可流动复合材料，其固有地能够适于牙科基体。另外，通过在双组分可流动组合物中引入“化学增稠剂”将使两种正交化学即亲核试剂引发的硫醇/烯迈克尔加成和光引发的自由基聚合顺序进行。因此其能够提供的优点在于在最终通过光固化之前以足够的工作时间对这样的增稠糊料进行进一步操作。

发明背景

surefil被提出作为用于容易使用且具有优异适应性的大块填充(bulk-fill)可流动物的标准，这归因于其较低的粘度、较低的固化应力和高固化深度。尽管低粘度使得能够实现对于最小化大块修复失效而言至关重要的最佳适应性，但是如果其可以由临床医师进一步操作，则其似乎是非常令人期望的。因此，为了在具有其自流平标志特征的同时改进surefil从较低粘度到较高粘度的可能的相变成为了新的转折。预期这将能够有效的在适应性和操作性之间平衡。

可流动复合材料应当能够在糊料/糊料混合时经历从低粘度到坚硬糊料的流变学相变。基于化学和/或技术提出了几个方案。如果化学能够使所配制材料的一部分在给定时间内选择性固化以增加其质地(粘度)，就可以形成这样的粘度可增加的可流动物，其会提供一些我们想要的特征。例如化学方案可以基于顺序固化机理，其中包括了独特的链增长和网络形成。因此，初始糊料提供了用于实现良好适应性的较低粘度，和然后触发第一固化机理以增加粘度但将不引起不必要的交联。最终通过光辐照来引发交联以增强性能。

附图说明

图1是具有正交化学的原位互穿聚合物网络过程的图示。

图2示出了碱催化的硫醇-迈克尔加成反应的机理。

图3示出了在dbu存在下基于petmp和tcdcda的用于形成网络的硫醇/烯反应。

图4是作为具有不受限工作时间的双固化的粘度增加的复合材料的可视化图示，证明了粘度增加如5分钟那样快。

图5显示了单个糊料和根据本公开内容的糊料/糊料混合物在不同时间的糊料状态，其中带有金属以显示粘度增加。所述单个糊料在每张图的左边，而所述糊料/糊料混合物显示在右边。从这些图可看出，所述糊料/糊料混合物粘度增加的速度比单个糊料自身快得多。

图6示出了反应性丙烯酸树脂对混合的复合材料的初始粘度的影响。

图7是乙氧基化-三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)的分子结构的图示。

图8显示了老化对传统树脂体系的粘度的影响。

图9显示了老化对各种混合树脂体系的粘度的影响。

图10显示了具有各种添加剂的和树脂的粘度。

图11是硫醇阻聚剂的分子结构的图示。

图12显示了老化对具有各种树脂的thiocurepetmp的粘度的影响。

图13示出了老化对与petmp混合的各种树脂的粘度的影响。

图14示出了老化对具有各种树脂的thiocurepetmp的粘度的影响。

图15示出了老化对作为用于催化剂复合材料糊料的配制剂中的基质树脂的tph树脂、sdr树脂、异山梨醇树脂和ebpadma的粘度的影响，其中超支化聚酯丙烯酸树脂(来自sartomer的nc2303)用作多烯烃。

图16示出了老化对ebpada/petmp混合物和udma/petmp混合物的粘度的影响。

图17示出了老化对具有petmp或ettmp的各种树脂的粘度的影响。

图18示出了老化对具有petmp的各种树脂的粘度的影响。

图19示出了surefil的振荡特性。

图20示出了的振荡特性。

图21示出了粘度增加的可流动配制剂的振荡特性。

图22示出了其他粘度增加的可流动配制剂的振荡特性。

图23示出了再其他的粘度增加可流动配制剂的振荡特性。

图24示出了再进一步的粘度增加的可流动配制剂的振荡特性。

图25示出了各种粘度增加的可流动复合材料的粘度和储能模量。

缩写关键词：

tegdma：三(乙二醇)二甲基丙烯酸酯

edab：4-(二甲基氨基)苯甲酸乙酯

petmp：季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)

ettmp：乙氧基化-三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)(ethoxilated-trimethylolpropantri(3-mercaptopropionate))

