KR100404233B1 - 3작용성 메타(아)크릴레이트 단량체 및 그를 함유하는치아 수복용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 치아 수복용 복합수지의 문제점인 중합시의 체적 수축을 감소시킬 수 있는 3작용성 메타(아)크릴레이트 단량체, 그의 제조 방법 및 그를 함유하는 치아 수복용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 신규 단량체는 하기 화학식 (1)로 나타내어진다.

(화학식 1)

식중, R은 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 또는 페닐을 나타내며, R'는 수소 또는 메틸기를 나타낸다.

본 발명의 단량체 화합물은 비교적 높은 중합성, 낮은 중합 수축률, 우수한 기계적 물성을 나타내는 치아 수복용 조성물의 단량체 성분으로서 유용하다.

Description

3작용성 메타(아)크릴레이트 단량체 및 그를 함유하는 치아 수복용 조성물{Trifunctional (Meth)acrylates and Dental Restorative Compositions Containing the Same}

본 발명은 치아 수복용 조성물의 성분으로서 사용될 수 있는 신규의 유기 단량체에 관한 것이다. 더 구체적으로 말한다면, 종래 치아 수복용 복합수지의 문제점인 중합시의 체적 수축을 감소시킬 수 있는 3작용성(trifunctional) 메타(아)크릴레이트 단량체, 그의 제조 방법 및 그를 함유하는 치아 수복용 조성물에 관한 것이다.

치과용 수복 재료로는 1900년 이전부터 수은의 합금인 아말감이 주로 사용되어 왔으나, 심미성이 떨어지고 수은이 인체 및 환경에 미치는 위험성 때문에 점차적으로 유기 고분자를 사용한 재료로 대체되고 있다. 유기 고분자는 그 단독으로는 저작압 등을 견딜 수 있는 정도의 충분한 경도, 강도 및 내마모성 등을 갖지 못하기 때문에, 유기 고분자 물질에 무기 충전제를 배합한 복합 수지가 사용되고 있다.

치과용 복합수지는 경화방식에 따라 2종류로 대별할 수 있는데, 단일 연고형으로서 광조사에 의해 중합 반응이 일어나는 광경화형과, 2개의 연고를 혼합함으로써 중합 반응이 일어나는 화학경화형이 있다. 광경화성 복합수지 조성물은 일반적으로 유기 단량체인 다작용성 메타크릴레이트, 유기 단량체의 점도를 저하시킬 목적으로 첨가하는 희석제, 표면 처리된 실리카 등의 무기 충전제 분말, 광개시제 및 환원제로 구성된 광개시 시스템, 색소 등을 함유한다.

현재까지 다양한 광중합성 복합수지용 유기 단량체가 개발되어 왔다. 그중에서도, 2,2-비스[4-(2-히드록시-3-메타크릴로일옥시프로폭시)페닐]프로판 (이하 "bis-GMA"라 함) 또는 1,6-비스(2-메타크릴로일옥시에톡시카보닐아미노)-2,2,4-트리메틸헥산 (이하 'UDMA'라 함)이 경화후의 높은 강도 등 우수한 물리적 성질 때문에 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 bis-GMA 또는 UDMA를 사용한 복합수지는 광중합시 비교적 큰 체적 수축을 일으키는 것으로 보고되어 있다(Biomaterials 제17권 제431쪽). 수축이 일어나면 수축 응력에 의한 기계적 물성의 저하가 일어나며, 수복재료와 치아와의 사이에 공극이 생겨 접착력 약화, 변색, 충치를 유발하므로, 결과적으로 치과용 복합수지의 수명이 단축된다.

본 발명자들은 치아 수복용 복합수지에 있어서의 중합 수축을 최소화하고자 연구를 거듭한 결과, 중합시의 체적 수축률이 종래의 단량체에 비하여 작으면서, 우수한 광중합성 및 기계적 물성을 갖는 신규 단량체를 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 신규 유기 단량체는, 종래의 bis-GMA와 UDMA가 2작용성(difunctional)인데 비해 메타(아)크릴레이트기를 한 개 더 가진 3작용성으로서, bis-GMA 및 UDMA보다 더 큰 분자량을 가진다. 중합수축의 저감 방법에 있어서, 분자량이 비교적 큰 단량체의 사용이 유리한 것으로 보고되어 있다(Dent. Mater. 제10권 제343페이지(1994년) 및 J. Dent. Res. 제71권 제434페이지(1992년)).

