Einleitung

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Einleitung
Bis Anfang der neunziger Jahre war es selbstverständlich, dass eine Zahnfüllung mit
Amalgam gelegt wurde. Es war bekannt, dass diese Füllungen Quecksilber enthalten,
welches jedoch darin so fest gebunden ist, dass man eine Freisetzung des Quecksilbers
lange Zeit nicht analytisch nachweisen konnte. Erst die Einführung moderner Geräte
zur
Spurenanalytik
ermöglichten
es,
die
aus
den
Füllungen
freigesetzten
Quecksilbermengen analytisch zu erfassen. Da die Giftigkeit von Quecksilber bekannt
war, breitete sich wachsende Besorgnis um die Unbedenklichkeit dieser Füllungen aus.
Aus diesem und auch aus ästhetischen Gründen bevorzugen viele Patienten andere
Füllungsmaterialien für ihre Zähne.
Setzt man sich mit der Frage nach einem idealen Füllungswerkstoff zur Reparatur
zerstörter Zahnhartsubstanz auseinander, so ist es sinnvoll zunächst die Eigenschaften
der natürlichen Zahnhartsubstanz1 zu betrachten. (Abbildung 1)
Dentin
Schmelz
Pulpa
Zement
Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Zahnes mit einer
durch Karies entstandenen Kavität in der Mitte des Zahnes
Einleitung
Der
Zahnschmelz
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besteht
aus
fast
100%
anorganischem
Material:
Hydroxylapatitkristalle, (basisches Calciumphosphat) über Kollagenfasern miteinander
verklebt. Daraus folgt zwar eine hohe mechanische Festigkeit, jedoch haben die
Calciumphosphatkristalle nur eine relativ geringe Säurestabilität. Das Dentin besteht
im wesentlichen aus den gleichen Bausteinen wie der Zahnschmelz. Anatomisch
unterscheidet sich das Dentin vom Schmelz nur durch das Vorhandensein winziger
Kanälchen die mit Dentinflüssigkeit gefüllt sind.
Das Füllmaterial sollte die natürliche Zahnhartsubstanz möglichst gleichwertig
ersetzen können, darüber hinaus möglichst viele der folgenden Eigenschaften
aufweisen:1
• Geringe Säurelöslichkeit
• Ausreichende Festigkeit, um den Kaukräften lange Zeit Widerstand leisten zu können
• Abriebfestigkeit, damit die äußere Form der Füllung nicht verloren geht
• Die Kavität randspaltfrei füllen, damit keine Bakterien eindringen und SekundärKaries hervorrufen
• Zahnfarben, damit die Füllung optisch nicht von der restlichen Zahnsubstanz
zu unterscheiden ist
• Leichte und schnelle Verarbeitbarkeit
• Ausreichende Bioverträglichkeit
• Bei Raumtemperatur plastisch verformbar und im Mund aushärtbar
• Geringer Preis
Genau die Tatsachen, dass Amalgamfüllungen nicht zahnfarben sind, dadurch
unästhetisch wirken und dass sie wie bereits oben erwähnt in ihrer Bioverträglichkeit
umstritten sind, haben die dentaltechnische Forschung dazu bewegt, neue
Füllmaterialien zu entwickeln:1
Ormocere:
Ormocere sind eine der neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der zahnärztlichen
Füllwerkstoffe auf Polymerbasis2 Bei Ormoceren handelt es sich um einen
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Verwandten des Silikons. Die Matrix wird durch Hydrolyse und Kondensation von
Silanen gewonnen. Es entsteht ein räumlich verzweigtes Si-O-Netzwerk mit einer
organischen
Gruppe
polymerisierbaren
pro
(RSiO1.5).
Si-Atom
Funktionalitäten
als
Durch
„organische
Verwendung
Gruppe“
wie
von
z.B.:
Methacrylatgruppen, lässt sich die entstandene Substanz wie ein normales Monomer
polymerisieren.
Vorteile
der
Ormocere
(Abbildung
2)
sind
geringe
Polymerisationsschrumpfung, gute Abriebfestigkeit sowie eine geringe Löslichkeit
von Restmonomeren.