ebpadma：乙氧基化双酚a二甲基丙烯酸酯

tcdcda：三环[5.2.1.0^2,6]癸烷二甲醇二丙烯酸酯

cq：樟脑醌

ltpo：2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦

bht：丁羟甲苯

bafg：钡-铝氟硼硅酸盐玻璃

dbu：1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一-7-烯

dbn：1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯

tea：三乙胺

pyg：邻苯三酚

tpp：亚磷酸三苯酯

dabco：1,4-二氮杂双环[2,2,2]-辛烷

测试方法：

nmr分析：核磁共振(nmr)光谱在varian300mhz分光计上记录。样品在cdcl3中以约15％v/v制备。化学偏移相对于tms以百万分比(ppm)来记录。

ftir分析：傅里叶变换红外光谱(ftir/atr)在thermoelectronnicolet6700分光计上记录。

photodsc：差示扫描量热计(q2000，tainstrument)具有光量热附件(pca)，从该附件中来自200w高压汞源的uv/可见光(250-650nm)经由延伸的双石英光导管(具有中性密度或带通滤光器)传输到样品室，用于评价纯树脂和/或任何配制的树脂体系的光分解和光聚合。在空气和氮气二者下进行所述测试。光输出和光谱可以使用内置滤光器或另外的uv滤光器或降低强度的滤光器来调谐。

挠曲强度和模量根据iso4049测试，2×2×25mm样本通过如下方式固化：用具有13mm光导管的spectrum800在800mw/cm²下进行三次交叠的点固化，一侧上的每次点固化仅为20秒。将固化的样本(6-10)置于去离子水中并且在37℃下储存24h，并且然后砂磨(sanded)，之后在室温下测试。

抗压强度和模量根据实际上用于水基水泥的iso9917测试，因为iso4049针对抗压强度没有进行规定。φ4×6mm玻璃从动件作为样本制备的模具(6)。样本通过spectrum800在800mw/cm²下从顶部和底部二者固化，每次20秒。将固化的样本(6-10)置于去离子水中并且在37℃下储存24h，然后砂磨，之后在室温下测试。

收缩应力通过使用nist/ada的张力计来测量。2.25mm厚度的样本(c因子是1.33)通过dentsply/caulk的qhl光在550mw/cm²下固化60秒。采用在第60分钟的总应力来评级不同材料。

流变性能通过使用ta的dhr流变仪来测量。φ40mm2°几何形状用于树脂粘度测量并且φ20mm平坦几何形状用于复合材料的评价。振荡测试在35℃下在175ps剪切应力、1hz剪切频率下进行。

ross行星混合器(120f/20，以psi表示)，speedmix(rt)和resodyn(rt/20，以psi表示)用于所制备的填料共混物和树脂混合物以及可流动复合材料糊料。

具有自动混合尖端的数字注射器系统用于分别包装单个基础糊料和催化剂糊料。

详细描述

在生成粘度可增加的可流动复合材料方面存在不同的基于化学和/或技术的方案。如果化学能够使所配制材料的一部分在给定时间内选择性反应以增加其质地(粘度)，就可以形成这样的粘度可增加的可流动物，其会提供一些期望的特征。例如化学方案可以基于顺序固化机理，其中包括了独特的链增长和网络形成。因此初始糊料提供了用于实现良好适应性的较低粘度，和然后触发第一固化机理以增加粘度但将不引起不必要的交联。最终通过光辐照来引发交联以增强性能。

传统方案的一个实例基于用于这样的粘度增加过程的多元酸/多元碱，其确实能够经由非自由基反应促进粘度增加。已经发现结构和组合物中的酸/碱对将显著影响粘度特性和力学性能。10-mdp和penta显示出对与聚咪唑的反应更有效。聚丙烯酸在不存在水的情形下表现出对聚醚唑有限的反应性。另外，如所预期的，发现在所有固化的复合材料中水吸收显著增加，这导致湿样本的力学强度下降。

