CC BY
20
Перспективы использования наноуглеродных материалов в хирургической стоматологии
А.З. Абдурахмонов, Д.С. Шерматов, С.С. Субханов, Д. Рашидов*, Ш. Туйчиев*
Кафедра челюстно-лицевой хирургии с детской стоматологией ТГМУ; *НИИ физики твёрдых тел Таджикского национального университета
Методами рентгенографии, механики и калориметрии изучено влияние фуллереновой сажи и наноалмазов (НА) на структуру, механические и тепловые свойства акриловой (АКР-7) пластмассы.
Показано, что внедрение малых добавок наноуглеродных материалов сопровождается изменениями в механических и тепловых свойствах пластмассы. Наиболее подходящим является композит АКР-7+НА, так как очищенная шихта НА из разного рода примесей представляет собой бесцветный или белый порошок, совместимый с биологической тканью.
В детской стоматологии зубные протезы должны обладать как высокой прочностью, так и эластичностью. Для приготовления зубных протезов рекомендуется использование композита на основе АКР-7+силиконовый каучук+НА, характеристика которого отвечает нуждам практической стоматологии.
Ключевые слова: сополимер, фуллереновая сажа, наноалмазы, акриловая пластмасса
Введение. В настоящее время для изменения физико-химических и технологических свойств композитных материалов применяются нано-углеродные материалы (фуллерены, нанотрубки, наноалмазы и др.) [1,2]. Внедрение малых добавок наночастиц позволяет в широких пределах варьировать эксплуатационные и технологические свойства композитных материалов [3,4]. В этом аспекте представляет интерес применение наноуглеродных материалов в технологии получения и приготовления протезов различного назначения в стоматологии.
Цель работы заключается в исследовании структуры, технологических и эксплуатационных свойств АКР-7-пластика при допировании его фуллереновой сажей (ФС) и наноалмазами (НА).
Материал и методы. В качестве объектов исследования исполь-зовали сополимер АКР-7, жидкий мономер метилметаклират (ММА), фуллереновую сажу, наноалмазную шихту и очищенную наноалмазную шихту (НА). Из смеси порошков АКР-7, ФС, НА и ММА готовили вначале формовочную массу, а затем путём прессования получали плёнки толщиной 0,15-0,2 мм при 200С. Концентрацию наноуглеродных добавок ФС и НА варьировали в пределах С=0-1%. Методами рентгенографии на больших (БР) и малых (МР) углах на стандартных установках ДРОН-2 и КРМ-1 изучали структуру образцов. Во всех исследованиях использовали медное излучение, фильтрованное никелем. Механические испытания на растяжение прово-
дили на установке РМ-1 со скоростью деформации 0,01с-1. Тепловые испытания в циклах «нагревание и охлаждение» проводили на приборе РБС-201Р фирмы ^ебсЬ, при скорости нагрева и охлаждения образцов 10град./мин. Состояние образцов неориентированное. Рентгенографические и механические иссле-дования образцов проводили при Т=200.
Результаты и их обсуждение. Необходимо отметить, что результаты структурно-физических исследований аморфных полимеров, таких как ПММА и ПС [3,4], а также АКР-7, доппированных ФС и НА, качественно и количественно практически не различаются, поэтому мы остановимся на обсуждении результатов, полученных для композита АКР-7+ФС; в отдельных случаях укажем на некоторые специфические черты изменения структуры и свойств АКР-7+НА.
На рисунке 1 приведены большеугловые рентгенограммы (БР) исходного (кривая 1) и фуллеренсодер-жащих образцов АКР-7 (кривые 1-5). На БР наблюдаются два широких аморфных гало с максимумами на углах 291=12,5° и 292=30,5°, которым соответствуют межчастичные расстояния С-,=7,08 и с12=2,93А. С увеличением концентрации ФС в интервале С=0-1% при одинаковой геометрии съёмки БР и толщины образцов в пределах, допустимых погрешности опытов, интенсивность, положение 29 и радиальная ширина отражений Д29, практически, остаются постоянными. Следовательно, молекулы добавок не взаимодействуют с молекулами матрицы.