Abbildung2: Schematische Darstellung eines Ormocer-Monomers
Glasionomerzemente:
Die Ausgangsbestandteile einer Füllung aus Glasionomerzement sind eine wässrige
Lösung von organischen Säuren (haupts. Polyacrylsäure) und ein fluoridhältiges
Aluminiumsilikatglas, welches im Sauren mehrwertige Ionen abgibt. Durch Reaktion
dieser Ionen mit den Säuregruppen entsteht ein ionisches Netzwerk, in das die
Glaspartikel und auch die Apatitkristalle der angrenzenden Zahnhartsubstanz mit
eingebaut werden. Die freiwerdenden Fluoridionen lagern sich auch in die umliegende
Zahnhartsubstanz ein und bewirken somit eine Erhöhung ihrer Kariesresistenz.
Nachteile der Glasionomerzemente sind Feuchtigkeitsempfindlichkeit, eine niedrige
Festigkeit und niedrigere Lebensdauer im Vergleich zu den anderen Füllwerkstoffen.
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Polymermodifizierte Glasionomerzemente:
Um
die
Empfindlichkeit
gegen
zuviel
oder
zuwenig
Feuchtigkeit
eines
Glasionomerzementes zu vermindern, wird dem Zement ein Monomer zugesetzt, das
in einer radikalischen Reaktion polymerisiert werden kann. Das auf diese Art gebildete
Polymernetzwerk entsteht schneller als das des Glasionomermaterials. Vorteile sind
eine raschere und effizientere Härtung, Nachteile eine erhöhte Schrumpfung des
Materials bei der Härtung.
Compomere:
Eine neuere Variante der polymermodifizierten Glasionomerzemente sind die
Compomere. Die Paste enthält zum Unterschied zu den Glasionomerzementen kein
Wasser mehr. Erst nach der Polymerisation diffundiert Wasser aus der Mundhöhle in
das
Compomer
und
startet
die
Glasionomerreaktion.
Vorteile
gegenüber
herkömmlichen Glasionomerzementen sind eine erhöhte Festigkeit und längere
Lebensdauer.
Neben
Ormoceren,
Glasionomerzementen,
polymermodifizierten
Glasionomerzementen und Compomeren sind Composites die am häufigsten
eingesetzten Füllmaterialien.1
Dental-Composite sind Verbundwerkstoffe bestehend aus einer flüssigen organischen
Phase (Matrix) und anorganischen Füllstoffen.
Die organische Matrix basiert im Allgemeinen auf Methacrylaten,3 wobei Bis-GMA
(Bisphenol A - diglycidylmethacrylat), ethoxyliertes Bis-GMA, Urethandimethacrylat
(UDMA),
D3MA (Dodecandioldimethacrylat) und Triethylenglycoldimethacrylat
(TEGDMA) die wichtigsten Vertreter sind:
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Matrix:
O
O
O
O
O
OH
OH
O
O
Bis-GMA
EBPDMA
O
O
O
O
O
O
O
N
O
O
O
O
O
N
O
UDMA (RM3)
O
O
O
O
TEGDMA
O
O
O
O
O
O
D3MA
Durch radikalische Polymerisation wird ein dreidimensionales Netzwerk aufgebaut.
Die Auswahl der Monomere beeinflusst stark die Reaktivität, Viskosität,
Schrumpfung3, ebenso wie die mechanischen Eigenschaften, Wasseraufnahme,
Quellverhalten des gehärteten Polymers.
Das anorganische Füllmaterial kann eingeteilt werden in Macro- oder Minifiller auf
Basis von gemahlenem Glas, Microfiller auf Basis von hochdispersem SiO2, aber auch
Hybridmaterialien.3
Zum Start der radikalischen Polymerisationen wurden bei chemisch härtenden
Systemen früher zwei Pasten miteinander gemischt. Die eine enthält den
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Polymerisationsinitiator z.B.: Dibenzoylperoxid (a) die andere ein tertiäres Amin z.B.:
Dimethylaminoparatoluidin (b):
N
O
O
(a)
O
O
(b)
Nach dem Anmischen der Pasten aktiviert das Amin die Spaltung des Peroxids. Die
entstehenden Peroxidradikale starten die Polymerisation durch Reaktion mit den
Monomermolekülen.
