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Verbundwerkstoff auf Kunststoffbasis
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für prothetische Zwecke ============== Die Anmeldung betrifft einen
Verbundwerkstoff auf Kunststoffbasis für prothetische Zwecke, der Füllstoffe hoher
Röntgenabsorption auf der Basis glasiger bzw. glaskeramischer Systeme aufweist.
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Verbundwerkstoffe (Kompositmaterialien bzw. Komposite) auf Kunststoffbasis
haben in jüngster Vergangenheit eine immer größere Bedeutung erlangt. Zusätze von
anorganischen Füllstoffen zu polymerisierbaren organischen Bindemitteln reduzieren
nicht nur die Schrumpfung bei der Polymerisation, sondern verbessern auch die mechanischen
Festigkeitswerte, wie z.B. Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul.
Gleichzeitig vermindert sich auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Komposits
gegenüber dem der reinen Kunststoffe.
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Durch Zugabe von anorganischen Füllstoffen zu organischen Bindemitteln
können die speziellen Eigenschaften der jeweils verwendeten Füllstoffe in das Gesamt-Verbundsystem
eingebracht werden. So konnte z.B. bei dem für prothetische
Zwecke
eingesetzten Polymethylmethacrylat (PMMA) die Eigenschaft der Bildung eines bindegewebsfreien
Verbundes zwischen bioaktivem Implantatmaterial und Knochen auf dieses System dadurch
übertragen werden, daß bioaktive Glaskeramik in Granuladirm in das PMMA eingebracht
wird, vgl. hierzu die DE-PS 25 01 683.
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Aus der US-PS 3 066 112 war es darüber hinaus bekannt, bei Dentalwerkstoffen
auf Kunststoffbasis das Methylmethacrylat durch das Reaktionsprodukt aus Glycidylmethacrylat
und Bisphenol A, nämlich: Bis- I: 4-(2-hydroxy-3-methacryloyloxypropoxy)-phenylI-dimethy1
methan (auch Bis-GMA genannt), zu ersetzen und als anorganischen Füllstoff mit einem
Vinylsilan behandeltes Quarzpulver zuzugeben.
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Der anorganische Füllstoff kann bei geeigneter chemischer Zusammensetzung
auch dazu dienen, den von Natur aus gegenüber Röntgenstrahlen durchlässigen Kunststoffen
die Eigenschaft der Röntgenabsorption zu verleihen, so daß sie auf dem Röntgenfilm
sichtbar werden. Aus der US-PS 3 539 526 ist bekannt, als röntgenopaken Zusatz in
Zahnfüllmaterial ein aus SiO2, BaF2, Al203 und B203 hergestelltes feinteiliges Glas
zu verwenden. Diese Füllstoffe enthalten oft einen hohen Bariumanteil; ihre Röntgenabsorption
ist jedoch nicht hoch genug, um sie für Kompositmaterialien mit Erfolg einzusetzen,
die im Seitenzahnbereich Verwendung finden. Bekannte Komposite mit bariumhaltigen
Füllstoffen erreichen eine Röntgenopazität von ca. 200 %.
