UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
FACULDADE DE ODONTOLOGIA
AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE MARGINAL DE RESTAURAÇÕES PRODUZIDAS
COM UM COMPÓSITO EXPERIMENTAL COM MATRIZ POLIMÉRICA
MODIFICADA COM SILSESQUIOXANO OLIGOMÉRICO POLIÉDRICO (POSS)
Niterói
2014
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
FACULDADE DE ODONTOLOGIA
AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE MARGINAL DE RESTAURAÇÕES PRODUZIDAS
COM UM COMPÓSITO EXPERIMENTAL COM MATRIZ POLIMÉRICA
MODIFICADA COM SILSESQUIOXANO OLIGOMÉRICO POLIÉDRICO (POSS)
LUCIANO RIBEIRO CORRÊA NETTO
Dissertação apresentada à Faculdade de
Odontologia da Universidade Federal
Fluminense, como parte dos requisitos
para obtenção do título de Mestre, pelo
Programa de Pós-Graduação em
Odontologia.
Área de Concentração: Dentística
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Moreira da
Silva
Niterói
2014
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... .11
2. MATERIAIS E MÉTODOS...13
2.1 Formulação dos compósitos experimentais...14
2.2 Contração Volumétrica de Polimerização (% CV)...15
2.3 Tensão de Contração de Polimerização (TP)...15
2.4 Integridade Marginal (% IM)...16
3. ARTIGO PRODUZIDO...19
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Eduardo Moreira da Silva
Instituição: Faculdade de Odontologia da UFF
Decisão: _________________________Assinatura: _______________________
Prof. Dr. Alexandre Luiz Souto Borges
Instituição: Faculdade de Odontologia da UNESP
Decisão: _________________________Assinatura: _______________________
Profª. Drª. Kátia Regina Hostílio Cervantes Dias
Instituição: Faculdade de Odontologia da UERJ
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Edmar e Simone, responsáveis pela minha formação. Exemplos de
honestidade, luta e amor.
AGRADECIMENTOS
A Deus, que sempre me abençoa e me protege.
Ao meu orientador, prof. Dr. Eduardo Moreira da Silva, pelo respeito, paciência, e
orientação na pesquisa. Obrigado por ter confiado em mim.
A minha companheira Sabrina, por todo apoio, compreensão, incentivo e amor.
A professora Dr.ª Dorian Werneck, minha coordenadora da UNIGRANRIO, pela
amizade e grande incentivo na conclusão desta etapa da minha vida.
A professora Drª Ana Regina Dias, pelo apoio nos momentos em que eu precisei me
ausentar da UNIGRANRIO.
A minha amiga de turma Carolina Ullmann, por ter me ajudado e apoiado nos
momentos em que eu mais precisei.
As minhas amigas de turma: Danielle, Stéphane, Heloísa, Tatiana, Carolina e
Juliana. Foi muito bom passar estes dois anos com vocês.
A todos os outros amigos do mestrado e doutorado, em especial a Giselle, Alice,
Natasha e Jaime. Muito obrigado pelo apoio nas diversas etapas do curso. Vocês
contribuíram significantemente na minha formação.
A aluna da graduação Elis Regina, pelo apoio nas atividades laboratoriais.
Ao prof. Dr. Alexandre Borges da UNESP e sua aluna Ana Carolina, pela ajuda na
realização do teste laboratorial.
RESUMO
Netto, LRC. AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE MARGINAL DE RESTAURAÇÕES
PRODUZIDAS COM UM COMPÓSITO EXPERIMENTAL COM MATRIZ
POLIMÉRICA MODIFICADA COM SILSESQUIOXANO OLIGOMÉRICO
POLIÉDRICO (POSS) [dissertação]. Niterói: Universidade Federal Fluminense,
Faculdade de Odontologia; 2014.
Objetivos: O objetivo deste estudo foi avaliar a integridade marginal de restaurações
confeccionadas com compósito experimental elaborado com silsesquioxano
oligomérico poliédrico (POSS).
Materiais e métodos: Um compósito controle (B) foi produzido com matrizes
poliméricas metacrílicas UDMA/TEGDMA – (70/30% p/p) e 70% p/p de partículas de
vidro de borosilicato de bário com tamanho médio de 0,7 μm. O sistema de
fotoiniciação foi composto por canforoquinona e etil N, N-dimetil-4 aminobenzoato
(EDMAB). Para a produção de do compósito experimental baseado no
silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), 25% p/p de UDMA foi substituído pelo
POSS (P25). Os compósitos comerciais P90 e TPH3 (TP3) foram usados como
controles positivo e negativo. A integridade marginal (%IM) foi analisada nas
cavidades Classe I restauradas com os compósitos. Após 7 dias de armazenamento
em água destilada à 37%, as cavidades foram imersas em solução aquosa de azul
de metileno, e o % do comprimento linear da integridade marginal foi avaliada em
estéreo microscópio ótico com aumento de 40X. A contração volumétrica de
polimerização (%CV) e a tensão de polimerização (TP - MPa) também foram
avaliadas. Os resultados foram submetidos à análise de variância e ao teste Tuckey
HSD post hoc e análise de regressão linear (= 0.05).
Resultados: O %CV variou de 1.4% (P90) a 4.9% (P25), enquanto TP variou de 2.3
MPa (P90) a 3.9 MPa (B). Em ambas as propriedades, o compósito P25 apresentou
os piores resultados (4.9%) e (3.6 MPa). Os valores para o %IM foram os seguintes:
P90˃ TP3˃ B˃ P25 (p< 0.05). A análise de regressão linear revelou forte correlação
positiva entre %CV e TP (r = 0.97), enquanto que a correlação entre TP e %IM foi
moderada (r = 0.76).
