МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, ЗАКРЫВАЮЩИЕ КАНАЛЬЦЫ, ДЛЯ СРЕДСТВ ДЛЯ УХОДА ЗА ЗУБАМИ
TUBULE-CLOSING MATERIALS FROM SILICON DIOXIDE FOR TOOTH CARE PREPARATIONS

Ссылка на родственные заявки
Данная заявка претендует на приоритет по дате подачи предварительной заявки США №61/196,732, поданной 25 августа 2008 года, под названием «Материалы из диоксида кремния, закрывающие канальцы, для средств для ухода за зубами», раскрытие которой включено в данное описание во всей ее полноте посредством ссылки.
Область техники
Это изобретение относится к осажденным материалам из диоксида кремния для использования в качестве абразивных веществ или загустителей в средствах для ухода за зубами, более конкретно, к таким осажденным материалам из диоксида кремния, которые одновременно закрывают дентинные канальцы.
Уровень техники
Материалы из диоксида кремния особенно полезны в средствах для ухода за зубами, таких как зубные пасты, где они выполняют функцию абразивных веществ и загустителей. В дополнение к этим функциям материалы из диоксида кремния, особенно аморфные осажденные материалы из диоксида кремния, также имеют преимущество по сравнению с другими абразивными веществами, такими как окись алюминия и карбонат кальция, в средствах для ухода за зубами, которое заключается в том, что они имеют относительно высокую совместимость с активными ингредиентами, такими как источники фтора, в том числе фторид натрия, натрия монофторфосфат и т.п. Материалы из диоксида кремния особенно подходят для использования в средствах для ухода за зубами тем, что они обеспечивают хорошие очищающие свойства и умеренное истирание дентина, что позволяет пользователю эффективно очищать зубы без существенного разрушения поверхности зубов. Возможность обеспечить загущающий агент, совместимый с фтором, для зубных паст также является важным преимуществом для потребителя и производителя.
Чувствительность зубов в последнее время стала проблемой в сфере средств для ухода за зубами, особенно из-за потери защиты зубной эмали из-за различных пищевых привычек и методов чистки зубов у определенного круга лиц. В дополнение к упомянутым выше достоинствам, которые придают материалы из диоксида кремния средствам для ухода за зубами (абразивные и загущающие свойства), составители композиций для определенных специальных средств для ухода за зубами включают определенные материалы, которые полезны для снижения чувствительности зубов до определенной степени. В частности, разработаны зубные пасты, которые обеспечивают снижение чувствительности зубов на холод и тепло и имеют дополнительные преимущества, такие как полисахаридные подсластители, что снижает боль и/или дискомфорт, связанные с нежелательными ощущениями.
Хотя причины чувствительности зубов точно не известны, считают, что чувствительность обусловлена открытыми дентинными канальцами. Эти канальцы, которые содержат жидкость и клеточные структуры, выходят наружу из пульпы зубов к поверхности или границе зубной эмали. Согласно некоторым теориям отсутствие должной гигиены зубов и/или медицинских условий может привести к потере эмали или рецессии десны на поверхности зубов. В зависимости от тяжести потери эмали или рецессии десны, наружные части канальцев могут оказаться открытыми в окружающую среду рта. Когда эти открытые канальцы контактируют с определенными стимуляторами, такими как, например, горячие или холодные жидкости, дентинная жидкость может расширяться или сжиматься, вызывая разность давления внутри зуба, что приводит к дискомфорту и, возможно, боли у человека.
Предыдущие попытки решить проблему чувствительности зубов были направлены на блокирование насоса ионных каналов калия/натрия, ответственного за направление болевого импульса в мозг. Считают, не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, что такой химический механизм создается у пациента благодаря включению нитрата в средства для ухода за зубами. Однако эта альтернатива препятствует направлению болевого импульса в мозг, в результате боль по-прежнему существует, однако она не чувствуется пациентом. Этот иллюзорный эффект является временным и является потерей времени, в результате чего требуется постоянное использование зубных паст, содержащих нитрат калия, для поддержания эффекта. Другие попытки, направленные на уменьшение чувствительности зубов, заключались в закрытии канальцев, открытых наружу. Это закрытие канальцев достигалось благодаря покрытию или заполнению канальцев определенными типами материалов из диоксида кремния. Однако получение таких «закрывающих» материалов обычно касалось контроля размеров частиц, которые должны были быть такими, чтобы по меньшей мере частично закрывать канальцы. Однако в большинстве случаев выбор закрывающего материала на основе размеров частиц не является сам по себе достаточным для обеспечения достаточного закрытия, чтобы достичь удовлетворительного снижения чувствительности. Обычно этот закрывающий материал не обладает сродством к поверхности зубов и поэтому не обладает достаточной адгезией, чтобы оставаться внутри, на или вокруг канальца в течение достаточного времени, чтобы снизить чувствительность до необходимого уровня боли и/или дискомфорта, для предотвращения или снижения боли. Например, стандартные осажденные материалы из диоксида кремния возможно будут закрывать канальцы временно при условии, что они имеют довольно малые размеры частиц для такого закрытия канальцев, но они будут легко удаляться, например, при полоскании рта водой после чистки зубов. Поэтому существует необходимость в новых материалах из диоксида кремния, которые бы имели достаточную совместимость с источниками фтора (по меньшей с некоторыми источниками фтора), достаточно малый размер частиц для эффективного проникновения в дентинные канальцы, должный статический заряд для долговременной стабильности при введении в дентинные канальцы и способность к переносу к зубу и в дентинные канальцы таким образом, чтобы они могли вводиться в полость рта и в контакт с поверхностью зуба в процессе обычной чистки зубов. До настоящего времени таких материалов на основе диоксида кремния, которые бы обеспечивали указанные преимущества, создано не было.
