Kompozitní materiály pro aplikace ve stomatologii

MUDr. Rawaa Yahya

Doctoral thesis

Composite materials for dental applications

Abstract:

The work focuses on the development of a biogenic hybrid organic-inorganic filler from rice husks and on its benefits for thermoset composites with potential use in dental practice, including an assessment of the machinability of the optimized system. By biological decomposition of rice husks, a hierarchical filler consisting of cellulose micro/submicro- to nanofibers (typically 5-10 ?m in diameter, 100 ?m to 1.5 mm in length) was prepared, the surface of which, after removal of hemicellulose and lignin, carries firmly anchored biogenic SiO nanoparticles. The thus-formed "biologically pre-functionalized" interface provides a naturally compatible basis for a synergistic combination with the additionally added particulate nano-SiO. The filler was applied to two thermoset matrices (ChS Epoxy 455 and Bis-GMA/TEGDMA), and the effect on selected physical and mechanical parameters, with a focus on dimensional stability, was evaluated. The formulation of 1 wt.% celRH + 10 wt.% nano-SiO proved to be the most suitable compromise across the evaluated parameters, which reduced the coefficient of linear thermal expansion while maintaining the glass transition temperature and at the same time led to a slight but consistent improvement in mechanical response (compression/) and hardness, while water sorption in the optimized composition remained below the standard limit. The observed trends are explained by a combination of the limitation of segmental mobility and free volume in the crosslinked matrix, the formation of a high-quality interfacial interface, and improved dispersion due to the connection of fibrous and particulate reinforcement through SiO anchored to the fibers. The machinability was verified on a dental unit under water cooling; the material was evaluated as well machinable, with the expected abrasive loading of diamond tools induced by the inorganic nanocomponent. The work confirms the functionality of the concept of a biogenic hierarchical filler (natural fiber + anchored nano-SiO) as a compatible "bridge" for the addition of nano-SiO without external surface treatment,and shows the possibility of deliberately increasing the dimensional stability of composites at relatively low filler loading.

Abstract:

Práce se zabývá vývojem biogenního hybridního organicko-anorganického plniva z rýžových slupek a ověřením jeho přínosu pro reaktoplastové kompozity s potenciálním využitím v dentální praxi, včetně posouzení obrobitelnosti optimalizovaného systému. Biologickým rozkladem rýžových slupek bylo připraveno hierarchické plnivo tvořené celulózovými mikro/submikro- až nanovlákny (typicky průměr 5-10 ?m, délka 100 ?m až 1,5 mm), jejichž povrch po odstranění hemicelulózy a ligninu nese pevně ukotvené biogenní nanočástice SiO. Takto vzniklé "biologicky před-funkcionalizované" rozhraní vytváří přirozeně kompatibilní základ pro synergickou kombinaci s dodatečně přidávaným částicovým nano-SiO. Plnivo bylo aplikováno do dvou reaktoplastových matric (ChS Epoxy 455 a Bis-GMA/TEGDMA) a byl hodnocen vliv na vybrané fyzikální a mechanické parametry se zaměřením na rozměrovou stabilitu. Jako nejvhodnější kompromis napříč hodnocenými parametry se prokázala formulace 1 hm.% celRH + 10 hm.% nano-SiO, která snížila koeficient délkové teplotní roztažnosti při zachování teploty skelného přechodu a současně vedla k mírnému, avšak konzistentnímu zlepšení mechanické odezvy (tlak/ohyb) a tvrdosti, přičemž sorpce vody u optimalizovaného složení zůstala pod normovým limitem. Pozorované trendy jsou vysvětleny kombinací omezení segmentální mobility a volného objemu v zesítěné matrici, tvorbou kvalitního mezifázového rozhraní a zlepšenou dispergací díky propojení vlákenné a částicové výztuže prostřednictvím SiO ukotveného na vláknech. Obrobitelnost byla ověřena na stomatologické soupravě za vodního chlazení; materiál byl vyhodnocen jako dobře obrobitelný, s očekávatelným abrazivním zatížením diamantových nástrojů vyvolaným anorganickou nanosložkou. Práce potvrzuje funkčnost konceptu biogenního hierarchického plniva (přírodní vlákno + ukotvené nano-SiO) jako kompatibilního "mostu" pro dodatečný přídavek nano-SiO bez externí povrchové úpravy a ukazuje možnost cíleně zvyšovat rozměrovou stabilitu kompozitů při relativně nízkém plnění.

Keywords

Organicko-anorganické plnivo, celulózová mikrovlákna, nanočástice biogenního oxidu křemičitého, kompozitní materiály, dentální materiály, biologická funkcionalizace, obrobitelnost materiálu, opotřebení nástroje.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 3. 2026

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Technologies and Materials / Technologie a materiály