Jäännösmonomeeri proteesiakryylissa

Polymeroitumisreaktio

Metyylimetakrylaatin (MMA) additiopolymeroitumisreaktiossa monomeerit kiinnittyvät toisiinsa ja muodostavat kovettunutta polymeeria, polymetyylimetakrylaattia (PMMA). Polymeroitumisreaktio voidaan käynnistää lämmittämällä PMMA-jauheen ja MMA- nesteen sekoitusta niin korkeaan lämpötilaan, että reaktion initiaattorina käytetty bentsoyyliperoksidi hajoaa. Kuumapolymeroitavan PMMA:n polymeroitumisreaktiossa bentsoyyliperoksidi muodostaa kohotetussa lämpötilassa aktiivisia happiradikaaleja, jotka avaavat MMA-molekyylien kaksoissidokset. Avautuneet kaksoissidokset mahdollistava molekyylien ketjuuntumisen toisiinsa kiinni. Polymeroituminen päättyy kun lähes kaikki monomeerit ovat kiinnittyneet toisiinsa.

Kylmäpolymeroitavan PMMA:n polymeritumisreaktion on käynnistyttävä alhaisemmassa lämpötilassa kuin missä bentsoyyliperoksidi tai vaihoehtoisesti barbituurihappo normaalisti hajoaa. Reaktion käynnistämisessä voidaan käyttää apuna aktivaattoria, kuten dimetyyliparatoluidiinia. Polymeroitumisreaktiolle välttämättömien happiradikaalien muodostuminen on kuitenkin vähäisempää alhaisessa lämpötilassa. Tämän takia kylmäpolymeroitavan PMMA:n ns. konversioaste eli MMA:n muuttuminen PMMA:ksi, on alhaisempi kuin kuumapolymeroitavassa PMMA:ssa. Polymeeriverkkoon jää regoimattomia MMA-molekyylejä, joita kutsutaan jäännösmonomeereiksi. Jäännösmonomeerien lisäksi polymeeriverkossa on ns. riippuvia MMA-molekyylejä, jotka ovat toisesta päästään kiinnittyneet polymeeriketjuun lyhyiksi haaroiksi. Amorfisessa PMMA:ssa satunnaisesti sijaitsevat riippuvat MMA-molekyylit lisäävät polymeerin entropian eli epäjärjestyksen astetta, joka on luonnonjärjestelmille tyypillistä.

Jäännösmonomeeerin määrä

Olemme tutkineet protetiikan ja purentafysiologian laitoksella Kuopion yliopistossa kuuma- ja kylmäpolymeroitavan proteesiakryylin jäännösmonomeeripitoisuutta sekä jäännösmonomeerin vapautumista veteen fysiologisessa lämpötilassa. Jäännösmonomeerin määrää voidaan tutkia kromatografisilla menetelmillä. Yleisesti käytetty menetelmä on niin sanottu HPLC-menetelmä (High Performance Liquid Chromatography), jossa liuotettu polymeeri johdetaan korkean paineen avulla ohueeseen kolumniin. Liuotetun polymeerin kevyimmät osat, kuten yksittäiset monomeerit poistuvat kolumnista ensimmäisenä. Myöhemmin tulevat dimeerit, trimeerit ja oligomeerit. Yhdisteen tullessa kolumnista ulos, sen kyky absorboita määrättyä valon aallonpituutta paljastaa aineen olevan esimerkiksi MMA:ta. Tuloksina saadaan kromatogrammeja, joiden perusteella voidaan laskea yhdisteen pitoisuus alkuperäisessä kappaleessa. Pitoisuus ilmoitetaan yleensä painoprosentteina tai ns. miljoonasosina (ppm)

