光固化复合树脂固化程度的影响因素
                                     邓小林1　张保卫2
(1.上海交通大学医学院附属第九人民医院·医学院; 2.上海市口腔医学研究所·上海市口腔医学重点实验室,上海　200011)
    【摘要】影响光固化复合树脂固化程度的因素很多,本文就不同类型的光固化灯、复合树脂及临床操作等因素对光固化复合树脂固化程度的影响作一综述。
    【关键词】　固化程度　光固化灯　复合树脂　光引发剂
    自本世纪70年代光固化复合树脂发明以来,以其美观的色泽,良好的物理化学性能及其容易操作在牙科治疗与修复领域中迅速被广泛应用。光固化复合树脂通过可见光启动光敏剂引发光固化,其敏感光波长在400~520 nm之间,是蓝光的光谱范围。
    在临床应用中发现有的复合树脂修复体在短期内出现折断、脱落,其原因是多方面的,其中复合树脂是否充分固化,是其主要因素之一。对于复合树 脂的固化程度,首先是树脂材料本身的因素;其次是 固化灯的因素,还有临床操作因素。如果某个或者某些因素不能达到要求就可能会影响树脂的固化程度,使其固化不充分,导致树脂充填体对牙髓细胞毒 性增加[1,2],修复体折裂及边缘破坏机会增加[3,4] 硬度降低[5,6],动态弹性模量减小[7]等。
    1　光固化复合树脂类型
    1.1　填料大小和含量
    为了开始一个光固化自由基聚合反应,需要有适当波长足够强度的光源以激活引发剂体系。由于复合树脂中填料粒子的存在,将会出现光散射。随着材料深度或厚度的增加,散射也增加,进入材料内部的光强度会逐渐降低。微粒物质的光散射由三种现象构成:表面反射、折射和衍射。光固化程度与复合树脂中填料粒子的大小直接相关。随着填料粒子的大小接近固化光波长的1/2,光在复合树脂中的 散射也增加[8]。这一散射降低了通过复合树脂的光量。混合填料型填料粒子尺寸比较大,受光散射影响比较小,因而其固化深度比较大[9],另外高填料浓度可能也有助于提高固化深度[10]。对于超微填料复合树脂,这种所含无机填料极细(平均40 nm),其 超微填料中亚微米二氧化硅粒子的丛聚作用形成了相当于催化波长1/2大小,其丛聚作用很容易使其形成最适于光散射从而降低固化深度。
    1.2　复合树脂的色泽和透明度
    为满足临床上选色和配色的需要,可见光固化复合树脂的制造商总是将其产品制成由浅到深的颜色,以供临床医师的选择使用。一般而言,同等照射下,浅色树脂的固化深度要大于深色树脂,这一点在 产品说明书中也加以注明。国际标准用L*a*b* 来表示树脂的颜色,L代表明度值,-a———+a、 b———+b分别代表绿到红的变化和蓝到黄的变化。 N.TANOUE等[11]的研究表明在相同的照射条件 和相同彩度的情况下,L值越大,固化深度越大。相 比较a、b参数,L值与固化深度的关系更加密切。 复合树脂的颜色由下列因素决定:①复合树脂 的吸收和内散射特性;②复合树脂的厚度;③背景材 料的光反射性能。树脂颜色可以影响入射光在其中 的穿透力,从而影响光固化树脂的深层材料的固化 程度。Tirth等[12]通过研究发现,可见光固化复合 树脂的临界固化深度和透视系数受光的波长、树脂 和填料的折射指数、以及填料粒子大小、形状和数量 的影响,较暗和较不透明色调的复合树脂透视系数 较低。由此可见,由于深色复合树脂的透射系数较 低,不利于入射固化光线的穿透,因而在应用中应予 特别注意。临床上,不同色调的光固化复合树脂需 要不同的固化技术,与浅色树脂相比,深色树脂的充 分聚合可能需要采用分层填塑技术和延长照射时间或增加光源强度。
    1.3　光引发剂