Conclusão: A adição de 25% do POSS na matriz polimérica metacrílica não
contribuiu para a integridade marginal das restaurações. P90 apresentou menores
valores de contração volumétrica de polimerização e de tensão de polimerização
quando comparado aos compósitos experimental e comercial à base de metacrilato.
Palavras-chave: Compósito experimental. POSS. Contração de Polimerização.
Tensão de contração. Integridade marginal.
ABSTRACT
Netto, LRC. EVALUATION OF THE MARGINAL INTEGRITY OF RESTORATIONS
PRODUCED WITH AN EXPERIMENTAL COMPOSITE BASED ON POLYHEDRAL
OLIGOMERIC SILSESQUIOXANE (POSS) [dissertation]. Niterói: Universidade
Federal Fluminense, Faculdade de Odontologia; 2014.
Objectives: The purpose of this study was to evaluate the marginal integrity of
restorations produced with an experimental composite based on polyhedral
oligomeric silsesquioxane (POSS).
Methods: A base composite (B) was produced with a polymeric matrix with
UDMA/TEGDMA – (70/30 wt.%) and 70 wt.% of barium borosilicate glass particles
(0.7μm). The photoinitiation system was composed by camphorquinone and ethyl N,
N-dimethyl-4aminobenzoato (EDMAB). To produce the experimental composite
based on polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), 25 wt.% of UDMA was
replaced by POSS (P25). The composites P90 and TPH3 (TP3) were used as
positive and negative controls. Marginal integrity (%MI) was analyzed in bonded
class I cavities bulk-restored with the composites. After 7 days of storage in distilled
water at 37˚C, the cavities were immersed in a 1% aqueous solution of methylene
blue and the % linear length of marginal integrity along the cavity margins was
calculated under optical microscopy at 40x. Volumetric polymerization shrinkage
(%VS) and shrinkage stresses (Pss - MPa) were also evaluated. The data were
analyzed by one-Way ANOVA and Tukey’HSD post hoc test and linear regression
analysis (α = 0.05).
Results: The %VS ranged from 1.4% (P90) to 4.9% (P25), while Pss ranged from 2.3
Mpa (P90) to 3.9 MPa (B). In both properties the composite P25 presented the worst
results (4.9%) and (3.6 MPa). The values for %MI were as follow: P90 > TP3 > B >
P25 (p < 0.05). Linear regression analysis showed strong positive correlation
between %VS and Pss (r = 0.97), whereas the correlation between Pss and %MI was
found moderate (r = 0.76).
Conclusions: The addition of 25 wt.% of POSS in methacrylate-based polymeric
matrix did not improve the marginal integrity of restorations. Filtek P90 showed lower
polymerization shrinkage and shrinkage stress when compared to experimental and
commercial metacrylate-based composites.
Keywords: Experimental composite. POSS-MA. Polymerization shrinkage. Shrinkage
stress. Marginal integrity.
10
1 – INTRODUÇÃO
No estágio atual da odontologia restauradora, compósitos fotoativáveis são
largamente utilizados na recuperação dos tecidos dentais perdidos por trauma ou
processos cariosos em dentes anteriores e posteriores.
1Basicamente, compósitos
restauradores são constituídos de uma matriz polimérica baseada em monômeros
metacrílicos (Bis-GMA, Bis-EMA e TEGDMA, UDMA), partículas inorgânicas de
carga (vidros sintéticos e alótropos da sílica) e de um agente de união organo-silano
que estabelece ligações químicas entre a matriz e as partículas de carga.
1,2A reação
de polimerização destes materiais é mediada por substâncias fotoiniciadoras que
absorvem fótons, entram em um estágio excitado e quebram as ligações C=C das
terminações metacrílicas dos monômeros, iniciando uma reação de copolimerização
por radicais livres.
2Independentemente das melhorias nas propriedades mecânicas e estéticas ao
longo do tempo, a contração volumétrica ainda permanece como um problema a ser
superado no uso dos compósitos resinosos.
3,4Esta rápida redução do volume que
ocorre quando o compósito passa de um estado viscoso para um estado rígido pode
desenvolver tensões na interface dente-restauração, levando à perda da integridade
marginal e sensibilidade pós-operatória.
5,6Estes fenômenos podem facilitar a
instalação de lesões de cáries secundárias e até a perda da restauração.
Técnicas como o controle do fator de configuração de cavidade
7, inserção
incremental do compósito
8e a modulação da irradiância utilizada para fotoativar o
compósito
9,10têm sido utilizadas na tentativa de minimizar os efeitos da contração de
polimerização.
No campo da ciência dos materiais, alguns estudos têm focado em
modificações na composição do material
como mudanças no tipo e no carregamento
inorgânico, utilização de monômeros de alto peso molecular e, principalmente, a
utilização de monômeros com estrutura química que apresentem baixa contração de
polimerização.
10-14Na última década, foi introduzido um compósito constituído de
uma matriz orgânica com base em monômeros de silorano.
15,16A molécula de
silorano é constituída por um núcleo hidrófobo de siloxano e terminações oxirânicas
que introduzem um mecanismo de polimerização através da abertura dos anéis de
11
oxigênio. Teoricamente, este mecanismo leva a uma menor contração volumétrica
de polimerização do material. De fato, trabalhos publicados têm mostrado que este
compósito apresenta reduzida formação de fendas na interface dente-compósito.
17-20Em função de um complexo sistema de iniciação mediado por um iniciador catiônico
ácido e por um sal de iodo, estes compósitos foram considerados incompatíveis com
compósitos baseados em monômeros metacrílicos
21. Este aspecto pode representar
uma limitação clínica.
Trabalhos recentes mostraram resultados promissores em relação à contração
volumétrica de polimerização em compósitos experimentais com matrizes orgânicas
modificadas com silsesquioxano oligomérico poliédrico – POSS.
