CN112638348A - 使纳米凝胶稳定的方法和组合物以及由纳米凝胶产生的牙科组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使纳米凝胶稳定的方法和组合物,以及这种纳米凝胶在牙科组合物中用作添加剂的用途。
Description
发明领域
本发明涉及使纳米凝胶稳定的方法和组合物,以及这种纳米凝胶在牙科组合物中用作添加剂的用途。
发明背景
纳米凝胶是高度分支的离散聚合物颗粒。纳米凝胶在传统上通过单甲基丙烯酸酯/二甲基丙烯酸酯单体的溶液共聚合成。
先前的纳米凝胶工艺的主要缺陷是单甲基丙烯酸酯和二甲基丙烯酸酯的较差共聚将导致组合物从进料组合物移入最终的纳米凝胶中。已观测到单甲基丙烯酸酯的总体低产率和高回收率。此外,在聚合期间以及真空干燥后有大粒凝胶的潜在形成,这将危及其于树脂中的再分散性。
已将链转移剂加入纳米凝胶组合物以避免大粒胶凝。美国专利号9,138,383公开了通过使包含单乙烯基单体、二乙烯基单体、链转移剂和引发-转移-终止剂的单体混合物聚合产生的可溶纳米凝胶聚合物。
美国专利号9,845,415公开了一种通过包括以下步骤的方法生产的水分散性纳米凝胶:(i)对包含至少一种单乙烯基单体、至少一种二乙烯基单体、二官能链转移剂和引发剂的单体混合物进行组合;并且(ii)使所述混合物聚合以形成水分散性纳米凝胶;其中所述至少一种单乙烯基单体包含聚乙氧基(10)甲基丙烯酸乙酯(E10 HEMA)。
其它挑战包括有效去除所有副产物(未反应的单甲基丙烯酸酯,残余的十二烷硫醇(DDT)和残余溶剂)以确保纳米凝胶的品质和性能。
此外,聚合收缩和破坏收缩应力仍是现代牙科复合材料的主要局限,并且仍有巨大的需要使它们减轻以产生具有改进的材料完整性和保存完好的键合的高级复合材料修复体,尤其是针对应用不断增加的块填充修复体。
纳米凝胶可作为预聚合和可聚合添加剂容易地分散于匹配的单体基质中,这因可聚合双键的有效减少而有助于降低体积收缩。此外,在聚合期间,这些单体溶胀的纳米凝胶颗粒有效地作为快速光聚合和网络开发期间的“应力吸收剂”而起作用。
发明内容
如上文论述的,对减少牙科复合材料的聚合收缩和破坏应力有巨大需要以产生高级的复合材料修复体。
本发明的目的在于提供一种通过本发明的方法产生的纳米凝胶,该纳米凝胶可用作牙科组合物中的添加剂以明显减少收缩应力并进一步增强固化产物的机械性质。
此外,持续需要开发形成纳米凝胶的有效方法,该方法将避免在反应过程中形成大粒胶凝以使纳米凝胶溶液稳定。这将避免处理过程中的大粒胶凝并且使纳米凝胶稍后容易再分散于树脂中。该方法将能够去除所有副产物以实现纳米凝胶的更好品质。
本发明提供使纳米凝胶组合物稳定的方法和组合物以实现无大粒胶凝的稳固生产过程。
在本发明的第一方面中,提供了一种包含纳米凝胶的牙科组合物,纳米凝胶通过包括以下步骤的方法形成:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低反应温度并用自由基清除剂淬灭纳米凝胶溶液来终止聚合。
在一个实施方案中,提供的是通过根据本发明的方法获得的纳米凝胶制备牙科组合物的用途。牙科组合物可为牙科复合材料,牙科粘合剂,牙科粘固剂,树脂改性的玻璃离聚物,涂剂(vanish),密封剂,假牙材料,复合块,和用于牙科3D打印的复合油墨。
在本发明的另一个方面中,提供了一种形成纳米凝胶的方法。所述方法包括以下步骤:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低反应温度并用自由基清除剂淬灭纳米凝胶溶液来终止聚合。
在该方法的一个实施方案中,纳米凝胶基本上不含大粒凝胶。
在该方法的另一个实施方案中,纳米凝胶具有2nm至20nm的流体动力半径。
在该方法的又一个实施方案中,自由基清除剂的存在浓度使得纳米凝胶溶液具有在25℃存储7天的热稳定性。
总的来说,观测到纳米凝胶有助于延迟的胶凝和玻璃化,这不仅导致应力展开速率减缓而且减小了最终收缩应力的量级。
益处不仅限于牙科复合材料:具有纳米凝胶添加剂的牙科粘合剂也具有实现改进的耐久性和材料性质的潜能。
附图简述
图1描绘了合成UDMA/POEMA纳米凝胶的方案。
图2示出在TEMPO稳定的纳米凝胶过程(在80℃具有单体总重量的0.09%重量比的TEMPO的ZZ1-85)中的甲基丙烯酸酯(MA)转化率。
图3描绘了甲基丙烯酸酯-硝基氧体系中副反应的一般机制。
图4描绘了在高温下TEMPO淬灭的纳米凝胶的可能副反应。
图5示出室温下老化对TEMPO稳定的UDMA/POEMA纳米凝胶/ZZ1-127B的甲基乙基酮(MEK)溶液(单体总重量的0.20%重量比的TEMPO)的UV光谱的影响。
图6示出热老化对具有可变TEMPO(在40℃,A:0%,B:0.20%,C:0.16%,D:0.12%,单体总重量的重量比)的TEMPO稳定的纳米凝胶/ZZ1-99的MEK溶液的UV光谱的影响。
图7描绘了热老化的纳米凝胶/MEK溶液ZZ1-99B(在40℃,AIBN 0.90%,TEMPO0.20%,单体总重量的重量比)的UV光谱。
图8示出含有TMPTMA交联剂的纳米凝胶的13C NMR[DMSO-d6],其中TMPTMA交联剂具有7.02ppm处的特征峰。
图9描绘了含有15摩尔%TMPTMA交联剂的纳米凝胶于CDCl3中的13C-NMR,其中TMPTMA交联剂具有7.50ppm处的特征峰。
图10示出含有20摩尔%TMPTMA交联剂的纳米凝胶于CDCl3中的13C-NMR,其中TMPTMA交联剂具有7.51ppm处的特征峰。
图11描绘了含有25摩尔%TMPTMA交联剂的纳米凝胶于CDCl3中的13C-NMR,其中TMPTMA交联剂具有7.50ppm处的特征峰。
图12示出含有30摩尔%BAABE交联剂和70摩尔%POEMA的纳米凝胶于CDCl3中的13C-NMR,其中BAABE和POEMA具有118.11、132.23和176.62ppm处的特征峰。
发明详述
本发明的上述方面以及其它方面、特征和优点在下文参考附图结合各种实施方案进行描述。
本发明中使用的一些术语如下定义:
除非另外指定,术语“烷基”指的是具有1至18个碳原子的单价基支化或未支化饱和烃链。该术语可由诸如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、正癸基、十二烷基、十四烷基和类似物的基团例示。烷基可进一步被选自烯基、烷氧基和羟基的一种或多种取代基取代。
除非另外指定,术语“亚烷基”指的是具有一至十八个碳原子的直链饱和二价烃基或具有三至十八个碳原子的支链饱和二价烃基,例如亚甲基、亚乙基、2,2-二甲基亚乙基、亚丙基、2-甲基亚丙基、亚丁基和类似物,优选亚甲基、亚乙基或亚丙基。
术语“亚芳基”是“芳基”的二价结构部分。术语“芳基”指的是C5-C18元芳族、杂环、稠合芳族、稠合杂环、二芳族或二杂环环系。广义上定义,本文中所使用的“芳基”包括5、6、7、8、9和10元单环芳族基团,所述基团可包括零至四个杂原子,例如苯、吡咯、呋喃、噻吩、咪唑、噁唑、噻唑、三唑、吡唑、吡啶、吡嗪、哒嗪、嘧啶和类似物。环结构中具有杂原子的那些“芳基”也可被称为“杂芳基”或“杂环化合物”或“杂芳族化合物”。芳族环可在一个或多个环位置处被包括但不限于以下的一种或多种取代基取代:卤素,叠氮,烷基,芳烷基,烯基,炔基,环烷基,羟基,烷氧基,氨基(或季化氨基),硝基,巯基,亚氨基,酰氨基,膦酸酯,亚膦酸酯,羰基,羧基,甲硅烷基,醚,烷硫基,磺酰基,磺酰氨基,酮,醛,酯,杂环基,芳族或杂芳族结构部分,-CF3,-CN,和它们的组合。
