Glass Ionomer Cement

5.4.1 Glass Ionomer Cements

Glass ionomer cements (GICs) worden in de tandheelkunde veelvuldig gebruikt als luting cements, base cements, en als vulmateriaal in laagbelastbare tandheelkundige restauraties. Recentelijk zijn GIC’s ook voorgesteld voor toepassingen op andere medische gebieden wegens hun biocompatibiliteit en hun vermogen om rechtstreeks aan het bot te hechten. Deze toepassingen omvatten kunstoorbeentjes, botvervangende platen voor craniofaciale reconstructie, en orthopedische chirurgie als botcement (Gu et al., 2005).

GIC’s hebben het inherente vermogen om zich aan glazuur en dentine te hechten en kunnen in tandholten worden geplaatst met minimale voorbereiding en zonder dat een bindmiddel nodig is. Zoals eerder gezegd zijn ze biocompatibel en worden ze niet zo sterk aangetast door vocht als materialen op harsbasis. Bovendien ligt de thermische uitzettingscoëfficiënt van GIC dicht bij die van de tandstructuur. Ondanks het feit dat ze tandkleurig zijn, vertonen ze een inferieure esthetische kwaliteit in vergelijking met de meest moderne composietharsen, maar hun grootste nadeel zijn hun mechanische eigenschappen, sterkte en taaiheid. Conventionele GIC’s worden gevormd door een zuur-base reactie tussen een polyacrylzuur en een aluminosilicaat glaspoeder. De chemie en de formulering van het basisglas en het polyacrylzuur beïnvloeden beide de hardingsreactie en de eigenschappen van de GIC’s. Een verhoging van het molecuulgewicht van het polyacrylzuur leidt bijvoorbeeld tot betere mechanische eigenschappen, maar vermindert de verwerkingseigenschappen (Wilson et al., 1989). Ook worden bij gebruik van glasdeeltjes geproduceerd door melt-quench hogere sterktes in compressie en biaxiale buiging en kortere uithardings- en verwerkingstijden bereikt, vergeleken met cementen die glasdeeltjes bevatten die via een sol-gelroute zijn verwerkt, zelfs als de glasdeeltjes dezelfde samenstelling hebben en alleen verschillen wat betreft de verwerkingsroute (Wren et al., 2009). Betere mechanische eigenschappen worden bereikt door de toevoeging van hydrofiele monomeren en polymeren zoals HEMA aan polyacrylzuur en met hars gemodificeerd glasionomeer hun commerciële intrede hebben gedaan. Sommige worden met licht uitgehard, maar dit is een aanvulling op de basale zuur-base reactie door de toevoeging van foto-initiatoren en meestal is een extra stap van hechting van het dentine en glazuur nodig (Coutinho et al., 2009). GIC’s bevatten fluoride. Fluoride verlaagt de smelttemperatuur van glas, verlaagt de brekingsindex van het glas, waardoor optisch doorschijnend cement ontstaat, en heeft bovenal een cariësremmende rol. Fluoride is verwerkt in aluminosilicaatglas (Griffin en Hill, 2000). Volgens Dhondt et al. (2001) en Xu en Burgess (2003) wordt tijdens de uitharding een belangrijk fluoridereservoir opgebouwd in de cementmatrix en vertonen GIC’s een langdurige fluoride-afgifte, hoewel het cement is uitgehard, en kan het gedeeltelijk worden opgeladen met fluorideproducten.

Naast de chemische samenstelling van het glas en het polyacrylzuur, bepaalt ook het contactoppervlak tussen deze componenten de uitharding en de mechanische eigenschappen van GIC. Door het gebruik van nanotechnologie zijn verschillende modificaties van het glasionomeerpoeder voorgesteld, meestal om de mechanische eigenschappen van het cement te verbeteren. De vervanging van 10% of 20% van de microkorrelige glasdeeltjes van het poeder door hetzelfde percentage nanogranulair glas, hoewel de nanogranulaire deeltjes worden opgenomen door de macrokorrelige deeltjes verder te malen en dezelfde samenstelling hebben, beïnvloedt de fysische en de mechanische eigenschappen van glasionomeren. Naarmate de glasnanopartikels een grotere reactiviteit vertonen, wordt de verhardingstijd van het cement korter en nemen de druksterkte en de modulus van Young toe. Als de glasnanodeeltjes fluoride bevatten, nemen de uithardingstijd, de druksterkte en de elasticiteitsmodulus nog meer toe, maar de fluoride-afgifte neemt af. Ook vertonen deze cementen een verdere afname van hun druksterkte door thermocycling in vergelijking met microgranulaire glasdeeltjescementen (De Caluwé et al., 2014).