    复合树脂的光引发剂化学性质是有效固化聚合 体达到满意物理机械性能的基础,是光固化复合树 脂不可缺少的关键组分,对材料的光固化速率和程 度起决定性的作用。最常用的光引发剂是樟脑醌 (CQ,camphoroquinone),加入量通常为0.05~1 wt%。CQ也有一些缺点,如它的颜色是黄色的,用于对颜色有要求的牙科材料时其添加量是有限制 的,这同时也限制了材料的固化程度[13]。因此有人 研究新的光引发剂来代替它,PARK[13]等研究了 一种新的光引发剂1-苯基-1,2-丙二酮以及(PPD,1- phenyl-1,2-propanedione)来代替CQ,发现同时添 加PPD和CQ作引发剂的样品,其聚合度要大于单 独添加PPD或CQ的样品。SUN等[14]也研究了用 PPD和2,3-丁二酮(BD,2,3-butanedione)作光引发 剂的光固化复合树脂,与使用CQ作光引发剂的样 品相比力学性能有所提高。PPD和BD是黄色粘性 液体,而CQ在室温下是固体,所以PPD和BD与 树脂有更好的相容性,同时PPD和BD的最大吸收 峰λmax要低于CQ,这就使得PPD和BD在树脂 中的允许加入量多于CQ,所以PPD和BD可以作为新的光引发剂。
    光引发剂的吸收光谱波长要和光固化灯的发射 光谱分布范围要相匹配。A.Ogunyinka等[15]通过 研究CQ、PPD、BZ(benzil,为BD的同系物)三种引 发剂两种固化灯卤素灯(quartz-tungsten halogen light QTH)和发光二极管(light-emitting diod LED)绘制出各自的吸收光谱图和发射光谱图,如图 1:
                     
    这项研究还比较QTH和LED在三个光照时 间(10 s,20 s,40 s)固化分别含有CQ、PPD和B 的三种树脂。结果表明:①LED在上述三个固化时间固化含CQ树脂固化程度高于含PPD引发剂的 树脂;②LED固化含PPD树脂在10s,20s两个固化 时间固化程度明显低于QTH;③用LED分别固化 含BZ和CQ引发剂的两种树脂,前者固化程度明 显低于后者。④LED分别固化含PPD和BZ的两 种树脂,其固化程度低于QTH固化。对于LED和 QTH,其发射光谱和PPD和BZ的吸收光谱的重叠 不明显,但是与QTH相比,LED的发射光谱与 PPD和BZ吸收光谱的匹配性更差。上述结果提 示:固化含PPD和BZ两种引发剂的树脂LED固化 灯的固化能力低于用QTH,所以在选择固化灯时 要注意相应复合树脂的引发剂成分。
    2　光固化灯
    光固化灯是牙科光固化复合树脂及黏结剂固化 用的光源,其性能对复合树脂及黏结剂的固化有重 要影响[16]。经过多年的发展,光固化灯的种类及性 能有了很大进步,目前临床上应用的光固化灯有卤 光灯、速效卤光灯、发光二极管(light emitting diod LED)、等离子弧光灯及氩激光灯。
    评价光固化灯的重要指标有光强、波长、发光热 量、光源寿命、便携型等。光强又称亮度、功率密度 是光固化灯光出口单位面积每秒发射光子的数量 单位是KW/m2。光固化灯的品牌不同,输出强度 不同。根据输出光强度将光固化灯分为高亮度、中 等亮度和低亮度3个级别。高亮度光固化灯指光强 >1000 mW/cm2,中等亮度光固化灯的光强在40 ~1000 mW/cm2,低亮度光固化灯光强<400 mW cm2。波长是光源发射波长的有效带宽,波长应与 复合树脂中光引发剂的吸收波长相近或一致,光固 化复合树脂常用光引发剂为樟脑醌(CQ),其波长吸 收峰值为468 nm,光固化灯发射波长越接近这个峰 值,激活CQ的能力越强,因此树脂的固化程度依赖 于光固化等的发射波长质量。
    普通卤光灯光强为400~650 mW/cm2,对各种 复合树脂及黏结剂均能固化,但固化速度较低,需要 较长时间照射(20~40 s),其中一部分能量转变成 热量,其光线热辐射相对LED较大,卤光灯寿命较 短,约40~100 h[17],灯泡容易老化或烧坏,反光膜 及滤光片也容易老化,老化后光强下降,固化效果亦 变差。故临床上使用一段时间的卤光灯要注意检测 其输出光强是否降低,以免固化的复合树脂修复体不合格。