术语“芳基”还包括具有两个或更多个环状环的多环环系,其中两个或更多个碳为两个毗连环(即“稠环”)所共有,其中环的至少一者是芳族的,例如其它一个或多个环状环可为环烷基、环烯基、环炔基、芳基和/或杂环。杂环状环的实例包括但不限于:苯并咪唑基,苯并呋喃基,苯并硫代呋喃基,苯并硫代苯基,苯并噁唑基,苯并噁唑啉基,苯并噻唑基,苯并三唑基,苯并四唑基,苯并异噁唑基,苯并异噻唑基,苯并咪唑啉基,咔唑基,4aH咔唑基,咔啉基,色满基,色烯基,噌啉基,十氢喹啉基,2H,6H-1,5,2-二噻嗪基,二氢呋喃并[2,3b]四氢呋喃,呋喃基,呋咱基,咪唑烷基,咪唑啉基,咪唑基,1H-吲唑基,吲哚烯基,吲哚啉基,吲嗪基,吲哚基,3H-吲哚基,靛红酰基,异苯并呋喃基,异色满基,异吲唑基,异吲哚啉基,异吲哚基,异喹啉基,异噻唑基,异噁唑基,亚甲基二氧基苯基,吗啉基,萘啶基,八氢异喹啉基,噁二唑基,1,2,3-噁二唑基,1,2,4-噁二唑基,1,2,5-噁二唑基,1,3,4-噁二唑基,噁唑烷基,噁唑基,羟吲哚基,嘧啶基,菲啶基,菲咯啉基,吩嗪基,吩噻嗪基,吩噁噻基,吩噁嗪基,酞嗪基,哌嗪基,哌啶基,哌啶酮基,4-哌啶酮基,胡椒基,蝶啶基,嘌呤基,吡喃基,吡嗪基,吡唑烷基,吡唑啉基,吡唑基,哒嗪基,吡啶并噁唑,吡啶并咪唑,吡啶并噻唑,吡啶基,氮苯基,嘧啶基,吡咯烷基,吡咯啉基,2H-吡咯基,吡咯基,喹唑啉基,喹啉基,4H-喹嗪基,喹噁啉基,奎宁环基,四氢呋喃基,四氢异喹啉基,四氢喹啉基,四唑基,6H-1,2,5-噻二嗪基,1,2,3-噻二唑基,1,2,4-噻二唑基,1,2,5-噻二唑基,1,3,4-噻二唑基,噻蒽基,噻唑基,噻吩基,噻吩并噻唑基,噻吩并噁唑基,噻吩并咪唑基,苯硫基和呫吨基。
术语“亚芳烷基”是“芳烷基”的二价结构部分。术语“芳烷基”指的是具有式-Ra-芳基的基团,其中Ra为如上文定义的亚烷基,例如亚甲基、亚乙基和类似物。芳基部分任选被取代,如上文对于芳基所描述。
术语“环亚烷基”是“环烷基”的二价结构部分。术语“环烷基”指的是单环或多环环烷基。单环环烷基的实例包括环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基和环辛基。多环环烷基的实例包括例如金刚烷基、降冰片烷基、十氢萘基、7,7-二甲基-二环[2.2.1]庚烷基、三环[5.2.1.02,6]癸基和类似物。除非说明书中另有明确规定,术语“环烷基”意指包括任选被一种或多种选自烷基、卤素、氧代或亚烷基链的取代基取代的单环或多环环烷基。
术语“环烷基亚烷基”指的是基团-Ra-环烷基-,其中Ra为如上文定义的亚烷基,例如亚甲基、亚乙基和类似物。本文中所使用的C1-C8环烷基亚烷基指的是经由C1-C8亚烷基连接的环烷基。
术语“杂亚芳基”是“杂芳基”的二价结构部分。
在本发明的上下文中,术语“(甲基)丙烯酸酯”意图指代丙烯酸酯以及对应的甲基丙烯酸酯。
在本发明的上下文中,术语“(甲基)丙烯酰胺”意图包括丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺。
本发明提供使纳米凝胶组合物稳定的方法和组合物。通过根据本发明的方法获得的纳米凝胶特别可用于制备牙科组合物。牙科组合物可为牙科复合材料,牙科粘合剂,牙科粘固剂,树脂改性的玻璃离聚物,涂剂,密封剂,假牙材料,复合块,或用于牙科3D打印的复合油墨。
根据本发明的牙科组合物包含纳米凝胶作为组分。
在本发明的一个方面中,提供了包含纳米凝胶的牙科组合物,纳米凝胶通过包括以下步骤的方法形成:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低反应温度并用自由基清除剂淬灭纳米凝胶溶液来终止聚合。
用语“具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者”应被理解为意指“仅具有两个烯属不饱和基团的共聚单体”、“仅至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体”,或“具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体”两者。
在牙科组合物的一个实施方案中,纳米凝胶可以基于组合物的总重量计5至40%重量比、替代地10至30%重量比、替代地10至25%重量比或者其间的任何值、范围或子范围的浓度存在,均基于组合物的总重量计。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,具有一个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:(甲基)丙烯酸C1-C12烷基酯,(甲基)丙烯酸羟烷基酯,烯丙醚,芳族(甲基)丙烯酸酯,乙烯醚,乙烯酯,乙烯胺,丙烯酰胺,甲基丙烯酰胺,羟烷基丙烯酰胺,和羟烷基甲基丙烯酰胺。
(甲基)丙烯酸C1-C12烷基酯的实例可包括但不限于:(甲基)丙烯酸甲酯,(甲基)丙烯酸乙酯,(甲基)丙烯酸异丙酯,(甲基)丙烯酸丙酯,(甲基)丙烯酸异丁酯,(甲基)丙烯酸己酯,(甲基)丙烯酸环己酯,(甲基)丙烯酸月桂酯,和(甲基)丙烯酸异冰片酯。
(甲基)丙烯酸羟烷基酯的实例可包括但不限于:(甲基)丙烯酸羟乙酯(HEMA),聚甲基丙烯酸乙氧基乙酯,甲基丙烯酸羟丙酯和甲基丙烯酸羟丁酯,(甲基)丙烯酸6-羟己酯,和(甲基)丙烯酸10-羟癸酯。
芳族(甲基)丙烯酸酯的实例可包括但不限于:(甲基)丙烯酸2-苯氧乙酯,(甲基)丙烯酸苯酯,(甲基)丙烯酸苯甲酰酯,(甲基)丙烯酸苄酯,(甲基)丙烯酸2-苯乙酯,(甲基)丙烯酸3-苯丙酯,(甲基)丙烯酸4-苯丁酯,(甲基)丙烯酸4-甲苯酯,(甲基)丙烯酸4-甲苄酯,和甲基丙烯酸2-(4-甲氧苯基)乙酯。
羟烷基丙烯酰胺的实例可包括但不限于:羟乙基丙烯酰胺,N-三(羟甲基)甲基)丙烯酰胺,N-(羟甲基)丙烯酰胺,或它们的组合。
羟烷基甲基丙烯酰胺的实例包括N-羟甲基(甲基)丙烯酰胺,羟乙基(甲基)丙烯酰胺,和N,N-双-(2-羟乙基)甲基丙烯酰胺。
乙烯醚的实例可包括乙基乙烯醚,正丙基乙烯醚,异丙基乙烯醚,正丁基乙烯醚,异丁基乙烯醚,环己基乙烯醚,羟丁基乙烯醚,环己烷二甲醇单乙烯醚,2-乙基己基乙烯醚,十二烷基乙烯醚,和十八烷基乙烯醚。
乙烯酯的实例可包括但不限于:乙酸乙烯酯,丙酸乙烯酯,丁酸乙烯酯,异丁酸乙烯酯,己酸乙烯酯,硬脂酸乙烯酯,新壬酸乙烯酯,新癸酸乙烯酯,戊酸乙烯酯,己酸乙烯酯,月桂酸乙烯酯,异戊酸乙烯酯,2-乙基己酸乙烯酯,2,2-二甲基辛酸乙烯酯,2-甲基-2-丙基-戊酸乙烯酯,4-甲基-4-丁基己酸乙烯酯,和新酸(neo acid)的乙烯酯。
甲基丙烯酰胺的实例包括(甲基)丙烯酰胺,N-甲基(甲基)丙烯酰胺,N-乙基(甲基)丙烯酰胺,N,N-二甲基(甲基)丙烯酰胺,N,N-二乙基(甲基)丙烯酰胺,N,N-甲基乙基(甲基)丙烯酰胺,和N-(2-羟乙基)甲基丙烯酰胺。
丙烯酰胺的实例包括但不限于:N-丁基丙烯酰胺,双丙酮丙烯酰胺,N,N-二甲基丙烯酰胺,N,N-二苄基丙烯酰胺,N-乙基丙烯酰胺,N-(2-羟乙基)丙烯酰胺,和N-甲基-N-(2-羟乙基)丙烯酰胺。
在某些实施方案中,具有一个烯属不饱和基团的共聚单体可以基于混合物中共聚单体的总摩尔量计50至95摩尔%、替代地55至80摩尔%、替代地65至75摩尔%或者其间的任何值、范围或子范围存在,均基于混合物中共聚单体的总摩尔量计。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,具有两个烯属不饱和基团的共聚单体包含具有式I的化合物:
X-R-Y
式I
其中,
X为(甲基)丙烯酰基或(甲基)丙烯酰胺结构部分;
Y为(甲基)丙烯酰基、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯醚、乙烯酯或乙烯胺结构部分;
R为直接键或有机结构部分;
其中有机结构部分选自由以下组成的组:未取代或取代的C1-C18亚烷基,未取代或取代的C3-C8环亚烷基,未取代或取代的亚芳烷基,未取代或取代的C1-C8环烷基亚烷基,未取代或取代的C5-C18亚芳基,和未取代或取代的C3-C18杂亚芳基;其中有机结构部分可含有以下中的至少一者:C1-C4亚烷基,1-7个羰基,1-7个羧基(-(C=O)-O-或-O-(C=O)-),1-7个酰胺基团(-(C=O)-NH-或-(NH-(C=O)-),1-7个氨基甲酸酯基(-NH-(C=O)-O-或-O-(C=O)-NH-),以及1-14个选自氧、氮和硫的杂原子;并且其中每个取代的有机结构部分可被选自由烷基、羟基、硫醇基、-COOM、-PO3M、-O-PO3M2或-SO3M*组成的组的一种或多种取代基取代,其中M和M*彼此独立并且为氢原子或金属。
在具体实施方案中,有机结构部分为未取代或取代的C1-C18亚烷基,未取代或取代的C3-C8环亚烷基,未取代或取代的亚芳烷基,未取代或取代的C1-C8环烷基亚烷基,未取代或取代的C5-C18亚芳基,或者未取代或取代的C3-C18杂亚芳基;其中每个未取代或取代的有机结构部分可含有C1-C4亚烷基、1-4个氨基甲酸酯基(-NH-(C=O)-O-或-O-(C=O)-NH-)、1-8个氧原子或氮原子中的至少一者;其中每个取代的有机结构部分可被选自由烷基、羟基、硫醇基、-COOM、-PO3M、-O-PO3M2或-SO3M*组成的组的一种或多种取代基取代,其中M和M*彼此独立并且为氢原子或金属。
