匠から科学へ、そして医学への融合

高分子技術レポート

8

Vol.

歯科用レジンの硬化における重合収縮
歯科用レジンの硬化における重合収縮開発部

目
1. はじめに次･･･････････････････････････････

2

2. 重合収縮の概要 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･2

3. 歯科材料用モノマー重合の収縮 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･4

4. 重合応力の発生

9･･･････････････････････････

5. ソフト開始および段階開始 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 14
6. 粘弾性挙動 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 15
7. 低収縮率モノマー ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 16
8. おわりに･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 17

歯科用レジンの硬化における重合収縮

van der Waals 結合
付加重合

CH 2

CH

共有結合

CH 2

+

CH

X

1.

山田 文一郎X

はじめにれる（スキーム 1）.
表2

開環重合にともなう重合率100%における収縮1)モノマー a)

適切な対応には正確な評価と解析が不可欠であることを前提に，今回は化学的見地から重合収縮に注目
し重合（収縮）応力についても述べる．
O
R

O

1

R 1, R 2

収縮率 (%)

エチレンオキシド（13）

H, H

23

プロピレンオキシド（14）CH3, H17

スチレンオキシド（18）C 6H 5, H

9

エピクロルヒドリン（17）CH2Cl, H

122,2 - ジメチルエチレンオキシド（15）CH3, CH320ー

2

オクタメチルシクロテトラシロキサン（[Si(CH3)2O]4 ）2.

重合収縮の概要a) モノマー構造は番号に基づき参照

40

重合収縮については，すでに 1978 年に注目され解説が行われているのでまずそれを紹介する 1)．
非架

3

橋ポリマーを生じるビニルモノマーの付加重合では，van der Waals 結合距離（約 4Å）
を保って存在す

2

るモノマーが，成長ラジカルの二重結合へ付加を繰り返して線状ポリマーとなり，モノマー単位は C-C30

共有結合距離（約 1.53Å）まで近づき C=C 結合（約 1.32Å）は C-C 結合へ変化する（スキーム 1）
．
重合に
くなる．
ビニルモノマーの重合に伴う重合率 100% における収縮率の例を表 1 に示すが，メタクリル酸
アルキルではメチル (21.2%) > エチル (17.8%) > n- プロピル (15.0%) > n- ブチル (14.3%) の順にエステ

64
収縮率 (%)

よる体積収縮は避けられないが，モノマー分子中の二重結合以外の部分が大きいほど収縮の程度は小さ

7
10

20

モノマー a)

16

8

14
15

18
23

22
12

24

付加重合にともなう重合率100%における収縮率1)
収縮率 (%)

5

11
10

モノマー a)921

25

ルアルキル基が小さいほど収縮率は大きくなる．
表1

van der Waals 結合に類似

結合から共有結合への変化とその逆の変化が同時に起こり，収縮と膨張が相殺しているためと考えら

洞の大きさや形は変わらないから，重合収縮によりマージンギャップなどの望ましくない影響も生じる．

O

O-

共有結合

OR 3

表 2 に示すように，開環重合における収縮（重合率 100%）は比較的小さい．これは，van der Waals

ン内部に応力の発生をともなう．
さらに，修復の際には窩洞などの壁面にレジンを強力に接着するが，窩

O

CH 2

スキーム 11)る．
モノマーを表面処理したフィラーと混合し，成型後の重合により硬化し不溶・不融として物性上の要

体積変化
（収縮）
をともなうが，架橋構造がポリマー鎖の運動性を大きく制限するため，硬化の過程でレジ

X

共有結合

R1
2
R
C

R 3O -

歯科修復材としてのレジンは，マトリックス，フィラーおよびそれらの界面を主成分として構成され素一重結合に変わり架橋ポリマーを生成する．
このような重合は，線状（非架橋）ポリマーの生成と同様に

CH

ポリマー

CH 2 +O

CH 2

X

van der Waals 結合

R1
2
R
C

開環重合

求を満たす．
モノマーにはジメタクリレート (1) などが選ばれ，重合性の二重結合は重合により炭素 - 炭

CH

モノマー

山本貴金属地金株式会社 顧問
工学博士

CH 2

17
19

13

収縮率 (%)

200エチレン (CH2=CH2)66.0

塩化ビニリデン (5)28.7

アクリロニトリル (1)31.0

メタクリル酸メチル (6)21.2

塩化ビニル (2)34.4

スチレン (7)14.5

メタクリロニトリル (3)27.0

メタクリル酸エチル (8)17.8

酢酸ビニル (4)20.9

メタクリル酸ブチル (10)

14.3

0

5

10

15

20

25

103/ 分子量

Takata T, Endo T: Radical polymerization behavio
r of 1,1-disubstituted 2-vinylcyclopropanes.

, 1993;26:1818-24より作成).

a) モノマー構造は番号に基づき参照―2―

図1 ビニルモノマー(○)および開環重合モノマー(●) の重合 (重合率100%) にともなう体積収
縮とモノマー分子量の逆数の関係．(2)アクリロニトリル，(3) 塩化ビニル，(4)メタクリ
ロニトリル，(5)酢酸ビニル，(6)塩化ビニリ
デン，(7) メタクリル酸メチル，(8) スチレ
ン，(9) メタクリル酸エチル，(10) メタクリ
ル酸プロピル，(11) メタクリル酸ブチル，(12) -ビニルカルバゾール，(13)1-ビニルピ
レン，(14)エチレンオキシド，(15)プロピレ
ンオキシド，(16) 2,2-ジメチルエチレンオキ
シド，(17) 1,3,5-トリオキサン，(18) エピク
ロルヒドリン，(19)スチレンオキシド，(20)ヘキサメチルシクロトリシロキサン，(21)l,lジクロロ-2-ビニルシクロプロパン，(22)l,l-ビス(エトキシカルボニル)-2-ビニルシクロプロ
パン，(23)l,l-ジシアノ-2-ビニルシクロプロパ
ン)，(24) bis-GMA，(25) TEGDMA. (American
Chemical Societyの許可を得て， Sanda F,

―3―

Cl

20.39 cm3/mol である 6)．
モノマーのモル体積 (cm3/mol) は , 分子量 (g/mol) と密度 (g/cm3) の比であるから，重合収縮の理論値は次式で表される．

