Fotopolimerizzazioni di materiale dentario composito con sorgente di luce al plasma

Alessandro Lupi
Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare del Consiglio Nazionale delle Ricerche c/o Istituto di Biochimica e Biochimica Clinica, Facoltà di Medicina e Chirurgia, Università Cattolica del Sacro Cuore, Roma.

Da circa 40 anni sono stati introdotti sul mercato materiali compositi per la ricostruzione in campo odontoiatrico ed il loro utilizzo si è sempre più affermato grazie alle qualità estetiche ed alla facilità di lavorazione [1]. Tali materiali sono costituiti fondamentalmente da 3 componenti: una inorganica, il cosiddetto "filler" o riempitivo basato su ossidi di silicio, titanio, zinco, borosilicati etc., una organica detta anche matrice resinosa e formata da monomeri polimerizzabili, da iniziatori per la polimerizzazione radicalica e da sostanze stabilizzanti ed infine una terza componente di tipo organo-silanico che ha la funzione di legare chimicamente il "filler" e la matrice.

Tra i monomeri più largamente utilizzati è possibile annoverare il 2,2-bis[4-(2-idrossi-3-metacrilil-ossipropossi)fenil]propano, più noto come bis-glicidilmetilacrilato 1 (BisGMA), ed il trietilenglicoldimetilacrilato 2 (TEGDMA), di più basso peso molecolare ed avente la funzione di diminuire l'alta viscosità del BisGMA in modo da poter utilizzare quantità di riempitivo che si aggirano intorno all`80% in peso.

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Il metodo più semplice ed ormai universalmente utilizzato per fornire l´energia necessaria al processo di polimerizzazione è di tipo fotochimico: dalle prime sorgenti a luce UV si è progressivamente passati nell'ultimo ventennio - per i problemi di sicurezza connessi all'utilizzo di radiazioni ultraviolette - a sorgenti luminose tungsteno-alogeno nel campo del visibile, in particolare con una lunghezza d`onda di 470 nm che garantisce tra l'altro una maggior profondità di azione. Il flusso fotonico generato dalla lampada investe il canforochinone 3 (CQ), una sostanza fotosensibile presente nella maggior parte dei materiali compositi; il canforochinone, passando ad uno stato energetico superiore, reagisce con un agente riducente e forma dei radicali liberi che avviano il processo di polimerizzazione.

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L`apertura dei doppi legami dei gruppi metacrilici innesca infatti una reazione a catena che genera una struttura polimerica tridimensionale. Il grado di conversione dei monomeri è in genere compreso tra il 43.5% ed il 73.8% quando si utilizzano sorgenti luminose standard [2] ed è responsabile - a parità di tipo di monomeri utilizzati - di importanti proprietà meccaniche quali la durezza e la resistenza del materiale. La presenza di doppi legami non trasformati costituisce peraltro un fattore favorevole all'insorgenza di eventuali fenomeni degradativi della struttura polimerica che possono comportare mutazioni di colore e rilascio di materiale citotossico, non polimerizzato ma inglobato nel polimero stesso. Il grado di conversione può essere valutato attraverso l’analisi dei segnali di assorbimento dei legami doppi (C=C) e dei legami semplici (C-C) che si ottengono utilizzando la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier FTIR e calcolando successivamente il loro rapporto percentuale.

La quantità relativa di monomeri quali il TEGDMA risulta particolarmente importante nella miscela con il Bis-GMA in quanto i monomeri a più piccola massa molare, contenendo un maggior numero di molecole e quindi un maggior numero di gruppi funzionali per unità di peso di composto, portano alla formazione di una quantità superiore di legami e quindi all’accentuazione della contrazione da polimerizzazione; tale fenomeno è infatti dipendente dal numero di legami formati e quindi direttamente correlato alla conversione dei monomeri in materiale polimerico [3].

La velocità di formazione del polimero è direttamente proporzionale all`intensità della sorgente luminosa ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza da essa [4]: le sorgenti luminose convenzionali attualmente in uso producono un´intensità di luce costante durante il periodo di irradiazione che oscilla, per la maggior parte dei compositi, tra i 30 ed i 40 secondi. Se la polimerizzazione risultasse troppo rapida, anche perché essa viene ulteriormente accelerata dal calore prodotto dalla reazione stessa, si provocherebbe un aumento repentino della viscosità del materiale che ne rende difficile lo scorrimento ed il conseguente adattamento alla cavità, con il rischio di creazione di microfessure tra superficie dentale ed otturazione [5]. D`altra parte un`elevata intensità luminosa può risultare particolarmente utile per raggiungere gli strati più profondi del restauro dove, a causa dell'assorbimento e della dispersione da parte degli strati superiori, l'irradiazione e la formazione delle specie attivate risultano necessariamente minori. Recenti ricerche hanno evidenziato l'esistenza di rilevanti miglioramenti nel caso in cui il processo di polimerizzazione avvenga in modo graduale [6] ed a bassa intensità luminosa [7] ed altri studi preliminari sembrerebbero altresì dimostrare come l´utilizzo di brevi impulsi di luce ad elevata intensità non provochi un aumento degli indesiderati fenomeni di contrazione del materiale composito.

