Dynamic mechanical analysis of dental composite resins

Abstract

The first aim of this study was to obtain a satisfactory understanding of the approximate visco-elastic behaviour of two direct (DiamondLite and Grandio) and two indirect (Artglass and Vita Zeta LC) dental composites under simulated oral conditions. Our second objective was determining their glass transition temperatures (Tg) in order to prevent us from choosing a dental composite that would undergo sudden changes in its mechanical properties whilst it is in clinical service. Within these objectives the composite samples were tested immediately after fabricated or after stored at 37°C, either in air or distilled water for 1 day, 7, 45 or 90 days. During dynamic testing, the elastic modulus (E'), viscous modulus (E'') and loss tangent (Tan delta) were determined using a dynamic mechanical analyser (DMA) over a frequency range from 0.1 to 10 Hz, at constant temperatures between 5 and 55°C. Afterwards the same samples were scanned over a larger temperature range, from 0 to 200°C, which would cover mouth temperature and composites’ likely glass transition temperature, at an approximate masticatory frequency of 1 Hz. The results suggested that the composites underwent post-curing during storage at 37°C, which resulted in higher E' and lower E'' and Tan delta values. Water storage and higher temperatures had a plasticizing effect on the composites, thus reducing their E' and increasing their E'' and Tan delta. Higher frequencies tended to have the opposite effect on these properties. Additionally, based on the high glass transition temperatures (Tg) measured during the test and on the fact that materials are basically equilibrated at 37°C in the mouth and are not thermal conductors, temperature changes from 37°C are expected to be small and should lead to only modest changes in both moduli. Therefore, no phase transition is expected. According to these results we could say that the possibility of monitoring the visco-elastic properties of dental composite materials under conditions that simulate the oral environment seems to be an important tool to obtain more clinically significant experimental results.

Das erste Ziel dieser Studie war die Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens von zwei direkten (DiamondLite und Grandio) und von zwei indirekten (Artglass und Vita Zeta LC) Kompositen unter simulierten Mundbedingungen. Die zweite Zielsetzung war ihre Glasübergangstemperaturen (Tg) festzustellen, da klinisch plötzliche Änderungen der mechanischen Eigenschaften im relevanten Temperaturbereich ungünstig sind. Innerhalb dieser Zielsetzungen wurden die Proben unmittelbar nach ihrer Herstellung oder nach Lagerung bei 37°C (entweder in Luft oder im destillierten Wasser für 1 Tag, 7, 45 oder 90 Tage) getestet. Bei der dynamischen Prüfung wurden der Elastizitätsmodul (E'), der Verlustmodul (E'') und die Verlusttangens (Tan delta) mit einem dynamischen mechanischen Analysator (DMA) über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10 Hz, unter konstanten Temperaturen zwischen 5° und 55°C festgestellt. Danach wurden die gleichen Proben über eine größere Temperaturspanne von 0 bis 200°C (Mundtemperaturen bis hin zur Glasübergangstemperatur der Materialien) bei einer angenommenen Kaufrequenz von 1 Hz durchlaufen. Die Resultate weisen darauf hin, dass die Kunststoffmaterialien während der Lagerung bei 37°C einer weiteren Polymerisation unterliegen, was zu einem höheren E' und niedrigeren E'' und Tan delta führte. Lagerung im Wasser und höhere Temperaturen hatten einen plastifizierenden Effekt auf die Materialien; so verringerte sich E' und erhöhen sich E'' und Tan delta. Höhere Frequenzen ergaben tendenziell einen gegenläufigen Effekt auf diese Eigenschaften. Begründet auf den gefundenen hohen Glasübergangstemperaturen (Tg) und der Tatsache, dass vorliegenden Werkstoffe eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, in der Mundhöhle im allgemeinen auf 37°C abgeglichen werden und Temperaturabweichungen von 37°C klein sind, sollten klinisch nur moderate Änderungen der beiden Moduli auftreten. Folglich wird kein Phasenübergang erwartet. Entsprechend der Resultate kann geschlossen werden, dass die Möglichkeit der Überprüfung der viskoelastischen Eigenschaften dentaler Komposite mittels DMA unter simulierten Mundbedingungen ein wichtiges Werkzeug ist, um bedeutende experimentelle Resultate zur klinischen Bewertung zu erhalten.