JP6084287B2 - 発光結晶を含む歯科修復用複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、硬化性歯科修復用複合材料に関し、より詳細には、発光結晶を含有する硬化性歯科用複合材料に関する。

本出願は、２０１２年６月４日に出願され、その全体が引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国仮出願第６１／６５４９８６号の恩典及び優先権を主張する。

硬化性歯科用複合材料は、窩洞を充填するために歯科医術において広範に使用されている。歯に似た優れた外観を有する歯科用複合材料は、光重合技術の発展とともに要求に応じて（on command）形成することができる。複合材料は、多種多様な材料を含有し、モノマーと、特定の波長に曝されると、開始種（商用の歯科用複合材料の大多数にとって最も一般には開始ラジカル）を発生させることにより、モノマーの重合を開始させて、複合材料を硬化させる光開始剤とを含んでいてもよい。開始ラジカルを発生させる機構に基づき、フリーラジカル重合のための光開始剤は一般的に、２つのグループ：１）照射を受けて単分子の結合開裂／分離を経てフリーラジカルを発生させる、Ｎｏｒｒｉｓｈ Ｔｙｐｅ Ｉ光開始剤、及び２）光開始剤の励起状態が共開始剤と相互作用し、励起状態の複合を形成してフリーラジカルをもたらす二分子反応を経る、Ｎｏｒｒｉｓｈ Ｔｙｐｅ ＩＩ光開始剤に分類される。ＵＶ硬化用途では、多くのＮｏｒｒｉｓｈ Ｔｙｐｅ Ｉ開始剤及びＮｏｒｒｉｓｈ Ｔｙｐｅ ＩＩ光開始剤が存在するのに対し、可視光照射源では、光開始剤が比較的限定される（ほとんどがＴｙｐｅ ＩＩ）。

しかしながら、可視青色光は、エナメル質及び象牙質、並びに、蛍光（４１０ｎｍ励起による５２０ｎｍ蛍光発光等）を経たより長い波長への或る特定のダウンコンバージョンによって散乱及び吸収されこともある。歯科医が、修復部位の上から歯及び複合材料を照らすことによって、及び／又は象牙質及びエナメル質を通して側面から光を当てることによって、歯科用複合材料を硬化させようと試みる場合、組織を通過する青色光の多くは、減衰（主に、或る特定の吸収及び蛍光を伴う光散乱）のために失われる。その結果、これは、天然歯構造を貫通するのに比較的高い可視青色光強度（照射量）を必要とする。

その上、従来の複合材料を用いた臨床措置では古くから、複合材料層を一層ずつ構築することが要求されている。徐々に増えるような配置又は成層配置は、重合収縮応力及び硬化制限深さに起因して必要なものである。歯科用複合材料の主要な欠点の１つとして、制限された重合収縮は、複合材料と歯との間の境界における収縮応力の分断をもたらし、歯構造へと伝達されるおそれがある。

約８００ｎｍ〜約１２００ｎｍの近赤外エネルギー（「近ＩＲ治療可能域（Near-IR Therapeutic Window）」）は、あまり吸収及び散乱することなく天然歯列を通り抜けるため、青色光（ピーク発光〜４７０ｎｍ）放射線と比べてかなり深く透過し、非特許文献１において或る特定の歯科用材料の蛍光（luminescent）アップコンバージョンに使用されている。この引用文献では、フッ化イットリウムホストのナトリウム塩に、２５％のイッテルビウムと０．３％のツリウムとが共ドープされている（β−ＮａＹＦ_４：２５％Ｙｂ^３＋，０．３％Ｔｍ^３＋）。該調剤は固体塩であり、これをボールミルにより粉砕して（balled milled）２〜３マイクロメートル範囲の粒子直径とし、歯科用接着剤（Ｈｅｌｉｏｂｏｎｄ）に組み込んでいる。

歯科用接着剤の使用にもかかわらず、Stepukの教示は、歯科技師（dental arts）に譲渡可能なものではなく、Stepukによって満たすことができていない数多くの欠陥が残っている。他の満足のいくものではない結果の中でも、この引用文献の更に詳しい検証から、９０ワット以上の９８０ｎｍのエネルギーを印加すると、１ミリワットの使用可能な４９０ｎｍの放射が得られ、これはおよそ０．００１％の効率に相当することが表される。したがって、有用な結果を実現するのに必要とされるパワーが、歯髄又は他の周囲組織における不適格な温度上昇を招くであろうことから、Stepukの教示は、実際の歯科用途に直接的に発展可能なものではない。Stepukはまた、２０％より大きい粒子負荷についても全く教示していないため、該当物を歯科用複合材料とするのにも十分でないと考えられ、また、アップコンバージョンの効果に更に影響を与える、複合材料に含まれる可能性のある他の構成要素についても説明していない。

Stepuk, A., et. al., "Use of NIR light and up conversion phosphors in light-curable polymers", Dental Materials 28, (2012) 304-311

例示的な実施の形態は、より効率的なホスト材料及びドーパント濃度を採用して、エネルギーを発生させるのに要求されるパワーがより小さく、また、周囲の歯組織に対するリスクがより低い発光フィラーを含有する硬化性歯科用複合材料を提供することによってこれらの及び他の欠点を克服する、歯科用複合材料及び、該歯科用複合材料を硬化させる方法に関するものであり、その上、不活性フィラー及び歯科用複合材料に含まれ得る他の成分についても説明する。