따라서 본 발명의 목적은 치아 수복용 복합수지의 중합 수축을 저감시킬 수 있는 신규의 3작용성 메타(아)크릴레이트 단량체 화합물을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 전술한 신규 단량체를 저렴한 비용으로 간편하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 전술한 신규 단량체를 함유하여 우수한 특성을 나타내는 치아 수복용 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명의 신규 단량체 화합물은 하기 화학식 (1)의 구조를 가진다.

(화학식 1)

식중, R은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 또는 페닐을 나타내며, R'는 수소 또는 메틸기를 나타낸다.

화학식 (1)의 단량체 화합물중에서도 바람직한 화합물은 하기 화학식 (2)에 나타낸 것과 같다. 화학식 (2)로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 신규 단량체는 실온에서도 라디칼 중합반응이 용이하게 일어나는 메타크릴레이트기를 3개 가지고 있어서, 라디칼 중합 개시제와 함께 사용하여 중합시키면 3차원 그물구조를 형성하면서 경화되어 기계적 물성을 나타내게 된다.

(화학식 2)

예시한 THMPE의 분자량은 733g/mol으로서, 종래 단량체인 bis-GMA (분자량 512g/mol) 및 UDMA (분자량 471g/mol)에 비하여 높은 값을 갖는다. 따라서 본 발명의 단량체가 함유된 복합수지 조성물은 경화시 종래의 복합수지에 비하여 낮은 체적수축을 나타낼 것으로 예상된다.

본 밞명의 대표적인 단량체 제조방법을 반응식 (1)에 나타낸다. 식중, R은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 또는 페닐을 나타낸다. 제조공정의 제1단계에서는 3개의 히드록시기를 갖는 페놀계 화합물에 수산화나트륨 존재하에 에피클로로히드린(epichlorohydrin)과 반응시켜 3개의 에폭시기를 갖는 중간체 화합물을 제조한다. 제2단계 공정에서는 이 중간체 화합물에 촉매 존재하에 메타(아)크릴산을 반응시켜 3작용성 메타(아)크릴레이트 화합물을 합성한다. 제2단계에서의 촉매 화합물로서는 디메틸아미노피리딘 등의 3차 아민 화합물이 사용될 수 있다.

(반응식 1)

본 발명에서 제조된 중간체 및 최종 단량체 화합물은 점성 액체로서 수득되며, 그 화학구조는 핵자기공명 분광분석법에 의하여 확인되었다. 본 발명의 단량체는, 치과용 재료에서 보편적으로 사용되는 단량체인 bis-GMA 및 UDMA 등과 균일하게 혼합되어 우수한 상용성을 나타냈다.

본 발명의 단량체는 희석제, 무기 충전제, 중합 개시제, 환원제 등을 함유하는 치아 수복용 조성물의 한 성분으로서 사용될 수 있다. 본 치아 수복용 조성물은 그 조성에 따라 치아 수복용의 복합수지, 프리머, 접착제 등으로 다양하게 사용될 수 있다.

치아 수복용 조성물에 있어서 본 발명의 단량체는 단독으로, 혹은 필요에 따라 경화에 일반적으로 사용되는 다른 단량체와 함께 사용될 수 있다. 이러한 여타의 단량체는 통상 일작용성 또는 다작용성 메타크릴레이트계 단량체이며, 그중 대표적인 예로는 bis-GMA, UDMA를 들 수 있다. 또한 단량체의 점도가 높은 경우, 조성물의 배합을 용이하게 하기 위하여 희석제 성분을 첨가하여 사용할 수 있는데, 희석제의 대표적인 예로는 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이드(이하 'TEGDMA'라 함), 2-(히드록시에틸)메타크릴레이트를 들 수 있다.