22-24O POSS é um
compósito nanoestruturado híbrido (orgânico-inorgânico) com molécula de 1.5 nm e
fórmula empírica (RSiO
1,5), onde SiO
1,5corresponde a um núcleo de SiO e R pode
ser um átomo de hidrogênio ou qualquer grupo funcional pendente em seus oito
vértices, como, por exemplo, um grupo metacrílico.
25Em função disso, a molécula de
POSS pode copolimerizar com um sistema dimetacrilato através de um sistema de
fotoiniciação convencional canforoquinona-amina terciária.
Os trabalhos anteriormente citados utilizaram matrizes poliméricas ternárias
com Bis-GMA/TEGDMA/POSS, e os resultados foram positivos apenas com o uso
do POSS em baixas concentrações (2-10% p/p).
22,23É coerente defender que as
características da molécula de Bis-GMA tenha influenciado este comportamento. A
presença de estruturas aromáticas e de dois grupos - OH pendentes o torna viscoso,
reduzindo a sua mobilidade molecular.
2Baseado neste aspecto, no presente estudo
um compósito experimental com matrizes poliméricas ternárias com
UDMA/TEGDMA/POSS foi formulado.
O UDMA é um monômero alifático e sem
grupos - OH pendentes, característica que lhe confere maior mobilidade molecular
que o Bis-GMA.
2Teoricamente, estas características poderiam permitir uma maior
incorporação do POSS com melhores resultados em termos de contração de
polimerização. Além disso, o propósito deste estudo foi analisar a integridade
marginal de restaurações confeccionadas com compósito experimental elaborado
com silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS). A hipótese experimental
baseou-se no fato de que o compósito experimental elaborado com o POSS aprebaseou-sentaria
baixas contração e tensão de polimerização e melhor integridade marginal do que os
outros compósitos testados.
12
2 – MATERIAIS E MÉTODOS
Neste estudo, quatro compósitos resinosos foram avaliados. P90, usado como
controle positivo, é um compósito comercial com baixa contração de polimerização
elaborado com silorano. TPH3, usado como controle negativo, é um compósito
tradicional à base de metacrilato. A composição dos materiais está representada na
Tabela 1
. Os compósitos B e P25 são materiais experimentais que foram formulados
no nosso laboratório (Tabela 2).
Todos os espécimes confeccionados foram fotoativados através de uma
unidade de luz halógena de quartzo-tungstênio (Optilux 501, Demetron Danburry
Inc., USA), com irradiância de 650 mW/cm
2por 40 s. A exposição radiante (26J/cm
2)
foi calculada como um produto de irradiância do fotoativador, através do radiômetro
(model 100, Demetron Inc. Danburry, USA), e o tempo de irradiância.
Tabela 1- Composição dos compósitos comercialmente disponíveis
Compósito
Composição
Fabricante
TPH 3
Uretano modificado GMA;
Bis-EMA; TEGDMA; BaAlBSi; BaFAIBSi;
dióxido de sílica altamente disperso
Dentsply Caulk, Milford,
DE, USA.
Filtek P90
3,4-epoxi-ciclohexil ciclopolimetil
siloxano; partículas de quartzo e
fluoreto de ítrio
3M ESPE
13
2.1 Formulação dos compósitos experimentais
Dois compósitos experimentais foram produzidos (Tabela 2). Os monômeros
UDMA e TEGDMA (Essthec, Inc. Essington, PA, EUA) e POSS (Hybrid plastics, Inc.
Fountain Valley, CA, USA – figura 1) foram utilizados sem purificação. Para permitir
a fotoativação das matrizes poliméricas, foram incorporados 0,6% p/p de
canforoquinona e 1,2% p/p de etil N,N-dimetil-4aminobenzoato – EDMAB - (Aldrich
Chemical, Inc., Milwaukee, WI, EUA) para atuarem como fotoiniciador e agente de
redução. A fase inorgânica de todos os compósitos foi composta de 70% p/p de
partículas de borosilicato de bário silanizadas com tamanho médio de 0,7 μm
(Essthec, Inc, Essington, PA,USA). Todos os componentes (monômeros, partículas
de carga e fotossensibilizantes foram pesados em uma balança analítica (AUW
220D, Shimadzu, Tokyo, Japan) e misturados em uma centrífuga dupla (150.1 FVZ
SpeedMixer DAC, FlackTek Inc., Herrliberg, Germany). Inicialmente, os monômeros
foram misturados com o objetivo de se obter uma matriz homogênea de
UDMA-TEGDMA-POSS. Em seguida, os fotossensibilizantes foram adicionados à matriz
polimérica e centrifugados a 1300 rpm por 1 min. Finalmente, as partículas de carga
foram incorporadas e a mistura homogeneizada a 2400 rpm por 2 min.
14
Tabela 2 – Composição dos compósitos experimentais
Compósito
Composição da matriz polimérica % p/p
UDMA
TEGDMA
POSS
Compósito Básico - B
70
30
0
POSS 25 % p/p – P25
45
30
25
2.2. Contração Volumétrica de Polimerização (% CV)
O %CV foi mensurado através de um sistema de captação de imagens
(AcuVol, Bisco, Schaumberg, IL, USA). Cinco espécimes de cada compósito com
aproximadamente 10 μL (10 mm
3) foram manualmente manipulados em forma semi-
esférica e colocados em um pedestal rotatório de teflon (politetrafluoretileno), dentro
da câmara e em frente à câmera CCD do equipamento. Após 5 min, os espécimes
foram fotoativados durante 40 s com irradiância de 650 mW/cm
2(26 J/cm
2), com a
ponta do fotoativador posicionada 1 mm acima do espécime. A contração
volumétrica de polimerização foi mensurada 5 min após a fotoativação dos
espécimes. Os dados obtidos foram processados pelo software do equipamento.