Сущность изобретения
Значительным преимуществом изобретения является достаточное сродство осажденных материалов из диоксида кремния, обработанных аддуктами, с дентинной поверхностью, обеспечивающее долговременную адгезию этих материалов на дентинной поверхности, что позволяет ввести такие материалы в дентинные канальцы и заполнить их. Другим преимуществом изобретения является способность включить такие осажденные материалы из диоксида кремния, обработанные аддуктами, в средства для ухода за зубами в качестве либо абразивных веществ, либо загущающих агентов, и при чистке зубов такие осажденные материалы из диоксида кремния, обработанные аддуктами, будут переходить из средств для ухода за зубами на поверхность зубов и закрывать дентинные канальцы.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения средство для ухода за зубами содержит осажденный материал из диоксида кремния, имеющий средний размер частиц от 1 до 5 микрон и содержащий аддукт, присутствующий по меньшей мере на части его поверхности, образующий осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, который имеет дзета-потенциал (электрокинетический потенциал), который более чем на 10% ниже дзета-потенциала осажденного материала из диоксида кремния той же структуры, но без аддукта. Изобретение также охватывает средство для ухода за зубами, содержащее такой осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, в качестве загущающего агента, абразивного агента, или того и другого, и содержащее по меньшей мере один другой компонент, такой как растворитель, консервант, сурфактант или абразивный или загущающий агент, отличающийся от указанного осажденного материала из диоксида кремния, обработанного аддуктом.
Изобретение также охватывает способ обработки зубов млекопитающего, включающий следующие операции:
a) получение средства для ухода за зубами, содержащего осажденный материал из диоксида кремния, имеющий средний размер частиц от 1 до 5 микрон и содержащий аддукт, присутствующий по меньшей мере на части его поверхности, образующий осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, который обнаруживает снижение дзета-потенциала более чем на 10% по сравнению с осажденным материалом из диоксида кремния той же структуры, но без аддукта;
b) нанесение этого средства для ухода за зубами на зубы млекопитающего; и
c) чистка зубов средством для ухода за зубами, нанесенным на стадии “b”, с обеспечением закрытия дентинных канальцев осажденным материалом из диоксида кремния, обработанным аддуктом.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на контрольном образце, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
На фиг.2 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на сравнительном образце 1, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
На фиг.3 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на образце Примера 6, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
На фиг.4 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на сравнительном образце 4, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
На фиг.5 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на сравнительном образце 5, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
На фиг.6 представлены микрофотографии, показывающие результаты теста на использование средства для ухода за зубами на сравнительном образце 2, иллюстрирующие его способность к закрытию дентинных канальцев.
Подробное описание изобретения
Все части, проценты и соотношения являются массовыми, если не указано другое. Все процитированные документы включены в данное описание посредством ссылки.
Осажденные материалы из диоксида кремния для использования в композициях средств для ухода за зубами были разработаны таким образом, что они имеют повышенное сродство к зубам млекопитающего, в результате они прочно прилипают к поверхности зубов и обеспечивают более хорошее закрытие дентинных канальцев. Не ограничиваясь какой-либо теорией, считают, что повышенное сродство осажденного материала из диоксида кремния к зубам является следствием снижения отрицательного заряда на поверхности осажденного материала из диоксида кремния; это снижение обеспечивается присутствием аддукта по меньшей мере на части поверхности диоксида кремния.
Заряд на поверхности диоксида кремния и изменение этого заряда является хорошо изученной областью, но при этом дискуссионной (см. например, Ralph К. Her, The Chemistry of silica: Solubility, Polymerization, Colloid и Surface Properties и Biochemistry of silica, pp.659-672). Использование некоторых аддуктов также ранее обсуждалось в патентной литературе, например в патентах US 3,967,563 и US 4,122,160 на имя Wason, хотя такие материалы из диоксида кремния обрабатывали металлическими аддуктами исключительно для целей их способности образовывать прозрачные абразивные вещества, имеющие большой размер частиц для средств для ухода за зубами.