然而，潜在的益处在于如这样增加的亲水性改进了湿气耐受性。另外，还存在的挑战在于实现所得混合复合材料的真正良好的初始适应性，如从低粘度出发并且快速粘度增加以允许一些种类的操作以及提供足够的力学性能所需的那样。应当可以实现粘度改变和糊料操作之间的平衡，但是还认识到实现如普遍的复合材料那样的优异力学强度仍然是非常具有挑战的，这归因于在填料没有显著改变的情形下其固有的低填料负载量。为了实现快速粘度增加，新的多元碱或多元酸树脂或反应性填料可能是必需的。

实现本公开内容所述的双固化粘度增加过程的另一可能的方案将是硫醇/烯基固化，其在保持所述糊料为可工作/可操作的同时用于初始扩链以增加粘度，并且然后光辐照以导致完全固化的材料。预期这样两种不同的化学将提供两级固化过程以便平衡来自单个材料的足够的初始适应性和随后的操作。另外，还预期其方案将解决在传统多元酸/多元碱过程中已经注意到的问题，例如对较差力学性能而言的增加的水吸收、相对慢的反应和初始较高的粘度。在科罗拉多大学的chrisbowman团队报道了两级反应性聚合物网络形成体系，其中建立了碱催化的硫醇-烯加成以用于初始固化过程和光引发的光固化来完成整个网络化过程，如图2所示。这样的化学可以工作于我们打算的粘度增加的可流动组合物。然而，硫醇-烯反应太慢以至于无法产生显著的粘度增加。虽然高反应性超级碱(1,8-二氮杂双环[5,4,0]十一-7-烯，dbu)可以用于加速所述硫醇/烯反应，但是发现对于我们所测试的大部分甲基丙烯酸酯对来说，其甚至也将触发甲基丙烯酸酯/硫醇反应，特别是对于那些基于氨基甲酸酯的甲基丙烯酸树脂来说。

从我们对于这样的硫醇/烯体系的综合研究中进一步发现了一种显著稳定的包含二甲基丙烯酸酯和聚硫醇(更具体的是ebpadma和petmp)的对，其将允许配制包括dbu的稳定的催化剂树脂/糊料。此外，粘度增加的可流动物应当容易地由基础糊料和催化剂糊料形成，所述基础糊料包含甲基丙烯酸树脂和聚丙烯酸树脂以及用于第2步骤固化的光引发剂；所述催化剂糊料包含聚硫醇和甲基丙烯酸酯基质和硫醇/烯加成的催化剂dbu。

作为一个示出在图3中的实例，四硫醇(petmp)可以用作聚硫醇并且二丙烯酸酯(tcdcda)或四丙烯酸酯(sr295)用作聚丙烯酸酯，以及各种碱可以用作催化剂，所述碱包括三乙胺(tea)、1,8-二氮杂双环[5,4,0]十一-7-烯(dbu)和1,4-二氮杂双环[2,2,2]-辛烷(dabco)。

如表1中所示，当聚硫醇树脂(petmp)和聚丙烯酸树脂(tcdcda或sr295)的树脂组合物变化时，在处于tph树脂中的petmp和处于tph树脂中的tcdcda或sr295的树脂共混物进行混合时粘度增加速度将明显改变，这取决于碱催化剂(dbu、tea和dabco)的性质。因此其确实表明硫醇-烯化学表现出良好并可靠地进行以在不包括任何自由基聚合的情形下触发粘度增加复合材料的阶段一网络形成过程。进一步发现仅需要0.3-0.4％的dbu以实现用于petmp/tcdcda体系的合理的网络化过程，由此发现dbu是用于这样的硫醇/烯反应的最有效的催化剂。

表1：组合物对各种硫醇-烯树脂体系的凝胶化速度的影响

175>172>176>170、174(177、178、179)

170相比于176：增加dbu提升了凝胶化速度；

172相比于176：增加tea也提升了凝胶化速度；

172相比于174：过量的tcdcda降低了凝胶化速度；

173相比于178：增加tea提升了凝胶化速度；

171相比于175：sr295凝胶化快于tcdcda；

173相比于175：dbu为0.3％-0.4％之间的某些情形明显改变了凝胶化速度。

表2：配制的用于增加粘度的基础树脂的组合物和粘度

pyg：邻苯三酚

ttbpp：三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯

tpp：亚磷酸三苯酯

l-没食子酸酯：没食子酸月桂酯

表3：配制的用于增加粘度的催化剂树脂的组合物和粘度

另外，这样配制的组合物的流动性也将根据填料和填料含量而变化。如表2中所示，多个具有55-60％wt/wt填料的可流动组合物容易通过可变的dbu含量和不同的丙烯酸树脂(tdcdda和sd295)以及不同的甲基丙烯酸树脂(tph树脂、sdr树脂和异山梨醇树脂)来配制。还总结出较高浓度的dbu比dbu/tea混合物更有效；以及sr295在促进阶段一网络形成方面比tcdcda更有效。