2.3. Tensão de Contração de Polimerização (TP)
A TP foi realizada na máquina universal de ensaios mecânicos, equipada com
uma célula de carga de 50N (EMIC DL-2000; São José dos Pinhais – PR, Brasil).
Dois bastões de polimetil metacrilato (2 mm de diâmetro e 50 cm de comprimento)
tiveram uma de suas extremidades manualmente lixadas com lixa de carbeto de
silício granulação 180 e tratadas com metil metacrilato (Jet, Clássico, São Paulo, SP,
15
Brasil), através do uso de um pincel descartável, secagem com jato de ar por 10 s, e
aplicação do sistema adesivo específico de cada compósito, seguindo as
recomendações do fabricante (Tabela 3). Em seguida, para os grupos B, P25 e TP3,
o sistema adesivo autocondicionante Clearfil SE Bond (ACSE) (Kuraray, Japan) foi
utilizado através da aplicação do primer durante 20 s, secagem com leve jato de ar
por 3 s, aplicação do adesivo e fotoativação de cada superfície por 10 s. Para o
grupo P90 que utilizou o sistema adesivo autocondicionante P90 (AP90) (3M ESPE,
Neuss, Germany), o primer e o adesivo foram aplicados separadamente e mantidos
por 15 s, suavemente secos com jato de ar e cada superfície fotoativada por 10 s.
Em seguida, os bastões foram adaptados à máquina de ensaios universal, sendo
mantida uma distância de 2 mm entre si. Esta distância foi determinada pelo
deslocamento vertical da célula de carga de 50 N do equipamento, distância esta
confirmada manualmente pelo uso de um paquímetro digital MPI/E-101 (Mytutoyo,
Tokyo, Japan).
Para a confecção do espécime, realizou-se a extrusão da massa do compósito,
através do uso de uma ponta de seringa Centrix (DFL Ind. e Com LTDA, Rio de
Janeiro, Brasil), que apresentava 2 mm de diâmetro na sua extremidade. Para definir
o comprimento do espécime, utilizou-se o paquímetro digital MPI/E-101 (Mytutoyo,
Tokyo, Japan). Cada espécime apresentava um tamanho de 2x2 mm, dimensão
semelhante à área previamente determinada pelo distanciamento dos bastões de
vidro. O compósito foi cuidadosamente inserido entre as superfícies tratadas com o
uso da espátula Suprafill nº 1 (SS White, Rio de Janeiro, Brasil), objetivando criar um
íntimo contato do material com a superfície de adesão, e fotoativado através do
posicionamento da ponta do fotoativador perpendicularmente aos bastões de vidro a
uma distância de 2 mm. A força de contração do compósito foi registrada 40 s após
a fotoativação até 10 min e a TP, em MPa, foi obtida pela divisão da força máxima
de contração por 3,14 (r
2).
2.4. Integridade Marginal (% IM)
Esta parte da presente investigação foi aprovada pelo Comitê de Ética em
Pesquisa da Universidade Federal Fluminense, UFF, Niterói, Rio de Janeiro, Brasil
16
(Aprovação N
0012683). Dez molares humanos hígidos, livres de cáries, defeitos e
trincas foram utilizados. Após o procedimento de extração, os dentes foram lavados
em água corrente, limpos com cureta com o objetivo de remover resíduos do
ligamento periodontal, imersos por 7 dias em solução de cloramina à 1% para
desinfecção, lavados e congelados em água destilada até o momento da utilização.
As raízes foram removidas e as coroas seccionadas no sentido vestíbulo-lingual,
obtendo-se 2 partes. A superfície proximal de cada parte foi suavemente planificada
na Politriz Metalográfica DPU 10 (Struers, Denmark), com lixa de carbeto de silício
de granulação 600 (DPU 10, Struers, Denmark), até a obtenção de uma superfície
plana em esmalte com 4.0 mm X 4.0 mm, sendo mensurada com um paquímetro
digital (MPI/E-101, Mitutoyo, Tokyo, Japan). Em seguida, cada parte seccionada foi
fixada na máquina para padronização de cavidades desenvolvida pelo Laboratório
Analítico de Biomateriais Restauradores (LABiom-R, UFF, Niterói, RJ). Uma
cavidade classe I padronizada ( = 4.0 mm e h = 2.0 mm) foi preparada em cada
superfície planificada de esmalte com uma ponta diamantada cilíndrica # 3053 (KG
Sorensen, SP, Brasil), sob irrigação abundante. Cada ponta diamantada foi usada
para a confecção de três cavidades. Cada parte do dente anteriormente seccionada
foi dividida aleatoriamente em quatro grupos (n = 5) de acordo com o tipo de
compósito restaurador (Tabela 3).
Tabela 3 – Grupos experimentais
Grupos
Compósito
Sistema Adesivo Autocondicionante
B
Compósito básico
Clearfil SE Bond (ACSE)
P25
POSS 25% p/p
Clearfil SE Bond (ACSE)
TP3
TPH3
Clearfil SE Bond (ACSE)
17
As cavidades foram lavadas com água destilada, secas com papel absorvente
e hibridizadas com seus respectivos sistemas adesivos (Tabela 3). Nas cavidades
hibridizadas com o ACSE, foi realizada a aplicação do primer durante 20 s, secagem
com leve jato de ar por 3 s, aplicação do adesivo e fotoativação por 10 s. As
cavidades tratadas com o AP90 receberam o primer e o adesivo aplicados
separadamente e mantidos por 15 s, suavemente secos com jato de ar e
fotoativados por 10 s. Após a aplicação dos respectivos sistemas adesivos, as
cavidades foram restauradas em incremento único e fotoativadas. Após esta fase, os
espécimes foram armazenados por 7 dias em água destilada à 37ºC, posteriormente
imersos em solução de azul de metileno à 1% por 2h, lavados em água destilada e
secos com jatos de ar. A análise do % IM foi realizada no estéreo microscópio ótico
(Olympus SZ61, Olympus Corporation, Tokyo, Japan), com uma câmera digital
acoplada (Color View, Olympus Corporation, Tokyo, Japan). Primeiramente, a
imagem de cada superfície da restauração foi capturada com aumento de 40X. Em
seguida, as imagens digitais foram analisadas através do software Image J (National
Institute of Mental Health, Bethesda, USA) com o objetivo de mensurar o
comprimento total de margens sem fendas na interface compósito-esmalte (IM –
mm). O %IM foi calculado como a razão entre a interface corada e o perímetro da
cavidade através da seguinte fórmula:
,
100
2
%
x
r
IM
IM
onde IM representa as margens sem fendas e r o raio da cavidade.