НАУЧНО-МЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ «ВЕСТНИК АВИЦЕННЫ» Въ
ТАДЖИКСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО МЕДИЦИНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ИМЕНИ АБУАЛИ ИБНИ СИНО (Г
10 18 26 34 26
РИС. 1. БОЛЬШЕУГЛОВЫЕ РЕНТГЕНОГРАММЫ АКР-7+ФС. 1-С=0; 2-0,01; 3-0,1; 4-0,5; 5-1% ФС
АКР-7 представляет собой пористую систему, состоящую из мелких и крупных пор и трещин. Об этом свидетельствуют малоугловые рентгенограммы (МР) образцов. Как видно из рисунка 2, МР исходных и фуллеренсодержащих образцов характеризуются наличием диффузного рассеяния в области сверхмалых углов 29=12-30угл./мин., а затем в области 29=30-120угл./мин. наблюдается фоновое диффузное рассеяние постоянной интенсивности и Такая картина МР характерна стеклообразным аморфным полимерам, содержащих микронеоднородности типа пор и трещин. Обработка кривых малоуглового распределения интенсивности 1(ф) согласно методики [5] показала, что в образцах имеются поры малых Нм=3нм и крупных Нк=20нм размеров с концентрациями К1м=2-1016см-3 и К1к=0,5-1014см-3, соответственно. В пределах использованных концентраций добавок С=0-1% картина диффузного МР практически не изменяется, но наблюдается тенденция снижения 1С с ростом концентрации ФС. По-видимому, молекулы добавок располагаются в микронеоднородностях типа пор и трещин в междоменных аморфных областях композитного материала [3-5].
В случае композита АКР-7+НА на МР наблюдается тенденция некоторого слабого увеличения 1с1 с ростом концентрации НА. Поскольку размеры частиц НА несколько больше чем фуллерены, то проникновение частиц НА в АКР-7 может сопровождаться не только заполнением пор и трещин, но и возникновением новых таких же микронеоднородностей. Суммарное рассеяние от таких систем обусловливает увеличение 1С. Тогда такое распределение молекул
20 60 ф,мин
РИС. 2. МАЛОУГЛОВЫЕ РЕНТГЕНОГРАММЫ АКР-7+ФС. 1 -С=0; 2-0,01; 3-0,1; 4-0,5; 5-1% ФС
ДСЮ(нВг'мг)
40 80 120
Температура / С
РИС. 3. ДСК-ГРАММЫ АКР-7+ФС. 1 -С=0; 2-0,01; 3-0,1; 4-0,5; 5-1% ФС
добавок может привести к изменению механических и тепловых свойств композитов. В таблице и на рисунке 3 приведены результаты механических и тепловых испытаний серий образцов как исходных, так и допированных добавками ФС.
Кривые деформации о (е) образцов представляли собой прямые линии, параметры которых с ростом концентрации добавок в интервале С=0-0,1% остаются постоянными, а при С=0,1-1% происходит падение прочности о и модуля Е при неизменности удлинения е.
ТАБЛИЦА. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПОЛИМЕРА АКР-7
№ п/п Концентрация ФС в сополимере (С,%) 0 0,01 0,1 0,5 1
1 Разрывная прочность (о, МПа) 54 54 50 38 37
2 Разрывное удлинение, е,% ~1 ~1 ~1 ~1 ~1
3 Модуль упругости (Е, МПа) 5400 5400 5000 3800 3700
Поведение механических показателей АКР-7 свидетельствует о том, что молекулы внедрённых добавок оказывают некоторое слабое пластифицирующие воздействие, что должно отразиться не только на изменениях механических, но и тепловых свойств образцов [3,4]. Так например, как видно из рисунка 3, на ДСК-граммах исходного и фуллерен-содержа-щего АКР-7 наблюдается слабый размытый эндопик при Т1=850 и широкие экзопики в интервале Т2=1020 и Т3= 1200. По-видимому, Т1 соответствует температуре стеклования (размягчения), Т2 - температуре улетучивания остатков свободного и Т3 - связанного мономера ММА. С ростом концентрации добавок для Т1, Т2 и Т3 наблюдается тенденция смещения их положений в сторону высоких температур.