    发光二极管(LED)是以大功率发光二极管阵列 芯片为光源,其光波波长分布窄(440~480 nm,波 峰波长为467 nm),与复合树脂常用光引发剂樟脑 醌的吸收波长吻合性好,引发率高且光强较高。 2000年投入市场的第一代LED,是由多支普通 LED作为光源,输出功率较低,一般为250~350 mW/cm2,其固化深度也较小,第二代LED光固化 灯功率可以达到或者超过卤素灯的水平,实验表 明[18,19],在相同固化时间,可以得到比卤光灯优越 的固化深度。郭斌等[20]通过临床随访得出结论: LED光固化灯光强大于普通卤光灯,具有较大的固 化深度,光照时间为20 s,普通卤光灯为40 s,两者 可取得相同的修复效果。因此发光二极管可以缩短 光固化的时间而获得与卤素灯相同的固化效果。此 外,据文献报道发光二极管灯的光线热辐射很小,几 乎不对口腔软硬组织产生热刺激,特别是对牙髓组 织的热刺激极小,还具备体积小,无电源线,携带方 便;风扇功率小,产生噪音小;使用时间长等诸多优 点[21],值得在临床上推荐。
    等离子弧光灯是利用充满氩气的灯泡内电极间 产生电弧而发光的,其光线比卤光灯的光线更强。 等离子弧光灯泡需要安装在有基座的设备中,其光 线通过较长且能弯曲的光导纤维束传出。等离子弧 光灯输出光强很大,输出波长范围在380~540 nm, 且有效波长集中在光敏剂吸收范围,因而能量很高, 甚至有厂商称等离子弧光可在1s内完成聚合[22]。 但是近来莫珩等[23]研究结果表明等离子弧光灯至 少照射5 s以上,才能达到临床应用的需要。同时 在临床应用时应该考虑到长时间用高光强照射会产 生较大热量,可能刺激口腔软硬组织,甚至牙髓组 织。还有一些研究表明长时间用高光强照射复合树 脂,会引起较大收缩,在修复体边缘产生张力,使边 缘产生“白线”,甚至会使紧邻的釉质边缘出现微裂 纹。因此,临床应用等离子弧光照射复合树脂应控 制光照时间,具体照射时间有待进一步研究。
    氩激光灯由氩原子激活发出蓝绿色的光,形成 一些不连续的波长,与大多数的光敏引发剂的吸收 波长相匹配。氩激光灯输出光强较大,光强随距离 增大几乎不衰减,而且波长与常用光敏剂(樟脑醌) 吻合性好,因而固化速度快,照射时间短。但是由于 其辐射波长范围窄且不连续,可能与个别复合树脂或黏结剂所用光敏剂的吸收波长吻合性差,反而固 化程度差。
    李振春等[24]的实验表明使用同一种颜色,同一品牌的光敏复合树脂,用不同强度的固化机,在相同 的照射距离及固化时间,高强度的固化机对提高光 敏复合树脂的单体转换率是有意义的,此实验还提 示临床使用复合树脂时,如果照射强度小于1000 mW/cm2,每次充填的厚度在1.0 mm左右为宜,照 射时间应在20 s以上。
    光固化复合树脂的固化深度与光固化灯的质量 具有密切关系。Jandt[25]等指出由于操作和固化树 脂时卤光灯产生的热量使得灯泡、反光镜和虑光镜 的质量下降老化从而降低了输出光强,同时很多卤 光灯的最小输出光强并没有达到制造商要求,影响 树脂的固化程度。另外需要注意的是灯泡与固化机 的匹配问题,否则不仅容易烧坏灯泡,而且有时会使 有效的光强大大降低,如Densphy的光固化机中, QHL75型固化机需用12V、75W灯泡,而Spectrum 201型固化机需用9.8V、49W灯泡。如果采用75 型的光固化灯泡,可能不会烧坏灯泡,而且肉眼下光 固化强度没有明显降低,但有效光强度可能会降至 150 mW/cm2,甚至更低。临床应用时应该引起注 意[26]。
    3　临床操作
    3.1　投照方式
    温演演[27]做过这样一项临床调查,根据投照方 式的不同分为两组,A组光源距树脂表面2~4 mm,对着树脂中心部位,B组将光源置于不充填牙 体表面,紧贴牙体,透过牙体照射树脂。光固化树脂 的固化方式为趋光性分层固化,在树脂表面投照,由 于树脂固化收缩,可能使树脂与牙体之间形成间隙。 B组采用的方法可使树脂与牙面紧密接触,不会形 成间隙。由于照射要通过牙体,因此所需固化时间 较长,对于要遮色处理的牙齿,必须在树脂表面加照 使之完全固化。