CN

CN

Cl

2

3

OCOCH 3

4

Cl

5

6

CO 2CH 3

C 6H 5

CO 2C 2H 5

7

8

9

収縮率 (%) = （分子量{/ 密度）
÷ 20.39} x 100
bis-GMA/TEGDMA 混合物では，モノマー組成により重合の進行にともなう収縮の程度が異なり，図NO
CO 2C 3H 7OO

2 から予想されるように TEGDMA の混合により収縮は大きくなる 7)．重合収縮以外による体積変化は，

CO 2C 4H 910

重合熱で生じる温度上昇による体積膨張と，その後室温に戻る際に体積収縮が起こる 7)．
コンポジットレ

11

12

14

15

ジンでは，マトリックスとフィラーの膨張係数が異なることも考慮すべきである．図2 に示すように，収16縮は反応率の増加とともに増加するが比例はしていない．
同じモノマー組成で光開始剤濃度を変えた場

13

合も，収縮が反応率に比例することはなく，収縮率の反応率に対するプロットで得られる曲線の形は光

O

O

O

17

O

18

Si
O

19

このような収縮は窩洞壁で均一に生じることはなく，コンポジットと歯の結合の強さも表面によって

O

Si

Cl

20

Cl

C 2H 5O 2C

21

CO 2C 2H 5

NC

22

O

O

CN

23

OH

OH
O

強度によって異なる 8)．

Si

異なる．
このため収縮力が接着力より強い箇所ではギャップが生じ，歯科修復におけるギャップは使用するコンポジットと技術で変わるが，全界面の 14-54% に達するとの見積もりもある 9)．

O
O

O
O

O

24

O

O

10

O

16

0/100

O

8

25

付加重合と開環重合のモノマーについて，図 1 に示すように収縮率と分子量の逆数との関係が得られている 2)．大きな置換基をもつ分子量の大きなモノマーでは，重合の収縮率が下がる傾向がより広い分子量範囲で認められる．
これまでに述べた重合収縮は線状ポリマー生成の場合であり，応力の発生は架橋

50/50

12

70/30

6

8

70/30

0/100

4

50/50

ポリマー生成の場合ほど問題とはならない．なお，ビスフェノール A ジメタクリ酸グリシジル

重合集収縮 (%)

C 6H 5ClO

温度上昇 (℃)

O

42(bis-GMA，分 子 量 = 512.6，収 縮 率 = 5.3% 3)) と テ ト ラ エ チ レ ン グ リ コ ー ル ジ メ タ ク リ レ ー ト(TEGDMA，
分子量 = 286.3，
収縮率 = 13.8%（後述の計算値 )) の重合収縮は後で取り上げる．

0

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

反応率

3.

歯科材料用モノマー重合の収縮

歯科材料用モノマーには，主としてジメタクリレートが使われる．
硬化の際に未反応二重結合の残存はレジンの性能低下の原因となるから 4, 5)，二重結合の反応率はできるだけ高いことが望まれるが，架橋ポリマー生成の際に二重結合の反応率が 100% に達することはない．
過去の研究では、硬化が終了した

図2

TEGDMA 単独重合（），bis-GMA/TEGDMA共重合 (70/30 wt/wt)()およびbis-GMA/TEGDMA共重合(50/50 wt/wt) () の進行に伴う温度上昇 (○, □, △) と体積収縮 (●, ■, ▲)：ジメトキシアセト
フェノン (DMPA, 0.2 wt%)，紫外線照射 (4 mW/cm2) (Elsevierの許可を得て，Stansbury JW, Trujillo-Lemon M, Lu H, Ding X, Lin Y, Ge J:
Conversion-dependent shrinkage stress and strain in dental resins andcomposites.
., 2005;21:56-67より作成)

状態を反応率が 1（あるいは 100%）と仮定して収縮率を計算していることもあるため注意が必要である．
後述するように架橋重合では後硬化で明らかに反応率が上昇するから，各モノマー組成での反応率

重合が進み反応率がさらに上がると，架橋ポリマー生成のため二分子停止が抑制され重合系は高測定ならびに密度測定は硬化終了直後ではなく，24 時間の後硬化を行ってから行われている．
bis-GMA

濃度の成長ラジカルを含むが重合の進行は止まり 10)，光照射を止めた後にたとえば 24 時間放置すと TEGDMA の未重合混合物の比重と反応率で補正した重合後の比重との比較から，TEGDMA の反応

ると後硬化によりさらに反応率が増加する．光照射下での非常に速い硬化と遅い後硬化は，歯科材料率 1 での重合収縮が 13.8% と得られる．
市販の bis-GMA および TEGDMA とも，化学的に単一組成でモノマーの重合硬化における特徴である．なお，硬化の反応率は示差走査熱量計による発熱量測定 11)，はないが所定の構造 (bis-GMA は C29H36O8 であり TEGDMA では C14H22O6) での分子量はいずれもフーリェ変換赤外および近赤外分光法による HC=C 基の定量 12)，ラマン分光法による C=C 基の定

MMA より大きく収縮率は MMA より小さい．
分子量を考慮すれば，TEGDMA の C=C あたりの収縮は

量 13) あるいは光硬化試料の表面（照射）と底面（非照射）の硬度の比較 14) などで求め，収縮率は，

―4―

―5―

図3

重合収縮率 (%)

6

4

無機フィラー充填率によるbis-GMA/
TEGDMAの3 : 7 (○)，4 : 6 (△)，5 : 5(●)および7 : 3 (モル比) (□)混合物を
CQ/メタクリル酸ジメチルアミノエチ
ル (各2 mol%) /可視光で開始した場合の重合収縮の変化 (Elsevierの許可を得て，Gonçalves F, Azevedo CLN, Ferracane
JL, Braga RR: BisGMA/TEGDMA ratio andﬁller content eﬀects on shrinkage stress.