此外，如表4和5中所示，优异的力学性能、136-152mpa的挠曲强度和6750-8200m的挠曲模量可以从这样的两级固化/粘度增加体系来实现。另外，相比于3.3mpa为2.3-2.8mp的较低聚合应力也由这样的两级固化过程得到。进一步通过90min延迟光固化过程发现了2.07mpa的较低聚合应力，这间接确认进行了阶段一网络形成过程。另外，还注意到dbu也可以充当用于cq/ltpo光聚合的加速剂，如通过在单带led辐照(iq2led)下有效固化所证明的那样。

已经令人惊讶地发现两种基于氨基甲酸酯的甲基丙烯酸树脂(异山梨醇基树脂和sdr树脂)都与petmp化学不相容，如分别通过ij5-204和ij5-206的凝胶化所证明的那样。在这些体系中不存在任何催化剂，并且它们全都是甲基丙烯酸树脂。因此设法推测异山梨醇树脂或sdr树脂中的杂质可以显著地使聚硫醇(petmp)和甲基丙烯酸酯的这种硫醇-烯体系失去稳定。然而，由其他基于氨基甲酸酯的树脂(tph树脂)所证明的更好的稳定性可以表明在tph树脂中不存在(或存在很少的)这样的“杂质”。虽然如通过ij5-192的17pa.s相比于那些新混合的树脂共混物(ij5-184、ij5-188和ij5-208)的9pa.s的粘度所示出的那样没有形成凝胶，但是的确tph树脂/petmp中缓慢的粘度增加最终证明在将它们在室温下老化过夜后，它们遵循类似的不稳定性趋势。另外，如果新混合的异山梨醇树脂/petmp或sdr树脂/petmp是立即配制成复合材料(表2中的ij6-001或ij6-003)，则它们的稳定性得以改进，但是它们仍然倾向于变硬，这指示在糊料中比在树脂共混物中发生更慢的凝胶化过程。

表4：配制的用于粘度增加的可流动物的组合物和性能

表5：配制的用于增加粘度的可流动物的组合物和性能

表6：配制的用于增加粘度的可流动物的组合物和性能

*用于立即在糊料制造中使用的新混合的树脂共混物；

因此，在用于改进树脂稳定性的宽泛的树脂筛选研究期间发现明显稳定的甲基丙烯酸酯树脂和聚硫醇(petmp)的对能够通过ebpadma来实现：如在42天/室温老化后所测量的那样没有任何粘度增加(参见图9)，与之相比其他树脂(如tph树脂)是10-20倍的粘度增加。还发现udma证明了与petmp更好的相容性，即使存在轻微的粘度增加(双倍)。

用于稳定聚硫醇/甲基丙烯酸酯树脂体系的其他方案还分别在tph树脂和sdr树脂中进行了检验，参见图10和11。阻聚剂包括pyg、ttbpp、tpp和l-没食子酸酯(表2)。它们在树脂共混物中的加入量是1％wt/wt。初步结果揭示了这些阻聚剂的效力根据甲基丙烯酸酯树脂(如tph树脂或sdr树脂)而变化。pyg表现出在抑制tph树脂体系中的粘度增加方面比sdr树脂更有效，但是在这两种树脂体系二者中都发生了变色。ttbpp在tph树脂和sdr树脂二者中将根本不起作用。然而，tpp表现出在sdr树脂中比在tph树脂中更好地起作用；l-没食子酸酯与tph树脂不起作用，但是在sdr树脂体系中很好地起作用。所以tpp和l-没食子酸酯二者应当被认为是用于sdr树脂/petmp体系的有效添加剂，并且不幸的是，它们都不能针对tph树脂起作用。