例示的な実施の形態によれば、歯科用複合材料は、重合性モノマーと、活性化波長を有する放射線活性化開始剤と、不活性フィラーと、発光結晶とを含む。発光結晶は、発光結晶に開始剤の活性化波長よりも長い波長、典型的には７８０ｎｍを超える波長を有する放射線、より典型的には約７８０ｎｍ〜約１０６４ｎｍの範囲の近赤外放射線（ＮＩＲとも称される）を照射した場合に、開始剤の活性化波長に適合する所定の波長で放射線を放出する。

或る特定の実施の形態において、結晶は、１つ又は複数のランタニドイオンでドープされる、ランタニドフッ化物、塩、又は酸化物のホストを採用する。

例示的な別の実施の形態によれば、歯科用複合材料を硬化させる方法は、本明細書に記載の歯科用複合材料を準備することと、歯内に形成される窩洞を、準備した歯科用複合材料で充填することと、複合材料に、スペクトルの近赤外範囲における所定の固定波長で放射線を放出するレーザ源を有する硬化ライトから放射線を照射することとを含む。所定の固定波長における放出された放射線によって、発光結晶に、開始剤の活性化波長で放射線を放出させる。

１つの例示的な実施形態による発光結晶の放射線放出を概略的に示す電子図である。 例示的な実施形態による硬化プロセスの概略図である。

例示的な実施形態は、光開始剤の活性化に対応する波長で放射線を放出する、アップコンバージョンを行う（up-converting）発光結晶を含有する、歯科用複合材料製剤に関するものである。複合材料中に（故に、充填剤として使用される場合、窩洞内に）分散される、発光結晶及び光開始剤の結果として、より均一な材料特性及び収縮応力分布を伴う修復を実現することができる。その上、より均一な応力分布は、窩底における収縮応力集中をより小さいものとし、歯−複合材料接合に対する損傷をより少ないものとする。これは数多くの研究にから、従来の複合材料は、通常の様式で咬合面から光により硬化させた場合、重合収縮応力に起因して窩底から離れる傾向にあることが示されているためである。

発光材料中、ホストは、多くのエネルギージュールが、ホストのマトリックスに入り、また、ドーピングによりホスト全体を通じて散乱される吸収中心及び発光中心がエネルギーを所定のレベルでの電子の分布逆転が得られるまで吸収することを可能とする。その時、系全体から放出される放射線の前駆体である、特定波長のフォトンのパルスを作り出す、この逆転のカスケードが存在する。

かかる系において、入力エネルギーが、圧倒的なものか、又は特殊な非干渉波長のものか、又は両方のいずれの場合にも、ホスト材料は、フォノンエネルギーにあまり影響を及ぼし得ない。さらに、これらの結晶レーザ系では、より高いエネルギー波長を、励起光源として使用して、より低いエネルギー波長が作り出される。例えば、エルビウムでドープされたイットリウム−アルミニウム−グラニットホストレーザ（Ｅｒ：ＹＡＧレーザ）において、ポンプ波長は、８８５ナノメートル及び／又は１５３２ナノメートル（ｎｍ）であり、放出された波長はエネルギーがかなり小さく、波長は２９４０ｎｍと長くなる。このポイントを等しく表すものは、同一材料をホストとするネオジムの吸収中心及び発光中心が、８０８ｎｍにおけるエネルギーを吸収し、かつ１２６４ｎｍにおけるエネルギーを放出して、再び、より長くより小さいエネルギー波長となることである。これらのレーザは３３％以上相対的に効率が良い。そのような場合、系のフォノンエネルギーに及ぼす影響は無視することができる。しかしながら、蛍光体（phosphor）アップコンバージョンの間、より低いエネルギー準位、吸収エネルギーのより長い波長、例えば９８０ｎｍから始まり、かなり高いエネルギー及び例えば４９０ｎｍのより短い波長の放出が得られる。

例示的な実施形態による歯科用複合材料は、重合性有機レジンと、放射線活性化開始剤と、不活性フィラーと、発光結晶とを含み、更に、１つ又は複数の他の構成要素を含んでいてもよい。

重合性有機レジンは、任意の重合性モノマー及び／又はオリゴマーであってもよいが、典型的には１つ若しくは複数の（メタ）アクリレート、又は他のフリーラジカル重合性化合物である。重合性モノマーの例としては、２，２−ビス［４−（２−ヒドロキシ−３−メタクリロイルオキシプロポキシ）フェニル］プロパン（Ｂｉｓ−ＧＭＡ）、１，６−ビス（２−メタクリロキシエトキシカルボニルアミノ）−２，４，４−トリメチルヘキサン（ＵＤＭＡ）、２，２−ビス［４−（メタクリロイルオキシ−エトキシ）フェニル］プロパン（又はエトキシ化ビスフェノールＡ−ジメタクリレート）（ＥＢＰＡＤＭＡ）、イソプロピルメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート（ＴＥＧＤＭＡ）、ジエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、３−（アクリロイルオキシ）−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、１，３−プロパンジオールジメタクリレート、１，６−ヘキサンジオールジメタクリレート（ＨＤＤＭＡ）、ペンタエリトリトールトリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ペンタエリトリトールテトラメタクリレート、及びそれらの組合せ等のモノ−、ジ−又はマルチ−メタクリレート及びアクリレートが挙げられるが、全て例示的なものである。