Em seguida, os espécimes foram imersos em resina epóxica e seccionados no
centro da restauração através do uso da cortadeira metalográfica (Isomet Precision
Saw, Buehler, Lake Bluff, IL, USA). As superfícies foram polidas com lixa de carbeto
de silício granulação 600, 1200 e 4000, ultrasonicadas por 5 mim e submetidas a
avaliação de fendas nas paredes internas com aumento de 40X (Olympus SZ61,
Olympus Corporation, Tokyo, Japan).
18
3 - ARTIGO PRODUZIDO
Marginal integrity of restorations produced with a model composite
based on polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)
Luciano Ribeiro Correa Netto1, DDS, MSc
Heloisa Bailly Guimarães1, DDS, MSc
Elis Regina Nunes de Almeida1, DDS
Laiza Tatiana Poskus1, DDS, MSc, PhD, Adjunct Professor
Alexandre Luiz Souto Borges2, DDS, MSc, PhD, Associate Professor
Eduardo Moreira da Silva1, DDS, MSc, PhD, Associate Professor
1Analytical Laboratory of Restorative Biomaterials – LABiom-R, School of Dentistry, Federal
Fluminense University, Niterói, Rio de Janeiro, Brazil.
2Department of Dental Materials and Prosthodontics, São Paulo State University – UNESP,
São Jose dos Campos, SP, Brazil
*Corresponding author: Dr. Eduardo Moreira da Silva – Universidade Federal Fluminense / Faculdade de Odontologia - Rua Mário Santos Braga, nº 30 - Campus Valonguinho, Centro, Niterói, RJ, Brazil - CEP 24040-110 - Phone: 55 21 2629-9832 - Fax: 55 21 2622-5739 - e-mail: emsilva@vm.uff.br
19
ABSTRACT
Marginal integrity is one of the most crucial aspects involved in the clinical longevity of resin composite restorations. Objective: To analyze the marginal integrity of restorations produced with a model composite based on polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS). Materials and methods: A base composite (B) was produced with an organic matrix with UDMA/TEGDMA and 70 wt.% of barium borosilicate glass particles. To produce the model composite, 25 wt.% of UDMA was replaced by POSS (P25). The composites P90 and TPH3 (TP3) were used as positive and negative controls. Marginal integrity (%MI) was analyzed in bonded class I cavities. The volumetric polymerization shrinkage (%VS) and the polymerization shrinkage stress (Pss - MPa) were also evaluated. Results: The values for %MI were as follows: P90 > TP3 > B > P25 (p < 0.05). The %VS ranged from 1.4% (P90) to 4.9% (P25), while Pss ranged from 2.3 MPa (P90) to 3.9 Mpa (B). For both properties, the composite P25 presented the worst results (4.9%) and (3.6 MPa). Linear regression analysis showed a strong positive correlation between %VS and Pss (r = 0.97), whereas the correlation between Pss and %MI was found to be moderate (r = 0.76). Conclusions: The addition of 25 wt.% of POSS in methacrylate organic matrix did not improve the marginal integrity of class I restorations. Filtek P90 showed lower polymerization shrinkage and shrinkage stress when compared to the experimental and commercial methacrylate composite.
Key words: Resin composite. Polyhedral oligomeric silsesquioxane. Marginal integrity.
Polymerization shrinkage. Polymerization shrinkage stress
INTRODUCTION
Nowadays, resin composites are widely used to rebuild up dental hard tissues lost by trauma or caries.8 This class of restorative materials comprises a organic matrix based on
methacrylate monomers (Bis-GMA, Bis-EMA, TEGDMA and UDMA), inorganic filler particles and a silane-coupling agent that improves the chemical interaction between the matrix and fillers.8 The polymerization of these materials is mediated by photosensitizer substances that
absorb photons, reach an excited stage and break the terminal C=C bonds of the methacrylate monomers producing a free radical copolymerization reaction.22
Irrespective of the improved mechanical and aesthetic properties, however, volumetric shrinkage still remains a shortcoming to be overcome when using resin composites.6 The rapid reduction in volume that occurs when the composite changes from a viscous to a rigid state may develop stresses at the tooth-restoration interface, leading to loss of marginal integrity and postoperative sensitivity.
20
Clinically, techniques such as C-factor control, incremental filling and modulation of the irradiance used for photocuring the composite are used in an attempt to minimize the effects of polymerization shrinkage stresses.7,30 In the field of materials science, some studies have
focused on changes in the material composition such as inorganic filler type and loading, the use of high molecular weight monomers and especially the use of monomers with a chemical structure that promotes low polymerization shrinkage.21 In the last decade, a new organic
matrix based on silorane monomers was introduced.18 The silorane molecule comprises a
hydrophobic siloxane core with oxiranic terminations that initiates a polymerization mechanism by opening the oxygen rings. Theoretically, this mechanism leads to lower polymerization shrinkage. In fact, published studies have shown that resin composites based on silorane presented reduced gap formation at the tooth–composite interface.3,15 Due to a
complex photocuring system mediated by a cationic initiator and an acid salt of iodine, these composites are chemically incompatible with composites based on methacrylate monomers.10 This aspect could be seen as a clinical limitation of the silorane-based
materials.