对于有机结构部分,用语“有机结构部分可含有...中的至少一者”意指有机结构部分中可含有的基团借助共价键合并入有机结构部分。例如,在UDMA中,两个氨基甲酸酯基(-NH-(C=O)-O-或-O-(C=O)-NH-)被并入有机结构部分。
在一个具体实施方案中,具有两个烯属不饱和基团的共聚单体可选自由以下组成的组:二(甲基)丙烯酸酯,(甲基)丙烯酸烯丙酯,二(甲基)丙烯酰胺,(甲基)丙烯酸酯(甲基)丙烯酰胺,(甲基)丙烯酸酯乙烯酯,(甲基)丙烯酸酯乙烯硫酯,(甲基)丙烯酸酯乙烯酰胺,乙烯醚(甲基)丙烯酸酯,乙烯酯(甲基)丙烯酸酯,乙烯胺(甲基)丙烯酸酯,烯丙基(甲基)丙烯酰胺,(甲基)丙烯酰胺乙烯酯,(甲基)丙烯酰胺乙烯硫酯,乙烯醚(甲基)丙烯酰胺和乙烯胺(甲基)丙烯酰胺。
具有两个烯属不饱和基团的共聚单体的实例可包括但不限于:乙二醇二丙烯酸酯,乙二醇二甲基丙烯酸酯,二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯,聚乙二醇二丙烯酸酯(其中重复氧化乙烯单元的数量为2至30),聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(其中重复氧化乙烯单元的数量为2至30,尤其是三乙二醇二甲基丙烯酸酯(“TEGDMA”),丁二醇二(甲基)丙烯酸酯,四乙二醇二(甲基)丙烯酸酯,新戊二醇二丙烯酸酯,新戊二醇二甲基丙烯酸酯,1,6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯,1,10-癸二醇二(甲基)丙烯酸酯,季戊四醇二(甲基)丙烯酸酯,4,4,6,16(或4,6,6,16)-四甲基-10,15-二氧代-11,14-二氧杂-2,9-二氮杂十七-16-烯酸2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯-1-基)氧基]乙酯(CAS号72869-86-4)(UDMA),N,N'-亚乙基双(甲基)丙烯酰胺,N,N'-亚丙基双(甲基)丙烯酰胺,N,N'-亚丁基双(甲基)丙烯酰胺,N,N'-五亚甲基双(甲基)丙烯酰胺,N,N'-六亚甲基双(甲基)丙烯酰胺,二亚甲基醚二丙烯酰胺,二亚甲基醚二甲基丙烯酰胺,亚甲基双丙烯酰胺,和亚甲基双甲基丙烯酰胺,具有下式的化合物:
在某些实施方案中,具有两个烯属不饱和基团的共聚单体可以基于混合物中共聚单体的总摩尔量计5至50摩尔%、替代地10至40摩尔%、替代地20至30摩尔%或者其间的任何值、范围或子范围存在,均基于混合物中共聚单体的总摩尔量计。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯,季戊四醇三丙烯酸酯,和季戊四醇四丙烯酸酯,二季戊四醇六丙烯酸酯,和N,N'-双丙烯酰基-N,N'-双烯丙基-1,4-丁-2-烯二胺(BAABE)。
在某些实施方案中,具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体可以基于混合物中共聚单体的总摩尔量计1至30摩尔%、替代地2至20摩尔%、替代地5至15摩尔%或者其间的任何值、范围或子范围存在,均基于混合物中共聚单体的总摩尔量计。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,可包括至少一种链转移剂。
可使用链转移剂来提供更短的聚合物链,其延迟大粒凝胶形成。链转移剂可为RSH,其中R为具有3至20个碳原子的直链或支链烷基。链转移剂的实例可包括丙硫醇,丁硫醇,己硫醇,1-十二硫醇,巯基乙醇和它们的组合。
至少一种链转移剂的量以基于混合物中共聚单体的总摩尔量计5至50%摩尔比、替代地10至40%摩尔比、替代地20至30%摩尔比或者其间的任何值、范围或子范围的浓度存在,均基于混合物中共聚单体的总摩尔量。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,可包括引发剂。
共聚单体的热聚合可通过引发剂的分解而引发。引发剂可选自有机过氧化物和偶氮化合物中的至少一者。
在某些实施方案中,引发剂选自由过氧化苯甲酰、2,2-偶氮双-(2-甲基丙腈)和2,2-偶氮双-(2-甲基丁腈)组成的组。在优选实施方案中,引发剂为偶氮双(异丁腈)。
热引发剂可以基于混合物中共聚单体的总重量计0.5至5.0%重量比的浓度存在。替代地0.5至3.0%重量比,替代地1.0至2.0%重量比,或者其间的任何值、范围或子范围,均基于混合物中共聚单体的总重量计。
在通过本文所公开的方法形成的纳米凝胶的某些实施方案中,可包括自由基清除剂。
可在常规自由基聚合结束时添加自由基清除剂以终止聚合。这将消除所得聚合物内作为非活性物类的所有自由基物类。将实现稳定的纳米凝胶体系以允许其后续暴露于热和真空,而不引起任何不需要的大粒胶凝。
自由基清除剂以至少0.05%重量比和至多2.5%重量比的量存在,或者自由基清除剂可以至少0.1%和至多1.5%重量比的量存在,均基于混合物中共聚单体的总重量计。替代地,自由基清除剂可以基于纳米凝胶中使用的总引发剂计至少0.1%重量比或基于纳米凝胶中使用的总引发剂计10-50%重量比的量存在。
自由基清除剂的实例可包括但不限于:TEMPO,取代的TEMPO,和多氯化三苯基甲基自由基,非那烯基(phenalenyl),环戊二烯基和其它碳中心自由基,硝基氧自由基,二叔烷基氧化亚胺,含有肼基(hydrazyl)单元的离域自由基,金属配位苯氧基自由基,和含有噻唑基单元的稳定自由基,或具有p区重元素的稳定自由基。
TEMPO为2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基。TEMPO的结构和取代的TEMPO的代表性实例描绘如下:
多氯化三苯基甲基自由基的实例可包括以下者:
非那烯基是如下描绘的结构:
环戊二烯基自由基的典型结构包括:
二叔丁基氧化亚胺自由基包括下式的结构:
金属配位的苯氧基自由基可包括如下描绘的结构:
在通过本发明的方法形成的纳米凝胶的一个实施方案中,纳米凝胶基本上不含大粒凝胶。
通过本发明的方法形成的纳米凝胶具有小于50nm的流体动力半径,替代地,纳米凝胶的流体动力半径为1nm至50nm,更优选2nm至20nm。
在本发明的一个方面中,提供一种形成纳米凝胶的方法,该方法包括以下步骤:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低反应温度并用自由基清除剂淬灭纳米凝胶溶液来终止聚合。
热聚合可使用任何自由基聚合方法,例如溶液、悬浮、乳液和本体聚合法来进行。
在形成纳米凝胶的方法的一个实施方案中,至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体、具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者、至少一种链转移剂以及引发剂的混合物可溶解于溶剂中。
在本文制备纳米凝胶的方法中使用的合适的溶剂是惰性溶剂。合适的溶剂的实例将是单体于其中溶解的溶剂,诸如偶极非质子溶剂,诸如甲基乙基酮或甲基异丁基酮;酮,诸如丙酮、2-丁酮或环己酮;烃,诸如甲苯和二甲苯;醚,诸如二噁烷或四氢呋喃。在一个具体实施方案中,溶剂是甲基乙基酮或甲基异丁基酮。
溶剂的量可以使得其使大粒凝胶的形成降到最低的浓度存在,可为总共聚单体的总重量的2-10倍。
在形成纳米凝胶的方法的一个实施方案中,热聚合可在40℃至150℃、诸如60℃至120℃或75℃至105℃的反应温度下进行。
在形成纳米凝胶的方法的一个实施方案中,可通过降低反应温度和用自由基清除剂淬灭纳米凝胶溶液来终止热聚合。
在终止热聚合的一些实施方案中,可通过在-196℃至25℃的温度下使纳米凝胶溶液冷却来降低反应温度。
在终止热聚合的一些实施方案中,当共聚单体混合物中55-85%的烯属不饱和基团已反应形成纳米凝胶时,将自由基清除剂加入纳米凝胶溶液,则纳米凝胶溶液可被淬灭。在一个具体实施方案中,当共聚单体混合物中75-80%的烯属不饱和基团已反应形成纳米凝胶时,将自由基清除剂加入纳米凝胶溶液。