如图13所示，当在室温下老化2个月以上，ebpadma/petmp体系仍然保持稳定。发现ebpadma与thiocurepetmp一起也是稳定的，如图14所示。因此将其选为用于基础糊料的树脂体系。为了进一步评价这样配制的复合材料的糊料稳定性，如表2中所示，将tph树脂、sdr树脂、异山梨醇树脂和ebpadma用作催化剂复合材料糊料的配制剂中的基质树脂，其中超支化聚酯丙烯酸树脂(来自sartomer的nc2303)用作多烯烃。评价了这样形成的糊料/糊料可流动复合材料。如所预期的那样，这些配制的树脂确实证明了在室温下老化时的良好稳定性(图15)。从分别含有sdr树脂(ij6-057/060)、ebpadma(ij6-058/060)和异山梨醇树脂(ij6-059/060)的那些对的配制糊料还发现了良好的力学性能，参见表4和5。然而，所有这些糊料的对在led辐照下将不充分固化。据推测，在阶段一期间在petmp和nc2303之间是一种低效的硫醇/烯迈克尔加成反应。因此在光固化之前可能留下的多余的petmp作为未反应的硫醇，其将充当导致在led辐照下差的交联反应的链转移剂。然而，据预期，在卤素辐照下可以发生光诱导的硫醇/烯逐步加成以便提升总体交联反应并且因此发现对力学性能没有显著影响。

进一步如图16所示，在室温下老化3个月以上(98天)时，ebpadma/petmp体系保持稳定；另外，异山梨醇树脂和ebpadam与thiocurepetmp一起在室温下超过2个月(77天)是稳定的。还令人感兴趣地注意到tph树脂与thiocureettmp一起是稳定的，虽然其与thiocurepetmp的共混物是不稳定的，如图17和18所示。在表2中显示了另外两个系列的催化剂糊料的组合物和力学性能，该催化剂糊料含有在各种甲基丙烯酸树脂(tph树脂、sdr树脂、异山梨醇树脂和ebpadma)和丙烯酸树脂(tcdcda或sr295)的树脂共混物中的光引发剂(cq/ltpo)和硫醇/烯催化剂(dbu)二者，该催化剂糊料被配置并评价以尝试通过糊料/糊料混合来优化用于快速初始粘度增加的组合物。此外，图19-24示出了可流动复合材料(surefil和普遍的复合材料(tph3)以及基于实验糊料/糊料的粘度增加的可流动物，该可流动物基于sr295(分别是ij6-88/ij6-92、ij6-89/ij6-92、ij6-90/ij6-92和ij6-91/ij6-92)的振荡特性。明显不像传统复合材料(surefil或tph3二者)，明显的粘度增加是通过g’/g”相交(crossover)来证明的，其取决于树脂组合物而从50”至100”。表7-8中汇总了储能模量(g’)、损耗模量(g”)和复数粘度(η*)的改变。然而，对于那些基于tcdcda(ij6-74/ij6-80、ij6-75/ij6-80、ij6-76/ij6-80和ij6-77/ij6-80)的可流动对来说，没有发现这样明显的粘度增加，这可能归因于二丙烯酸酯(tcdcda)相比于四丙烯酸酯(sr295)是不太有效的以及低浓度的dbu。

表7：粘度增加的可流动复合材料的流变性能

如前所述，发现用于糊料/糊料可流动物的有效的粘度增加可以通过混合来实现，如通过ebpadma/petmp和多种甲基丙烯酸树脂对sr295在dbu存在下的独特模量交叉来证实的那样。然而，当相同的甲基丙烯酸树脂以相同量的dbu与tcdcda配对时没有发现这样的交叉。据推测，进一步增加dbu可以促进用于明显粘度增加的硫醇/烯反应。因此在这个月另外的从0.56％到1.12％的dbu用于具有tcdcda的相同树脂配制剂。较低的力学强度是所有复合材料导致的，这表明过量的dbu对自由基聚合过程潜在的负面作用：如果dbu加入量是1.12％，则通过ebpadma/petmp和甲基丙烯酸树脂(tph、sdr、ebpadma和异山梨醇树脂)/tctcda二者来示出。的确，所有这些配制剂没有发生模量交叉。