重合性モノマーは、複合材料の約１５重量パーセント〜２５重量パーセント、典型的には約１７重量％〜約２３重量％として存在する。或る特定の実施形態において、重合性モノマーは、高分子量の構成成分（例えば、Ｂｉｓ−ＧＭＡ ５１３ｇ／ｍｏｌ及び／又はＵＤＭＡ ４７１ｇ／ｍｏｌ等）と、低分子量の構成成分（例えば、ＴＥＧＤＭＡ ２８６ｇ／ｍｏｌ及び／又はＨＤＤＭＡ ２５４ｇ／ｍｏｌ等）との組合せである。一実施形態では、重合性モノマーが、全複合材料製剤中に、約１４重量％〜約１８重量％の高分子量の構成成分と、約３重量％〜約５重量％の低分子量の構成成分とで存在する。

例示的な実施形態による歯科用複合材料はまた、不活性フィラー粒子を含み、歯科用組成物における使用に適する任意の不活性フィラー粒子が採用され得る。不活性フィラーは、複合材料に所望の物理特性、例えば、機械強度、弾性率、硬度、耐摩耗性の増大、熱膨張及び重合体積収縮の低減をもたらす。不活性フィラー粒子の例としては、ストロンチウムホウケイ酸塩、ストロンチウムフルオロアルミノホウケイ酸塩ガラス、ストロンチウムアルミノナトリウムフルオロリン−ケイ酸塩ガラス、バリウムホウケイ酸塩、バリウムフルオロアルミノホウケイ酸塩ガラス、バリウムアルミニウム−ホウケイ酸塩ガラス、バリウムアルミノホウケイ酸塩、カルシウムアルミノナトリウムフルオロケイ酸塩、ランタンケイ酸塩、ランタンアルミノケイ酸塩、カルシウムアルミノナトリウムフルオロリンケイ酸塩、及びそれらの組合せが挙げられるが、それらに限定されない。他のフィラー粒子としては、窒化ケイ素、二酸化チタン、ヒュームドシリカ、コロイドシリカ、石英、カオリンセラミック、カルシウムヒドロキシアパタイト、ジルコニア、及びそれらの混合物が挙げられる。

ヒュームドシリカの例としては、DeGussa AGによるＯＸ−５０（４０ｎｍの平均粒径を有する）、DeGussa AGによるＡｅｒｏｓｉｌ Ｒ−９７２（１６ｎｍの平均粒径を有する）、DeGussa AGによるＡｅｒｏｓｉｌ ９２００（２０ｎｍの平均粒径を有する）が挙げられ、他のＡｅｒｏｓｉｌヒュームドシリカとしては、Ａｅｒｏｓｉｌ ９０、Ａｅｒｏｓｉｌ １５０、Ａｅｒｏｓｉｌ ２００、Ａｅｒｏｓｉｌ ３００、Ａｅｒｏｓｉｌ ３８０、Ａｅｒｏｓｉｌ Ｒ７１１、Ａｅｒｏｓｉｌ Ｒ７２００及びＡｅｒｏｓｉｌ Ｒ８２００、並びにCabot CorpによるＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ Ｍ５、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ ＴＳ−７２０、Ｃａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ ＴＳ−６１０が挙げられ得る。

不活性フィラーは、約０．００１ミクロン〜約５０ミクロンの範囲の粒径を有する。

不活性フィラー粒子の一部又は全てを、複合材料組成物に組み込む前に任意に表面処理してもよい。表面処理、特にシランカップリング剤又は他の化合物を用いた表面処理が、不活性フィラー粒子を有機レジンマトリックス中により均一に分散させ、また物理的特性及び機械的特性を改善させるのに望まれ得る。好適なシランカップリング剤としては、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、及びそれらの混合物が挙げられる。

不活性フィラー粒子は、歯科修復用組成物の大部分をなし、歯科用複合材料において歯科修復用複合材料の約５６重量％〜約８５重量％、例えば約６０重量％〜約８０重量％、又は約７０重量％〜約７５重量％の量で存在し得る。一実施形態では、不活性フィラー粒子は、約５６重量％、約５７重量％、約５８重量％、約５９重量％、約６０重量％、約６１重量％、約６２重量％、約６３重量％、約６４重量％、約６５重量％、約６６重量％、約６７重量％、約６８重量％、約６９重量％、約７０重量％、約７１重量％、約７２重量％、約７３重量％、約７４重量％、約７５重量％、約７６重量％、約７７重量％、約７８重量％、約７９重量％、約８０重量％、約８１重量％、約８２重量％、約８３重量％、約８４重量％若しくは約８５重量％、又はそれらの間の任意の範囲で存在する。更に当然のことながら、幾つかの実施形態では、発光結晶が不活性フィラー粒子に完全に取って代わることも考えられる。

一実施形態では、フィラーが、バリウムアルミノフルオロホウケイ酸塩ガラス（ＢＡＦＧ、約１ミクロンの平均粒径を有する）等のミクロンサイズの放射線不透過性フィラーと、ヒュームドシリカ、例えば、Degussa AGによるＯＸ−５０（約４０ｎｍの平均粒径を有する）等のナノフィラー粒子との混合物を含み得る。一実施形態では、ミクロンサイズのガラス粒子の濃度を、歯科修復用複合材料の約７０重量パーセント〜約８０重量パーセントの範囲とし、ナノフィラーサイズの不活性フィラー粒子を、複合材料の約１重量パーセント〜約１０重量パーセントの範囲とすることができる。