在另外的实施方案中,本文所公开的方法可进一步包括在用自由基清除剂淬灭之后用非极性溶剂沉淀纳米凝胶混合物。替代地,使用具有10kDa截留分子量的再生纤维素膜针对溶剂透析纳米凝胶混合物。
用于沉淀纳米凝胶混合物的非极性溶剂可为戊烷,己烷,正庚烷,环己烷,辛烷,或石油醚。
用于透析纳米凝胶混合物的溶剂可为丙酮,2-丁酮或异丁基甲基酮。
在沉淀或透析纳米凝胶混合物之后,可在真空下去除溶剂以形成纳米凝胶。
通过本发明的方法形成的纳米凝胶可再分散于适当的溶剂中以产生稳定的纳米颗粒悬浮液。例如,纳米凝胶可容易地再分散于选自由丙酮、甲苯或甲基乙基酮组成的组的溶剂中以提供合适的悬浮液。
本文所公开的牙科组合物可含有可聚合树脂,聚合引发剂和另外的填料。
可聚合树脂
在牙科组合物的一个实施方案中,可聚合树脂可以牙科组合物的约1重量%至约95重量%的量存在。
可聚合树脂可选自由以下组成的组:丙烯酸酯,甲基丙烯酸酯,烯属不饱和化合物,含羧基不饱和单体,(甲基)丙烯酸的C2-8羟烷基酯,(甲基)丙烯酸的C1-24烷基酯或环烷基酯,(甲基)丙烯酸的C2-18烷氧基烷基酯,烯烃或二烯化合物,单酯/二酯,单醚,加合物,TPH树脂,SDR树脂和/或无BPA树脂。
具体的丙烯酸酯树脂的实例包括但不限于:丙烯酸甲酯,丙烯酸乙酯,丙烯酸丙酯,丙烯酸异丙酯,丙烯酸2-羟乙酯,丙烯酸羟丙酯,丙烯酸四氢糠酯,丙烯酸缩水甘油酯,单和二丙烯酸甘油酯,乙二醇二丙烯酸酯,聚乙二醇二丙烯酸酯,新戊二醇二丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三丙烯酸酯,单、二、三丙烯酸酯,季戊四醇和二季戊四醇的单、二、三和四丙烯酸酯,1,3-丁二醇二丙烯酸酯,1,4-丁二醇二丙烯酸酯,1,6-己二醇二丙烯酸酯,2,2'-双[3(4-苯氧基)-2-羟基丙烷-1-丙烯酸酯]丙烷,2,2'-双(4-丙烯酰氧基苯基)丙烷,2,2'双[4(2-羟基-3-丙烯酰氧基-苯基)丙烷,2,2'-双(4-丙烯酰氧基乙氧苯基)丙烷,2,2'-双(4-丙烯酰氧基丙氧苯基)丙烷,2,2'-双(4-丙烯酰氧基二乙氧苯基)丙烷,和二季戊四醇五丙烯酸酯。
具体的常规甲基丙烯酸酯树脂的实例包括但不限于:甲基丙烯酸甲酯,甲基丙烯酸乙酯,甲基丙烯酸丙酯,甲基丙烯酸异丙酯,甲基丙烯酸四氢糠酯,甲基丙烯酸缩水甘油酯,双酚A的甲基丙烯酸二缩水甘油酯(2,2-双[4-(2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙氧基)苯基]丙烷)(BisGMA),单和二甲基丙烯酸甘油酯,乙二醇二甲基丙烯酸酯,聚乙二醇二甲基丙烯酸酯,三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA),新戊二醇二甲基丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯,季戊四醇和二季戊四醇的单、二、三和四甲基丙烯酸酯,1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯,1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯,双[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]磷酸酯(BisMEP),1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯,2,2'-双(4-甲基丙烯酰氧基苯基)丙烷,2,2'-双[4(2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基-苯基)]丙烷,2,2'-双(4-甲基丙烯酰氧基乙氧苯基)丙烷,2,2'-双(4-甲基丙烯酰氧基丙氧苯基)丙烷,2,2'-双(4-甲基丙烯酰氧基二乙氧苯基)丙烷,和2,2'-双[3(4-苯氧基)-2-羟基丙烷-1-甲基丙烯酸酯]丙烷。
烯属不饱和化合物的实例包括但不限于:丙烯酸酯,甲基丙烯酸酯,羟基官能的丙烯酸酯,羟基官能的甲基丙烯酸酯,含卤素和羟基的甲基丙烯酸酯,和它们的组合。这类可自由基聚合的化合物包括:甲基丙烯酸正、仲或叔丁酯,甲基丙烯酸己酯,甲基丙烯酸2-乙基己酯,甲基丙烯酸辛酯,甲基丙烯酸癸酯,甲基丙烯酸月桂酯,甲基丙烯酸环己酯,甲基丙烯酸硬脂酯,(甲基)丙烯酸烯丙酯,三(甲基)丙烯酸甘油酯,二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯,三甘醇二(甲基)丙烯酸酯,1,3-丙二醇二(甲基)丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯,1,2,4-丁三醇三(甲基)丙烯酸酯,1,4-环己二醇二(甲基)丙烯酸酯,季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯,山梨醇六(甲基)丙烯酸酯,(甲基)丙烯酸四氢糠酯,双[1-(2-丙烯酰氧基)]-对乙氧苯基二甲基甲烷,双[1-(3-丙烯酰氧基-2-羟基)]-对丙氧苯基二甲基甲烷,乙氧基化双酚A二(甲基)丙烯酸酯,异氰尿酸三羟乙酯三(甲基)丙烯酸酯;(甲基)丙烯酰胺(即,丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺),诸如(甲基)丙烯酰胺、亚甲基双-(甲基)丙烯酰胺和双丙酮(甲基)丙烯酰胺;氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯,氨基甲酸酯改性的BisGMA树脂,聚乙二醇的双-(甲基)丙烯酸酯;以及含氯、溴、氟和羟基的单体,例如(甲基)丙烯酸3-氯-2-羟丙酯。
含羧基不饱和单体的实例包括但不限于诸如丙烯酸,甲基丙烯酸,巴豆酸,衣康酸,马来酸和富马酸。
(甲基)丙烯酸的C2-8羟烷基酯的实例包括但不限于(甲基)丙烯酸2-羟乙酯,(甲基)丙烯酸2-羟丙酯,(甲基)丙烯酸3-羟丙酯,和(甲基)丙烯酸羟丁酯。
(甲基)丙烯酸的C2-18烷氧基烷基酯的实例包括但不限于甲基丙烯酸甲氧基丁酯,甲基丙烯酸甲氧基乙酯,甲基丙烯酸乙氧基乙酯,和甲基丙烯酸乙氧基丁酯。
烯烃或二烯化合物包括但不限于乙烯,丙烯,丁烯,异丁烯,异戊二烯,氯丙烯,含氟烯烃和氯乙烯。
单酯的实例可包括聚醚多元醇(例如聚乙二醇、聚丙二醇或聚丁二醇)与不饱和羧酸(优选甲基丙烯酸)之间的单酯,含酸酐基不饱和化合物(例如马来酸酐或衣康酸酐)与二醇(例如乙二醇、1,6-己二醇或新戊二醇)之间的单酯或二酯。
单醚的实例可包括聚醚多元醇(例如聚乙二醇、聚丙二醇或聚丁二醇)与含羟基不饱和单体(例如2-羟基甲基丙烯酸酯)之间的单醚。
加合物的实例可包括但不限于不饱和羧酸与单环氧化合物之间的加合物,(甲基)丙烯酸缩水甘油酯(优选甲基丙烯酸缩水甘油酯)与一元酸(例如乙酸、丙酸、对叔丁基苯甲酸或脂肪酸)之间的加合物。
引发剂
通常在诸如自由基聚合的链增长聚合中使用引发剂以通过热或光调控引发。
热聚合引发剂是在暴露于热后生成自由基或阳离子的化合物。例如,偶氮化合物、诸如2,2'-偶氮双(异丁腈)(AIBN)和有机过氧化物、诸如过氧化苯甲酰(BPO)是众所周知的热自由基引发剂,并且苯磺酸酯和烷基锍盐已被开发为热阳离子引发剂。有机和无机化合物可用来生成引发聚合的自由基。自由基可通过热或环境氧化还原条件而生成。一些引发剂的分解速率随pH和胺的存在而变化。
另外的自由基引发剂可包括有机光引发剂。合适的光引发剂包括I型和II型。它们可独立使用或用作不同光引发剂加另外的共引发剂的混合物。合适的光敏剂可包括吸收一些约300nm至约800nm(诸如约400nm至约500nm)范围内光的单酮和二酮(例如α二酮),诸如樟脑醌、苯偶酰、糠偶酰、3,3,6,6-四甲基环己二酮、菲醌和其它环状α二酮。在实施方案中,引发剂是樟脑醌。电子供体化合物的实例包括取代胺,例如作为促进剂的4-(N,N-二甲氨基)苯甲酸乙酯。
用于使可自由基光致聚合组合物聚合的其它合适的光引发剂可包括通常具有约380nm至约1200nm的功能波长范围的氧化膦类。在实施方案中,具有约380nm至约450nm的功能波长范围的氧化膦自由基引发剂是酰基和二酰基氧化膦类。