Al fine di ottimizzare le modalità del trattamento fotopolimerizzante sono state introdotte da pochi anni sorgenti di luce laser [8] e, più recentemente, sorgenti di luce al plasma (un gas ionizzato formato attraverso una scarica elettrica ed utilizzato quale sorgente luminosa di forte potenza) [9] [10] [11] in lampade piuttosto sofisticate e dotate di notevole versatilità di funziomento; è stata quindi nostra intenzione procedere ad una valutazione preliminare di alcune delle modalità di polimerizzazione presenti in una lampada al plasma di ultima generazione.

Materiali e metodi

Preparazione dei campioni e fotopolimerizzazione
Per la preparazione di adatti campioni è stato utilizzato un materiale composito fotopolimerizzabile ed un cilindro di acciaio inossidabile (Foto 1) ( 3 cm di diametro x 1,5 cm di altezza ) dotato di un foro centrale di 6.3 mm di diametro entro il quale può scorrere un secondo cilindro mobile ma fissabile con una vite: si può così ottenere uno stampo di diametro fisso e di spessore variabile in funzione della posizione reciproca dei cilindri. Per queste prove preliminari si è deciso di utilizzare uno spessore di 2.0 mm.

Foto1

Il materiale - in quantità opportuna - è stato posto nello stampo, adeguatamente modellato per poter riempire completamente la cavità ed infine ricoperto con della matrice a nastro trasparente 3M per poter eliminare l'aria sovrastante ed evitare così l'inibizione della polimerizzazione dello strato superficiale provocata dall'ossigeno atmosferico.
La lampada utilizzata è del tipo ARC LIGHT II M (Foto 2) prodotta da Air Techniques e distribuita da Sweden & Martina, con un'intensità luminosa massima di 2000 mW/cm2 e dispone delle seguenti modalità di polimerizzazione:

a) Modalità costante: continua (con segnale fisso) o modulata (con segnale lampeggiante), con intervallo di tempo programmabile da 1 a 20 sec e con intervallo di intensità programmabile dal 50% al 100%.
b) Modalità incrementale: continua o modulata, con intervallo di tempo programmabile da 1 a 60 sec, con intervallo di intensità programmabile dal 50% al 100% e con intensità iniziale programmabile a partire dal 50%.
c) Modalità incrementale costante: continua o modulata, con intervalli come sopra.
d) Modalità a gradino: continua o modulata, con intervalli come sopra.

Foto 2

Tale lampada possiede, grazie all'elevata intensità luminosa, anche 2 programmi specifici per le metodiche di sbiancamento, con luce continua oppure modulata.
I campioni sono stati trattati utilizzando 4 modalità diverse: 1) irradiazione costante e continua per un periodo di 10 sec. con intensità pari al 75% della massima 2) irradiazione incrementale costante e continua per un periodo di 13 sec, partendo da un'intensità del 50% per arrivare al 75% 3) irradiazione incrementale continua per un periodo di 7 sec partendo da un'intensità del 50% per arrivare al 75% seguita da irradiazione costante continua al 75% per un ulteriore periodo di 5 sec. 4) irradiazione incrementale a gradino e continua con intensità del 50% per 6 sec. e poi del 75% per 7 sec. Tali valori sono stati scelti in modo da avere un flusso fotonico di quantità pressochè equivalente in tutti gli esperimenti. Il manipolo della fibra ottica è stato fissato ad un sostegno per poter mantenere sempre costante a 8.0 mm la distanza tra la punta di polimerizzazione ed il campione da trattare. Una volta polimerizzato il campione viene recuperato estrudendolo delicatamente grazie allo scorrimento del cilindro interno; in tal modo si riescono ad ottenere dischetti con una superficie estremamente regolare e facilmente riproducibili.