Таким образом, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения осажденный материал из диоксида кремния имеет средний размер частиц от 1 до 5 микрон и содержит аддукт, присутствующий по меньшей мере на части его поверхности, образующий осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, который обеспечивает снижение дзета-потенциала более чем на 10% по сравнению с дзета-потенциалом осажденного материала из диоксида кремния той же структуры, но без аддукта.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения аддукт предствляет собой металл. В соответствии с другим из вариантов аддукт предствляет собой металл, выбранный из переходных металлов и послепереходных металлов (металлов, расположенных в Периодической системе элементов справа от переходных металлов). Примеры подходящих металлов включают алюминий, цинк, олово, стронций, железо, медь и их смеси. Осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, образуется в результате добавления аддукта в виде водорастворимой соли металла в процессе образования осажденного материала из диоксида кремния. Любая соль, которая растворима в кислой среде, является пригодной, например нитраты, хлориды, сульфаты и т.п.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, обеспечивает снижение дзета-потенциала более чем на 15% по сравнению с дзета-потенциалом осажденного материала из диоксида кремния той же структуры, но без аддукта. В соответствии с другим вариантом обеспечивается снижение дзета-потенциала более чем на 20%. В соответствии с еще одним вариантом обеспечивается снижение дзета-потенциала более чем на 25%.
2
2
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, получают следующим способом. Водный раствор щелочного силиката, такого как силикат натрия, загружают в реактор, оборудованный перемешивающими средствами, которые адекватны для получения гомогенной смеси. В реакторе раствор щелочного силиката предварительно нагревают до температуры между примерно 65ºС и примерно 100ºС. Раствор щелочного силиката может иметь концентрацию примерно от 8,0 до 35 масс.%, включая диапазон от 8,0 до примерно 20 масс.%. Щелочной силикат может представлять собой силикат натрия с соотношением SiO:NaO от примерно 1 до примерно 3,5, включая диапазон от примерно 2,4 до примерно 3,4. Щелочной силикат загружают в реактор обычно в количестве примерно 5 масс.% до 100 масс.% от всего силиката, используемого в цикле. При необходимости в реакционную смесь добавляют электролит, такой как раствор сульфата натрия. Смешивание можно осуществлять в условиях высокого сдвига.
Затем в реактор последовательно добавляют: (1) водный раствор подкисляющего агента, либо кислоты, такой как серная кислота; (2) дополнительные количества водного раствора, содержащего те же щелочные силикаты, что и в реакторе, такой водный раствор предварительно нагревают до температуры от примерно 65ºС до примерно 100ºС. К раствору подкисляющего агента добавляют соединение аддукта перед введением раствора подкисляющего агента в реактор. Соединение аддукта предварительно смешивают с раствором подкисляющего агента в концентрации от примерно 0,002 до примерно 0,185 моль, предпочтительно от примерно 0,074 до примерно 0,150 моль на 1 литр раствора подкисляющего агента. Возможно, если требуются более высокие концентрации аддукта в осажденном материале из диоксида кремния, обработанном аддуктом, вместо кислоты можно использовать водный раствор соединения аддукта.
Предпочтительно подкисляющий агент находится в растворе в концентрации от примерно 6 до 35 масс.%, например, от примерно 9,0 до примерно 20 масс.%. После того, как весь раствор щелочного силиката введен в реактор, вводят раствор подкисляющего агента до тех пор, пока не достигнут желаемого значения рН.
2
4
Загруженные в реактор вещества оставляют выстаиваться или «перевариваться» в течение 5-30 минут при установленной температуре реакции при постоянном рН. После завершения реакции реакционную смесь фильтруют, промывают водой для удаления избытка побочных неорганических солей до тех пор, пока промывная вода из осадка диоксида кремния на фильтре не будет иметь проводимость 2000 мкмо (мкСм). Поскольку проводимость фильтрата от промывки осадка диоксида кремния пропорциональна концентрации побочных неорганических солей, то, если поддерживать проводимость фильтрата менее 2000 мкмо, можно получить желаемую низкую концентрацию неорганических солей, таких как NaSO, в осадке на фильтре. Осадок диоксида кремния на фильтре суспендируют в воде, затем сушат обычными методами, такими как распылительная сушка, с получением осажденного материала из диоксида кремния, обработанного аддуктом, содержащего от примерно 3 масс.% до примерно 50 масс.% влаги. Осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, можно затем перемолоть, чтобы получить желаемый размер частиц между примерно 1 мкм и 5 мкм. Такой размер частиц обязателен для придания полезных абразивных и/или загущающих свойств средствам для ухода за зубами, а также обеспечивает желаемое закрытие дентинных канальцев для снижения боли и дискомфорта у пациента.
Для целей настоящего описания термин "средство для ухода за зубами" имеет значение, определенное в документе Oral Hygiene Products and Practice, Morton Pader, Consumer Science и Technology Series, Vol.6, Marcel Dekker, NY 1988, p.200, который включен в данное описание посредством ссылки. Более конкретно, "средство для ухода за зубами" означает "… вещество, используемое вместе с зубной щеткой для чистки доступных поверхностей зубов. Средства для ухода за зубами главным образом состоят из воды, детергента, гигроскопического вещества, связующего, корригентов и тонко измельченного порошкового абразива в качестве основного ингредиента.… считается, что средство для ухода за зубами является абразив-содержащей дозируемой формой для доставки агентов против кариеса к зубам." Средства для ухода за зубами содержат ингредиенты, которые должны быть растворены перед введением в средства для ухода за зубами (например, агенты против кариеса, такие как фторид натрия, фосфаты натрия, корригенты, такие как сахарин).