在大于约380nm至约450nm的波长范围下被辐照时能够引发自由基的市售可得的氧化膦光引发剂可包括:1-羟基环己基苯基酮(IRGACURE 184),2,2-二甲氧基-1,2-二苯基乙-1-酮(IRGACURE651),双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦(IRGACURE 819),1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(IRGACURE 2959),2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)丁酮(IRGACURE 369),2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-吗啉代丙烷-1-酮(IRGACURE 907),和2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮(DAROCUR 1173),双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦(IRGACURE 819),双(2,6-二甲氧基苯甲酰基)-(2,4,4-三甲基戊基)氧化膦(CGI 403),双(2,6-二甲氧基苯甲酰基)-2,4,4-三甲基戊基氧化膦和2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮的重量比25:75的混合物(IRGACURE 1700),双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦和2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮的重量比1:1的混合物(DAROCUR 4265),以及乙基2,4,6-三甲基苄基苯基亚膦酸酯(LUCIRIN LR8893X)。
在牙科组合物的一个实施方案中,引发剂可以牙科组合物的0.05重量%至约5重量%的量存在。
填料
本发明的牙科组合物可包括填料。
合适的填料颗粒的实例包括但不限于:硅酸锶,硼硅酸锶,硅酸钡,硼硅酸钡,钡氟铝硼硅酸盐玻璃,硼硅酸钡铝,硅酸钙,钙铝钠氟磷硅酸盐,硅酸镧,硅酸铝,和包含前述填料中至少一者的组合。填料颗粒还可包含氮化硅,二氧化钛,煅制二氧化硅,胶态二氧化硅,石英,高岭土陶瓷,钙羟基磷灰石,氧化锆,和它们的混合物。煅制二氧化硅的实例包括DeGussa AG的OX-50(具有40nm的平均粒度),DeGussa AG的Aerosil R-972(具有16nm的平均粒度),DeGussa AG的Aerosil 9200(具有20nm的平均粒度),其它Aerosil煅制二氧化硅可包括Aerosil 90、Aerosil 150、Aerosil 200、Aerosil 300、Aerosil 380、AerosilR711、Aerosil R7200和Aerosil R8200;以及Cabot Corp的Cab-O-Sil M5,Cab-O-Sil TS-720,Cab-O-Sil TS-610。
本文所公开的组合物中使用的填料颗粒可在与有机化合物共混之前被表面处理。使用硅烷偶联剂或其它化合物的表面处理是有益的,因为它们使得填料颗粒能够更均匀地分散于有机树脂基质中,并且还改进了物理和机械性质。合适的硅烷偶联剂包括3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,甲基丙烯酰氧基辛基三甲氧基硅烷,苯乙烯基乙基三甲氧基硅烷,3-巯基丙基三甲氧基硅烷,和它们的混合物。
填料颗粒可具有约0.002微米至约25微米的粒度。在一个实施方案中,填料可包含微米级不透射线填料、诸如钡铝氟硼硅酸盐玻璃(BAFG,具有约1微米的平均粒度)与纳米填料颗粒、诸如煅制二氧化硅、诸如DeGussa AG的OX-50(具有约40nm的平均粒度)的混合物。微米级玻璃颗粒的浓度可为牙科组合物的约50重量%至约75重量%,并且纳米级填料颗粒可为牙科组合物的约1重量%至约20重量%。
本发明的牙科组合物可包括约5至约95重量%的量的填料材料。
在配制的组合物中,可任选地包括另外的添加剂:紫外稳定剂,荧光剂,乳光剂,颜料,粘度调节剂,脱氟剂,聚合抑制剂,和类似物。用于自由基体系的典型聚合抑制剂可包括氢醌单甲基醚(MEHQ),丁基化羟甲苯(BHT),叔丁基氢醌(TBHQ),氢醌,苯酚,丁基羟苯胺,和类似物。抑制剂充当自由基清除剂以捕获组合物中的自由基并且延长组合物的储存期限稳定性。如果存在的话,聚合抑制剂可以牙科组合物的约0.001重量%至约1.5重量%、诸如牙科组合物的约0.005重量%至约1.1重量%或约0.01重量%至约0.08重量%的量存在。组合物可包括一种或多种聚合抑制剂。
本文中论述的发明通过以下实施例中所述的纳米凝胶组合物、牙科组合物来进一步说明,但这些实施例不应被解释为限制本发明的范围。
实施例:
分批反应(常规热过程):利用20摩尔%巯基乙醇(ME)和20摩尔%1-十二硫醇(DDT)作为链转移剂,进行甲基丙烯酸异冰片酯(IBMA)和氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯(UDMA)(摩尔比70/30)的溶液共聚。热聚合使用在75-80℃分别于2-丁酮(MEK)或甲苯中的1重量%2,2-偶氮二异丁腈。
成功再生产了各种实验室批次的基于UDMA/IBMA(摩尔比30:70)和/或UDMA/POEMA(摩尔比30:70)的纳米凝胶,但始终达到50-70%的较低产率,参见表I中的实施例。另外,揭示了尽管最初沉淀的纳米凝胶可完全溶解,但在溶剂去除过程中部分大粒凝胶可与纳米凝胶一起形成。这种大粒凝胶的存在将负面影响配制树脂混合物中任何所得纳米凝胶的产率和溶解。
表I:组合物和溶剂对经由分批法的纳米凝胶的产率和溶解度的影响
低产率被归因于单甲基丙烯酸酯和二甲基丙烯酸酯的差共聚,例如POEMA与UDMA,虽然POEMA似乎具有比IBMA更好的共聚。因此,较少POEMA被并入纳米凝胶,并且这种纳米凝胶的实际组成将偏离UDMA/POEMA的30/70摩尔比的进料组合物,参见表II实施例17。
表II:用于改进产率的树脂组合物和溶剂对纳米凝胶的溶解度的影响
对于当前的纳米凝胶过程、UDMA/IBMA对比UDMA/POEMA中的己烷可溶性部分,基于NMR分析,推断了以下者:
(i)对于UDMA/IBMA(30/70,于MEK中):44.5g(37.5%重量比)的己烷可溶性液体被收集为未反应的IBMA、IBMA低聚物和游离DDT。存在极少的UDMA。
(ii)对于UDMA/POEMA(25/75,于MEK中):40.0g(33.5%重量比)的己烷可溶性液体被收集为POEG/PODEG、未反应的POEMA、POEMA低聚物和游离DDT。发现了极少的UDMA且无晶体残余物。
(a)基于1H NMR分析评价,有12.8g(32%)作为游离DDT,27.2g(68%)作为游离POEMA和/或POEMA低聚物;
(b)12.8/13.6=94%重量比的DDT被回收;27.2/56.8=47.9%重量比的POEMA被回收。
因此这种纳米凝胶的最终组成将为39/61(摩尔比)的UDMA/POEMA。
在干燥后仍存在最终纳米凝胶中不溶性部分的问题,这被归因于大粒凝胶,因为纳米凝胶中捕获自由基的不稳定性。需要解决该问题以便于后续处理过程,并且确保最终纳米凝胶于任何配制组合物中再分散的品质。因此,建议将化学淬灭过程引入这类反应体系,以使纳米凝胶稳定并且避免处理过程中的任何大粒胶凝。形成的纳米凝胶还将能够稍后容易地再分散于树脂中。
出于这一目的,稳定的自由基TEMPO应起良好的作用。对于经由硝基氧介导的聚合(NMP)的受控自由基聚合的一般机制,增长自由基应被适当终止。NMP的一个关键方面是取决于单体的结构性质和/或硝基氧化合物,可逆性将变化。例如,苯乙烯可在诸如110-120℃的高温下进行进一步热裂解以重新加入自由基聚合,发展成受控的自由基聚合。然而,除非使用了特别设计的硝基氧化合物,在任何甲基丙烯酸酯体系中将不会发生这类可逆过程。更明确而言,对于甲基丙烯酸酯,TEMPO将不起NMP作用,尽管其应适当淬灭甲基丙烯酸酯增长自由基。因此,TEMPO应是用来使纳米凝胶稳定的理想候选物。