歯科修復用組成物はまた光開始剤を含む。分離して開始種を形成する任意の好適な光開始剤を採用してもよいが、光開始剤は、他の歯科修復用途で現在採用されているもの等の可視光スペクトル範囲で有効なものが好ましい。光開始剤の活性化波長は、約３６０ｎｍ〜約５２０ｎｍ、特に約４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲をとることができるが、当然のことながら、具体的な範囲及びピーク活性化（すなわち、吸収）波長は、選択される特定の光開始剤に応じて決まると考えられる。例えば、カンファキノン（ＣＱ）は、可視青色スペクトル（約４２０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲）で特異的にエネルギーを吸収し、４６８ｎｍにおけるピーク吸収を有する。

好適な光開始剤の例としては、ＣＱ等のジケトン系開始剤、ジケトン開始剤の誘導体及びジフェニル（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキシド（Ｌ−ＴＰＯ）等のアシルホスフィンオキシド系光開始剤、並びにそれらの組合せが挙げられる。１−フェニル−１，２−プロパンジオン（ＰＰＤ）等の他のジケトン系光開始剤、及びビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルホスフィンオキシド（Ｉｒｇａｃｕｒｅ ８１９）、エチル２，４，６−トリメチルベンジルフェニルホスフィネート（Ｌｕｃｉｒｉｎ ＬＲ８８９３Ｘ）等のアシルホスフィンオキシド系光開始剤も使用することができる。上述のいずれかを個々に又は互いに組み合わせて使用することができる。

光開始剤は、歯科修復用組成物の約０．０５重量％〜約１．０重量％、例えば、約０．０８重量％〜約０．５重量％、又は約０．１重量％〜約０．２５重量％の量で存在する。（組成物の起こるおそれのある変色を減らす）光開始剤は比較的少量であるにもかかわらず、後でより詳細に論じるように、発光結晶自体に近赤外放射線を照射したときにそれらの結晶により放出される放射線に組成物を曝した場合に、窩洞全体にわたって硬化マトリックスを急速に形成するのに十分な量で、光開始剤は依然存在する。

複合材料の重合開始剤系は、重合促進剤を更に含んでいてもよく、これは第三級アミンとすることができる。好適な第三級アミンの一例は４−（ジメチルアミノ）安息香酸エチル（ＥＤＡＢ）である。使用することができる他の第三級アミンとしては、２−（エチルヘキシル）−４−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）ベンゾエート、４−（ジメチルアミノ）ベンゾニトリル等が挙げられる。重合促進剤は、歯科修復用組成物の約０．０３重量％〜約０．１８重量％、例えば歯科修復用組成物の約０．０４重量％〜約０．１５重量％又は約０．０５重量％〜約０．１２重量％の量で存在し得る。

例示的な実施形態は更に、発光結晶及び不活性フィラーの両方を採用する実施形態において歯科修復用複合材料の約０．１重量％〜約８０重量％、典型的には約０．１％〜約２０％の量で、歯科修復用組成物全体にわたって分布される発光結晶を組み込むものである。幾つかの実施形態では、発光結晶は、約１重量％〜約２０重量％又は約１重量％〜約１０重量％で存在する。一実施形態では、発光結晶は、約１重量％、約２重量％、約３重量％、約４重量％、約５重量％、約６重量％、約７重量％、約８重量％、約９重量％、約１０重量％、約１１重量％、約１２重量％、約１３重量％、約１４重量％、約１５重量％、約１６重量％、約１７重量％、約１８重量％、約１９重量％、若しくは約２０重量％、又はそれらの間の任意の範囲で存在する。

修復用組成物中の発光結晶の分布は、好ましくは不均質なものであり、これは、例えば、組成物内における結晶の不完全な混合によって達成され得る。しかしながら、分布は均質なものであってもよい。

発光結晶は、より長い波長を有する放射線を照射した場合に、より詳細には、約７８０ｎｍ〜約１０６４ｎｍの範囲の波長を有する近赤外放射線を照射した場合に、可視スペクトル又は紫外スペクトルにおける波長で放射線を放出する、アップコンバージョンを行う粒子である。光開始剤及び発光結晶は、発光結晶の発光波長が、光開始剤の活性化波長（すなわち、ピーク吸収波長又はそれに近い波長）に対応するように選択される。

本発明の例示的な実施形態での使用に適した発光結晶としては、フッ化ランタニド、フッ化物塩、又は酸化物のホスト、例えばイッテルビウム（Ｙｂ^３＋）、ルテチウム（Ｌｕ^３＋）、ツリウム（Ｔｍ^３＋）、テルビウム（Ｔｂ^３＋）、エルビウム（Ｅｒ^３＋）、及びプラセオジム（Ｐｒ^３＋）等の１つ又は複数のランタニド系イオンがドープ又は共ドープされている、フッ化イッテルビウム塩（Ｎａ（ＹｂＦ）_４等）及び／又は酸化ルテチウム（Ｌｕ_２Ｏ_３）を用いるものが挙げられる。酸化イットリウム塩及びフッ化イットリウム塩のホストも検討されるものの、発光アップコンバージョンに対するランタニドの寄与のため、ランタニドベースのホストが好ましい。１つの好ましいホストはＬｕ_２Ｏ_３である。酸化ルテチウムは、フッ化イットリウムよりも低いフォノンエネルギー（３００ｃｍ^−１）を有するが、ルテチウムのイオン半径は、ルテチウムにドープする他のランタニド元素のものとほぼ等しく、全て＋３の酸化状態にある。厳密に適合するイオン半径は、ホスト格子内におけるより有利なドーパントの置換と同一視される。さらに、Ｌｕ_２Ｏ_３は、立方晶ビクスバイト（bixbyte）構造で結晶化し、これは、四フッ化イットリウムのナトリウム塩が歯科用複合材料のためのフィラー材料である場合により望ましい。