본 발명의 조성물을 광경화성 수복재로 이용하는 경우에는 광중합 개시제를 조성물에 첨가하는데, 광중합 개시제는 자외선 또는 가시광선에 반응하는 감광성 화합물이 특별히 한정됨이 없이 모두 사용될 수 있다. 그 중에서 특별히 치과용 수복재료에 있어서는 가시광선 반응성을 가진 캠퍼퀴논(이하 'CQ'라 함)이 생체 위해성이 낮아 바람직하다. 이러한 광중합 개시제는 단독으로 또는 필요에 따라 다른 광중합 개시제와 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 광경화성 조성물에 포함되는 또 다른 주요 성분은 광중합 개시제와 함께 사용되어 중합을 개시하는 아민계 환원제이다. 광경화에 있어서 광중합 개시제만으로는 충분한 경화속도를 확보할 수 없으므로 아민계 환원제를 첨가하여 경화속도를 대폭 향상시킨다. 그 대표적인 예로서 N,N-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트(이하 'DMAEMA'라 함) 및 에틸 4-디메틸아미노벤조에이트를 들 수 있다. 예를 들어 CQ과 DMAEMA를 광개시제 조합으로 사용하는 경우, 캠퍼퀴논이 가시광선에 반응하여 3차 아민 화합물로부터 수소 원자를 채취함으로써 라디칼 화학종을 생성하고, 이 3차 아민 라디칼 화학종이 다작용성 메타크릴레이트의 중합을 개시하여 치밀한 가교 중합체 구조를 형성하게 된다.

본 발명의 조성물을 광경화성 수복재로 사용하는 경우에는, 조성물에 광조사기로 가시광선을 조사하기 전까지는 경화가 진행되지 않으므로 시술자가 충분한 작업시간을 확보할 수 있다. 또한 광경화성 조성물은 단일 연고형으로 되어 있어서 시술시 혼합이 요구되지 않기 때문에 사용이 편리하며 기포유입의 우려가 없어 특히 유리하다.

한편, 본 발명의 조성물을 화학경화성 수복재로 사용하는 경우에는 전술한 광중합 개시제 대신 벤조일 퍼옥사이드 등의 화학중합 개시제를 조성물에 첨가한다. 단, 화학중합 개시제와 환원제 화합물은 혼합과 동시에 중합반응을 개시하므로, 두 성분을 별도로 보관해야 하며 시술직전 혼합하여 경화시킨다. 화학 경화성 수복재에는 광중합 개시제를 제외하고는 광경화성 수복재의 경우와 동일한 상기의 성분들이 사용될 수 있다.

본 발명의 조성물을 특별히 치아 수복용 충전재로 사용하는 경우에는 기계적 물성을 향상시키기 위하여 입자 크기 0.02 내지 20 마이크론의 무기 충전제 분말을 첨가한다. 무기 충전제의 예로는 석영, 실리카, 알루미나, 하이드록시아파타이트, 칼슘 알루미노실리케이트, 바륨 알루미노실리케이트, 스트론튬 알루미노실리케이트등을 들 수 있다. 이들 충전제는 일반적으로 조성물 전체 중량의 5내지 85 중량% 만큼 함유된다.

본 발명의 조성물에는 그외의 성분으로서 중합 억제제, 색소 등이 목적에 맞게 첨가되며, 프리머와 접착제 용도로 사용되는 경우에는 아세톤이나 물 등의 용매가 첨가될 수 있다.

본 발명의 단량체를 함유하는 광경화성 조성물, 즉 단량체, 희석제, 광개시제, 환원제를 배합한 조성물을 제조하여 가시광선을 조사하여 경화시키고 그 중합 전환율을 조사한 결과, 40초 정도의 조사에 의하여 거의 중합이 완료되었고 최종 전환률은 약 50%로서, bis-GMA나 UDMA 등의 기존의 단량체를 함유한 조성물과 유사하게 나타났다. 따라서 본 발명의 단량체는 현재 치과용 복합수지에 보편적으로 사용되고 있는 기존의 단량체와 유사한 우수한 라디칼 중합성을 가지는 것으로 확인되었다.