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Es sind außerdem auch röntgenopake Gläser bekannt, deren Röntgenstrahlen-Absorption
durch Zusatz von Verbindungen des Strontiums und Lanthans bzw. des Strontiums und
des Wolframs bewirkt wird, vgl. die DE-OS 24 58 380. Allerdings ist die Absorption
der Röntgenstrahlen auch dieser Gläser nicht hoch genug, um mit ihrer Hilfe ein
Kompositmaterial genügend hoher Röntgenopazität für den Seitenzahnbereich herzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Verbundwerkstoff
auf Kunststoffbasis für prothetische Zwecke mit einer möglichst hohen Röntgenopazität
und hohen mechanischen Werten (Druck- und Biegefestigkeit) bereitzustdlen. Der Einsatz
des Verbundwerkstoffes für medizinische Zwecke stellt zusätzliche Anforderungen
an den Füllstoff, da der Ausschluß jedweder toxischer Bestandteile sowie eine ausreichende
chemische Stabilität gegenüber den Körperflüssigkeiten im allgemeinen und dem Mundmilieu
im besonderen zu fordern ist. Bei Verwendung als Dentalmaterial - z.B. für künstliche
Zahnkronen oder Brücken - kommt die Forderung einer guten Transluzenz und einer
guten Polierbarkeit hinzu. Für orthopädische Applikationen - zum Beispiel als Knochenzement
- muß die niedrige Viskosität der organischen Bindemittel trotz Zusatz der Füllstoffe
erhalten bleiben, um eine gute Fließeigenschaft und eine optimale Verankerungsfähigkeit
auch in spongiösem Knochenmaterial zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen einen röntgenopaken Füllstoff
enthaltenden Verbundwerkstoff auf Kunststoffbais für prothetische Zwecke gelöst,
wobei der röntgenopake Füllstoff Verbindungen der Elemente Strontium (Sr), Lanthan
(La) und Wolfram (W) als röntgenabsorptionsverursachende Komponenten-Kombination
enthält. Vorteilhafterweise enthält der röntgenopake Füllstoff die Oxid-Dreiergruppe:
Strontiumoxid (SrO) + Lanthanoxid (La2O3) + Wolframoxid (W03). Der Anteil des röntgenopaken
Füllstoffs am Gesamt-Verbundwerkstoff kann zwischen 20 und 90 Gew.-% - vorzugsweise
40 bis 85 Gew.-% - betragen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht
der röntgenopake Füllstoff aus 10 bis 29 Gewichts-% Strontiumoxid (SrO), 1 bis 18
Gewichts-% Lanthanoxid (La203), 1 bis 21 Gewichts-% Wolframoxid (WO3), wobei die
Summe der Oxide La2O3 + W03 einen Anteil von 30 Gewichts-% nicht überschreitet und
die Summe der Oxide SrO + La203 + WO3 zwischen 20 und 45 Gewichts-% beträgt; aus
16 bis 60 Gewichts-% Siliciumdioxid (SiO2) 1 bis 27 Gewichts-% Bortrioxid (B2O3),
1 bis 32 Gewichts-% Aluminiumoxid (A1203), wobei die Summe der Oxide SiO2 + 13203
+ A1203 zwischen 55 und 80 Gewichts-% beträgt; sowie aus 0 bis 10 Gewichts-% Natriumoxid
(Na2O). Es ist möglich, daß der SrO-Anteil entweder bis zu 6 Gewichts-% durch Calciumoxid
(CaO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) oder aber bis zu 7 Gewichts-% durch Zinkoxid
(ZnO) ersetzt wird. Auch liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, den Anteil
an
WO3 und/oder La203 und/oder SrO bis zu 9 Gewichts-% durch Zirkondioxid
(ZrO2) zu ersetzen. Schließlich kann die Rezeptur auch in der Weise abgewandelt
werden, daß der Anteil an WO3 und/oder La203 und/oder SrO bis zu 5 Gewichts-% durch
mindestens eines der Oxide: Titandioxid (TiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Nioboxid (Nb205)
und Yttriumoxid (Y203) ersetzt wird. Eine besonders zweckmäßige Zusammensetzung
des röntgenopaken Füllstoffs besteht aus 12,2 bis 24,0 Gewichts-% SrO, 5,6 bis 17,5
Gewichts-% La203, 4,0 bis 12,3 Gewichts-% WO3, 16,1 bis 58,0 Gewichts-% SiO2 4,0
bis 22,6 Gewichts-% B203, 2,0 bis 27,9 Gewichts-% Al2O3, 0 bis 1,0 Gewichts- ZrO2,
0 bis 6,0 Gewichts-% CaO und 0 bis 5,0 Gewichts-% Na20. Dabei kann der röntgenopake
Füllstoff als Glas mit einer Brechzahl ne zwischen 1.55 und 1.62 und/oder Glaskeramik
und/oder Sinterprodukt und/oder in Form eines Gemisches (Gemenge) aus seinen Ausgangskomponenten
vorliegen.