При введении осажденного материала из диоксида кремния, обработанного аддуктом, в средства для ухода за зубами, он может присутствовать в количестве от 0,01 до примерно 25% от общей массы композиции средства для ухода за зубами. Если осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, является абразивным по природе, его количество может составлять от 0,05 до примерно 15 масс.% (это вещество может действовать только как абразив или обладать двойным действием, т.е. одновременно обеспечивать закрытие канальцев после чистки зубов). Если осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, является модификатором вязкости (загущающим агентом), его количество может составлять от 0,05 до примерно 10 масс.%. Осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, где должный металлический аддукт присутствует в нем для модификации дзета-потенциала, будет одновременно обеспечивать как модификацию вязкости, так и длительное закрытие канальцев. Однако осажденный материал из диоксида кремния, обработанный аддуктом, не обязательно должен обеспечивать другие свойства, кроме закрытия канальцев. Его количество в средстве для ухода за зубами может быть в диапазоне, указанном выше, такие материалы не придадут значимой степени загущения или абразивности средству для ухода за зубами, но только обеспечат закрытие канальцев. Такие средства для ухода за зубами могут содержать соли нитрата калия в качестве одного из примеров другого материала, обеспечивающего снижение чувствительности зубов, если необходимо.
Композиции и способы, описанные выше, будут лучше понятны из ссылок на следующие неограничивающие примеры.
Примеры
2
3
Для изучения эффекта аддукта на сродство диоксида кремния к зубам млекопитающих при добавлении аддукта к осажденным материалам из диоксида кремния были выполнены примеры. В первой серии партий для опытной установки было подготовлено несколько образцов, содержащих металлический аддукт АlО, при этом один сравнительный образец содержал только следовые количества алюминия и других металлов, как показано в Таблице 1. Образцы готовили следующим образом.
2
2
2
2
Количества реагентов и условия представлены в Таблице 1 ниже. Сначала в реактор на 400 галлонов (примерно 1514 литров), нагретый до 87ºС, загружали 67 л водного раствора, содержащего 19,5 масс.% силиката натрия (молярное соотношение SiO:NaO=3,32), и 167 л воды при рециркуляции 30 Гц и перемешивании со скоростью 60 об/мин. Затем одновременно добавляли водный раствор серной кислоты (имеющий концентрацию 17,1 масс.% и содержащий алюминий в концентрации, представленной в Таблице 1 ниже) и водный раствор силиката натрия (с концентрацией 19,5 масс.%, молярное соотношение SiO:NaO=3,32, раствор нагревали до 85ºС) со скоростью 12,8 л/мин (для силиката) и 1,2 л/мин (для серной кислоты) в течение 47 минут. Через 47 минут добавление силиката останавливали, а добавление кислоты продолжали до тех пор, пока рН смеси не опустилось до 5,5. Температуру реакционной смеси поддерживали на 87ºС в течение 10 минут для того, чтобы прошла реакция. Затем смесь с диоксидом кремния фильтровали, промывали, получали осадок на фильтре, имеющий проводимость примерно 1500 мкмо (мкСм). Затем этот осадок суспендировали в воде, сушили с распылением, высушенный продукт микронизировали подходящим способом, включая струйное перемалывание или перемалывание в потоке воздуха до размеров частиц примерно 3 мкм. Сравнительный образец осажденного диоксида кремния (Сравнительный образец 2) получали из материала Примера 6 с использованием молотковой дробилки до размеров частиц примерно 10 мкм. Полученные материалы затем тестировали на присутствие нескольких оксидов металла, концентрации которых представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Добавление металлических аддуктов
Образец
Молей Al в литре раствора кислоты
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (ppm)
СаО (ppm)
Fе<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (ppm)
МgО (ppm)
Na<sub>2</sub>O (ppm)
ТiO<sub>2</sub> (ppm)
Сравнительный 1
-
771
26
157
60
1,29
135
Пример 1
0,007
1100
31
159
68
1,15
137
Пример 2
0,014
1500
38
150
72
0,96
139
Пример 3
0,028
3900
30
144
74
1,03
137
Пример 4
0,055
7300
40
144
77
1,70
133
Пример 5
0,110
15400
44
143
89
1,29
133
Пример 6
0,220
19600
37
141
79
1,48
131
Сравнительный 2
0,220
19600
37
141
79
1,48
131
ppm=млн<sup>-1</sup>
Анализ материалов согласно изобретению на закрытие канальцев и другие характеристики
Различные описанные здесь материалы из диоксида кремния были исследованы следующим образом, если не указано иное.
Площадь наружной поверхности диоксида кремния по ЦТАБ была определена путем адсорбции ЦТАБ (цетилтриметиламмоний бромида) на поверхности диоксида кремния, избыток отделяли центрифугированием и определяли титрованием лаурилсульфатом натрия с использованием сурфактантного электрода (ион-селетивного электрода для титрования сурфактантов). Площадь наружной поверхности диоксида кремния была определена по количеству абсорбированного ЦТАБ (анализ ЦТАБ до и после адсорбции).