본 발명의 단량체에 희석제, 광개시제, 환원제를 배합한 조성물을 제조하여 중합시의 체적 수축률을 측정한 결과, bis-GMA를 함유한 동일한 조성의 조성물에 비하여 10% 이상 낮은 수축률을 나타내었다. 이 결과로부터, 본 발명의 단량체를 치아 수복용 복합수지의 단량체로 사용할 경우 종래의 bis-GMA계 복합수지에 비하여 치아와의 접착력, 색조 안정성, 2차 충치 예방 등의 면에서 향상된 특성을 나타낼 것으로 기대된다.

본 발명의 복합수지 조성물을 광경화시킨 후, 치과용 수복재료의 물성 평가항목중 대표적인 항목인 3점 굴곡강도를 측정한 결과, 90MPa 이상의 강도를 나타내어 동일한 조성의 bis-GMA계 복합수지와 유사한 기계적 물성을 나타냈다.

이상의 시험 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 복합수지 조성물은 종래 bis-GMA계 복합수지의 대표적인 단점인 중합시의 체적수축 문제를 개선한 치아 수복용 재료임이 확인되었다. 보다 구체적으로 말한다면, 본 발명의 복합수지 조성물은 높은 중합성, 낮은 중합 수축률, 우수한 기계적 물성을 나타내는 치아 수복용 복합수지임이 확인되었다.

이하, 본 발명을, 대표적인 몇가지 실시예를 들어 상세히 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명의 실시양태를 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

1,1,1-트리스[4-(2-하이드록시-3-메타크릴로일옥시프로폭시)페닐]에탄 (THMPE)의 합성

1,1,1-트리스[4-하이드록시페닐]에탄(10.5g, 34.3 밀리몰), 에피클로로히드린(47.55g, 514 밀리몰)을 수용액 15 밀리리터에 완전히 용해시킨 후, 수산화나트륨 (8.22g, 206 밀리몰)을 혼합하여 112도에서 3시간 반응시킨다. 반응이 완결된 위의 용액에 수산화나트륨 (16.44g, 412 밀리몰)을 함유한 수용액 60 밀리리터을 더 가한 후 90도에서 5시간 더 반응시킨다. 반응용액을 실온으로 냉각한 후 다이크로로메탄를 가하여 용해시키고 이 용액을 소금물로 2차례 세정한 후, 얻어진 다이크로로메탄층을 무수 황산마그네슘으로 건조시킨 후 감압 증류하여 중간체 화합물 1,1,1,-트리스페닐롤에탄 트리글리시딜 에테르 (TPETGE)을 foam형성 연한 노란 고체로 (14.3g, 수율 88%) 얻었다. 중간체 화합물 TPETGE 의 핵자기공명 분광분석 결과는 다음과 같다.¹H NMR (300MHz, CDCl₃) δ(ppm) 2.1 (s, 3H), 2.7 (m, 3H), 2.9 (m, 3H), 3.3 (m, 3H), 3.9 (m, 3H), 4.2 (m, 3H), 6.8 (m, 6H), 6.96 (m, 6H).

상기의 중간체 화합물 1,1,1,-트리스페닐롤에탄 트리글리시딜 에테르(TPETGE) (10g, 21.1 밀리몰)에 , 메타크릴산 9.07g (105.4 밀리몰), 메톡시페놀 (0.039g), 디메틸아미노피리딘 (0.04g)의 혼합물을 90도에서 9시간동안 교반하였다. 반응 혼합물에 다이크로로메탄을 가하여 용해시키고 이 용액을 0.5M 염산 수용액, 0.1M 수산화나트륨 수용액, 소금물을 사용하여 차례로 세정하였다. 얻어진 용액에 무수 황산마그네슘을 가하여 수분을 제거하고 용매을 감압하에서 제거하여 트리스[4-(2-하이드록시-3-메타크릴로일옥시프로폭시)페닐]에탄 (THMPE)을 foam형성 연한 노란 고체로(13.2g, 수율 85%)로 얻었다.¹H NMR (CDCl₃, 300MHz): δ(ppm) 1.96 (s, 9H), 2.1 (s, 3H), 4.01-4.40 (m, 15H), 5.62 (s, 3H), 6.15 (s, 3H), 6.78-7.00 (m, 12H).