Recent studies have shown promising results regarding the volumetric shrinkage in methacrylate organic matrixes modified with polyhedral oligomeric silsesquioxane – POSS.9,26,29 POSS is a nano-structured hybrid (organic-inorganic) molecule with an empirical
formula RSiO1,5, where SiO1,5 corresponds to a core of SiO and R can be a hydrogen atom or
any functional pendant group on its eight vertices, for example, a functional methacrylate group.16 As a result, the POSS molecule can be copolymerized with a dimethacrylate system
using a conventional camphorquinone - tertiary amine photoinitiation system.
The former studies have tested ternary organic matrixes of Bis-GMA/TEGDMA/POSS, with positive results only when a low content of POSS (2-10 wt.%) was used.9,29 Probably,
these results were influenced by the high viscosity of Bis-GMA, which can impair the mobility of the organic matrixes.22 Based on this, an experimental resin composite with a ternary UDMA/TEGDMA/POSS organic matrix was formulated in the present study. The UDMA is an aliphatic molecule without pendant –OH groups, a feature that causes this monomer to be less viscous than Bis-GMA. 22 Theoretically, these characteristics could allow a higher
incorporation of POSS with better results in terms of polymerization shrinkage. Therefore, the purpose of the present study was to analyze the marginal integrity of restorations produced with a model composite based on polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS). The research hypothesis was that the model composite based on POSS would present low volumetric polymerization shrinkage, reduced shrinkage stresses and better marginal integrity than the other tested composites.
21
MATERIALS AND METHODS
The materials used in the present study are depicted in Figure 1. The monomers UDMA, TEGDMA (Essthec, Inc. Essington, PA, USA) and POSS (Hybrid plastics, Inc., Fountain Valley, CA, USA) were used as received. 0.6 wt.% of camphorquinone and 1.2 wt.% of ethyl N, N -dimethyl- 4aminobenzoato (EDMAB, Aldrich Chemical Company, Inc., Milwaukee, WI, USA) were incorporated as photosensitizer and reducing agents. The inorganic phase of the materials was composed of 70 wt.% of silanized barium borosilicate particles with an average size of 0.7 µm (Essthec, Inc. Essington, PA, USA). All the components (monomers, filler particles and photosensitizers) were weighed using an analytical balance (AUW 220D, Shimadzu, Tokyo, Japan) and mixed in a dual centrifuge (150.1 FVZ SpeedMixer DAC, FlackTek Inc., Herrliberg, Germany). The monomers were mixed to make neat UDMA-TEGDMA and UDMA-UDMA-TEGDMA-POSS matrixes. Then, the photosensitizer and reducing agent were added to the neat matrixes and centrifuged at 1300 rpm for 1 min. finally the filler particles were incorporated and the mixture was homogenized at 2400 rpm for 2 min.
The resin composites P90, a commercially available low shrinkage material based on silorane molecule, and TPH3, a traditional methacrylate composite, were used as positive and negative controls, respectively.
All the specimens used in the present study were photoactivated with a quartz-tungsten-halogen unit (Optilux 501, Demetron Danburry Inc., USA), using an irradiance of 650 mW/cm2 For 40s.
Figure 1 - Materials used in the present study
Group
Composite
Adhesive system
B
Base composite
Clearfil SE Bond
P25
POSS 25 wt.%
Clearfil SE Bond
TP3
TPH3
Clearfil SE Bond
22
Volumetric Polymerization Shrinkage (%VS)
The %VS was measured using a video-imaging device (AcuVol, Bisco Inc., Schaumburg, IL, USA). Five specimens of each uncured composite, with a volume of 10 μL, were manually manipulated into a semispherical shape and placed on a teflon (polytetrafluoroethylene) rotational pedestal inside the AcuVol chamber and in front of the CCD camera from the equipment. After 5 min, the specimens were photoactivated with the tip of the light-curing unit positioned 1 mm above the specimen. The %VS was measured 5 min after photoactivation. The data were processed by the AcuVol software.
Polymerization Shrinkage Stress (Pss)
The Pss was measured using a universal testing machine equipped with a load cell of 50 N (EMIC DL-2000; São José dos Pinhais, PR, Brazil). Two polymethyl methacrylate rods (2.0 mm in diameter and 20 mm in length) had one of their flat surfaces ground with #180 SiC paper, treated with methyl methacrylate (Jet, Clássico Artigos Odontológicos, São Paulo, Brazil) for 10 s and coated with the specific adhesive system for each composite (Table 1). The rods were attached to the lower and upper clamps of the universal testing machine, maintaining a distance of 2 mm between the flat treated surfaces. The composite was inserted between the flat treated surfaces, in the shape of a cylinder following the perimeter of the rods (C-Factor: 0.5) and photoactivated at a distance of 2 mm. The composite contraction force was monitored for 10 min after photoactivation and the Pss (MPa) was obtained by dividing the maximum force value (N) by 3,14 (r2), (n = 5).
Marginal Integrity (%MI)
Ten human molars free of caries, defects and cracks were cleaned and immersed in a 1% aqueous solution of chloramine for 7 days, rinsed and frozen in distilled water until use. The roots were removed and the crowns were sectioned in a buccal-lingual direction to produce two halves. The mesial and distal surfaces of the teeth were flattened using # 600 SiC paper (DPU 10, Struers, Denmark) until enamel surfaces with an area of 4.0 mm x 4.0 mm were produced (MPI/E-101, Mitutoyo, Tokyo, Japan). One class I cavity ( = 4.0 mm and h = 2.0 mm) was prepared on each flat enamel surface using a cylindrical diamond bur (#3053, KG Sorensen, SP, Brazil) attached to a standardized cavities device (LABiom-R, UFF, Niterói, RJ, Brazil) under copious water-cooling. The tooth halves with cavities were randomly divided into four groups (n = 5) according to the composite used for the restorations.