Kylmäpolymeroitavan PMMA:n jäännösmonomeeripitoisuus oli välittömästi polymeroinnin jälkeen tutkimuksessamme käytetyssä akryylissa 5,4 paino-% ja kuumapolymeroitavassa akryylissa 2,2 paino-%. Kun PMMA-kappaleita säilytettiin vedessä, niiden sisältämä MMA-pitoisuus pieneni ja vastaavasti säilytysveden MMA-määrä lisääntyi. Ensimmäisen päivän aikana kylmäpolymeroitavasta PMMA:sta vapautui 37 ^O C lämpötilassa noin 2000 ppm:ää MMA:ta. Kuumapolymeroitavasta PMMA:sta vapautuu MMA:ta ainoastaan 35 ppm:ää. Kuumapolymeroitavasta PMMA:sta vapautui MMA:ta ensimmäisenä päivänä vähemmän kuin kylmäpolymeroitavasta PMMA:sta kahden viikon vesisäilytyksen jälkeen. Kaikki MMA ei kuitenkaan vapaudu koskaan PMMA:sta. Vuosikymmeniäkin käytössä olleesta proteesista voidaan määrittää pieniä jäännösmonomeeripitoisuuksia.

Mitä tästä seuraa ?

Tutkimus osoitti yhteyden PMMA:n jäännösmonomeeripitoisuuden ja monomeerin veteen vapautumisen välillä. Tämä tieto on tarpeellinen jatkotutkimuksia tehtäessä, koska aina ei voida mitata kappaleen sisältämän MMA:n määrää vaan on turvauduttava vapautuvan MMA:n määrittämiseen. MMA:n vapautumiseen PMMA:sta ja MMA:n määrittämiseen liittyy kuitenkin myös muita tekijöitä. Jäännösmonomeerin vapautuessa se joutuu välittömästi joko ilmassa tai vedessä olevan hapen vaikutukselle alttiiksi. Hapettuessaan MMA:sta muodotuu formaldehydiä, jota nyt esitetyssä tutkimuksessa ei analysoitu. Saattaa olla, että todellinen vapautuvan MMA:n määrä on suurempi kuin mitä kykenimme nyt määrittämään akryylikappaleiden säilytysvedestä.

Jäännösmonomeerin haitallisista vaikutuksista elimistöön on kirjoitettu paljon, vaikka vaikutusten objektiivinen osoittaminen on ollut vaikeaa. MMA:n biologinen vaikutus elimistössä perustuu MMA:n paikalliseen kemialliseen ärsytykseen suun limakalvolla, MMA:n herkistävään vaikutukseen sekä hapettumistuotteena muodostuvan formaldehydin vesiliuoksen herkistävään vaikutukseen. Kirjallisuudessa mainitaan usein MMA:n altistava vaikutus limakalvon tulehdustiloihin kuten proteesistomatiittiin. Tällä hetkellä tiedetään, että proteesin pohjalevystä vapautuvilla muilla kuin MMA-yhdisteillä, kuten aromaattisilla yhdisteillä on yhteyttä proteesistomatiittipotilaiden suun limakalvon rasvahappokoostumukseen. MMA:n ja sen hapettumistuotteiden yhteys proteesistomatiittiin on edelleen epäselvä.

Systeemistä toksista vaikutusta proteesista vapautuvilla MMA-määrillä ei ole. MMA hydrolysoituu elistössä nopeasti metakryylihapoksi, joka poistuu munuaisten kautta. Ongelmallisin biologinen seikka jäännösmonomeerissa on MMA:n herkistävä vaikutus. Proteesin käyttäjää toistuvasti altistettaessa MMA:lle ja muille hammashoidossa sekä arkielämässä käytettäville akrylaateille, elimistö saattaa herkistyä jollekin akrylaatille. Ristireaktion kautta yhdelle akrylaatille herkistynyt henkilö voi saada allergisen reaktion myös muista samankaltaisista akrylaateista.