2011;27:520-526より作成)

2

0.8

図4
60 秒照射10 秒照射
6 秒照射

0.6
3 秒照射
反応率

8

0.4
2 秒照射

Towards the elucidation of shrinkage
stress development and relaxation indental composites.
., 2004;0.2

0

20:979-986 より作成)

0
30

40

50

60

70

20

0

80

シラン化バリウムガラスフィラーを含むbis-GMA/TEGDMA (70/30
wt/wt)をCQ /ジメチルアミノ安息
香酸エチル(DMAEB)を開始系とし可視光照射（2, 3, 10および60秒）で硬化した場合の反応率増加．横軸は，照射時間と暗黒下での時間の合計を示す (Elsevierの許可を得て，Lu H, Stansbury JW, Bowman CN:

40

60

時間（分）

フィラー充填率 (%)”
linometer”3, 8)，光硬化前後のビデオ撮影 15)，膨張計 16)，気体ピクノメーター 17) などで測定する．
コンポ
ジットレジンでは，フィラーを用いるから充填率が増せば重合収縮は減少する（図 3）16)．
体積収縮は，重合の進行にともなって発生し種々の因子の影響をうけるが，それらは組成に関する因子（モノマーの反応性，モノマーの構造，モノマー組成，フィラー充填量，フィラーとマトリックスの相互作用，添加物など）と硬化に関する因子（硬化の方法，重合速度，外部からの束縛，窩洞の形状，固定の方法など）にわけることができる．
これまでに多数の研究がこれらを取り上げているが，複数の因子が相互作用する場合もあり非常に複雑である18)．
多くの因子がたがいに影響することは，次の例で示される．
まず，

表3

bis-GMA/TEGDMA (70/30 wt/wt)の硬化 (CQ 0.3 wt%，EDAB 0.8 wt%，可視光450 mW/cm2) における収縮応力と反応率の同時測定の結果 (Elsevierの許可を得て，Lu H, Stansbury JW, Bowman CN:
Towards the elucidation of shrinkage stress development and relaxation in dental composites.

.,

2004; 20:979-986より作成)
反応率 (%)

照射時間（秒）

応力 (MPa)

光遮断時

最終

光遮断時

最終

最高温度上昇
(℃)
6.8

2

5.9

40.8

0

0.03

フィラー充填率の低いフロアブルコンポジットレジンを使用した場合の応力が，フィラー充填量が高い

3

21.2

53.8

0.02

0.11

9.4

場合と変わらないことである．
この結果は，フィラー充填量が少ないことによる弾性モジュラスの低下

10

54.1

62.2

0.39

1.59

14.3

と，収縮の増加による応力増加との均衡で説明される．
また，光硬化でコンポジットに照射する全光エネ

60

66.7

67.9

2.15

2.90

19.0

ルギー（= mW/cm2 x 時間 = mW x s/cm2 = mJ/cm2）が増すと，反応率が増加し機械的性質は向上するが増加の程度には限度がある．
しかし，全エネルギーと後硬化後の収縮応力の間には直線関係が成立する．
このため，反応率，機械的性質ならびに収縮応力のいずれについても最適のエネルギーレベルを決め

すでに述べたように，重合にともなう収縮はモノマー分子量が増せば重合性二重結合濃度が低下する

るのはほとんど不可能である．
過度の照射は，辺縁や界面での結合破壊と重合熱の蓄積の原因となるこから，たとえば 26-2922)，3023)，3124, 25) などが収縮率減少のために汎用のモノマーとの共重合で使用されとにも留意が必要である 9)．
さらに，収縮応力と反応率の間に直線関係が成立することはないが，ポリる．
収縮率の低下あるいは収縮応力低減のため，その他の多くのモノマーが提案されている 26)．しかし，

マー網目構造が生じると粘性流動で応力を吸収する可能性は小さくなり運動性が低下するため，反応率

モノマーの分子量増加は，粘度上昇と硬化における反応率低下をともなう傾向に注意が必要であり，硬のわずかな増加が応力を大きく増加させると考えられる

化後に物性の要求がみたされねばならない．

．

19)

強度の異なる光源 (200 と 1800 mW/cm ) を使用し，bis-GMA/TEGDMA (75/25 wt/wt) を硬化すると2

高強度光源の使用で反応率は高くなる．
しかし，重合中の温度上昇が著しく極大に達するから，高反応率は
高光強度ばかりでなく温度上昇も影響していることになる．
光強度にかかわらず，50-80% の反応率と最終曲げ強さ（光照射の 4 日後）との間には直線関係が成立するが，照射直後に測定した曲げ強さは得られた
直線には合致しない．
これらの結果から，最終反応率が同じなら最終曲げ強さは光強度や硬化速度に影響されないといえる 20)．
フィラーを充填した bis-GMA/TEGDMA 組成物で，照射時間 2, 3, 6, 10 および 60

O

O
O

R
(H 2C) 8R

27 (R = C(O)O), 分子量 = 786)

(CH 2) 8(CH 2) 7

秒後に暗黒下に保った場合の反応率が求められている（図 4 と表 3 21)）．6 秒照射では反応率は 0.604 に達し，
10 秒照射の 0.622 と大きな差はない．
しかし，照射時間が 2 および 3 秒と短くなると，
照射時間の違い26 (R = CH2, 分子量 = 673)

O

(CH 2) 7

H

28 (OC(O)NH, 分子量 = 843)
29 (R = OC(O)CH2CH(OH), 分子量 = 849)

Hはわずかであるが到達する反応率には明らかな差が生じ，照射時間が短いほど暗黒下での反応率増加が著しいことを示している．
照射時間が長いほど到達反応率は高くなる．
このような結果は，後述するように反応率増加による残存ラジカル濃度の上昇と後効果へのそれらのラジカルの関与で説明される．

―6―

―7―

O

O
O

O

O

O

4.