１つの特に好適な発光結晶は、Li, L. et. al., "Synthesis and up conversion luminescence of Lu₂O₃:Yb³⁺,Tm³⁺ crystals" Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 373-379（その内容全体が引用することにより本明細書の一部をなす）に記載されている、イッテルビウムとツリウムとで共ドープされた酸化ルテチウム（Ｌｕ_２Ｏ_３：２％Ｙｂ^３＋，０．２％Ｔｍ^３＋）である。他の好適な発光結晶としては、ＮａＹｂＦ_４：Ｔｍ^３＋、Ｔｍ^３＋及び／又はＴｂ^３＋で共ドープされたフッ化ルテチウム（ＬｕＦ_３）、並びに、Barrera, E. W., et al, "Emission properties of hydrothermal Yb³⁺, Er³⁺ and Yb³⁺, Tm³⁺-codoped Lu2O3 nanorods: upconversion, cathodoluminescence and assessment of waveguide behavior", Nanotechnology 22 (2011)、及び、Li, C. et al., Shape controllable synthesis and upconversion properties of NaYbF₄/NaYbF₄:Er³⁺ and YbF₃/YbF₃:Er³⁺ microstructures", J. Mater. Chem., 18, 1353-1361 (2008)（それらの内容も引用することにより本明細書の一部をなす）に記載されているものが全て一例として挙げられる。

共ドープされたＹｂ及びＥｒ、又はＹｂ及びＴｍの発光結晶、例えばＹｂＦ_３／ＹｂＦ_３：Ｅｒ^３＋では、それぞれモル比が１：１〜１：１０となると考えられる。それぞれ１０：１〜１：１の逆の比率も有用である。結晶を形成するｐＨは、形状を変えるのに使用することができる。Ｅｒ^３＋又はＴｍ^３＋のホストとして働くマトリックスの一部としてＹｂを有することは、他の希土類金属がマトリックスに関連する他の形態、例えば共ドープ塩β−ＮａＹＦ_４：Ｙｂ^３＋，Ｔｍ^３＋よりも優れた性能をもたらす可能性があり、この場合の重量パーセンテージはそれぞれ０．０１％〜３０％であり、ここでも、それぞれ逆の３０％〜０．０１％も有用である。酸化物では、塩と同様の重量パーセンテージで共ドープされた結晶、例えばＬｕＯ_３：Ｙｂ^３＋，Ｔｍ^３＋が有用である。

発光結晶の平均粒径は、概して２０ｎｍ〜１５０ｎｍ、典型的は３０ｎｍ〜８０ｎｍであり、いずれの製造プロセスを使用するかに応じて決定され得るが、より大きい結晶及びより小さい結晶についても検討する。発光結晶の結晶構造は、球、棒状、円柱形、立方体、円盤、六角形、又はそれらの組合せ、及び多種多様な他の形状をとることができる。

吸収中心及び発光中心、すなわち、ドーパント（例えば、Ｌｕ_２Ｏ_３：２％Ｙｂ^３＋，０．２％Ｔｍ^３＋の場合、Ｙｂ^３＋及びＴｍ^３＋）は、アップコンバージョンの効率、故に、歯科用複合材料における結晶の有用性に関するものである。効率及び粒径は、結晶の調製及び焼成（calcination）の方法の結果として増大し得る。１１００℃まで焼成温度を上昇させると、温度はより高く、粒子はより大きく、化合物はより効率的なものとなる。種々の方法及び構成要素、例えば、Li, C.及びBarrera, E. W.の文献（引用することにより既に本明細書の一部をなす）に記載されているものは、種々の結晶形状及び結晶サイズを作り出すのに使用され得るプロセスの例示的なものである。

アップコンバージョンは、図１について（改めて、Ｌｕ_２Ｏ_３：２％Ｙｂ^３＋，０．２％Ｔｍ^３＋の場合に）記載される六段階法によって達成される。Ｙｂ^３＋イオンが、エネルギー準位^３Ｈ_６でＴｍ^３＋により吸収される９８０ｎｍ（１０２）の放出エネルギー（１０５）によりレーザ励起されることによって、電子がエネルギーを吸収して準位^３Ｈ_５へと励起される（１１０）。その後、非発光減衰が起こり、電子は、エネルギー準位^３Ｈ_５からエネルギー準位^３Ｆ_４へと下がる（１２０）。Ｙｂ^３＋が、エネルギー準位^３Ｆ_４においてＴｍ^３＋により吸収される９８０ｎｍの放出エネルギーでレーザ励起されることによって、電子がエネルギーを吸収して準位^３Ｆ_２へと励起される（１３０）。その後、非発光減衰が起こり、電子は、エネルギー準位^３Ｆ_２からエネルギー準位^３Ｈ_４へと下がる（１４０）。Ｙｂ^３＋が、エネルギー準位^３Ｈ_４においてＴｍ^３＋により吸収される９８０ｎｍの放出エネルギーでレーザ励起されることによって、電子がエネルギーを吸収して準位^１Ｇ_４へと励起される（１５０）。ほんの一部の電子は準安定エネルギー準位^３Ｆ_４へと落下して６５３ｎｍでフォトンを放出するのに対し、エネルギー準位^１Ｇ_４へと上昇した電子の大部分は、基底エネルギー準位^３Ｈ_６へと落下することで、該プロセスにおいて４９０ｎｍフォトンを放出する。