如表5中所示，基于ebpadma/petmp-ebpadma/sr295(ij6-117/ij6-118)的可流动复合材料使用resodyn来配制。这样形成的糊料/糊料复合材料的力学性能相比于经由speedmix(ij6-115/ij6-116，参见表5)所制造的那些得到了改进。虽然配混过程显示出对单个可流动物粘度的轻微影响，但是在粘度增加过程期间没有发现对凝胶时间的影响。因此，还导致了较高的聚合应力，这归因于在经由resodyn制造的这些糊料中减少的孔隙率。同样，硫醇/烯反应保持快速，这导致未能实现在35℃下的凝胶时间。

采用分别示出的ross混合器和resodyn(表5)，在减少的dbu(0.86％，wt/wt)和不同光引发剂体系(cq/edab/ltpo相比于cq/ltpo)存在下配制了另外的基于ebpadma/petmp-tph树脂/sr295和ebpadma/petmp-ebpadma/sr295的可流动配制剂。对于经由ross混合器制造的糊料而言，这样的糊料/糊料复合材料明显导致了进一步改进的力学性能。在含有不同光引发剂体系的那些糊料之间没有发现显著的差异，这确认了在不存在edab的情形下的cq/ltpo体系的有效性。还发现基于tph树脂的体系倾向于快速增加粘度，虽然存在相对较长的凝胶时间。如所预期的，导致了甚至更高的3.65mpa(表5中的ij6-154/ij6-156)和3.84mpa(ij6-160/ij6-162，表5)的聚合应力，这是ij6-154和ij6-160中的特征，并且它们衍生自相同的树脂ij6-149，其包含tph树脂/sr295和cq/edab/dbu。

表8：@1hz的可流动复合材料的组合物和性能

填料：

1.bafg/907445：硅烷化超细eg9726，0.92-0.96微米

2.bafg/907446：直接购买的硅烷化eg9726，4-7微米

表9：@1hz的可流动复合材料的组合物和性能

填料：

1.999141：硅烷化ox-50，

2.907445：硅烷化超细eg9726，0.92-0.96微米

3.907446：直接购买的硅烷化eg9726，4-7微米

4.tpm1：130813_1r(yc9-129)，20.3微米；bet/4.0

表10：粘度增加的可流动复合材料的组合物和初始流变性能

表11：粘度增加的可流动复合材料的组合物和15min设定的流变性能

令人惊讶地发现由ross混合器制造的单个催化剂糊料通过在室温下老化几周后获得了凝胶化，虽然由ross混合器制造的聚硫醇基础糊料保持了稳定。然而，还发现由resodyn制造的相同催化剂糊料也保持了稳定，这应当归因于丙烯酸树脂(sr295)的热降解。因此这样的发现应当也表明resodyn方法是用于配混那些热敏组合物的更好的选择。

因此可以得出：

硫醇-烯化学通过使用超强碱(例如dbu)可以是用于在环境温度下快速网络形成的粘度增加体系的可行方案；对于粘度增加组合物而言，额外的dbu确实加速了硫醇-烯反应速率，但是其也可能涉及降低的力学性能。需要进一步的研究以弄清高填料负载的可流动组合物的孔隙率和dbu的不利因素。

聚丙烯酸树脂(例如tcdcda或sr295)可以与传统的甲基丙烯酸树脂(例如tph树脂、sdr树脂、异山梨醇树脂和udma)组合用于催化剂糊料中。那些高纯度聚硫醇(thiocurepetmp或thiocureettmp1300)在稳定那些基于氨基甲酸酯的甲基丙烯酸酯树脂(tph树脂、sdr树脂、异山梨醇树脂或udma)方面没有显著优势。

然而，发现只有无氨基甲酸酯的甲基丙烯酸树脂(例如ebpadma)将与聚硫醇(petmp)化学相容。还发现另外的添加剂(如tpp和l-没食子酸酯)分别在稳定tph树脂或sdr树脂方面是有效的。

改进的力学性能通过在ross混合器或resodyn中配混单个可流动复合材料来实现，这归因于降低的孔隙率。但是作为在降低的压力下通过ross混合器混合的结果，发现了不稳定的基础相。