制备实施例1:
使用以下原料:
利用30摩尔%1-十二硫醇(DDT)作为链转移剂,进行2-苯基乙二醇甲基丙烯酸酯(POEMA)和氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯(UDMA)(摩尔比70/30,图1)的溶液共聚。分别添加在75-80℃于2-丁酮(MEK)200g中1%重量比的2,2-偶氮二异丁腈(AIBN)。通过FTIR监测甲基丙烯酸酯转化率,并且一旦达到75-80%的目标转化,即排出反应溶液。将0.20%重量比的TEMPO加入此排出的溶液,以允许在室温下混合30min形成纳米凝胶混合物。使纳米凝胶混合物在强力搅动下于2000mL己烷中沉淀以产生湿纳米凝胶。通过倾析己烷溶液来分离湿纳米凝胶。使湿纳米凝胶在减压下进一步干燥至少12小时。收集干燥的纳米凝胶,并且干烧瓶中的残余物可完全溶解于丙酮中,这是对发生了有效的TEMPO淬灭过程的良好指示物。此外,这种TEMPO稳定的纳米凝胶应容易地再溶解于丙酮或其它树脂共混物中。
如图2中所描绘的,在正常的自由基聚合过程中,总甲基丙烯酸酯转化率稳固提高。在转化率达到75%时排出反应溶液,并且排出的和/或室温老化一天的溶液未发现转化率的进一步提高,这应表明TEMPO非常有效地永久终止了自由基增长。
对于纳米凝胶ZZ1-99(UDMA/POEMA(30/70,于MEK中)),同一反应体系被分成四个部分,其中以0%重量比(ZZ1-99A)、0.20%重量比(ZZ1-99B)、0.16%重量比(ZZ1-99C)和0.12%(ZZ1-99D)重量比添加不同量的TEMPO。然后,在40℃进行聚合后热老化数天(如图6和图7中所描绘的)。从物理外表、变色和溶液粘度方面监测老化溶液。如表III和图7中所描绘的,无任何TEMPO添加的体系形成了大粒凝胶,并且其它体系看起来不错。然而,还注意到对于具有高浓度TEMPO的那些体系,在40℃进一步老化后产生了更高的粘度。意外地从具有最低TEMPO的纳米凝胶溶液(ZZ1-99D,0.12%TEMPO)中发现了最少的粘度提高。甲基丙烯酸酯-硝基氧体系中副反应的一般机制示于图3中(Macromol.Rapid Commun.2015,36(13):1227-1247)。当老化时在高温下(MEK体系为40-80℃,并且对于其它溶剂如甲苯为至多100℃)纳米凝胶/TEMPO溶液可发生的可能副反应如图4中所示。
表III:热老化对MEK中TEMPO稳定的纳米凝胶的溶液粘度的影响
对于TEMPO稳定的纳米凝胶过程中的己烷可溶性部分,观测到以下者:
(i)对于UDMA/POEMA(25/75,于MEK中):40.0g(33.5%重量比)的己烷可溶性液体被收集为POEG/PODEG、未反应的POEMA、POEMA低聚物和游离DDT。存在很少的UDMA且无晶体残余物。
(ii)对于UDMA/POEMA(30/70,ZZ1-99B、ZZ1-99C、ZZ1-99D,于MEK中)且室温下 TEMPO然后40℃老化15天:21.5g(18.9%重量比)的己烷可溶性液体被收集为POEG/PODEG、未反应的POEMA、POEMA低聚物和游离DDT。存在很少的UDMA但很多的晶体残余物。
(iii)对于UDMA/POEMA(30/70,ZZ1-127A,于MEK中)且室温下TEMPO、未老化:31.0g(28%重量比)的己烷可溶性液体被收集为POEG/PODEG、未反应的POEMA、POEMA低聚物和游离DDT。存在极少的UDMA且无晶体残余物。
(a)基于1H NMR评价,存在14.5g(46.8%)游离DDT,13.1g(42.2%)游离POEMA和3.4g(11.0%)POEMA低聚物。
(b)14.5/19.1=76%重量比的DDT被回收;(13.1+3.4)/47.1=35%重量比的POEMA被回收。
(c)因此,这种纳米凝胶的最终组成将为39/61(摩尔比)的UDMA/POEMA。
(iv)对于UDMA/POEMA(30/70,ZZ1-127B,于MEK中)且室温下TEMPO、然后室温老化7 天:26.9g(27%重量比)的己烷可溶性液体被收集为POEG/PODEG、未反应的POEMA、POEMA低聚物和游离DDT。存在很少的UDMA和极少的晶体残余物。
(v)对于UDMA/BZMA(30/70,ZZ1-130A,于MEK中)且室温下TEMPO、未老化:38.8g(36%重量比)的己烷可溶性液体被收集为未反应的BZMA、BZMA低聚物和游离DDT。存在很少的UDMA且无晶体残余物。
(vi)对于UDMA/BZMA(30/70,ZZ1-130B,于MEK中)且室温下TEMPO、然后室温老化7 天:33.2g(34%重量比)的己烷可溶性液体被收集为未反应的BZMA、BZMA低聚物和游离DDT。存在很少的UDMA且无晶体残余物。
对于纳米凝胶ZZ1-127B(UDMA/POEMA(30/70,于MEK中)),添加0.20%重量比的TEMPO。然后,在室温下进行聚合后老化数天(如图5中所描绘的)。
另外,还应指出,在高温下TEMPO计量添加或在室温下TEMPO计量添加而且随后还在高温下老化的其它后果可导致进一步副反应,这危及使纳米凝胶有效稳定的目的。
最后,如表IV中所示,对于这种TEMPO稳定的UDMA/POEMA纳米凝胶体系,可达到大约77%的稳固总产率。另一方面,还发现通过简单转换至具有高纯度(99.5%BZMA)的单甲基丙烯酸酯不能改进纳米凝胶的总产率(约66%)。
表IV:TEMPO对经由分批法的纳米凝胶的产率和溶解度的影响
对于TEMPO稳定的UDMA/POEMA/DDT/MEK纳米凝胶过程,观测到以下者:
(i)在高温下TEMPO淬灭或在高温下进一步热老化可触发TEMPO/甲基丙烯酸酯自由基的副反应,这是MEK溶液中形成漂浮物的原因(TEMPO相关的副反应)。因此建议在环境温度下TEMPO淬灭。
(ii)基于纳米凝胶中使用的AIBN计10-15%重量比的TEMPO将对化学淬灭纳米凝胶增长自由基有效。这将产生无大粒胶凝的易于进行后续处理过程的稳定纳米凝胶。这因可从真空干燥后过程回收完全可溶的纳米凝胶的事实而明显。
(iii)建议这种化学淬灭不应在高温(80℃)下进行。替代地,一旦达到所需转化率(75%),直接淬灭排出的纳米凝胶溶液。随后在室温下另外的老化将不对稳定性造成任何负面影响,并且纳米凝胶和纳米凝胶残余物中将不产生晶体副产物。
制备实施例2:含有8摩尔%三乙烯基交联剂的纳米凝胶
将306.8g(1.488摩尔)乙二醇苯醚甲基丙烯酸酯(POEMA)、55.2g(0.1632摩尔)三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)、180.0g(0.3825摩尔)双-(2-甲基丙烯酰基乙基)-N,N'-1,9-壬烯双氨基甲酸酯(UDMA)、5.4g(0.033摩尔)2,2-偶氮双-(2-甲基丙腈)(AIBN)和123.9g(0.612摩尔)十二烷硫醇(DDT)溶解于1084.0g甲基异丁基酮(MIBK)中。然后在100℃以4mL/min的流速将溶液泵送经过Fluitec contiplant连续流反应器。然后通过滴入置于冰浴中的0.54g预溶解的2,2,6,6-四甲基-哌啶-1-氧基(TEMPO)中来淬灭所得产物溶液。然后使用具有10kDa截留分子量(MWCO)的再生纤维素膜,针对丙酮透析所得粗产物8天。然后使纯化产物在减压下蒸发并且在真空下干燥。
随后使用13C-NMR分析产物。7.02ppm处的-CH3峰(图8)对于所用三官能交联剂是描述性的,并且证明了成功并入纳米凝胶。
制备实施例3、4、5:含有15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%三乙烯基交联剂的纳米凝胶
将乙二醇苯醚甲基丙烯酸酯(POEMA)、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)、双-(2-甲基丙烯酰乙基)-N,N'-1,9-壬烯双氨基甲酸酯(UDMA)、2,2-偶氮双-(2-甲基丙腈)(AIBN)和十二烷硫醇(DDT)溶解于甲基异丁基酮(MIBK)中。然后在100℃以4mL/min的流速将溶液泵送经过Fluitec contiplant连续流反应器。然后通过滴入置于冰浴中的0.1g预溶解的2,2,6,6-四甲基-哌啶-1-氧基(TEMPO)中来淬灭所得粗产物溶液。然后使用具有10kDa截留分子量(MWCO)的再生纤维素膜,针对丙酮透析所得粗产物10天。然后使纯化产物在减压下蒸发并且在真空下干燥。