The cavities were washed with distilled water, dried with tissue paper and hybridized with the proper adhesive system, following the manufacturers’ instructions (Table 1). After applying the respective adhesive system, the cavities were bulk restored and the composite was photoactivated from the occlusal surface. The specimens were then stored for 7 days in
23
distilled water at 37 °C, immersed in 1% methylene blue solution for 2 h, rinsed with distilled water and air-dried.
The analysis of %MI was carried out using a stereomicroscope (Olympus SZ61, Olympus Corporation, Tokyo, Japan) equipped with a digital camera (Color view, Olympus Corporation, Tokyo, Japan). First, images of each restorative surface were captured at 40X magnification. After that, the digitalized images were analyzed using the Image J software (National Institute of Mental Health, Bethesda, USA). The %MI was calculated as the ratio of stained cavity interface to the entire cavity perimeter by using the follow formula:
%MI
MI
2
r
x100,
were MI is the margins without gaps and r is the radius of the cavity.
In order to confirm the %MI obtained using stereomicroscopy, specific areas of the specimens were analyzed under scanning electron microscope (SEM). The specimens were mounted in a charge reduction sample holder and observed under SEM (PhenomProX, PhenomWorld, Eindhoven, Netherlands) operating in the backscattered mode. The SEM images were taken at a magnification of x2500.
Additionally, the specimens were embedded in epoxy resin and sectioned through the center of the restorations (Isomet 1000 Precision Saw, Buehler, Lake Bluff, IL, USA). The obtained surfaces were wet-polished with # 600, 1200 and 4000 SiC papers, ultrasonicated for 5 min and submitted to internal gap evaluation at 40X magnification (Olympus SZ61, Olympus Corporation, Tokyo, Japan).
Statistical Analysis
The obtained data were analyzed using Statgraphics Centurion XVI software (STATPOINT Technologies, Inc, USA). Initially, the normal distribution of errors and the homogeneity of variances were checked by the Shapiro-Wilk’s test and Levene’s test. Based on these preliminary analyses, the data for each variable (%VS, SS and %MI) was individually analyzed using one-way ANOVA and Tukey’s HSD post hoc test.The data were also submitted to linear regression analysis: Pss vs. %VS and %MI vs Pss. All analyses were performed at a significance level of α = 0.05.
RESULTS
Table 1 summarizes the results of %VS, Pss and %MI. P90 presented the lowest %VS, followed by TP3, whereas the experimental composites B and P25 presented similar and higher %VS (p < 0.05).
24
Regarding Pss, P90 and TP3 presented similar and lower values than B and P25, which were not statistically different from each other (p > 0.05). Figure 2 shows representative plots of Pss (MPa) vs. time (0 - 600 s) for each tested composite. The differences in behavior among the materials were remarkable.
With respect to %MI, the highest values were presented by P90, TP3 and B, without significant differences among them (p > 0.05). The lowest %MI was presented by P25, although its value was not statistically different from that of B. Figure 3 shows representative optical microscope images of cavities restored with the four resin composites. Figure 4 shows SEM images of the areas pointed out by the White arrows in Figure 3.
The linear regression analysis showed a strong positive correlation between Pss and %VS (r = 0.97), whereas the correlation between %MI and Pss was found to be negative and moderate (r = -0.76); (Figure 5).
25
Figure 3 - Representative optical microscopy images of cavities restored with the four resin
composite: B (AA’); P25 (BB’); TP3 (CC’) and P90 (DD’). RBC = resin-based composite, E = enamel, D = dentin. White arrows show gaps marked with methylene blue at the cavity wall-RBC interfaces. Black rectangles are areas selected for SEM analysis.
26
Figure 4 - SEM micrographs of the areas indicated by the black rectangles in Figure 3.
27
DISCUSSION
The results obtained by Fong, et al.9 (2005) and by Wu, et al.29 (2010) were one of the motivators in developing the present study. Those authors found that the replacement of Bis-GMA by POSS did not affect or decrease the polymerization shrinkage of experimental composites with binary Bis-GMA/TEGDMA (50/50 wt.%) organic matrixes. The first study used matrixes modified with 2; 10; 25 and 50 wt.% of POSS, while the second employed replacements of 2; 5; 10; and 15 wt.%. The second motivator was based on the own features of the inorganic phase of POSS molecule (SiO1,5), a silsesquioxane cage that can act as a
nanofiller. In this field, it is well established that the greater the filler particle content, the lower the polymerization shrinkage of the resin composites25 and that regular filler particles,
such as POSS, may also contribute to this reduction.24 Another important aspect is that these
POSS nanofillers are not silanized and could induce less internal stress during the polymerization of the composite.4
In the study of Wu, et al.,29 (2010) increasing the POSS content from 0 to 15 wt.%
reduced the polymerization shrinkage from 3.53% to 2.18 %. According to those authors, this occurred because the change in free volume inside the crosslinked polymer network was limited by the nanocubic structures of POSS. Based on this theory; it is reasonable to infer that increasing the content of POSS could further reduce the shrinkage develop by the composite. This was the rationale for using UDMA instead of Bis-GMA in the current study. Due to the low viscosity of UDMA, it was possible to produce an experimental composite with only 30 wt.% of TEGDMA while adding 25 wt.% of POSS. This low content of TEGDMA can also contribute to reducing the polymerization shrinkage and the polymerization stress of resin composites.11
The evaluation of an experimental composite with 25 wt.% of POSS was based on results obtained in our Lab (unpublished data), which showed that among experimental composites with 2; 5; 10; 25 and 50 wt.% of POSS, the material with 25 wt.% presented the best overall results in terms of physical-mechanical properties (degree of conversion, hardness, flexural strength, young’s modulus, water sorption and solubility).