重合応力の発生OO

重合系がゴム状であるごく低反応率の場合を除いて，架橋で固定された構造の応力緩和はほとんど起30（分子量 = 899）

こらない．
したがって，低反応率（たとえば反応率 0.06）
で光照射を中断しても応力緩和は遅く，重合を再開後には光照射を中断しなかった場合と同程度の収縮応力が生じる．
ガラス化が起こった後，たとえば60 秒 重 合 後 に 光 照 射 を 止 め て も 8 時 間 後 も 応 力 の 著 し い 低 下 は 起 こ ら な い．な お，bis-GMA，
TEGDMA，UDMA などの架橋重合体の熱膨張を測定すると，特にガラス転移点
（

O
H
O C N

高い温度では１回目の測定が 2 回目より低くなるが，2 回目と 3 回目の差はない．
このことから，１回目
O
N C
H

O
H
N C O
O

の加熱で残留応力が解消し 2 回目以降では差が生じないことがわかる 28)．

O

O

O m'
n

O
O C N
m H

O

（
）37 ～ 47℃）
よりg

硬化の進行にともなう体積収縮は架橋構造に内部応力を生じるから，モノマーの反応率と応力の関係
OC O

については以前から関心がもたれている．
bis-GMA/TEGDMA 比（30, 50 と 70 wt%）を変えると硬化速
度は 50 wt% で極大を示し，ゲル化前の粘性流動は TEGDMA 濃度の増加である程度増すのみである．
応力は架橋後の反応率増加による収縮で著しく増加するから，組成物の粘度と剛直さの低下で応力増加を相殺することはできないことがわかる．
したがって，既に架橋したのちの後硬化による体積収縮が，コO

ンポジットの収縮応力をもっとも顕著に増加させる 29)．

31
（分子量 = 895）

O

網目構造が成立する以前の，非常に速い反応の進行にともなう応力発生についての研究は比較的新し
bis-GMA との共重合で，相手モノマーに急速重合モノマーとして知られるメタクリル酸フェニル炭酸

い．
bis-GMA/TEGDMA (70/30 wt/wt) で，シラン化バリウムガラスフィラーを含む場合 (30 wt%) と含(32) とメタクリル酸モルホリンカーバメート (33) を用いると，図 5 に示すように TEGDMA との共重まない場合に，CQ/EDAB 開始系を使用し可視光を 60 秒照射し，反応率と応力の変化が同時に測定され合より著しく早しかも高重合率に達する．
さらに，収縮率が低いことも注目される 27)．
これらのモノマーている 30)．図 4 に示すように，反応率の急激な増加は 0.2 分以内に起こるが，その後の反応率増加はほはモノビニル化合物であり，bis-GMA との共重合体の架橋構造が TEGDMA との共重合体と同様であ

とんどないにもかかわらず応力の増加は続く（図 6）．
したがって，フィラーの充填あるいは非充填にかかるか否かは明らかではない．

わらず，応力発生は（おそらく低下も）反応の進行と比較してずっと遅いことがわかる．
照射時間が長く
O

O
O

O

O

21)
なると反応率が上がり応力も増すが，照射時間が長いと光遮断後に応力はさらに増加する
（表 3）
．

H
N

O

O

32

O

N

光照射の終了後，後硬化をたとえば 24 時間行っても反応率に大きな増加はなく，後硬化の期間にラジO

O

カル濃度は低下する．
しかし， g は明らかに上昇して 55-80℃となり，室温ばかりでなく口腔内の温度よ33

りも高くなるが収縮は進む．
照射光を強くすると重合が加速され温度上昇が増し，熱膨張が増すため収縮歪も増大する 31)．

0.8

6.4

0.6

4.8

0.4

0
0

5

10

15

20

時間（秒）

図5

3.2

1.6

0.2

0

図6
60 s

収縮応力 (MPa)

収縮率 (%)

反応率

3

0

3

6

9

2

10 s

3s

12

2s

時間（分）

TEGDMAと急速重合モノマーであるメタクリル酸フェニル炭酸 (32) ()あるいはメタク
リル酸モルホリンカーバメート (33) () (30 wt%)およびTEGDMAとbis-GMA (30 wt%)()との共重合の反応率―時間プロット(A)と収縮率―時間プロット (B)，DMPA 0.1 wt%(5.0 mW/cm2), 10分, 37℃(Elsevierの許可を得て， Lu H, Stansbury JW, Nie J, Berchtold KA,

Trujillo-Lemon M, Lu H, Ding X, Lin Y,
Ge J: Conversion-dependent shrinkage
stress and strain in dental resins andcomposites.
.,

6s

1

2005;21:56-67より作成)
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

反応率

Bowman CN: Development of highly reactive mono- (meth)acrylates as reactive diluents for
dimethacrylate-based dental resin systems.
, 2005;26: 1329-1336より作成)―8―

シラン化バリウムガラスフィラー(30 wt%) を含むbis-GMA/ TEGDMA(70/30 wt/wt) ()のCQ/DMAEB
開始系で光照射2 (◇), 3 (□), 6(△),10(○)および60秒 () 後の暗黒下での収縮応力の増加（Elsevierの許可を得て，Stansbury JW,―9―一般に， g 以下の温度では分子ならびにセグメントの運動は制限されるから， g より低い温度での後

bis-GMA と TEGDMA あるいは bis-EMA（エトキシ化ビスフェノール A グリシジルメタクリレート）

硬化の進行をセグメント運動で説明するのはむずかしい．反応率の増加は顕著ではないが起こるから，から得られるコンポジットでも，重合応力は反応率，体積収縮，弾性モジュラスおよび最大重合速度と関後硬化で起こる現象は次のように考えられる．
すなわち，光照射による硬化は急速に進むため，硬化後の係すると考えられる．
bis-GMA 含有量の低下で，応力，反応率，収縮および弾性モジュラスが増加するが，試料には大量の自由体積が非平衡状態で含まれるが，網目構造の固体が平衡状態に達するには時間がか

重合速度は TEGDMA 含量が 66% の場合を除いてあまり変化しない 39)．フィラー充填の物性への影響

かる．
このため， g 以下の温度でも自由体積の減少は進み，ポリマー鎖が接近し後重合が可能になるのはよく知られているが，重合収縮の結果生じる応力への効果についてはあまり研究されていない．

であろう．
したがって，自由体積の減少の過程で後重合が誘起されるといえる 32)．後硬化中のラジカル濃bis-GMA : TEGDMA（1 : 1 モル比）にシラン表面処理したバリウムガラスフィラー（不規則形状，平均粒度の時間変化が，電子スピン共鳴 (ESR) で追跡されている．
室温では 24 時間の後硬化は自由体積の緩和

径 2 μm，25-60 vol%) を使用した場合，フィラー充填量が増すと重合収縮の原因となるメタクリレートで進行するからラジカル濃度は環境に影響されないが，さらに時間が長くなると水中や空気中では減衰基の濃度が下がるため図 3 のように収縮率が下がる 16)．さらに，不規則形状フィラーは球状フィラーよが加速される 33)（この報告における ESR スペクトルの説明は誤っており，
正しくは別の報告を参照 34)）．