В частности, примерно 0,5 г диоксида кремния точно взвешивали и помещали в стакан на 250 мл с 100,00 мл раствора ЦТАБ (5,5 г/л, доводили до рН 9,0±0,2), перемешивали на пластине с электрической мешалкой в течение 30 минут, затем центрифугировали в течение 15 минут при 10000 об/мин. К 5,0 мл прозрачного супернатанта добавляли 1,0 мл 10% Triton X-I00 в стакан на 250 мл. рН доводили до 3,0-3,5 раствором 0,1 Н HCl, и образец титровали раствором 0,0100 М лаурилсульфата натрия с использованием сурфактантного электрода (Brinkmann SURI50I-DL) до определения конечной точки.
Значения абсорбции масла определяли с использованием метода растирания. Этот метод основан на принципе смешивания масла льняного семени и диоксидом кремния путем растирания шпателем на гладкой поверхности до получения плотной, типа шпаклевки, пасты. На основании измерения количества масла, которое требуется для получения пасты, которая будет образовывать завиток при ее наливе, можно рассчитать значение абсорбции масла диоксида кремния - значение, которое представляет объем масла, требуемого на единицу массы диоксида кремния для насыщения поглощающей поверхности диоксида кремния. Более высокий уровень абсорбции масла указывает на более высокую структуру осажденного диоксида кремния; аналогично, низкое значение является показателем того, что называют низкой структурой осажденного диоксида кремния. Значение абсорбции масла рассчитывают по следующей формуле:
Абсорбция масла=мл абсорбированного масла Х 100
масса диоксида кремния с граммах
=мл масла/100 г диоксида кремния
Средний размер частиц определяли с использованием прибора со светорассеивающим лазером модели LA-930 (или LA-300 или эквивалентного ему) от фирмы Horiba Instruments, Boothwyn, Пенсильвания.
Процентное содержание остатка диоксида кремния на сите №325 определяли, используя стандартное сито №325 по стандарту США с отверстиями 44 микрона или 0,0017 дюйма (сетка из нержавеющей стали), путем взвешивания 10,0 г образца с погрешностью 0,1 г в чашку миксера на 1 кварту модели Hamilton №30, добавляли примерно 170 мл дистиллированной или деионизированной воды и перемешивали суспензию по меньшей мере 7 минут. Смесь переносили на сито №325, распыляли воду прямо на сито под давлением 20 фунтов на кв. дюйм в течение 2 минут, причем головку распылителя держали на расстоянии 4-6 дюймов от сита. Оставшийся остаток переносили на смотровое стекло, сушили в термостате при 150ºС примерно в течение 15 минут, затем охлаждали и взвешивали на аналитических весах.
Значения рН реакционных смесей (5%-ная суспензия) можно контролировать любым электродом для измерения рН.
Для измерения яркости образцы запрессовывали в кювету с гладкой поверхностью и измеряли на измерителе яркости Technidyne Brightmeter S-5/BC. Этот прибор имеет двойную оптическую систему, где образцы облучаются под углом 45º, и отраженный свет смотрят под углом 0º.
В таблице 2 представлены результаты измерений этих свойств для полученных материалов.
Таблица 2
Свойства полученных материалов из диоксида кремния
Остаток на сите №325 (%)
Площадь поверхности по ЦТАБ (м<sup>2</sup>/г)
Медианный размер частиц (мкм)
H<sub>2</sub>O (%)
BET(м<sup>2</sup>/g)
Средний размер частиц (мкм)
Абсорбция масла (см<sup>3</sup>/100г)
5% рН
Яркость
Сравнительный 1
6,4
0,00
185
34
2,2
2,2
92
7,4
98,6
Пример 1
5,7
0,01
213
31
2,5
2,5
91
7,7
98,2
Пример 2
5,9
0,02
212
46
2,7
2,2
99
7,9
98,9
Пример 3
6,1
0,00
210
48
2,4
2,4
102
8,1
99,4
Пример 4
6,3
0,00
222
44
2,8
2,8
91
7,7
99,6
Пример 5
6,2
0,00
315
53
3,1
3,0
91
8,4
98,9
Пример 6
5,7
0,00
349
68
3,6
3,5
89
8,2
99,0
Сравнительный 2
5,7
0,10
349
68
10,9
9,5
89
8,2
99,0
BET - площадь поверхности по BET (метод Брунауэра, Эммета и Теллера, от англ. Brunauer, Emmett, and Teller
Дзета-потенциал является мерой заряда наружной поверхности частицы, суспендированной в растворе. Частицы с дзета-потенциалами одного заряда будут отталкиваться, а частицы с дзета-потенциалами противоположных зарядов будут притягиваться. Исторически дзета-потенциал измеряли методом микроэлектрофореза, при котором прилагали электрическое поле через дисперсию частиц и измеряли скорость миграции частиц к электроду противоположного заряда. Частицы, мигрирующие с большей скоростью к электроду противоположного заряда, будут иметь большую величину заряда на их поверхности. Альтернативно, дзета-потенциал можно определить методом электрокинетической звуковой амплитуды (ESA). ESA измеряет электрокинетические свойства частиц электроакустическим методом. Электрическое поле высокой частоты прилагают к