Onderzoekers testten ook het effect van de toevoeging van andere nanodeeltjes. De toevoeging van 3% en 5% w/w TiO2 nanodeeltjes verbeterde de breuktaaiheid, de buigsterkte en de druksterkte, maar er werd een afname van de mechanische eigenschappen gevonden voor glasionomeren met 7% TiO2. De microhardheid van het oppervlak werd aangetast door toevoeging van 5% en 7% gewichtspercent TiO2-nanopartikels. De uithardingstijd, de hechtsterkte en de fluoride-afgifte werden niet aangetast. Ook de antibacteriële activiteit was beter. De auteurs veronderstellen dat de nanodeeltjes, door hun kleine afmetingen, de lege ruimten tussen de grote deeltjes opvullen en als extra bindingsplaatsen voor het polyacrylpolymeer fungeren, waardoor het glasionomeermateriaal wordt versterkt. Wanneer het percentage nanodeeltjes te hoog is, kan er onvoldoende polyacrylzuur zijn om effectief te binden met de verhoogde hoeveelheid TiO2-nanodeeltjes en zo de interfaciale binding tussen de deeltjes en de ionomeermatrix verzwakken (Elsaka et al., 2011). Nanobiokeramische deeltjes met een percentage van 5% w/w kunnen in commercieel glasionomeerpoeder worden opgenomen. Cementen met toevoeging van nanohydroxyapatiet en fluoro-apatiet vertoonden een hogere druksterkte, diametrale treksterkte, biaxiale buigsterkte en hogere hechtsterkte aan dentine na 7 en 30 dagen opslag in gedestilleerd water. De weerstand tegen demineralisatie wordt beter genoemd, maar de verhardingstijd is te lang (Moshaverinia et al., 2008). De hechtsterkte is ook beter door de toevoeging van 10% nanohydroxyapatiet (Lee et al., 2010). Toevoeging van nanokristallijn calcium-arm hydroxyapatiet werd ook onderzocht. Door het percentage nanodeeltjes te verhogen (5, 10, en 15 wt%) werd een toename van de druksterkte, het percentage ionenafgifte, het gewichtsverlies en een afname van de microhardheid van het oppervlak waargenomen. Het resulterende cement vertoont verbeterde eigenschappen voor orthopedische en orthodontische toepassingen (Goenka et al., 2012). Bioglas wordt ook verwerkt in GIC, maar tot nu toe werden microdeeltjes van bioglas gebruikt.

Nanotechnologie is gericht op de fabricage en het gebruik van synthetische nanomere en nanocluster oppervlakte gemodificeerde nanodeeltjes van zirkoonoxide en silica. Het is belangrijk te vermelden dat de nanodeeltjes die in composietharsen worden gebruikt, inherent onverenigbaar zijn in waterige oplossing en aanleiding geven tot visueel ondoorzichtige formuleringen. Een andere behandeling van nanodeeltjes met een mengsel van silanen die helpen om een optimaal hydrofiel/hydrofoob evenwicht te behouden, is noodzakelijk (Falsafi et al., 2014). Gedeeltelijke vervanging van fluoroaluminosilicaat glasdeeltjes door oppervlakte gemodificeerde glasvullers verbeterde de polijsting (Bala et al., 2012), de slijtvastheid, de afgifte van fluoride, en het herlaadgedrag van hars GICs (Mitra et al., 2011). Aan de andere kant ondersteunen andere onderzoekers dat de cumulatieve fluorideafgifte van nanogevulde, met hars gemodificeerde GIC’s minder was in vergelijking met de conventionele en met hars gemodificeerde GIC’s, die sterk op elkaar leken, en de nano-ionomeer vertoont minder, maar gestage, fluorideafgifte (Upadhyay et al., 2013). Nanohars GIC gaat, net als conventioneel glascement, een zeer oppervlakkige interactie aan met dentine en glazuur, zonder dat er sprake is van demineralisatie en/of hybridisatie. De micromechanische interlocking is beperkt en een chemische interactie speelt de hoofdrol (Coutinho et al., 2009). Hydroxyapatiet van de tand interageert met het methacrylaat polycarbonzuur van het cement en vormt een ionische binding (Falsafi et al., 2014). Helaas is de hechtsterkte van het nanoionomeer met dentine en glazuur, hoewel effectief, minder effectief in vergelijking met de hechtharsgemodificeerde GIC (Coutinho et al., 2009). Ook degraderen de mechanische eigenschappen van nanoionomeer materialen met de tijd wanneer ze worden ondergedompeld in oplossingen (Moreau en Xu, 2010) en nanovullers verbeterden de weerstand tegen degradatie van nanoionomeer niet (de Paula et al., 2014).

Hoewel GIC’s tot op zekere hoogte antimicrobiële eigenschappen bezitten (Herrera et al., 1999; Magalhães et al., 2012), worden ook antibacteriële nanodeeltjes ingebouwd voor een versterkte antibacteriële werking. Antimicrobiële nanodeeltjes bestaande uit chloorhexidinehexametafosfaat in verschillende percentages werden in een commerciële GIC ingebouwd. Dankzij de nanodeeltjes kwam chloorhexidine geleidelijk vrij en hield het ten minste 33 dagen aan. Deze periode is langer dan andere vormen van chloorhexidine, zoals chloorhexidinediacetaat, die in het verleden werden gebruikt. De fluoride-afgifte werd niet significant beïnvloed, maar de diametrale treksterkte nam af, maar niet op een statistisch significante manier. Daarom is vervanging van glaspoeder, tot 20% van chloorhexidine nanodeeltjes, geschikt en gunstig voor klinisch gebruik (Hook et al., 2014). De toevoeging van QA-PEI nanodeeltjes, verwerkt in een lage concentratie (1% w/w), vertoont een sterk antibacterieel effect dat ten minste 1 maand aanhoudt. Het feit dat er geen remmingszone is bij de agardiffusietest, hoewel de direct contact test bacteriële remming laat zien, geeft aan dat nanodeeltjes worden gestabiliseerd in de cementmatrix en er geen uitloging is van nanodeeltjes (Beyth et al., 2012). Vitrebond toonde een verhoogde bactericide activiteit door incorporatie van zilveren nanodeeltjes (Magalhães et al., 2012).