りマトリックスとの結合が強くモジュラスの増加に寄与する 40)．表 4 に示すように，反応率に大きな差

また，温度をあげると光硬化を行うと重合が加速され最終反応率も上昇し後硬化の程度が減少する 35)．

がない範囲内では収縮と曲げモジュラスがフィラーの含有量のみで決まることがわかる 41)．

光強度を増した場合の効果は，コンポジット中の透過率で影響されるが，温度上昇は試料全体で均一に影響される．
60 秒照射し暗黒下に保った試料について，収縮応力を連続して測定すると反応率とともに増加を示す
7)曲線が得られている（図 6）．照射時間の長さにより応力は異なり，2 秒および 3 秒と照射時間が短い試

表4

反応率，体積収縮，重合応力ならびに曲げモジュラスへの不規則形状フィラー充填率の影響(Elsevierの許可を得て，Gonçalves F, Kawano Y, Braga RR: Contraction stress related to composite
inorganic content.
., 2010;26:704-709より作成)料についての最終的な収縮応力の反応率に対するプロットは，60 秒照射の曲線より下となり応力緩和がフィラー充填率 (vol%)重合応力 (MPa)

曲げモジュラス (GPa)

体積収縮 (%)

反応率

起こったことがわかる．
しかし，10 秒照射した試料の収縮応力は曲線とほぼ一致し，応力緩和がないこ

25

5.8

1.6

3.0

0.530

とを示している．2 秒および 3 秒照射した試料の応力緩和の主原因は，ゲル化前の粘性流動とポリマー

30

5.3

1.8

3.2

0.561

網目がガラス化する前のポリマー鎖の緩和であろう．
60 秒照射では，収縮応力の約 80% は反応率の 0.60

40

4.8

2.7

2.8

0.545

50

4.5

4.3

2.7

0.576

55

4.4

4.3

2.4

0.511

60

3.9

5.9

2.1

0.518

から 0.679 への増加の過程で生じるから，収縮応力の大部分はガラス化の過程とガラス化後に生じていることになる 7)．応力の 80% 以上が硬化の最後の 15% で生じ，弾性モジュラスの増加も著しく，この傾
向はフィラーの充填あるいは非充填にかかわりなく認められるが，非充填では応力の急速な増加の開始が高反応率側にずれる 30, 36)．
応力緩和は遅く，しかも非常に限られた程度であり，照射時間のわずかな差で応力の大きさが異なることに注目される．
収縮応力の増加は反応率 0.04 付近から始まり，ジメタクリ
レートの重合におけるゲル化の起こる反応点が 0.1 以下であることと一致する．
37)

硬化の初期では，重合によるポリマー鎖長の増加と一次（分子内）環化 （スキーム 2）が架橋に優先

bis-GMA : TEGDMA 比およびフィラー充填率の，重合応力ならびに関連する変化（反応率，重合速度，
体積収縮，曲げ強さと損失正接）への影響が求められている 16)．なお，損失正接は粘弾性体に振動法で正弦応力または正弦ひずみを与えた場合の 1 サイクルあたりのエネルギー消費の大きさを表し，完全弾性して起こり，
ポリマー鎖間の共有結合生成（架橋）は少ない．

体では 0 であり粘性が高いほど大きくなる．フィラー充填率による反応率の変化は大きくなく，モノ
マー混合物中の TEGDMA が増すほど増加する．
bis-GMA/TEGDMA モル比が増すと，反応率が下がる
スキーム 2

ため体積収縮を低下する（図 2）．重合応力は，文献値 16) に基づいて作図した図 7 に示すようにフィラー

二種類の分子内環化による側鎖二重結合の消費充填率による影響（各直線についての横軸方向の差）が bis-GMA : TEGDMA モル比の効果（各充填率についての縦軸方向の差）より小さく，TEGDMA 含有量の増加により低下する．
充填率の増加で，反応率と最大重合速度はほとんどのモノマー組成で大きな変化はなく，重合収縮（図 3），重合応力（図 7）と損失正接は低下する傾向があり弾性モジュラスは増加する．
弾性モジュラスは，フィラー充填率とともに増加するがモノマー組成による変化は小さい．
重合応力の充填率による変化は，弾性モジュラスに現れる

このような状態では，塑性変形が可能であり応力の発生は比較的遅く，コンポジットは粘稠であるが次第に弾性を示すようになる．
反応率 0.6 以下では応力が小さく，粘性流動が全収縮のかなりの部分に認“正”の効果（充填率が増すと増加）と“負”の効果（充填率が増加すると減少）となる反応率，最大重合速度，
体積収縮および損失正接の変化が打ち消し合った結果であろう 16)．

められ，このような状況では収縮応力が反応率の関数で増加する．
ある反応率範囲をこえると，ポリマー
網目が剛直であるため架橋が優先し，反応率のわずかな増加で応力が著しく増加すると考えられる．
このような説明は，架橋密度の指標としてのコンポジットのgが，高反応率で急激に上昇することとも一致する 38)．

― 10 ―― 11 ―

8.0

図7

重合応力 (MPa)

7.0
6.0

無機フィラー充填率による
bis-GMA/TEGDMAの3 : 7 (○)，4 :
6 (△)，5 : 5 (●)および7 : 3 （モル比）(□)混合物をCQ/メタクリル
酸ジメチルアミノエチル/可視光で開始した場合の重合応力5.0

シラン処理した球状フィラー（粒径は 100-1000 nm）をほぼ一定量（72.0-72.6 wt%）あるいは不規則
形状のフィラー（粒径は 450-1500 nm）
を一定量（76.4 wt%）
使用し，bis-GMA，UDMA と TEGDMA との組成物に 40 秒光照射を行って硬化した場合の応力が 60 分間測定されている 43)．その結果，最大の収縮応力は 450 nm の不規則形状フィラーで記録され，最小の応力は球形フィラーの 500 nm で認められる．不規則フィラー使用で応力が増加する傾向があるが，粒径と応力の関係に極小が現れるため説明は簡単ではない
（図 8）．
フィラーはマトリックスに束縛されるが，並進ならびに回転運動で応力を緩和するから，フィラーが大きいほど束縛が増加し緩和の寄与は低下するであろう．
フィラー粒子が小さくなる