After photoactivation, a chain of phenomena will take place inside the composite. Firstly, the 0.3-0.4 nm intermolecular spaces between the dimethacrylate monomers of the organic matrix, maintained by Van der Waals forces, are reduced by the conversion of the C=C bonds and the establishment of C-C bonds with lengths of 0.15 nm between polymer chains. The result is a volumetric polymerization shrinkage ranging from 2 to 5%.17 This
polymerization kinetic involves three phases: the pre-gel phase, gel point and post-gel phase. The pseudoplastic behavior of the organic matrix in the pre-gel phase is able to release the stresses derived from shrinkage. However, when the matrix reaches the gel point and suffers a transformation from a viscous to a rigid state, the relaxation of shrinkage
28
drastically drops. Finally, in the post-gel phase, the mass of composite is fully rigid and the stresses are trapped inside the material. In a cavity restored with a composite material, these phenomena are restricted by the adhesion provided by the adhesive system previously applied on the cavity walls and the stresses are transferred to the tooth wall-composite interface. Thus, if the bonded strength is lower than the stresses generated during the polymerization, gap formation at the tooth-composite interface will take place.
P25 presented the highest %VS and Pss (Table 1). These results led to the rejection of the hypothesis of the present study. Based on the findings of Wu, et al.,29 (2010) these
results were somewhat surprising. The own structure of POSS, however, can be used to explain this behavior. In other words, it is reasonable to claim that the eight methacrylate terminations at the corners of the silsesquioxane cage of POSS increased the C=C bonds to volume ratio that were broken during P25 photoactivation and led to a higher packing density in the polymeric network formed. Moreover, these methacrylate groups may have also developed a highly heterogeneous crosslinking network, which could have increased the shrinkage stress inside the material. Furthermore, “non-silanized POSS nanofillers” did not contribute to less internal stress in P25. It is possible that in the post-gel phase, the POSS cages anchored into the crosslinking network and hindered the mobility of the polymeric chains, thereby generating greater internal stress in the polymeric network.
Even without POSS incorporation, B presented %VS and Pss values statistically similar to P25. This behavior can be linked to the presence of 30 wt.% of TEGDMA in this experimental composite. TEGDMA is a low molecular weight monomer that can negatively affect polymerization shrinkage from two paths. First, the low viscosity of TEGDMA allows this monomer to flow easily, thereby increasing the matrix mobility.11 Second, the greater amount
of C=C bonds to volume ratio may increase the degree of conversion and produce a high packing density in the matrix. These concepts agree with previous studies, which indicated that low Bis-GMA: or UDMA:TEGDMA ratios increased the polymerization shrinkage of experimental composites.11,12
TP3 presented intermediary %VS and Pss. Although the exact content of the monomers present in its organic matrix is unknown, we can infer that the higher molecular weight and viscosity of Bis-GMA and Urethane modified Bis-GMA influenced these results.23 The best
behavior in terms of %VS was presented by P90 (Table 1), agreeing with previous studies.15,18 P90 has an organic matrix based on silorane monomer, which polymerization
involves a cationic ring-opening reaction that compensates the shrinkage developed during the formation of the polymeric network.14,28 On the other hand, the Pss of P90 (2.3 MPa) was
not statistically different from that of TP3 (2.8 MPa). Pss is a complex phenomenon,2 not only
dependent on shrinkage but also on the elastic modulus of the material.19 In other words, the
29
Analyzing several low-shrinkage composites, Boaro, et al.1 (2010) demonstrated that P90
developed the highest polymerization stress, even presenting the lower volumetric shrinkage, and explained this finding based on the high initial flexural modulus of P90. Thus, it can be assumed that the flexural modulus of P90 influenced its Pss in the present study. The significant positive correlation between polymerization stress and flexural modulus presented in the study of El-Damanhoury and Plat5 (2014) may reinforce this possibility.
Marginal integrity is one of the most crucial aspects involved in the clinical longevity of resin composite restorations.13 Thus, in vitro evaluations of this response may contribute to
predict the clinical behavior of composite restorative materials.12 The Class I cavity model
used in the present study represents the worst C-factor scenario with regards to the development of Pss in resin composite restorations.7 This cavity model was used in an
endeavor to subject the composites to a hard test condition.
P25 presented the worst %MI (Table 1). This aspect is proved in Figure 3, where the presence of stained gaps is remarkable in the cavity restored with this experimental composite. Moreover, the SEM analysis of the selected areas in each cavity (black rectangles) confirmed this finding (Figure 4). Additionally, B also presented the worst %MI. In agreement with previous studies,12,20 the strong positive correlation found between %VS and
Pss and the negative correlation observed between Pss and %MI (Figure 5) reinforce the explanation that these phenomena are connected and could explain these findings regarding %MI.
Most of the internal gaps in the current study were observed at the axio-pulpal angles (Figure 3 A’; B’and C’). This finding agrees with those of Souza-Junior, et al.27 (2011) and
clearly demonstrates the competition between bond strength and Pss in this area. P90 was the only material that presented 100% of marginal integrity (Table 1). This finding can be explained by the lowest values of %VS and Pss presented by this composite.
CONCLUSIONS
Although the experimental composite with POSS did not improve the marginal integrity in the present study, future studies should be conducted to analyze the influence of other types of POSS molecules (epoxides, for example) with regards to this response. Within the limitations of this investigation, the addition of 25 wt.% of POSS in a methacrylate organic matrix did not improve the marginal integrity of restorations. Filtek P90 showed the lowest polymerization shrinkage and shrinkage stress values and provided the best sealing of restored cavities than did the experimental and commercially available methacrylate composite.
30
ACKNOWLEDGEMENTS
This study was supported by CNPq (Grant 484094/2012-2). The authors thank ESSTHEC Inc., Essington, PA, USA for donating all the methacrylate monomers and glass fillers.
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