Heute werden jedoch vorwiegend lichthärtende Systeme verwendet.
Der Photoinitiator, als UV bzw. VIS -aktive Komponente die Schlüsselverbindung
solcher Formulierungen, wandelt die aufgenommene Strahlungsenergie in chemische
Energie um und löst durch Radikalbildung die Polymerisation aus. Dieser Prozess läuft
in 3 Stufen ab:4
1. Bildung des chemisch reaktiven angeregten Zustandes des Initiatormoleküls durch
direkte Lichtabsorption bzw. durch Energieübertragung von einem photochemisch
angeregten Photosensibilisator.5
2. Bildung der Startradikale aus dem angeregeten Zustand entweder durch
a) Photofragmentierung infolge α- oder ß-Spaltung6,7
b) Wasserstoffabstraktion von einem Wasserstoffdonator8,9
c) oder Elektronentransfer10
3. Kettenstart durch Reaktion der Startradikale mit reaktiven Monomeren und
Oligomeren11,12
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Durch Einwirkung von UV bzw. VIS Strahlung kommt es in den Molekülen zu
Anregungsvorgängen. Hierfür müssen die Hauptemissionsbanden der Lichtquelle
möglichst gut mit den Absorptionsbanden des Initiators übereinstimmen. Für die
Aufnahme von Energie benötigt der Photoinitiator chromophore Gruppen (Tabelle 1),
meist Mehrfachbindungssysteme mit C=O- oder C=N-Doppelbindungen, die
Elektronenübergänge von π→π∗ oder n→π∗ ermöglichen.
Tabelle 1: Absoption chromophorer Gruppen
Chromophore
Gruppen
λmax (nm)
λmax (nm)
π→π∗
n→π∗
C=C
170
-
C=O
166
280
C=N
190
300
N=N
-
350
C=S
-
500
Im ersten Schritt geht das im Singulett-Grundzustand (So) befindliche Elektronenpaar
durch Absorption von Strahlung (hν) in den angeregten Singulettzustand (S1*) über.13
PI
hν
(S0)
R. oder
1PI*
ISC
Singulett (S1*)
R+
+
3PI*
R.
Triplett (T1*)
Monomere
Radikal
oder
R+
Kation
freie radikalische oder kationische
Polymerisation
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Dieser kurzlebige Zustand (<10-8 s) kann kaum photochemische Reaktionen initiieren.
Er kann seine Energie wieder durch Fluoreszenz oder durch strahlungslose
Desaktivierung abgeben. Durch "inter system crossing" (ISC) kann der entscheidende
Übergang in den Triplettzustand (T1*) erfolgen (Abbildung 3): vereinfachtes
Jablonski-Schema), von wo das Molekül zu T1 relaxiert.
Abbildung 3: Vereinfachtes Jablonski-Schema.
Abk.: A =
Absorption,Anregung,
Fl = Fluoreszenz,
SD = Strahlungslose Desaktivierung,
Ph = Phosphoreszenz,
R =
Relaxation (Thermalisierung),
ISC = Intersystem Crossing.
Die jeweils über den Zuständen S0, S1, u. T1 liegenden höherenerget. Zustände
kommen durch Schwingungs- u. Rotationsenergie-Überschüsse zustande.
Gerade Pfeile: Strahlungsprozesse;
geschlängelte Pfeile: Strahlungslose Prozesse
In den Triplettzuständen, die auch durch eine entscheidend längere Lebensdauer
gekennzeichnet sind (ca.10-6 s), besitzen die Elektronenpaare gleichgerichteten Spin,
wodurch das Molekül Eigenschaften eines Biradikals aufweist. Von diesem
Triplettzustand kann Radikalbildung erfolgen, die aber in Konkurrenz zur
strahlungslosen Desaktivierung, Phosphoreszenz oder bimolekularen Löschprozessenz.B. durch Sauerstoff oder bestimmte Monomere - stehen können. Je langlebiger ein
Triplettzustand ist, desto eher ist er für Löschprozesse zugänglich. Die Bildung von
Radikalen erfolgt durch Photofragmentierung. Je nach ihrer Stabilität können die
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Radikale
weiter
zerfallen,
rekombinieren,
Kettenabbruchs-
und
Übertragungsreaktionen oder aber eine Polymerisation auslösen.14
Grundsätzlich unterscheidet man mono- (Typ I) und bimolekulare (Typ II)
Zerfallstypen. Zum Typ I zählen die sogenannten α- und ß-Spalter, zum Typ II die
Gruppen der Wasserstoffabstraktoren und Elektronenübergangsinitiatoren.13,15
Bei den α-Spaltern erfolgt direkt neben der Carbonylgruppe eine homolytische
Bindungsspaltung, sodass zumeist ein Arylcarbonylradikal die Polymerisation startet.