表V给出了关于合成含有15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%三乙烯基交联剂的纳米凝胶的所用试剂量的总览。
表V:合成含有15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%三乙烯基交联剂的纳米凝胶的所用试剂量的展示
随后使用13C-NMR分析纳米凝胶。7.50-7.51ppm处的CH3峰(图9、10、11)对于所用三官能交联剂是描述性的,并且证明了TMPTMA成功并入每种纳米凝胶。
制备实施例6:含有30摩尔%二乙烯基二烯丙基单链烯交联剂的纳米凝胶
在250mL圆底烧瓶中,将34.00g(0.165摩尔)乙二醇苯醚甲基丙烯酸酯(POEMA)、9.39g(0.071摩尔)N,N'-双丙烯酰基-N,N'-双烯丙基-1,4-丁-2-烯二胺(BAABE)、0.53g(0.003摩尔)2,2-偶氮双-(2-甲基丙腈)(AIBN)和14.30g(0.071摩尔)十二烷硫醇(DDT)溶解于106.78mL甲基异丁基酮(MIBK)中。反应在80℃进行110min。然后通过置于液氮浴中淬灭所得粗产物溶液。然后使用具有10kDa截留分子量(MWCO)的再生纤维素膜,针对丙酮透析所得粗产物19天。然后使纯化产物在减压下蒸发并且在真空下干燥。
随后使用13C-NMR分析产物。代表性BAABE峰有118.11ppm处丙烯酰基的CH2-和132.23ppm处烯丙基的-CH-(图12)。代表性POEMA峰是176.62ppm处的芳族碳。这些峰描述了所用五官能交联剂和POEMA的组成,并且证明了两者成功并入纳米凝胶。
应用实施例1:将进料组合物中并入了8摩尔%TMPTMA的TEMPO淬灭的纳米凝胶以10重量%负载量分散于Ceram.x Universal树脂中,并且与无TMPTMA的纳米凝胶(仅POEMA/UDMA)进行比较。如表VI中所示,具有含8摩尔%TMPTMA的纳米凝胶的树脂也可良好地分散于Ceram.x Universal树脂中,从而导致类似的粘度和折射率。此外,相比于仅POEMA/UDMA纳米凝胶和Ceram.x Universal对照树脂,发现了可比的挠曲强度和挠曲模量。更重要的是,以仅10重量%纳米凝胶负载观测到了明显的收缩应力减少。
表VI:用含8摩尔%TMPTMA对比无TMPTMA的纳米凝胶分散的Ceram.x Universal树脂的性质
应用实施例2:将进料组合物中并入了15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%TMPTMA或者30摩尔%BABBE的TEMPO淬灭的纳米凝胶以10重量%负载量分散于Ceram.x Universal树脂中。用含15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%TMPTMA或者30摩尔%BABBE的纳米凝胶分散的Ceram.x Universal树脂的性质示于表VII中。
表VII:用含15摩尔%、20摩尔%或25摩尔%TMPTMA或者30摩尔%BAABE的纳米凝胶分散的Ceram.x Universal树脂的性质
发明人先前的研究发现,纳米凝胶改性的Prime&Bond NT在5,000和10,000个热循环周期后提高了对牙质的剪切粘合强度(SBS)。此外,在37℃水存储6个月后Prime&Bond NT未观测到明显的变化,但对于纳米凝胶改性的Prime&Bond NT,在37℃水存储6个月后观测到对牙质和釉质更高的SBS。
尽管已参考一个或多个实施方案描述了本发明,但本领域技术人员将理解的是,可在不脱离本发明的范围的情况下作出各种变化并且等效物可代替本发明的要素。另外,在不脱离本发明的基本范围的情况下,可作出许多修改以使特定情况或材料适应于本发明的教导。因此,意图本发明不限于公开为设想用于实施本发明的最佳模式的具体实施方案,而且本发明将包括属于随附权利要求书的范围内的所有实施方案。另外,详细描述中标识的所有数值应被解释为犹如确切值和近似值都被明确标识了。
Claims (41)
1.包含纳米凝胶的牙科组合物,所述纳米凝胶通过包括以下步骤的方法形成:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低所述反应温度并用自由基清除剂淬灭所述纳米凝胶溶液来终止所述聚合。
2.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述混合物还包含溶剂。
3.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中自由基清除剂以基于所述混合物中共聚单体的总重量计至少0.1%重量比存在。
4.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中步骤(b)中的所述自由基清除剂是:TEMPO,取代的TEMPO,多氯化三苯基甲基自由基,非那烯基,环戊二烯基,其它碳中心自由基,硝基氧自由基,二叔烷基氧化亚胺,含有肼基单元的离域自由基,金属配位苯氧基自由基,含有噻唑基单元的稳定自由基,或具有p区重元素的稳定自由基。
5.根据权利要求4所述的牙科组合物,其中所述自由基清除剂是TEMPO。
6.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述具有一个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:(甲基)丙烯酸C1-C12烷基酯,(甲基)丙烯酸羟烷基酯,烯丙醚,芳族(甲基)丙烯酸酯,乙烯醚,乙烯酯,乙烯胺,丙烯酰胺,甲基丙烯酰胺,羟烷基丙烯酰胺,和羟烷基甲基丙烯酰胺。
7.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述具有两个烯属不饱和基团的共聚单体包含具有式I的化合物:
X-R-Y
式I
其中,
X为(甲基)丙烯酰基或(甲基)丙烯酰胺结构部分;
Y为(甲基)丙烯酰基、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯醚、乙烯酯或乙烯胺结构部分;
R为直接键或有机结构部分;
其中所述有机结构部分是未取代或取代的C1-C18亚烷基,未取代或取代的C3-C8环亚烷基,未取代或取代的亚芳烷基,未取代或取代的C1-C8环烷基亚烷基,未取代或取代的C5-C18亚芳基,或者未取代或取代的C3-C18杂亚芳基;其中每个未取代或取代的有机结构部分可含有C1-C4亚烷基、1-4个氨基甲酸酯基(-NH-(C=O)-O-或-O-(C=O)-NH-)、1-8个氧原子或氮原子中的至少一者;其中每个取代的有机结构部分被选自由烷基、羟基、硫醇基、-COOM、-PO3M、-O-PO3M2或-SO3M*组成的组的一种或多种取代基取代,其中M和M*彼此独立并且为氢原子或金属。
8.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯,季戊四醇三丙烯酸酯,和季戊四醇四丙烯酸酯,二季戊四醇六丙烯酸酯,和N,N'-双丙烯酰基-N,N'-双烯丙基-1,4-丁-2-烯二胺。
9.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述共聚单体包括至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体,其以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计1至30摩尔%的范围存在的。
10.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述具有一个烯属不饱和基团的共聚单体以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计50至95摩尔%的范围存在。