4.0と表面積の合計が増し，マトリックスによる束縛が増すため収縮による応力が増加する．不規則形状
フィラーの表面積は，同じサイズの球形フィラーより大きく応力増加の原因となるが，その値はフィ

3.0
30

40

50

60

80

70

ラーの大きさで複雑な変化を示すと考えられる 43)．

フィラー充填率 (%)

12（平均粒径 = 2 μm）を加え（25-60 vol% あるいは 45-75 wt%）
，光硬化した場合の結果が表 5 に示すよ10は一次関数であり の係数が負であれば， はの増加とともに減少することを示し，いずれの場合も良好な相関が認められる (R > 0.965)．したがって，図 3 で示したように，重合収縮はモノマー組成に2よって変化し重合応力も変わるが 7, 39)，フィラー充填率が広い範囲で変わっても収縮率と応力への影響
42)
は大きくない（x の係数は -0.053 と -0.04 あるいは -0.078132）．

1.2
不規則形状フィラー

収縮応力 (MPa)

うに求められている 41, 42)．弾性モジュラスとフィラー充填率の関係は指数関数で得られるが，それ以外

1.0

8

0.8
6
0.6
4

0.4

球形フィラー
2

0.2

0

表5

と の関係式球形 (○，□) ならびに不規則形状
フィラー (●，■)を用いた場合の収縮応力 () と収縮応力速度() のフィラーサイズによる変化 (Elsevierの許可を得て，Satterthwaite JD, Maisuria A, Vogel K,
Watts DC: Eﬀect of resin-composite
ﬁller particle size and shape on
shrinkage-stress.,2012;28:609-614より作成)

00

重合応力，重合収縮ならびに弾性モジュラスとフィラー充填率との相関

図8

1.4

収縮応力速度 (MPa/s)

bis-GMA/TEGDMA (1/1 mol/mol, 約 64/36 wt/t) にシラン化バリウムガラスの不規則形状フィラー

400

800

1200

1600

フィラーサイズ (nm)R2

文献

フィラー充填率 a) (vol%)重合応力 (MPa)= 7.262 - 0.053

0.966

41

フィラー充填率 a) (vol%)重合収縮 b) (%)= 4.31 - 0.04

0.965

41

フィラー表面処理の収縮応力への影響が，重合性カップリング剤であるγ-メタクリロイルオキシプロ

フィラー充填率c

重合収縮 (%)= 7.1654 - 7.8132 /100 )0.987842

ピルトリメトキシシラン (CH2=C(CH3)CO2C3H6Si(OCH3)3) あるいは非重合性カップリング剤であるフィラー充填率 b) (vol%)最大収縮速度 (%/s)= 0.6297 - 0.6078 /100c)

0.988142

フィラー充填率 a) (vol%)弾性モジュラス (GPa)= 0.587exp( /26.835) + 0.078

0.984

41

3,3,3 -トリフルオロプロピルトリメトキシシラン（CF3CH2CH2Si(OCH3)3）によるカップリングおよび非重合収縮 (%)

重合応力 (MPa)= 1.02 + 1.38

0.982

41

弾性モジュラス (GPa)

重合応力 (MPa)= 6.15 - 0.38

0.966

41

b)

(vol%)

カップリング処理で比較されている 44)．
フィラー充填率が 5，7.5 および 10 vol% で比較すると，低充填率では重合応力が小さく，シラン濃度にかかわらず重合性カップリング剤の使用で重合応力は非重合性
カップリング剤を用いた場合より大きくなる．非カップリング処理フィラーの使用でマトリックスとa) 25-60%. b) 0-57%. c) 原報では，フィラー充填率 (横軸) は%表示であり，ここに示すように係数を1/100しないとグラフの縦軸の数値と合致しない．

フィラーの結合が弱いため，重合応力が減少するが機械的強さは低下する．ナノフィラーでもハイブ
リッドフィラーでも，モノマー組成変化の重合応力への影響がフィラー充填率の影響より大きくなる傾向があり（この点については図 7 参照），コンポジットの応力増加で考えるべきパラメーターが体積収縮のみではないことがわかる．

― 12 ―― 13 ―

5.

ら，最終反応率が同じなら最終曲げ強さは光強度や硬化速度に影響されないといえる 20)．このような結ソフト開始および段階開始論は，
図 6 に示すように低反応率では応力の増加は少なく高反応率で急激に増加する特徴に基づく．
光照射で硬化を開始すると反応が早いため，粘性流動が可能な期間は短く架橋したポリマーマトリッ

重合速度低下の応力への影響は，重合抑制剤であるブチルヒドロキシトルエン (BHT) (0.05-1.0%) を

クスは低反応率で剛直となり，時間とともに剛直さは増し応力が蓄積される．
粘性流動が可能な時間が

bis-GMA/TEGDMA 等重量混合物の硬化に加えて評価されている．BHT 濃度が増すほど反応速度の低長くなることを期待し，重合速度を低下させるための連続的な高強度の光照射に代わる方法が提案され下は認められるが，応力低下は一定濃度以上（0.5 と 1.0%）
でないと起こらない．
BHT は濃度によっては，

ている．
これらは，
“ソフト開始 (soft start)”と呼ばれ初期は光強度を下げて照射した後，残りの時間は高架橋が生じ分子運動が不可能になる以前の前ゲル状態の期間を長くするが，最終反応率は BHT 添加で強度の照射に切り替える．
ソフト開始を行えば，流動で収縮応力が部分的に除かれ低減するといわれて影響されず 55)，BHT を使用した場合も収縮応力を重合速度の変化で低下させるのには限度があること

おり 45)，短時間の照射と数分の待機の後に最終的な硬化を行う場合もある 46, 47)．重合応力を低下させがわかる．連続照射と二段階照射による硬化を比較すると，3 種の市販品で後者では応力の減少が

ギャップ生成を減らせるとされている 48-50)．

19-30% 認められるが 56)，
反応率や重合収縮に大きな差はない．
別の 5 種類の市販コンポジットレジンで体積収縮，反応率，最大重合速度および応力を種々の光強度で求めると，重合速度と収縮との相関はな