Таким образом, внедрение малых добавок молекул ФС в сополимер АКР-7 не приводит к заметному изменению структуры, но сопровождается охрупче-нием материала, снижением прочности и модуля образцов при постоянстве их разрывного удлинения, а также изменением температуры перехода (стеклования или размягчения) материала и улетучивания свободного и связанного мономера ММА.
Таким образом, из анализа полученных механических данных (прочности и деформации), а также нежелательного изменения цвета композита АКР-7+ФС из белого в чёрный следует, что этот композит не применим в стоматологии.
Наиболее подходящим является композит АКР-7+НА, так как очищенная шихта НА из разного рода примесей представляет собой бесцветный или белый порошок, совместимый с биологической тканью. В детской стоматологии зубные протезы должны обладать как высокой прочностью, так и эластичностью. Для приготовления зубных протезов рекомендуется использование композита на основе АКР-7+силиконовый каучук+НА, характеристика которого отвечает нуждам практической стоматологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пиотровский Л.Б. Фуллерены в биологии / Л.Б.Пиотровский, О.И.Киселёв // С-Пб. - 2006. -336с.
2. Трефилов В.И. Фуллерены - основа материалов будущего / В.И.Трефилов [и др.] // Киев. АДЕФ-Украина. - 2001. - 148с.
3. Гинзбург Б.М. Влияние фуллерена С60 на структуру и механические свойства полиэтилена: технологический аспект / Б.М.Гинзбург [и др.] // Высокомолек. соедин., серия А. - 2011. - Т.53, №6. -С.883-896
4. Гинзбург Б.М. Влияние фуллерена С60 на структуру и механические свойства тонких плёнок из полиметилметаклирата и других карбоцепных полимеров винилового ряда: технологический аспект / Б.М.Гинзбург [и др.] // Высокомолек. соедин. серия А. - 2012. - Т.54, №8. - С.1283-1296
5. Тамуж В.П. Микромеханика разрушения полимерных материалов / В.П.Тамуж, В.С.Куксенко. - Рига.
- 1978. - 294с.
НАУЧНО-МЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ «ВЕСТНИК АВИЦЕННЫ»
ТАДЖИКСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО МЕДИЦИНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ИМЕНИ АБУАЛИ ИБНИ СИНО (Г
Summary
Prospects of nanocarbon materials use in dental surgery
A.Z. Abdurahmonov, D.S. Shermatov, S.S. Subhanov, D. Rashidov*, Sh. Tuichiyev*
Chair of Oral and Maxillofacial Surgery with pediatric dentistry Avicenna TSMU; Reseach Institute of Physics of Solids Tajik National University
By methods of X-ray diffraction, calorimetry and mechanics was studied the effect of fullerene soot and nanodiamonds ( NA) on the structure, mechanical and thermal properties of acrylic resin (ACR -7).
It is shown that the introduction of small additions of nanocarbon materials is accompanied by changes in the mechanical and thermal properties of plastics. The most suitable composite is CRA TO + 7 NA as purified blend NA of different kinds of impurities is a colorless or white powder that is compatible with biological tissue.
In pediatric dentistry dentures must possess both high strength and elasticity. For the preparation of dental prostheses are recommended based on the use of composite AKR-7 + silicone rubber +NA, which specifications meet the needs of the practice of dentistry.
Key words: copolymer, fullerene soot, nanodiamonds, acrylic plastic
АДРЕС ДЛЯ КОРРЕСПОНДЕНЦИИ:
Абдурахмонов Абдугафор Зоирович - аспирант кафедры челюстно-лицевой хирургии с детской стоматологией ТГМУ; Таджикистан, г.Душанбе, пр.И.Сомони, 59 E-mail: [email protected]