дисперсии частиц. Частицы будут перемещаться в переменном поле пропорционально их заряду на поверхности. Когда частицы движутся в одном направлении, жидкость будет двигаться в противоположном направлении. Если имеется различие в плотности между частицами и жидкой средой, будет генерироваться акустическая волна на границе раздела электрода и жидкой дисперсии в результате перемещения жидкости и частиц. Генерированную акустическую волну можно измерить, а интенсивность этой волны будет соответствовать величине дзета-потенциала. Дзета-потенциал обычно измеряют в диапазоне рН, в результате получают информацию о том, как поверхностный заряд суспендированных частиц меняется в зависимости от рН (Greenwood, R. "Review of the measurement of zeta-potentials in concentration aqueous suspensions using electroacoustics" Advances in Colloid и Interface Science, 2003, 106, 55-81, включено в данное описание посредством ссылки). Были измерены дзета-потенциалы сравнительного образца 1 и Примеров 1-6, результаты представлены в Таблице 3. Из Таблицы 3 можно видеть, что отрицательный заряд (как измерено по дзета-потенциалу) на поверхности диоксида кремния был ниже в Примере 6 при рН средства для ухода за зубами (т.е. между примерно 7 и примерно 9), чем в сравнительном образце 1 (сравнительные образцы и образцы Примеров 1-10 были исследованы на дзета-потенциал методом ESA в Colloid Measurements LLC Systems).
Таблица 3
Дзета-потенциалы
Образец
Дзета-потенциал (при рН 8,0)
% снижения дзета-потенциала по сравнению со сравнительными образцами
Сравнительный 1
-41,5
не определяли
Пример 1
-40,4
2,65
Пример 2
-38,5
7,23
Пример 3
-39,6
4,58
Пример 4
-38,4
7,47
Пример 5
-34,2
17,59
Пример 6
-29,4
29,16
Сравнительный 3
-55,8
не определяли
Пример 7
-38,3
31,36
Пример 8
-33,8
39,42
Пример 9
-33,1
40,68
Пример 10
-44,3
20,61
Сравнительный 4
-38,2
n/a
Сравнительный 5
-37,3
2,36
Было обнаружено, что присутствие металлического аддукта влияет на величину отрицательного заряда на поверхности диоксида кремния.
Далее определяли сродство полученных образцов диоксида кремния к бычьим зубам (которые аналогичны зубам всех млекопитающих) с использованием атомно-силовой микроскопии для измерения сил адгезии. Использование атомно-силовой микроскопии (“АСМ”) является новым методом для этих целей. Поскольку ее развитие началось более 20 лет назад (см. Binnig, G.; Quate, F. F. Phys. Rev. Lett., 56, 930 (1986)), АСМ использовали для широкого круга технических задач, включая такую область как микроэлектроника (например, см. Douheret et al., Progress in Photovoltaics: Research и Applications, 15, 713, 2007), химия [например, S. Manne et al., Science, 251, 183 (1991)] и особенно биологические науки [см. особенно В. Drake et al., Science 243, 1586 (1989)]. Разносторонность методов АСМ обусловлена рядом факторов, среди которых тот факт, что АСМ, в отличие от неоптических микроскопий, таких как электронная или трансмиссионная электронная микроскопия (“ЕМ” или “ТЕМ”) и сканирующая электронная микроскопия (“SEM”), не требует вакуума и специальной обработки образцов (например, напыления или покрытия проводящим слоем материала). АСМ также уникальна по ее способности обеспечить истинные трехмерные измерения и изображения.
Подготовка образцов для АСМ состояла в прессовании диоксида кремния в виде таблетки размером 1,25 дюймов с использованием таблеточного пресса модели Angstrom (40000 фунтов, время выдерживания - 3 минуты). Полученную таблетку затем устанавливали на диск для образцов размером 15 мм с использованием двухсторонней клейкой полоски. Затем подготовленный образец устанавливали на XY-сканере АСМ либо с использованием магнитного держателя образцов, либо в вакуумный держатель прямо на сканер.
Бычьи зубы были получены из Университетской стоматологической школы Индианы в растворе тимола. Перед использованием их стерилизовали в автоклаве и хранили в этаноле. Перед любыми операциями разрезания или измельчения зубы сушили. Иглы кантилеверов для АСМ (тип DNP, кантилевер A, k=0,58 Н/м номинал) готовили путем заточки бычьего зуба высокоскоростной насадкой Dremel #191 вращающегося аппарата Dremel 400|XPR. Для помещения капли эпоксидной смолы (супербыстроотверждаемая смола Elmers Pro Bond) на конец кантилевера использовали одиночную медную проволоку (Hex-Wix Fine Braid, # W76-10). Другой кусок медной проволоки использовали для выбора кусочка зуба (примерно сферического, грубо ~ 20-30 мкм в диаметре) и помещали его на каплю эпоксидной смолы. Затем кантилевер АСМ сушили при комнатной температуре в течение ночи.