は，応力低下が 3-7% と得られている 57)．

く，光強度は重合速度と応力に影響するが反応率は応力と相関する 51)．
さらに，低光強度で硬化した試料

ラジカル生成速度の網目構造生成への影響は，光強度（1000 と 0.1 mW/cm2）が大きく異なる条件下の曲げ強さが劣ることも明らかになっている 52)．応力が，範囲によっては反応率に敏感なことはすでにでの結果について速度論モデルで環化 37) と架橋の程度で考察されている．
モノマーの二重結合と側鎖と

図 6 で示した．
光強度が低いと反応率が低下し応力が下がるから，ソフト開始における応力の考察は硬なった二重結合との反応性が等しいとすれば，光強度は架橋密度に影響せず，40% 反応率では架橋点間化が適切に行われる状況で行われるべきである 48)．

のモノマー単位数は約 4 である（おそらく，架橋重合で側鎖二重結合はモノマーの二重結合より低反応

照 射 光 強 度 の 影 響 に つ い て は，bis-GMA/TEGDMA (60/40 wt/wt) を 用 い て 照 射 強 度 (25-400性）．
この反応率において高光強度と低光強度の照射で，側鎖二重結合の 11.4% と 11.0% が架橋で反応

mW/cm2) と前照射時間（10-40 秒）
を変化させ，前照射後に 750 mW/cm2 で 20 秒最終硬化し，反応率

し，20.3% と 22.6% が分子内環化で反応すると見積もられている．
環化の程度にわずかな差はあるが，光と Wallace 硬度（37℃で 1 日保存後とさらに 100% エタノール浸漬 24 時間後）が測定されている 5)．
そ強度は架橋の割合に影響しないと結論できる．
ただし，これらの結論は架橋構造に捕捉されたラジカルの結果，前照射の強度が高い場合（たとえば，400 mW/cm2）と低い場合（たとえば，25 mW/cm2）で，反応のない条件での考察であり，類似の架橋構造および物性は反応率にのみ影響され，光エネルギーの与え率にはほとんど差はないが中間の強度（たとえば，100 あるいは 200 mW/cm2）では低下する．
このよう方や硬化速度には無関係とされている 20, 53)．反応率が高いのに耐溶媒性が低いことに関しては，架橋構な傾向は，中間強度の照射でのみ重合系の粘度増加が重合の促進に寄与するため，架橋密度が比較的低造がミクロゲルを含み不均一で側鎖二重結合の 1% 以下しか分子間架橋に寄与しないとする見積もあいポリマーの生成が先行し，最終反応率を抑制すると考えられている．
しかし、これと異なる結論もある 58)．

る．
照射方法による硬度の差はないが，中間強度の光による前照射で得た試料ではエタノール浸漬によしたがって，コンポジットレジンの硬化過程で応力を緩和で減少させるほどの時間を生じるには，重る軟化が認められ，反応率が低いことによる架橋密度の低下で説明されている．
機械的性質は重合速度合速度の低下が実用的でないほど低い光照射強度でしか実現できないと考えられる．
このため，反応率に敏感ではないが，反応率には強く依存するとの結論もある 53)．

をある程度犠牲にしても応力低減が効果的に達成できる開始方法はないといえる．

耐エタノール性は，パルス遅延光活性化で得たポリマーでも低い．
エタノール浸漬後の曲げ強さの低下は，硬化速度ばかりでなく光照射強度の変化にも関係すると思われる．
市販のコンポジット（モノマー
は bis-GMA, bis-EMA および UDMA と 60 vol% の無機フィラーの組成物）の硬化では，照射法
（高強度

6.

粘弾性挙動

の光による連続照射，低強度の光による連続照射およびパルス遅延照射（600 mW/cm2 の 1 秒パルスを照射後に 3 分の間隔をおき，最終照射を 600 mW/cm2 で行う）と照射光量 (6，12 および 24 J/cm2）
を変コンポジットレジンは複雑な粘弾性挙動を示す固体であり，弾性限界以下の負荷を急激にかけると弾

えても，48 時間後の反応率には最小限の差しか見られない．
しかし，パルス遅延照射と低強度の光によ性変形が起こり負荷を除くとただちに回復する．
負荷をある程度長時間かけると，変形は弾性変形と粘る連続照射（6 J/cm2）の試料では，
エタノール中の浸漬後の曲げ強さは 600 mW/cm2 の連続照射（10 秒）

性変形の組み合わせで表される．
負荷に対する応答は少なくともフィラー充填率 59) ならびにマトリック

では 149 MPa であるのに、200 mW/cm2 の連続照射（30 秒）と遅延パルス（9 秒）
では 138 MPa と 139スの化学的性質と反応率で変わる 60)．ハイブリッドあるいはミクロ充填コンポジットで体積収縮の範囲

MPa であり明らかな低下が認められる 54) ．

が比較的狭い場合には，初期と最終の値はコンポジットの無機含量に直接影響される 61)．フロアブルコ

硬化速度と収縮の関係を利用した収縮応力の低減が試みられているが，硬化速度を変えた場合にはポンポジットの収縮は，通常のコンポジットより大きい．
ハイブリッドコンポジットの弾性モジュラスは，

リマー網目の架橋密度が異なることに注意が必要である．
強度の異なる光源（200 と 1800 mW/cm2）をフロアブルコンポジットより大きく，ミクロ充填コンポジットではフロアブルコンポジットと比べて小使用し，bis-GMA/TEGDMA（75/25 wt/wt）を硬化すると高強度光源の使用で反応率は高くなる．
しかさい．
フロアブルコンポジットの収縮がハイブリッドコンポジットより大きいことは，界面での応力がし，重合中の温度上昇が著しく極大に達するから，高反応率では高光強度ばかりでなく温度上昇も影響大きくなる可能性を示しているが，フロアブルコンポジットの剛直性が低いことは反対の影響を及ぼしていることになる．
光強度にかかわらず，50-80% の反応率と最終曲げ強さ（光照射 4 日後）
との間には