以下、式１〜式３について示されるように、Ｌｕ_２Ｏ_３をホストマトリックスとして使用する場合、Ｔｍ^３＋の試験から、ドーパント含有量が０．２％を上回ると濃度消光が起こることが実証される。Ｔｍ^３＋含有量が多いと、Ｔｍ^３＋イオン同士間の自己消光、すなわち交差緩和メカニズムが活性化する。エネルギーの移動プロセスは、式に表されるように説明することができ、かかるエネルギーの移動は、図１に示すように、^１Ｇ_４準位から出て^３Ｈ_５準位へと入ることができることによって、非発光遷移の程度を増大させる。しかしながら他方で、Ｙｂ^３＋イオンを大量にドープすると、不純物の量の増大、Ｙｂ^３＋の濃度消光、式４に表されるようなＴｍ^３＋からＹｂ^３＋へのエネルギーの逆移動等の多くの因子が生じる。かかるエネルギーの逆移動は、アップコンバージョン発光強度を効果的に減少させるものである。
Ｔｍ^３＋（^１Ｇ_４）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_６）→Ｔｍ^３＋（^３Ｆ_２）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｆ_４） （１）
Ｔｍ^３＋（^１Ｇ_４）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_６）→Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_４）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_５） （２）
Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_４）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_６）→Ｔｍ^３＋（^３Ｆ_４）＋Ｔｍ^３＋（^３Ｆ_４） （３）
Ｔｍ^３＋（^１Ｇ_４）＋Ｙｂ^３＋（^２Ｆ_７／２）＝Ｔｍ^３＋（^３Ｈ_４）＋Ｙｂ^３＋（^２Ｆ_５／２） （４）

Ｌｕ_２Ｏ_３：Ｙｂ^３＋，Ｔｍ^３＋結晶における焼成の際の温度を高くすると、ＦＴ−ＩＲ分析により、スペクトルから、焼成温度の上昇につれてＯＨ⁻の吸収バンドが弱くなることが示される。高振動数を有するＯＨ⁻群は、非発光緩和率を増大させるため、アップコンバージョン効率を低下させると考えられる。これは、アップコンバージョン強度の向上は、ナノ粒子の表面上に位置するＯＨ⁻群の減少によってもたらされ得ることを指し示している。より高い焼成温度を使用してナノ粒子のサイズ（nanoparticles size）を大きくすることによって、表面積対容積比（surface-to-volume ratio）を減少させて、ナノ粒子の表面上のＯＨ⁻群を減らすことができる。

例示的な実施形態による歯科用複合材料は、具体的に望まれる特徴をもたらすために、他の添加剤を更に含んでいてもよい。添加剤の例としては、紫外線安定剤、蛍光剤、乳白剤、顔料、粘度調整剤、フッ化物放出剤、重合阻害剤等が挙げられる。フリーラジカル系のための典型的な重合阻害剤としては、ヒドロキニンモノメチルエーテル（ＭＥＨＱ）、ブチル化ヒドロキシトルエン（ＢＨＴ）、ターシャリーブチルヒドロキニン（ＴＢＨＱ）、ヒドロキノン、フェノール等が挙げられ得る。

かかる付加的な添加剤の量は典型的に微量であるため、添加剤は開始剤及び任意の促進剤と合わせて合計、歯科修復用組成物の１．５重量％以下を構成する。

重合阻害剤は、歯科修復用組成物の約０．００１重量パーセント〜約１．５重量パーセント、例えば、歯科修復用組成物の約０．００５重量パーセント〜約１．１重量パーセント、又は約０．０１重量パーセント〜約０．０８重量パーセントの量で存在するものであってもよい。

例示的な実施形態による歯科修復用組成物は、歯科の患者の窩洞を充填するのに使用することができるため、ワンステップの実装、及び当該技術分野においてこれまでに知られていない硬化修復用組成物をもたらす。

図２を見てみると、歯科用途の場合の硬化プロセスが概略的に示されている。開業医が患者の歯４１０を検査して、齲歯４２０形態の虫歯を発見する。開業医は、標準的な技法及び手順を用いて齲歯４２０を取り除き、再充填すべき窩洞４３０を残す。開業医が歯科用接着剤を施し、光が歯科用接着剤を硬化させることで、窩洞４３０が、本明細書中に記載される例示的な実施形態による歯科修復用組成物４４０、例えば、重合性レジン及び不活性フィラーとともに、約０．２％のＴｍ^３＋と約２％のＴｂ^３＋とで共ドープされる酸化ルテチウムの発光結晶と、光開始剤としてカンファキノンとを含有する組成物で充填される。

発光結晶は、０．２％のＴｍ^３＋と２％のＴｂ^３＋とで共ドープされる酸化ルテチウムの場合、９８０ｎｍを含む近赤外線を吸収し、またそれに応じて、４９０ｎｍの可視青色放射線を放出する。ＣＱは、粒子の発光アップコンバージョンによって作り出されるスペクトル放出波長に感応性である。したがって、開業医が、９８０ｎｍを放出するレーザダイオードを有する硬化ライト４７０を用いて９８０ｎｍのレーザエネルギー４５０を印加すると（４５０）、発光結晶（図示のために参照符号４６０として示される）が、９８０ｎｍのレーザ放射線を吸収して、４９０ｎｍを中心とする光のスペクトルを放出する。これによって、ＣＱが誘起されて、重合プロセスが開始し、複合材料４４０が硬化する。