Иглу кантилевера АСМ помещали на стандартный держатель (держатель кантилевера модели Veeco Model # DCHNM) или в жидкостный держатель (жидкостный держатель кантилевера модели Veeco Model # DTFML-DD), и устанавливали на головку сканирующего зонда (SPM) АСМ. Все измерения проводили согласно инструкциям производителя и с использованием цифрового прибора Dimension 3100, установленного внутри акустического колпака для виброизоляции. Прибор работает под управлением программы NanoScope Ilia версии 4.32r3. Все данные экспортированы в единицах В и преобразованы для получения силы в нН в электронной таблице. Преобразование выполняли с использованием следующего уравнения, представленного в инструкции пользователя Veeco Dimension 3100:
-1
-1
Сила (нН)=Отклонение (В)×Чувствительность отклонения (нм·В)×k (нН·нм),
где отклонение - это отклонение, измеренное на кривой силы, чувствительность отклонения - это наклон кривой отклонения против напряжения Z, когда образец находится в контакте, и k - это постоянная пружины кантилевера.
Измерения выполняли как в воздушной, так и в жидкой среде. В случае жидкой среды использовали жидкостный держатель кантилевера для АСМ. Для устранения вариаций, которые могли иметь место из-за различия констант пружины у различных кантилеверов и/или различий размера и формы фрагментов зубов, присоединенных к кантилеверам, использовали один и тот же кантилевер для всех измерений в конкретном эксперименте. Оценивали сравнительный образец 1 и диоксид кремния, полученный в Примере 6. Для упрощения силы адгезии для сравнительных образцов принимали за 100%, а значения для Примеров устанавливали соответственно. Результаты представлены в Таблице 4
Таблица 4
Измерение сил адгезии
Образцы
Сила адгезии
В воздухе
В жидкости
Сравнительный 1
100
100
Пример 6
219
135
Было обнаружено, что образец согласно изобретению Примера 6, содержащий алюминиевый аддукт, имеет большую силу адгезии к фрагменту бычьего зуба при измерениях в воздухе и жидкости.
2
2
2
3
Для того, чтобы дополнительно проверить, что эти результаты действительно подтверждают то, что эти эффекты являются результатом сил притяжения между частицами зубов на кантилевере и частицами диосида кремния, провели испытание, при котором использовали имеющиеся в продаже кантилеверы. В качестве субстрата использовали рассеченные кусочки бычьих зубов размером примерно 1×1 мм с канальцами, ориентированными примерно под углом 90º к поверхности. Были выбраны два различных кантилевера, один - модифицированный сферической частицей SiO размером 5 мкм (NovaScan PT.SiO.SI.S) и другой - модифицированный сферической частицей АlО размером 5 мкм (NovaScan PT.CUST.SI), и проведены измерения сродства. Результаты этих измерений представлены в Таблицах 5 и 6.
Было обнаружено, что использование частиц алюминия повысило сродство по сравнению с частицами диоксида кремния как в воздушной, так и в жидкой среде. Следует отметить, что для АСМ-измерений образцов в каждой из Таблиц 4, 5 и 6 использовали различные кантилеверы, поэтому очевидная разница в результатах обусловлена различиями самих кантилеверов.
Таблица 5
Измерения силы адгезии
Сила адгезии
В воздухе
В жидкости
SiO<sub>2</sub>
100
100
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
232
285
Таблица 6
Сила адгезии в зависимости от количества металлического аддукта
Образец
% Al аддукта
Сила адгезии в воздухе
Сравнительный 1
0,077
100
Пример 1
0,110
87
Пример 2
0,150
113
Пример 3
0,390
124
Пример 4
0,730
84
Пример 5
1,540
115
Пример 6
1,960
156
Для исследования влияния загрузки аддукта проводили испытания образцов диоксида кремния с увеличивающейся загрузкой аддукта. Физический и химический анализ этих образцов представлен в таблицах 1 и 2, результаты определения сродства методом АСМ представлены в Таблице 6. Было обнаружено, что материал из Примера 6 имел самое высокое сродство к игле кантелевера, модифицированного бычьим зубом, и что вообще добавление алюминиевого аддукта повышало сродство диоксида кремния к частицам зубов.
Для исследования эффектов различных аддуктов готовили образцы следующим образом. 410 мл силиката (13,3%, 1,112 г/мл, молярное соотношение 3,32) загружали в реактор и нагревали до 85ºС при перемешивании со скоростью 300 об/мин. Затем одновременно добавляли силикат (13,3%, 1,112 г/мл, молярное соотношение 3,32) и серную кислоту (11,4%, 1,078 г/мл) со скоростью 82,4 мл/мин и 24 8 мл/мин в течение 47 минут. Через 47 минут поток силиката останавливали и рН доводили до 5,5 путем продолжения добавления кислоты. После достижения рН 5,5 оставляли реакционную смесь для протекания реакции в течение 10 минут при 90ºС. Через это время реакционную смесь фильтровали, промывали приблизительно 6 л деионизированной воды, сушили при 105ºС в течение ночи.
