Effect of the functionalization of silica nanoparticles as a reinforcing agent on dental composite materials

Abstract

ABSTRACT: The present study evaluated the effect of silica nanoparticle aggregation state on the reflectance and crystallinity of dental composite materials. Two types of silica nanoparticles (ca. 10 nm): Aerosil 200 non-funcionalized and Aerosil DT4 funcionalized with 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane. Nanoparticles were dispersed in a monomer mix composed by Urethane Dimethacrylate (UDMA) and Ethylene glycol Dimethacrylate (EGDMA) in a 80:20 mass ratio. The particle size of silica and their aggregation state were determined using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), showing that the Aerosil DT4 has dense aggregates with sizes higher than 1 µm; on the other hand the Aerosil 200 showed a particle gel-like structure. The functionalization degree of the Aerosil DT4 was determined by thermogravimetric analysis (TGA), obtaining a value of 7.57% w/w. The composite materials were evaluated by Differencial Scanning Calorimerty (DSC) to determine their crystallinity. The composite material reinforced by Aerosil DT4 showed lower cristallinity than the system with Aerosil 200 due to higher interaction of the polymeric matrix with the funcionalized surface of the Aerosil DT4. The effect of the aggregation state of silica nanoparticles on the optical properties of the composite material was determined by reflectance analysis. The Aerosil 200 sample showed a lower degree of nanoparticle aggregation and higher reflectance than the system with Aerosil DT4. The functionalization of the Aerosil DT4 induced nanoparticle aggregation diminishing the optical properties of the composite material.

RESUMEN: El presente estudio evaluó el efecto del estado de agregación de nanopartículas de sílica en la reflectancia y cristalinidad de materiales compuestos de uso dental. Se emplearon dos tipos de sílica nanométrica (ca. 10 nm): Aerosil 200 no funcionalizado y Aerosil DT4 funcionalizado con 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano. Las nanopartículas de sílica fueron dispersas en una mezcla de monómeros de Uretano Dimetilacrilato (UDMA) y Etilenglicol Dimetacrilato (EGDMA) en una relación 80:20 en masa. El tamaño de partícula de la silica y su estado de agregación fue determinado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), mostrando que el Aerosil DT4 presentó agregados densos de tamaño superior a 1 µm; en tanto el Aerosil 200 presentó una estructura agregada tipo gel de partículas. El grado de funcionalización del Aerosil DT4 fue determinado mediante análisis termogravimétrico (TGA), obteniendo un valor de 7.57% w/w. Los materiales compuestos fueron evaluados mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) para determinar su cristalidad. El material compuesto reforzado con Aerosil DT4 presentó una menor cristalinidad que el sistema con Aerosil 200, debido a la mayor interacción de la matriz polimérica con la superficie funcionalizada del Aerosil DT4. El efecto de la agregación de las nanopartículas de silica en las propiedades ópticas del material compuesto fue determinado mediante análisis de reflectancia. La muestra de Aerosil 200 presentó un menor estado de agregación de las nanopartículas y mayor reflectancia que el sistema con Aerosil DT4. La funcionalización de la superficie del Aerosil DT4 propició la aglomeración de las nanopartículas deteriorando las propiedades ópticas del material compuesto.