Die wichtigsten Vertreter dieser Gruppe (Abbildung 4)16 sind Benzoinether (I),
Dialkoxyacetophenone (II), Hydroxyalkylphenone (III), Benzoylphosphinoxide (IV),
und Morpholinoketone (V).
O
O
O
R1
R2
O R
2
R1
O
O
I
OH
R1
II
R2
III
O
O
N
P O
R1
R
R3
O
V
IV
Abbildung 4: Typ I Photoinitiatoren
Abbildung 5 zeigt das typische Zerfallsschema des Typ I Photoinitiators Darocur
1173® der Firma Ciba-Geigy.
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O
O
C
+
OH
C
OH
O
+
C
OH
H
Abbildung 5: Zerfallsschema des Typ I PIs Darocur 1173®
Zu der Gruppe von ß-Spaltern gehören unter anderem α-Halogenketone, wie z.B.
α-Chloracetophenon (Abbildung 6)
O
O
Cl
C
H
H
Cl
Abbildung 6: α-Chloracetophenon, Typ I PI, ß-Spalter
und
die
sogenannten
"phenylogen
ß-Spalter",
bei
denen
der
Ort
der
Photofragmentierung in, durch bestimmte Gruppen (z.B. Phenyl-), vergrößertem
Abstand zur Carbonylfunktion erfolgt. Abbildung 7 zeigt den Zerfall von 4-Chlormethylbenzophenon.
O
O
Cl
C
H
Abbildung 7: 4-Chlormethylbenzophenon, Typ I PI, ß-Spalter
H
+
Cl
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Seite 11
Photoinitiatoren, die durch Wasserstoffabstraktion Radikale bilden, gehören zum Typ
II, da sie bimolekular reagieren, indem Wasserstoff auf das energetisch angeregte
Keton übertragen wird. Die entsprechenden Photoinitiatoren16 sind in Abbildung 8
dargestellt, z.B. Benzophenon (VIII), Thioxanthon (IX), Antrachinon (X), Xanthone
(XI), Dibenzosuberone (XII), Fluorenone (XIII), Benzile (XIV) und Ketocoumarine
(XV).
O
O
R
R
O
Y
XIV
VIII Y = -H HIX Y = -SX Y = -COXI Y = -OXII Y =-C2H4XIII Y = --
O
R
O
O
XV
Abbildung 8: Typ II Photoinitiatoren
Als Elektronendonoren dienen Amine oder Schwefelverbindungen aber auch Alkohole
und Ether, die ein Elektron unter Bildung von 2 Radikalionen an den Photoinitiator
abgeben können und in einem 2. Schritt durch Protonentransfer Radikale ergeben.
Abbildung 9 zeigt diesen Mechanismus anhand des Systems von Campherchinon –
N,N-Dimethylaminobenzoesäureethylester, welches in Composite-Zahnfüllungen als
Initiatorsystem hauptsächlich eingesetzt wird.
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Seite 12
hν
O
C O
O
O
+
O
+
+
+
N
EtOOC
C OH
N
EtOOC
N
EtOOC
C
H
H
Abbildung 9: Elektronenübertragung und Protonentransfer der Methylgruppen von
N,N-Dimethylaminobenzoesäureethylester auf Campherchinon
Wie bei dem bereits detailliertest untersuchten Photoinitiator Benzophenon wird auch
bei diesem System die Polymerisation vom tert. Amin ausgelöst.17
In der für Zahnfüllungen eingesetzten Matrix werden durchschnittlich nur etwa 0.5 –
2.5 Gewichtsprozent an Photoinitiatoren eingesetzt.18 Da Typ II Initiatoren ein
bimolekular reagierendes System darstellen, ist dessen Effizienz selbstverständlich
auch mit der Wahrscheinlichkeit dass ein angeregtes Initiatormolekül mit einem
Coinitiator zusammentrifft eng verbunden. Dies ist auch der Ansatzpunkt dem die
vorliegende Arbeit zu Grunde liegt.