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Der erfindungsgemäße yerbundwerkstoff kann zusätzlich Pigmente mit
einer Korngröße kleiner als 2 Sm enthalten. Es ist zweckmäßig, daß der röntgenopake
Füllstoff in Form von silanisierten Partikeln vorliegt. Die Partikelgröße liegt
im Bereich zwischen 0,5 und 50 Sm. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß der
Verbundwerkstoff zusätzlich bis zu 30 Gewichts-% hochdisperses Siliciumdioxid (SiO2)
und/oder Aluminiumoxid (Al203) enthält. Ein Vorprodukt für den Verbundwerkstoff
kann als organisches Bindemittel mindestens einen Acrylsäureester und/oder einen
Methacrylsäureester sowie
den röntgenopaken Füllstoff enthalten.
Zusätzlich kann dem Vorprodukt ein Polymerisationskatalysator, insbesondere ein
Photopolymerisationskatalysator, zugegeben werden. Mit Vorteil läßt sich dieses
Vorprodukt bzw.
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dieser Verbundwerkstoff als Dentalmaterial, insbesondere als Zahnfüllungsmaterial
verwenden. Ebenso ist eine Verwendung des Vorprodukts als Knochenzement möglich.
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Die Beachtung des erfindungsgemäßen Brechzahlintervalls des glasigen
Füllstoffs ist für eine Applikation im Dentalbereich von großer Bedeutung, um eine
ästhetische Wirkung zu erzielen. Die durch Vermischung des röntgenopaken Füllstoffs
mit den organischen Bindemitteln erhaltenen pastenförmigen Vorprodukte besitzen
eine gute Plastizität. Sie sind nicht klebrig und lassen sich daher gut verarbeiten.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den anorganischen Füllstoff
durch Behandlung mit Kupplungsreagenzen, beispielsweise Vinylsilanen - insbesondere
«-Methacryloyloxypropyltrimethoxysilan oder Vinyltriäthoxysilan -, wie aus der DE-PS
19 37 871 bekannt, zu silanisieren.
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Als polymerisierbare Bindemittel können alle für diese Zwecke bekannten
Verbindungen eingesetzt werden. Für medizinische Anwendungen sind Acryl- und Methacrylsäureester
ein- und mehrwertiger Alkohole, z.B. das bekannte Bis-GMA und die aus der DE-OS
23 12 559 bekannten sogenannten Urethanacrylate und -methacrylate, bevorzugt.
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Die Polymerisation bzw. das Aushärten des erfindungsgemäßen Vorprodukts
kann bei- Raumtemperatur (Kaltpolymerisation), in der Wärme (Heißpolymerisation)
oder auch durch Bestrahlen mit sichtbarem Licht der UV-Licht (Photopolymerisation)
unter Zusatz von geeigneten Katalysatoren erfolgen.
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Solche Katalysatoren sind z.B. für die Kaltpolymerisation Dibenzoylperoxid/N,N-Dimethyl-p-toluidin,
für die Heißpolymerisation Dibenzoylperoxid und für die Photopolymerisation Benzil/N,N-Dimethylaminoäthylmethacrylat
bzw. Benzoinmethyläther.
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Mit der vorgeschlagenen Füllstoff-Zusammensetzung wird ein deutlich
verbessertes Kompositmaterial zur Verfügung gestellt; es weist eine sehr hohe Röntgenabsorption
auf. Ein Versuchskomposit mit einem Füllstoffgehalt von ca. 75 Gew. -% besitzt eine
Röntgenopazität von ca. 350 %.
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Für den Fall der Anwendung im Dentalbereich entspricht das Verbundmaterial
bezüglich seiner Transluzenz und seiner ästhetischen Wirkung weitestgehend den Werten
des natürlichen Zahnmaterials. Es ist im physiologisch-chemischen Sinn stabil und
läßt sich mechanisch gut bearbeiten, insbesondere polieren und beschleifen.
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In den nachfolgenden Tabellen sind Einzelrezepturen für den röntgenopaken
Füllstoff des erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffs angegeben, wobei
Tabelle 1 die Werte in Gewichts-Prozenten (Gew.-%) und Tabelle 2 die entsprechenden
Werte in Mol-Prozenten (Mol-%) angibt.