適切に適合するＮＩＲ吸収、アップコンバージョンを行う発光結晶と組み合わせて、いずれの近赤外放射線源を採用してもよい。しかしながら、比較的安価なダイオードレーザを通じて９８０ｎｍの波長が現在、すぐに利用可能であるため、９８０ｎｍの波長の放射線を吸収する、０．２％のＴｍ^３＋と２％のＴｂ^３＋とで共ドープされる酸化ルテチウム等のものが目下好ましい。しかしながら、当然のことながら、発光結晶の所望の吸収波長を発生させるいずれのレーザ源も採用することができる。例えば、適した発光結晶／光開始剤のペアとの使用には、効率の良い蛍光系、励起レーザ系、及び、ポンプ源よりも長い波長を発生させる他の励起系も採用することができる。

４５０メートルの放射線（すなわち、本例ではＣＱが硬化ライトにより直接誘起される場合）と比べ、９８０ｎｍの放射線の透過度は、エナメル質を最大２．５倍透過するものであり、象牙質を最大５倍透過するものであるため、窩洞内における実装後にこれまで不可能とされていた、複合材料内の深い位置における誘起を生じさせる能力が得られる。これは、物理的なマトリックスを非常に迅速にもたらすものであるため、複合材料のサイズ及び形状が確定して、収縮が１０倍少なくなるとともに、全体がより速く硬化する。

例示的な実施形態は主に、発光結晶による放出を引き起こす「ポンプ源」として、単一波長とともに記載してきたが、これは絶えず印加されているものであり、開示はそのように限定されるものではない。近赤外放射線と組み合わせた可視放射線源の使用についても検討するが、好ましくはない。

当然のことながら、例えば、米国特許第６，００８，２６４号（その内容全体が引用することにより本明細書の一部をなす）に記載されているように、例えば所望の後硬化物理特性を実現するように、及び／又は望ましい治療結果を同時に実現する複数の波長を用いて、及び／又は複数の異なる光開始剤とともに、線源放射を調整してもよい。

例えば、硬化ライト又は他の放射線源を使用して、歯科修復用複合材料４４０を硬化させる場合、同時に印加される２つの波長でエネルギーを送る。これは、例えば、互いに独立して放射線エミッタを操作することができるエレクトロニクスにより制御される２つの別々の波長の放射線源を備える硬化ライト４７０を用いて実現することが可能である。この場合、放射線源は２つのレーザダイオードであるが、一方又は両方を、限定するものではないが発光ダイオード等の他の放射線源で置き換えることもできると考えられる。

故に、４５０ｎｍ及び９８０ｎｍ等の２つの波長を両方とも作用することができる。更なる例として、４５０ｎｍ及び９８０ｎｍのエミッタを、適切な強度で同時に作動させるが、４５０ｎｍのエミッタは、３０ｍｓの時間の「オン」サイクル及び５０ｍｓの「オフ」サイクルに関する三角形の波形でパルス化させ、９８０ｎｍのエミッタは連続して作動させる。発光結晶は、９８０ｎｍのレーザ放射線を吸収して、先に記載したように、４９０ｎｍを中心とする光のスペクトルを、複合材料内の深くに放出するのに対し、４５０ｎｍのパルス化された放射線は衝突して、複合材料４４０の表面４８０によって吸収される。複合材料の表面上における４５０ｎｍのパルス化は、表面をより固くして更に耐摩耗性とし得るのに対し、複合材料の塊内の発光結晶による深い吸収及び放出は、表面よりも可撓性で、あまり収縮を受けない硬化した複合材料をもたらす。

別の実施形態によれば、複合材料は、２つの光開始剤である、他の例で記載したＣＱと、４０５ｎｍの波長で感応性であるアシルホスフィネート開始剤とを含有する。本実施形態では、エネルギーが３つの異なる波長により送られ、これらに関して、それらの各々の線源は、硬化ライト４７０と協同して採用されるか、又は硬化ライト４７０に組み込まれるエレクトロニクスにより独立して制御可能である。ここで、硬化シーケンスは、４５０ｎｍのレーザが、３０ｍｓの時間の「オン」サイクル及び１００ｍｓの「オフ」サイクルに関する矩形波形で、既定時間の間パルス化される場合に、開始される。９８０ｎｍ及び４０５ｎｍの放射線源、本件ではレーザダイオードを、指定の硬化時間の完了まで連続して作動させる。４０５ｎｍの活性化波長を伴う付加的な開始剤の使用は、より多くのモノマーをポリマーへと変換することができるため、複合材料を発展させ、及び／又は収縮を低減させて、より強い横引張強さの全体修復材が形成される。

当然のことながら、これらの例は、限定的であることを意味するものでなく、波長放射線を混ぜ合わせるとともに、開始剤、発光結晶、蛍光発光（fluorescing）化合物等のダウンコンバージョンを行う構成成分、並びに、Ｅｒ：ＹＡＧ及びＮｄ：ＹＡＧ等のダウンコンバージョンを行う粒子を混合させるのに利用可能な幅広い選択肢が存在し、これらは全て、線源放出及び波形の調整と合わせて採用することができると考えられる。

上記の明細書は、例示的な実施形態を例示及び説明するものであり、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、またそれらの要素の代わりに均等物を使用し得ることは、当業者に認識されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、特定の状況又はドーパントを含む材料を、本発明の教示に適応させる多くの修飾も行い得る。したがって、本発明は、本発明を実施するために検討される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されないこと、また、本発明が、添付の特許請求の範囲に含まれるあらゆる実施形態を包含すると考えられることを意図している。