11.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述具有两个烯属不饱和基团的共聚单体以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计5至50摩尔%的范围存在。
12.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述至少一种链转移剂是RSH,其中R为具有3至20个碳原子的直链或支链烷基。
13.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述至少一种链转移剂以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计5至50%摩尔比的浓度存在。
14.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述引发剂选自有机过氧化物和偶氮化合物中的至少一者。
15.根据权利要求14所述的牙科组合物,其中所述引发剂选自由过氧化苯甲酰、2,2-偶氮双-(2-甲基丙腈)和2,2-偶氮双-(2-甲基丁腈)组成的组。
16.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述引发剂以基于所述混合物中共聚单体的总重量计0.5至5.0%重量比的浓度存在。
17.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述纳米凝胶可溶于至少一种选自由甲基乙基酮、丙酮和甲苯组成的组的溶剂中。
18.根据权利要求1所述的牙科组合物,其中所述纳米凝胶以基于所述组合物的总重量计5至40%重量比的浓度存在。
19.根据权利要求18所述的牙科组合物,其还包含:
(i)至少一种填料,其浓度为基于所述组合物的总重量计5至95%重量比,
(ii)至少一种聚合引发剂,其浓度为基于所述组合物的总重量计0.05至5%重量比。
20.通过包括以下步骤的方法形成的纳米凝胶:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,和
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低所述反应温度并用自由基清除剂淬灭所述纳米凝胶溶液来终止所述聚合;
其中所述纳米凝胶基本上不含大粒凝胶。
21.根据权利要求20所述的纳米凝胶,其中所述纳米凝胶具有2nm至20nm的流体动力半径。
22.使用根据权利要求20中所定义的纳米凝胶来制备牙科组合物的方法,其中所述牙科组合物是牙科复合材料,牙科粘合剂,牙科粘固剂,树脂改性的玻璃离聚物,涂剂,密封剂,假牙材料,复合块,和用于牙科3D打印的复合油墨。
23.形成纳米凝胶的方法,所述方法包括:
(a)在反应温度下通过热聚合使包含以下的混合物聚合:
(i)至少一种具有一个烯属不饱和基团的共聚单体,
(ii)具有两个烯属不饱和基团的共聚单体和至少一种具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体中的至少一者,
(iii)至少一种链转移剂,
(iv)引发剂;
以获得纳米凝胶溶液;并且
(b)通过降低所述反应温度并用自由基清除剂淬灭所述纳米凝胶溶液来终止所述聚合,以形成所述纳米凝胶。
24.根据权利要求23所述的方法,其中所述自由基清除剂的存在浓度使得纳米凝胶溶液具有在25℃存储7天的热稳定性。
25.根据权利要求23所述的方法,其中所述混合物还包含溶剂。
26.根据权利要求23所述的方法,其中步骤(b)中的所述自由基清除剂是:TEMPO,取代的TEMPO,和多氯化三苯基甲基自由基,非那烯基,环戊二烯基,和其它碳中心自由基,硝基氧自由基,二叔烷基氧化亚胺,含有肼基单元的离域自由基,金属配位苯氧基自由基,含有噻唑基单元的稳定自由基,或具有p区重元素的稳定自由基。
27.根据权利要求26所述的方法,其中所述自由基清除剂是TEMPO。
28.根据权利要求23所述的方法,其中所述热聚合在60℃至120℃的反应温度下进行。
29.根据权利要求23所述的方法,其中所述聚合的终止在-196℃至25℃的反应温度下实施。
30.根据权利要求24所述的方法,其中自由基清除剂以基于所述混合物中共聚单体的总重量计至少0.1%重量比存在。
31.根据权利要求24所述的方法,其中当所述共聚单体混合物中55-85%的所述烯属不饱和基团已反应形成所述纳米凝胶时,将自由基清除剂加入所述纳米凝胶溶液。
32.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有一个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:(甲基)丙烯酸C1-C12烷基酯,(甲基)丙烯酸羟烷基酯,烯丙醚,芳族(甲基)丙烯酸酯,乙烯醚,乙烯酯,乙烯胺,丙烯酰胺,甲基丙烯酰胺,羟烷基丙烯酰胺,和羟烷基甲基丙烯酰胺。
33.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有两个烯属不饱和基团的共聚单体包含具有式I的化合物:
X-R-Y
式I
其中,
X为(甲基)丙烯酰基或(甲基)丙烯酰胺结构部分;
Y为(甲基)丙烯酰基、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯醚、乙烯酯或乙烯胺结构部分;
R为直接键或有机结构部分;
其中所述有机结构部分是未取代或取代的C1-C18亚烷基,未取代或取代的C3-C8环亚烷基,未取代或取代的亚芳烷基,未取代或取代的C1-C8环烷基亚烷基,未取代或取代的C5-C18亚芳基,或者未取代或取代的C3-C18杂亚芳基;其中每个未取代或取代的有机结构部分可含有C1-C4亚烷基、1-4个氨基甲酸酯基(-NH-(C=O)-O-或-O-(C=O)-NH-)、1-8个氧原子或氮原子中的至少一者;其中每个取代的有机结构部分被选自由烷基、羟基、硫醇基、-COOM、-PO3M、-O-PO3M2或-SO3M*组成的组的一种或多种取代基取代,其中M和M*彼此独立并且为氢原子或金属。
34.根据权利要求32所述的方法,其中所述具有一个烯属不饱和基团的共聚单体是(甲基)丙烯酸2-苯氧乙酯或(甲基)丙烯酸苄酯。
35.根据权利要求33所述的方法,其中所述具有两个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:2,2′-双[4-(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基)-苯基]丙烷(bis-GMA),四乙二醇二(甲基)丙烯酸酯(TEGDMA),和氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯(UDMA)。
36.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体选自由以下组成的组:三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯,季戊四醇三丙烯酸酯,季戊四醇四丙烯酸酯,和N,N'-双丙烯酰基-N,N'-双烯丙基-1,4-丁-2-烯二胺。
37.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有至少三个烯属不饱和基团的共聚单体以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计1至30摩尔%的范围存在。
38.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有一个烯属不饱和基团的共聚单体以基于所述混合物中所述共聚单体的总摩尔量计50至95摩尔%的范围存在。
39.根据权利要求23所述的方法,其中所述具有两个烯属不饱和基团的共聚单体以基于所述混合物中所述共聚单体的总摩尔量计5至50摩尔%的范围存在。
40.根据权利要求23所述的方法,其中所述引发剂以基于所述混合物中所述共聚单体的总重量计0.5至5.0重量比的浓度存在。
41.根据权利要求23所述的方法,其中所述至少一种链转移剂以基于所述混合物中共聚单体的总摩尔量计5至50%重量比的浓度存在。
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