Tabelle 1 (Gew. - %)
Beispiel-Nr. : 1 2 3 4 5 6 7 |
SiO2 28,42 29,21 28,69 18,64 16,19 16,40 19,36 |
B2O3 20,85 22,60 20,95 18,02 18,79 18,79 22,47 |
Al2O3 9.48 9,45 9.13 26.39 27.51 27.51 23.65 |
SrO 24.00 18,63 15.58 12.87 15.97 15.97 12.26 |
La2O3 5.69 11,33 17.50 16.87 12.58 12.58 13.00 |
WO3 10.61 8.07 7.48 7.21 8.96 8.96 9.26 |
ZrO2 0.95 0.71 0.67 - - - - |
CaO - - - - - - - |
Na2O - - - - - - - |
ne 1.594 1.588 1.598 1.604 1.603 1.597 1.588 |
# [g/cm³]. 3.16 3.09 3.15 3.19 3.16 3.12 3.03 |
Vickers-Härte 653 625 637 - 614 621 565 |
# 29 # 34 # 12 - # 25 # 8 # 32 |
(1. Fortsetzung) Tabelle 1 (Gew. - %)
Beispiel-Nr. : 8 9 10 11 12 13 14 |
SiO2 16.37 17.31 18.13 18,17 19.27 24.36 23.39 |
B2O3 19.00 20.10 20.29 18.54 18.64 21.00 20.17 |
Al2O3 27.82 26.14 25.30 27.14 27.28 21.28 17.03 |
SrO 16.32 16.40 13.40 14.35 14.42 20.42 20.77 |
La2O3 11.97 12.19 12.30 12.15 10.46 7.56 10.89 |
WO3 8.52 8.66 8.76 8.65 9.93 5.38 7.75 |
ZrO2 - - - - - - - |
CaO - 1.20 1.81 - - - - |
Na2O - - - - - - - |
ne 1.600 1.597 1.597 1.596 1.591 1.574 1.595 |
# [g/cm³]. 3.13 3.09 3.08 3.09 3.06 2.93 3.13 |
Vickers-Härte 611 643 661 659 600 643 - |
# 8 # 41 # 1 # 18 # 10 # 8 |
(2. fortsetzung) Tabelle 1 (Gew. - %)
Beispiel-Nr. : 15 16 17 18 19 20 21 22 |
SiO2 25.76 24.66 27.10 50 50 54.08 59 57 |
B2O3 20.45 20.67 20.97 4 5 4.08 4 4 |
Al2O3 13.82 17.46 14.18 2 3 2.04 2 2 |
SrO 21.07 21.29 21.60 20 20 20.41 20 20 |
La2O3 11.04 9.30 9.43 8 7 6.13 6 6 |
WO3 7.86 6.62 6.72 5 5 5.10 4 4 |
ZrO2 - - - - - - - - |
CaO - - - 6 5 4.08 2 2 |
Na2O - - - 5 5 4.08 4 5 |
ne 1.594 1.587 1.589 - - - - - |
# [g/cm³]. 3.13 3.08 3.13 - - - - - |
Vickers-Härte - - - - - - - - |
Tabelle 2 (Mol-%)
Beispiel-Nr. : 1 2 3 4 5 6 7 |
SiO2 40.53 42.00 43.06 30.00 25.93 25.93 30.00 |
B2O3 25.62 28.00 27.09 25.00 25.92 25.92 30.00 |
Al2O3 7.95 8.00 8.07 25.00 25.92 25.93 21.58 |
SrO 19.83 15.50 13.55 12.00 14.81 14.81 11.00 |
La2O3 1.50 3.00 4.84 5.00 3.71 2.41 3.71 |
WO3 3.91 3.00 2.90 3.00 3.71 5.00 3.71 |
ZrO2 0.66 0.50 0.49 - - - - |
CaO - - - - - - - |
Na2O - - - - - - - |
(1. Fortsetzung) Tabelle 2 (Mol-%)
Beispiel-Nr. : 8 9 10 11 12 13 14 |
SiO2 26.00 27.00 28.00 30.00 30.00 35.00 35.00 |
B2O3 26.00 27.00 27.00 25.00 25.00 26.00 26.00 |
Al2O3 26.00 24.00 23.00 25.00 25.00 18.00 15.00 |
SrO 15.00 13.00 12.00 13.00 13.00 17.00 18.00 |
La2O3 3.50 3.50 3.50 3.50 3.00 2.00 3.00 |
WO3 3.50 3.50 3.50 3.50 4.00 2.00 3.00 |
ZrO2 - - - - - - - |
CaO - 2.00 3.00 - - - - |
Na2O - - - - - - - |
(2. Fortsetzung) Tabelle 2 (Mol-%)
Beispiel-Nr. : 15 16 17 18 19 20 21 22 |
SiO2 38.00 36.00 39.00 62.31 62.16 66.45 70.42 69.24 |
B2O3 26.00 26.00 26.00 4.29 5.36 4.32 4.18 4.18 |
Al2O3 12.00 15.00 12.00 1.47 2.20 1.47 1.43 1.43 |
SrO 18.00 18.00 18.00 14.44 14.41 14.53 14.08 14.08 |