す．
ミクロ充填コンポジットは低収縮率で弾性モジュラスが小さく，マトリックスとフィラーの界面で直線関係が成立するが，照射直後に測定した曲げ強さは得られた直線には合致しない．
これらの結果かの損傷が少ないと考えられる 15)．

― 14 ―― 15 ―

以前に，線形弾性モデルを使って収縮応力の発生を説明する試みが行われている．
ある時間間隔で求この開始系の活性と光安定性は成分の組成比で大きく変わるが，DMAEB を電子供与体とし CQ : ヨ

めた応力増加は，Hook の法則によれば体積収縮の増加と物質の弾性モジュラスの積に比例するであろウードニウム塩 : 電子供与体の組成比が 2.1 : 0.85 : 005 では開始活性は高く散乱光に対して 10 分以上

う．
しかし，この方法で計算した応力の値は機械的試験で求めた値よりはるかに大きく 62)，計算値と実測安定である．
フィラーには，石英粒子（D50 < 0.5μm）をシランカップリンして用いる．
カップリングに値の差は，かなりの弾性モジュラスに達するまでに起こる粘性流動で説明される．

は，オキシラン環をもつシランカップリング剤を使用してフィラーとマトリックスを結合する．
図 10 に

低反応率におけるコンポジットの構造変化は，粘度と弾性モジュラスの増加が特徴となる．
これらの 2カップリングの模式図を示すが，フィラー表面に固定されたオキシラン環がマトリックスを形成するモ

種類のパラメーターの比は”応力緩和時間”といわれ，応力が初期値の 1/e (~37%) に低下するのに要す

ノマーと共重合してコンポジットレジンとなる．ここで，シランカップリングはマトリックスとフィる時間を示す 63)．試料が弾性モジュラスを示すようになると応力の増加は早いから，応力を軽減するに

ラーの結合に必要であるばかりでなく，酸性を示す Si-OH によるカチオン重合を防止する．

はもっと早い塑性変形が必要になり応力緩和時間は短くなる．
したがって，既に述べたように硬化が速いと粘性流動できる十分な時間が生じず，弾性モジュラスが急速に増加するから，応力緩和に使える時

O

O

O

O

O

O

Si

Si

Si

間はさらに短縮される．
硬化速度は，歯科コンポジットにおける収縮応力の発生の経過に影響する重要な因子であり，体積収縮および弾性モジュラスなどのその他の因子にも関連し応力に影響する．

7.

低収縮率モノマー
O

O

O

O

O

O

O

モノマーの分子量が増せば重合収縮が減少する傾向がみられるが（図 1），モノマーの種類を変えた場
フィラー合の収縮率低下には限界がある．
重合様式を変えれば，付加重合での重合収縮に比べて開環重合の収縮が小さいから，
たとえば次のようなモノマーの使用では収縮率が低下する

．

64)

図10

オキシラン環をもつシラン化合物によるカップリングの模式図

OO

重合収縮を比較すると，メタ－クリレートモノマーが硬化する市販のコンポジットレジンではたとえ

H 3C
O Si
H 3C

Si

O

O

Si

ば 2.27% であるが Silorane では 0.94% と得られる．
収縮の発生の最大速度は，メタクリレート型レジン
図9

CH 3

Siloraneモノマーの構造では 4 秒後の 3.1 vol%/s であるが，Silorane では 8 秒後に 0.09 vol%/s である．
しかし，最終収縮率への到達は Silorane が早い．

O
CH 3

Si

O

O

8.

おわりに

図 9 に構造を示すモノマーは，シロキサン（siloxane）と オキシラン（oxirane）構造をもつことから
Silorane と名づけられ，オキシラン環のカチオン開環重合で架橋が生じ硬化する．
開始剤にはカンファー

硬化の過程で体積収縮を生じ応力が発生するが，どちらもその他の因子と関連し複雑な挙動を示す．

キノン
（CQ）
，ヨードニウム塩と電子供与体からなる三元系が使われ，反応で生成するフェニルラジカル

付加重合の範囲で重合収縮の大きな低減はできないから，収縮と応力について理解を深め対応を考え，やヨウ化ベンゼンはカチオン重合の開始には関与しない．

影響を制御することが求められる．

OH

I
A-

+

O

+

O

R'

+

+

H+ + A-OR
N CHR''

I

+

R
+

I
A-

+

N CHR''

+

I

+

+

H+

+

A-

R'

― 16 ―― 17 ―

《参考文献》
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《著者職歴》

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55) Braga RR, Ferracane JL: Contraction stress related to degree of conversion and reaction
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56) Lim B-S, Ferracane JL, Sakaguchi RL, Condon JR: Reduction of polymerization contraction
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21;

昭和40年 4月 大阪市立大学工学部応用化学科助手，講師，助教授を経て平成 ６ 年 4月 大阪市立大学工学部教授
平成13年 4月 組織替えにより大阪市立大学大学院工学研究科教授
平成13年 4月 大阪市立大学大学院工学研究科科長
平成16年 3月 定年退職 大阪市立大学名誉教授
平成16年 7月～平成17年 6月 アイルランド国立大学ゴールウェイ校化学科教授 (アイルランド国立科学財団)
平成19年 3月 山本貴金属地金株式会社 歯科材料開発部理事
平成23年10月 山本貴金属地金株式会社 歯科材料開発部顧問
ラジカル重合による高分子生成過程の研究，新規アクリルモノマーの合成と重合挙動に関する研究などに従事《高分子技術レポート 既刊》
Vol.1 歯科材料モノマーの重合－ラジカル重合の基礎（1）（2009年10月）
Vol.2 歯科材料モノマーの重合－ラジカル重合の基礎（2）（2010年2月）
Vol.3 歯科材料モノマーの重合－修復材モノマー（１）（2010年3月）
Vol.4 歯科材料モノマーの重合－修復材モノマー（2）（2010年7月）
Vol.5 歯科材料モノマーの重合－酸素の影響（2011年8月）
Vol.6 歯科材料モノマーの重合－開始剤と開始（2012年10月）
Vol.7 重合性シランカップリング剤－メタクリロイルオキシアルキルトリアルコキシシラン（2013年6月）
Vol.8 歯科用レジンの硬化における重合収縮（2014年11月）
編集者 安楽 照男
発行者 山本 隆彦
発行年月日 2014年11月4日