Claims (15)

1. 歯科修復用複合材料であって、
   重合性有機レジンと、
   活性化波長を有する放射線活性化開始剤と、
   不活性フィラーと、
   発光結晶であって、該発光結晶に少なくとも７８０ｎｍの波長を有する放射線を照射した場合に、前記開始剤の活性化波長に適合する所定の波長で放射線を放出する、発光結晶と、
   を含む、歯科修復用複合材料。
2. 前記レジンが重合性（メタ）アクリレートを含む、請求項１に記載の歯科修復用複合材料。
3. 前記レジンが、２，２−ビス［４−（２−ヒドロキシ−３−メタクリロイルオキシプロポキシ）フェニル］プロパン、１，６−ビス（２−メタクリロキシエトキシカルボニルアミノ）−２，４，４−トリメチルヘキサン、２，２−ビス［４−（メタクリロイルオキシ−エトキシ）フェニル］プロパン（又はエトキシ化ビスフェノールＡ−ジメタクリレート）、イソプロピルメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、３−（アクリロイルオキシ）−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、１，３−プロパンジオールジメタクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ペンタエリトリトールテトラメタクリレート、及びそれらの組合せからなる群から選択される化合物を含む、請求項２に記載の歯科修復用複合材料。
4. 前記不活性フィラーが、ストロンチウムホウケイ酸塩、ストロンチウムフルオロアルミノホウケイ酸塩ガラス、ストロンチウムアルミノナトリウムフルオロリン−ケイ酸塩ガラス、バリウムホウケイ酸塩、バリウムフルオロアルミノホウケイ酸塩ガラス、バリウムアルミニウム−ホウケイ酸塩ガラス、バリウムアルミノホウケイ酸塩、カルシウムアルミノナトリウムフルオロケイ酸塩、ランタンケイ酸塩、ランタンアルミノケイ酸塩、カルシウムアルミノナトリウムフルオロリンケイ酸塩、窒化ケイ素、二酸化チタン、ヒュームドシリカ、コロイドシリカ、石英、カオリンセラミック、カルシウムヒドロキシアパタイト、ジルコニア、又はそれらの混合物を含む、請求項１に記載の歯科修復用複合材料。
5. 前記放射線活性化開始剤が、約３６０ｎｍ〜約５２０ｎｍの範囲の活性化波長を有する、請求項１に記載の歯科修復用複合材料。
6. 前記放射線活性化開始剤が、カンファキノン、ジケトン開始剤、ジケトン開始剤の誘導体、アシルホスフィンオキシド開始剤、ジフェニル（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキシド、１−フェニル−１，２−プロパンジオン、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルホスフィンオキシド、エチル２，４，６−トリメチルベンジルフェニルホスフィネート、又はそれらの組合せを含む、請求項１に記載の歯科修復用複合材料。
7. 前記発光結晶が、ランタニド系列イオンでドープされた結晶性ホストを含む、請求項１に記載の歯科修復用複合材料。
8. 前記結晶性ホストが、ランタニドフッ化物、ランタニド塩、ランタニド酸化物、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の歯科修復用複合材料。
9. 前記結晶性ホストが、少なくとも２つの異なるランタニド系列イオンで共ドープされる、請求項８に記載の歯科修復用複合材料。
10. 前記発光結晶が、化学式Ｌｕ_２Ｏ_３：２％Ｙｂ^３＋，０．２％Ｔｍ^３＋を有する、２％のイッテルビウムと０．２％のツリウムとで共ドープされた酸化ルテチウムを含む、請求項７に記載の歯科修復用複合材料。
11. 前記結晶性ホストが、５％以下のランタニド系列イオンでドープされる、請求項７に記載の歯科修復用複合材料。
12. 前記発光結晶が、球、立方体、棒、円柱形、及びそれらの組合せからなる群から選択される幾何学的形状を有する、請求項７に記載の歯科用修復材。
13. 前記発光結晶が、２０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の粒径を有する、請求項７に記載の歯科用修復材。
14. 前記結晶性ホストが、該ホストに入れられるランタニド系列イオンでドープされる、ランタニドフッ化物、ランタニド塩又はランタニド酸化物である、請求項７に記載の歯科用修復材。
15. 歯科修復用複合材料であって、
    約１５重量パーセント〜約２５重量パーセントの重合性有機（メタ）アクリレートレジンと、
    カンファキノン、ジケトン開始剤、ジケトン開始剤の誘導体、アシルホスフィンオキシド開始剤、ジフェニル（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキシド、１−フェニル−１，２−プロパンジオン、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルホスフィンオキシド、エチル２，４，６−トリメチルベンジルフェニルホスフィネート、及びそれらの組合せからなる群から選択される、約０．０５重量パーセント〜約１．０重量パーセントの放射線活性化開始剤と、
    約５６重量％〜約８５重量％の不活性フィラーと、
    ランタニド系列イオンでドープされる、ランタニドフッ化物、ランタニド塩、ランタニド酸化物、及びそれらの組合せからなる群から選択される結晶性ホストを含む、約１重量％〜約２０重量％の発光結晶であって、該発光結晶に約７８０ｎｍ〜約１０６４ｎｍの範囲の波長を有する近赤外放射線を照射した場合に、前記開始剤の活性化波長に適合する所定の波長で放射線を放出する、発光結晶と、
    を含む、歯科修復用複合材料。