La2O3 3.00 2.50 2.50 1.84 1.60 1.39 1.34 1.34 |
WO3 3.00 2.50 2.50 1.62 1.61 1.62 1.25 1.25 |
ZrO2 - - - - - - - - |
CaO - - - 8.00 6.65 5.37 2.60 2.60 |
Na2O - - - 6.03 6.01 4.85 4.70 5.88 |
Bei den meisten Beispielen sind außerdem das spezifische Gewicht
g in [g/cm J , die Vickers-Härte und die Brechzahl n aufgeführt. Die Löslichkeit
dieser anore ganischen Füllstoffe ist sehr gering. Nach einer 20-tägigen Behandlung
in Wasser bei Temperaturen von 37°C ergeben sich lediglich Gewichtsverluste von
weniger als 0,1 %.
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In den Tabellen ist neben den Oxiden der Elemente mit niedrigen Ordnungszahlen
die für die Röntgenopazität maßgebliche Oxid-Dreiergruppe SrO + La203 + WO3 aufgeführt.
Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Dreistoffkombination von Verbindungen
- insbesondere von Oxiden - der Elemente Sr + La + W in den angegebenen Grenzen
in dem röntgenopaken Füllstoff zu einem überlegenen Gesamtabsorptionsbereich - also
zu einer beachtlichen Steigerung der Röntgenopazität des Materials im Vergleich
zu den bisherigen anorganischen Röntgenkontrastsubstanzen - geführt hat.
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Das SrO kann zur Einstellung der jeweils gewünschten Brechzahl durch
die Erdalkalioxide CaO und/oder MgO partiell ersetzt werden. Ebenso ist aus schmelztechnischen
Gründen ein Ersatz von bis zu 7 Gew.-% ZnO anstelle des SrO möglich. Auch kann die
röntgenopazitätsverursachende Dreiergruppe (W03+La203+SrO) bis zu 9 Gew.-% durch
ZrO2 oder innerhalb der erläuterten Grenzen durch weitere Oxide, wie z.B. Titan-,
Tantal-, Niob- und/oder Yttrium-Oxid, ersetzt werden. Aus schmelztechnologischen
Gründen kann ein Anteil von bis zu 10
Gew.-% Na20 zugesetzt werden.
Dadurch wird die Schmelztemperatur des Gemenges ohne Beeinträchtigung der chemischen
Stabilität herabgesetzt.
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Ein spezielles Einzelbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorprodukts
ist wie folgt zusammengesetzt: 75,0 Gew.-% eines röntgenopaks Füllstoffs, nämlich
eines Glases der in Tabelle 1 (1. Fortsetzung) unter Beispiel-Nr. 13 aufgeführten
Zusammensetzung 2,0 Gew.-% Aerosil R 972 (hochdisperses SiO2) 16,0 Gew.-% Bis-GMA
6,8 Gew.- Triäthylenglykoldimethacrylat 0,09 Gew.-% Campherchinon 0,11 Gew. - %
N,N-Dimethylaminoäthylmethacrylat.
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Die Aushärtung erfolgt unter Einsatz des Lichtgerätes "Translux" mit
Tiefenhärtfilter der Firma Kulzer bei einer Bestrahlungszeit von ca. 2 Minuten.
Der so erhaltene Verbundwerkstoff weist die folgenden physikalischen Eigenschaften
auf: Biegefestigkeit: 105 N/mm2 Druckfestigkeit: 260 MPa Transparenz (bei einer
Schichtdicke von 3 mm): 21,5 % Röntgenopazität: 350 %