    刘蓉等[28]认为中心点照射方式存在远离光照 区的周边难以完全固化的缺点,采用移动方式光照 基本上可以达到完全固化,但要求操作者持固化灯 来回移动,稍有不慎即可使光固化灯头触及树脂表 面,使树脂粘附在灯头,造成光的强度减弱,从而影 响树脂固化。
    3.2　光照时间
    施长溪等[29]的光固化复合树脂的固化深度测 试结果:复合树脂的固化深度随光照时间的延长而 加深,以照射时间20s为起点,照射时间增加一倍, 固化深度增加1/10~2/10,随着照射时间延长增加 固化深度越小,至120s已接近极限。还有实验表明 对于中低亮度的光固化灯适当延长光照时间可以提 高复合树脂的转化率,对于1 mm厚的复合树脂光 照60 s可以得到最大的转化率。
    3.3　照射距离
    作为临床医生可以控制的因素之一,照射时间 在光固化复合树脂的固化中起着十分重要的因素。 对于临床上较深厚( >2 mm)可见光固化树脂修复 物,应将照射时间延长60~80 s,对于深色材料而言 照射时间还应更长些,以使深层材料充分固化,从而 获得最佳的机械性能[14]。施长溪等[30]光固化复合 树脂的固化深度测试结果表明:固化灯导光头与复 合树脂的照射距离在3 mm以内,距离延长,固化深 度减小,照射距离在10 mm,其固化深度在3 mm距 离内的9/10~7/10。在临床应用时,照射距离最好 在3 mm以内,导光头难以接近的部位,应按其距离 延长照射时间。
    3.4　光固化灯的照射模式
    常用的照射模式有三种:快速模式、渐进模式照 射、脉冲式照射。
    快速模式是持续用最大光强照射,渐进模式照 射是前几秒光强逐渐增强光强至最大,剩余时间持 续用最大光强照射,脉冲模式是间断用最大光强 照射。
Pfeifer等通过比较不同脉冲光照强度和不同 延迟时间但有相同的光照能量来测量两种常用树脂 的表面硬度得出结论上述两种因素均不会影响树脂 的固化程度[31]。
    4　其他因素
    4.1　电压影响
    每个国家的常用电压不同,就我国而言,常用电 压为220 v,但会出现电压浮动,上海地区的电压浮 动于190~220 v之间,较大的影响光固化灯的输出 功率,使得光固化树脂的固化程度受到影响,影响复 合树脂的修复质量。徐晓等[32]认为电压会影响复 合树脂的固化深度,在电压波动的情况下,使用光固 化灯时,最好能加稳压器,使得树脂达到最大固化深 度,以实现其最佳物理性能。在没有稳压器而电压 略低的情况下,可适当的延长固化时间,也可达到较 大的固化深度。Fan等[33]研究了输出电压的变化 对固化灯输出功率的影响,对于一些固化灯当电压 减小10 V时,可导致光强度减弱30%,从而降低固 化程度。
    4.2　固化时热效应
    光固化灯产生的热量可能会增加复合树脂的固化程度,早期的研究就检测了不同的固化灯固化时 会产生能量。Yap & Soh[34]在2003年就提到不同 的固化灯固化时产生的热量在复合树脂聚合时发挥 一定的作用。MS Soh等[35]用两种不同固化灯固化 同一种树脂,一种是极高光强(1200 mW/cm2)的卤 光灯固化10 s,另一种是低强度光强(350 mW/ cm2)LED固化灯固化40 s,前者的固化总能量低 于后者,但是前者固化程度高于后者,MS Soh等认 为这可能是前者固化灯固化时产生的热能大于后者 所引起的。
    综上所述,影响光固化复合树脂的固化程度因 素很多,除上述因素外,还有模具因素(例如通过塑料、金属以及牙齿照射时,固化深度极不相同)、测试 方法以及照射方向等因素。归纳起来可分为:(1)复 合树脂产品质量控制因素;(2)照射器的有关参数; (3)临床医生控制因素。前两者由厂家控制;后者由 牙科医生掌握,例如,材料和固化器的匹配,为保证 临床应用复合树脂修复质量,定期检测固化灯对不 同类型不同颜色的树脂的固化程度,光源到照射面 的距离,照射方向及照射时间等。只有严格控制以 上诸因素,才能得到高质量的树脂修复体,获得满意 的临床固化效果。