Rilascio di materiale monomerico dai campioni
Uno dei parametri più importanti da considerare nel caso dello studio in vitro di materiali compositi è costituito dal rilascio di prodotti non polimerizzati che può anche costituire una valutazione indiretta del grado di polimerizzazione. Al fine di esaminare tale caratteristica i campioni di materiale polimerizzato, 3 per ogni esperimento, sono stati immersi in 2 ml di EtOH al 75%: tale soluzione è considerata un ottimo mezzo per simulare l'invecchiamento del restauro e l'azione del cibo, anche secondo le raccomandazioni della FDA statunitense. Sono stati utilizzati contenitori di vetro scuro da 5 ml, chiusi con tappo a vite per evitare problemi di evaporazione; essi sono stati posti al buio per 3 ore a temperatura ambiente. Successivamente da ciascuno di essi è stata prelevata un'aliquota di 0.7 ml di soluzione che è stata sottoposta a centrifugazione per 10 min a 10.000 giri per far depositare eventuale filler in sospensione.

Procedura analitica
Le varie aliquote sono state quindi analizzate attraverso la cromatografia liquida HPLC, una tecnica che si basa sul principio della distribuzione tra fasi e permette di separare i vari componenti di una miscela in modo efficiente ed in tempi piuttosto rapidi. La separazione avviene grazie alle differenti interazioni che le varie sostanze sperimentano tra la fase fissa presente nella colonna cromatografica e la fase mobile che fluisce continuamente attraverso la colonna stessa; durante il suo cammino la fase mobile trasporta le varie sostanze in maniera differente facendole uscire dalla colonna in tempi diversi, caratteristici per ciascun composto. All'uscita della colonna un rivelatore a luce UV registra il passaggio dei composti e permette di valutarne la concentrazione in base all'emissione di un segnale proporzionale all'assorbimento di radiazione UV; i segnali così ottenuti possono venir inviati ad un registratore a carta oppure – tramite una scheda di acquisizione dati – ad un personal computer: in ogni caso si ottiene un tracciato cromatografico in cui ciascun picco corrisponde ad uno dei componenti organici presenti nella soluzione in cui è stato immerso il campione (Fig.1). Le analisi sono state eseguite con un sistema formato da una pompa 590 Waters ed iniettore universale U6K, una colonna Supelco C-18, 3 *m, 150 x 4.6 mm ed un rivelatore Knauer con lunghezza d'onda impostata a 254 nm. La fase mobile utilizzata per l’analisi cromatografia è stata una miscela di MeOH / H2O in proporzione 80:20 ed in modalità isocratica, con un flusso pari a 0.3 ml/min.
La nostra attenzione si è concentrata sulla determinazione del Bis-GMA e del TEGDMA, che come già detto sono i componenti organici fondamentali della maggior parte dei compositi attualmente commercializzati: l'identificazione di essi è avvenuta per confronto con standard puri dei due prodotti.

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Risultati e Discussione

Dallo studio dell´intensità dei segnali derivanti dalla HPLC si può rilevare che, per quanto riguarda la fotopolimerizzazione con modalità costante e con modalità incrementale continua, la quantità di monomeri rilasciata dai campioni esaminati può considerarsi praticamente equivalente, per cui eventuali differenze tra i due tipi di trattamento dovranno essere ricercate in termini di resistenza e durezza del materiale. I campioni fotopolimerizzati con la modalità incrementale variabile e con quella a gradino mostrano invece un rilascio superiore del 10% -15% rispetto ai casi precedenti, sia per quanto riguarda il TEGDMA che il Bis-GMA. Questa differenza, peraltro non particolarmente rilevante, potrebbe essere attribuita ad una minor grado di polimerizzazione dovuto ad una più bassa intensità del fascio luminoso in alcuni intervalli del periodo di irradiazione; d`altra parte le modalità di irradiazione incrementale dovrebbero avere lo scopo di aumentare l´adattabilità del polimero alla cavità grazie ad un più graduale aumento della viscosità e ridurre quindi, come già detto, la possibilità di formazione di microfessure nella cavità dentale. Inoltre nel proseguimento del lavoro verrà valutato se la differenza di rilascio rilevata possa essere significativa in termini di citotossicità su adatte linee cellulari.

Uno studio più approfondito del grado di grado di conversione in funzione delle varie modalità di polimerizzazione possibili con la lampada ARC Light II M verrà altresì realizzato attraverso l`utilizzo della spettroscopia FTIR; i risultati di tali analisi verranno riportate in futuri lavori.

Bibliografia

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5. Goracci G., Mori G., Casa de` Martinis L. Valutazione della chiusura marginale dei compositi polimerizzati con due diversi metodi. Dental Cadmos 1993; 7: 50-63
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