Jäännösmonomeerin vaikutus proteesin fysikaalisiin ominaisuuksiin on kaksijakoinen: se heikentää joitakin kliinisesti tärkeitä ominaisuuksia, mutta se saattaa parantaa lyhyellä aikavälillä muita ominaisuuksia. Ollessaan polymeeriverkostossa jäännösmomeeri plastisoi PMMA:ta, jonka takia PMMA ei ole niin altis vaurioitumaan iskuvoimien vaikutuksesta kuin PMMA, joka sisältää vähemmän MMA:ta. Jäännösmonomeerin vapautuessa PMMA:sta plastisoimistehtävä siirtyy PMMA:han absorboituvalle vedelle. Ajan kuluessa PMMA:ssa olevat varsinaiset plastisoimisaineet liukenevat myös pois, ja kylmäpolymeroitava PMMA on vuosien kuluttua haurasta. Kuumapolymeroitavasta PMMA:sta on kuitenkin samassa ajassa liuennut vähemmän yhdisteitä pois ja siihen on samalla absorboitunut vähemmän vettä kuin kylmäpolymeroitavaan PMMA:han. Tämän takia kuumapolymeroitavan akryylin esimerkiksi taivutuslujuus on suurempi kuin kylmäpolymeroitavan akryylin.

Jäännösmonomeerimään vaikuttaa oleellisesti PMMA:n polymeroimislämpötila. Koska eri akryylimerkkien polymeroimislämpötilat poikkeavat toisistaan paljon, on valmistajan ohjeita on noudatettava tarkasti. Jo muutaman asteen aleneminen kylmäpolymeroitavan akryylin polymeroitumislämpötilassa voi vaikuttaa paljon MMA-PMMA -konversioon. Kuumapolymeroitavan PMMA:n polymeroimisessa on käytettävä ainakin hetkellisesti 100 ^O C polymeroimislämpötilaa. Alhaisempaa lämpötilaa ei voi korvata pidennetyllä polymeroitusmisajalla. Lämpömittarin säännöllinen käyttäminen polymerointiveden lämpötilan tarkistamisessa ei ole liioittelua. PMMA-jauheen ja MMA-nesteen sekoitussuhde vaikuttaa myös jäännösmonomeeripitoisuuteen. Jäännömonomeerin vapautumista PMMA:sta voidaan muun muassa vähentää kiillottamalla proteesin pinta.

Yhteenveto

Akryylista valmistettujen hammasteknisten tuotteiden jäännösmonomeeripitoisuutta voidaan vähentää käyttämällä kuumapolymeroitavia akryyleja. Ennen tuotteen luovuttamista käyttöön, olisi tuotetta säilytettävä vedessä vähintään yksi vuorokausi, jonka aikana suurin osa jäännösmonomeerista on poistunut tuotteesta.

Hammashoitomateriaalien jäännösmonomeeripitoisuuksiin tullaan tulevaisuudessa kiinnittämään entistä enemmän huomiota muun muassa kansainvälissä standardeissa. Hammaslaboratorioiden on tunnettava seikat, jotka vaikuttavat laboratorioissa käytettävien akrylaattien jäännösmonomeeripitoisuuksiin. Tämä asettaa lisääntyviä vaatimuksia hammasteknikkojen perus- ja täydennyskoulutukselle.

• Baker S, Brooks SC, Walker DM. The release of residual monomeric methyl methacrylate from acrylic appliances in the human mouth: An assay for monomer in saliva. J Dent Res 1988;67:1295-1299.
• Hensten-Pettersen A, Jacobsen N. Perceived side effects of biomaterials in prosthetic dentistry. J Prosthet Dent 1991;61:138-144.
• Jerolimov V, Hugget R, Brooks SC, Bates JF. The effect of variations in the polymer/monomer mixing ratios on residual monomer levels and flexural properties of denture base materials. Quintessence Dent Technol 1985;9:431-434.
• Ruyter IE. Release of formaldehyde from denture base polymers. Acta Odontol Scand 1980;38:17-27.
• Ruyter IE, Öysaed H. Conversion in denture base polymers. J Biomed Mater Res 1982;16:741-754.
• Vallittu PK, Miettinen V, Ala-kuijala P. Residual monomer content and its release into water from denture base materials. Dent Mater 1995;11:338-342.
• Vallittu PK. The effect of surface treatment of denture acrylic resin on the residual monomer content and its release. Acta Odontol Scand 1996, in press.