<실시예 2>

광중합 전환률의 측정

단량체, TEGDMA, CQ, DMAEMA를 60 : 40 : 1 : 1로 배합한 조성물을 NaCl 기판에 도포하고 420-500nm의 가시광선을 조사하여 중합시켰다. 중합 전환률 측정은 적외선 흡수 분광기를 사용하여 투과법에 의해 수행하였으며, 방향족에 기인하는 1609 cm^-1의 흡수띠 면적을 기준으로 하여 메타크릴레이트 탄소-탄소 이중결합의 흡수띠(1637 cm^-1)의 면적감소를 측정하여 계산하였다. 이 계산에 사용된 식은 다음과 같다. 전환율 측정은 각 시료당 3번을 반복하여 그 평균값을 취하였다.

측정 결과, 본 발명의 THMPE는 각각 40초간의 조사에 의해 거의 중합이 완료되었으며, 40초간의 조사에 의해 47%의 전환율을 나타내어 기존 단량체인 bis-GMA의 48%와 유사한 값을 나타냈다.

<실시예 3>

중합 수축률 측정

밀도 측정용 초자(25ml)를 이용한 물 치환 방법을 이용하여 측정 하였다. 25 x 2 x 2 mm 크기의 테프론 몰드에 단량체, TEGDMA, CQ, DMAEMA를 60 : 40: 1 : 2의 비율로 배합한 조성물을 넣고, 몰드의 위쪽과 아래쪽으로부터 총 60초간 광조사하여 중합시켰다. 중합전과 후의 밀도를 측정하여 다음과 같은 식에 의해 중합 수축률(%)을 계산하였다. 각각의 시료에 대하여 3번을 반복하여 그 평균값을 취하였다.

측정 결과, 신규 단량체인 THMPE의 경우가 5.63%의 수축률을 나타냈고, 비교를 위하여 기존의 단량체 bis-GMA에 대해서도 동일한 실험을 수행한 결과, 7.43%를 나타냈다.

<실시예 4>

3점 굴곡강도 측정

단량체, TEGMDA, 바륨알루미노실리케이트 분말, CQ, DMAEMA을 15 : 10 : 75 : 0.25 : 0.5의 비율로 배합한 조성물을 25mm x 2mm x 2mm의 테플론 몰드에 충전하고 위아래를 투명 비닐시트로 덮은 후 클램프를 이용하여 압력을 가하면서 420-500nm의 가시광선을 60초 조사하여 시편을 제작하였다. 이 시편을 만능시험기(Instron)로 0.75±0.25mm/min의 cross-head speed로 시편이 파절될 때까지 힘을 가해 시편에 가해진 최고 load를 기록한다. 다음의 공식으로부터 flexural strength를 MPa 단위로 구한다. 각각의 시료에 대하여 5번을 반복하여 그 평균값을 취하였다.

σ = 3F / 2bh²F: 시편에 가해진 최고 load

I: 0.01mm 정확도로 측정된 지지대간의 거리

b: 실험직전에 측정한 시편의 width

h: 실험직전에 측정한 시편의 thickness

측정결과, THMPE 의 경우가 각각 98 (±11) MPa를 나타냈고 비교를 위하여 기존의 단량체에 대해서도 동일한 실험을 수행한 결과, bis-GMA가 103 (□14) MPa를 나타냈다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 치아 수복용 복합수지의 중합 수축을 저감시킬 수 있는 신규의 3작용성 메타(아)크릴레이트 단량체 화합물을 얻을 수 있고, 전술한 신규 단량체를 저렴한 비용으로 간편하게 제조할 수 있는 제조 방법을 얻을 수 있으며, 전술한 신규 단량체를 함유하여 우수한 특성을 나타내는 치아 수복용 조성물이 제공된다.

Claims (5)

1. 하기 화학식 1의 화합물

   (화학식 1)

   식중, R은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 또는 페닐을 나타내며, R'는 수소 또는 메틸기를 나타낸다.
2. 삭제
3. 화학식 (2)로 나타내어지는 중간체 화합물.

   (화학식 2)

   식중, R은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 또는 페닐을 나타낸다.
4. 제1항 기재의 화합물을 1종 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 치아 수복용 광경화성 조성물
5. 제1항 기재의 화합물을 1종 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 치아 수복용 화학경화성 조성물.