Ältere, am Institut durchgeführte Arbeiten konnten zeigen, dass im System
Benzophenon-Amin durch chemische Verknüpfung von Initiator und Coinitiator
Aktivitätssteigerungen erzielt werden können.19 (Abbildung 10)
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O
O
O
O
N
N
Abbildung 10: Chemisch verknüpfte Benzophenone
Diese Ergebnisse sollten nun auf das Initiatorsystem Campherchinon – 4-N,NDimethylaminobenzoesäureethylester (DMAB) umgelegt werden. (Abbildung 11)
O
O
DMAB
Abbildung 11: Chemisch verknüpftes Campherchinon
Als geeigneter Precurser für chemische Verknüpfungen wurde 1-Brommethyl-7,7dimethyl-bicyclo[2.2.1]heptan-2,3-dion
(10-Bromcampherchinon)
ausgewählt.
(Abbildung 12)
O
Br
O
Abbildung 12: 10-Bromcampherchinon
Schnell stellte sich aber heraus, dass dieses Bromid für nucleophile Angriffe nur
schlecht geeignet ist, da es sich beim Kohlenstoffatom C 10 um ein Neopentylzentrum
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Seite 14
handelt und diese äußerst reaktionsträge sind. Lediglich durch Veresterungsreaktionen
waren einige kombinierte Derivate zugänglich.
Aufgrund dieser Tatsachen wurde als neues Precursormolekül 1-(2-Brom-ethyl)-7,7dimethyl-bicyclo[2.2.1]heptan-2,3-dion (11-Bromcampherchinon) (Abbildung 13)
vorgeschlagen. Über diesen Precursor sollten kombinierte Photoinitiatoren und weitere
C-11 funktionelle Campherchinonderivate leichter zugänglich sein.
O
O
Br
Abbildung 13: 11-Bromcampherchinon
Problemstellung
Seite 15
Problemstellung
Durch kovalente Verknüpfung unterschiedlicher Photoinitiator- Amin Systeme konnte
gezeigt werden, dass eine Steigerung der Photoaktivität möglich ist.19 Basierend auf
diesen Erkenntnissen soll der in der Dentaltechnik sehr häufig eingesetzte Typ II
Photoinitiator Campherchinon ebenfalls mit tert. Aminen kovalent verknüpft werden.
(Abbildung 14)
O
O
Amin
Abbildung 14: Kovalent verknüpftes Campherchinon
Ziel dieser Arbeit ist ausgehend von 11-Bromcampherchinon durch verschiedene
Verknüpfungsvarianten
den
üblicherweise
eingesetzten
Coinitiator
4-
Dimethylaminobenzosäureethylester (Abbildung 15) in unterschiedlicher räumlicher
Position zum Diketon zu fixieren.
O
O
EtOOC
N
Br
Abbildung 15: 11-Bromcampherchinon und 4-Dimethylaminobenzoesäureethylester
Problemstellung
Seite 16
Weiters hat sich in vorangegangenen Untersuchungen 10-Hydroxychampherchinon als
ein ausgezeichneter Initiator herausgestellt. Aus diesem Grund sollte ein analoges
Derivat aus 11-Bromcampherchinon synthetisiert werden. (Abbildung 16)
O
O
OH
Abbildung 16: 11-Hydroxycampherchinon
Die Eigenschaften der neuen Photoinitiatoren sollten mit denen der kommerziell
eingesetzten
physikalischen
Mischung
aus
Campherchinon
und
4-N,N-
Dimethylaminobenzoesäureethylester verglichen werden.
Als Prüfmethoden stehen folgende einfache aber doch effiziente Methoden zur
Verfügung:
• UV-VIS-Spektroskopie
• Photo-DSC
Literaturverzeichnis
Seite 17
Literaturverzeichnis
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