Эти образцы диоксида кремния тестировали на присутствие некоторых других оксидов металлов с концентрациями, представленными в таблице 7. Также были измерены некоторые другие физические свойства этих материалов, результаты представлены в таблице 8.
Таблица 7
Присутствие оксидов металлов
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub> (ррm)
CaO (ррm)
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (ррm)
MgO (ррm)
Na<sub>2</sub>O (ррm)
TiO<sub>2</sub> (ррm)
Сu (%)
Zn (%)
Sn (%)
Сравнительный 3
--
--
--
616
37
245
81
2,36%
119
Пример 7
604
131
191
99
1,13%
117
1,39%
--
--
Пример 8
638
140
198
95
2,33%
117
--
--
3,63%
Пример 9
646
35
200
70
1,17%
116
--
2,78%
--
Пример 10
753
58
1,95%
99
2,55%
123
--
--
--
Таблица 8
Физические свойства различных осажденных материалов из диоксида кремния
Образец
Площадь поверхности по ЦТАБ (м<sup>2</sup>/г)
Абсорбция масла (см<sup>3</sup>/100г)
BET (м<sup>2</sup>/г)
5% рН
Сравнительный 3
60
40
99
9,25
Пример 7
69
48
107
8,95
Пример 8
54
38
93
9,40
Пример 9
53
30
105
8,30
Пример 10
58
47
94
9,80
Образцы прессовали в таблетки и анализировали методом АСМ, описанным выше. Было обнаружено, что материалы из диоксида кремния, содержащие металлические аддукты, имели более высокую адгезию, чем сравнительные из диоксида кремния, приготовленные без металлических аддуктов (либо только со следовыми количествами аддуктов). В частности, все материалы из диоксида кремния с 1,4% Сu, 3,6% Sn и 2,0% Al показали силы адгезии выше, чем диоксид кремния сравнительного образца 3, не содержащий аддуктов.
Таблица 9
Измерение сил адгезии
Аддукт
Сила адгезии в воздухе
Сравнительный 3
нет
100
Пример 6
2,0% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
325
Пример 7
1,4% Сu
325
Пример 8
3,6% Sn
297
Пример 9
2,8% Zn
230
Пример 10
2,0% Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
183
Для дополнительного подтверждения результатов, полученных с применением метода АСМ, были проведены дополнительные эксперименты с помощью теста на сродство в растворе.
Бычий зуб разрезали пополам по его длине инструментом Dremel 400|XPR, оборудованном гибким валом и алмазным диском №545. Затем эмаль счищали с поверхности зуба, чтобы обработать дентин тем же инструментом Dremel, снабженным абразивным камнем №8193 из оксида алюминия. После снятия эмали до дентина поверхность шлифовали наждачной бумагой с зернистостью 200 и 400 (наждачная бумага с карбидом кремния McMaster-Carr). Затем дентин полировали суспензией 50% диоксида кремния (US Silica). Затем его промывали деионизированной водой, снова полировали суспензией 50% карбоната кальция (HUBERCAL 950). После полировки образец зуба облучали ультразвуком в течение 2 минут в 0,5 М растворе HCl и промывали деионизированной водой.
2
Тефлоновую ленту разрезали до половины длины и оборачивали ей среднюю часть отполированного образца зуба с получением двух открытых зон и одной закрытой. Закрытую зону использовали в качестве контроля в процессе тестирования. Зуб захватывали пинцетом вдоль его боковой стороны и погружали в водную суспензию диоксида кремния (10,0 г диоксида кремния, стакан на 150 мл, 90 мл деионизированной HO), которую перемешивали магнитной мешалкой Thomas Magnematic 15 модели, установленной на значении 5, в течение 4 минут. В течение этого времени зуб двигался в суспензии, причем дентин был ориентирован во входящий поток частиц диоксида кремния. По истечении времени перемешивания зуб вынимали из раствора и промывали деионизированной водой в течение 2 секунд в бутыли на 500 мл со шприцеванием. После промывки рассеченный зуб сушили при комнатной температуре. После сушки тефлоновую ленту осторожно снимали, и зуб анализировали на сканирующем электронном микроскопе (SEM).
Сравнительный образец 1 и образец Примера 6 анализировали с помощью теста на сродство в растворе. Тесты повторяли несколько раз, результаты представлены на фиг.2 (Сравнительный 1) и фиг.3 (Пример 6 с диоксидом кремния). На фиг.2 и 3 фотографии с левой стороны показывают закрытую зону зуба, фотографии в центре - граничную область между закрытой и открытой зонами, фотографии с правой стороны показывают открытую зону зуба.
Было обнаружено, что зуб, обработанный диоксидом кремния по Примеру 6 (2% алюминиевого аддукта), имел большую зону покрытия, чем Сравнительный образец 1, обработанный без аддукта. Эти результаты, полученные с помощью теста на сродство в растворе, согласуются с результатами теста на сродство с использованием АСМ в том, что диоксид кремния с аддуктом является более эффективным для закрытия канальцев в зубах млекопитающих.
Изготовление средства для ухода за зубами и анализ его воздействия на поверхность зуба
Образцы согласно изобретению, выбранные из приготовленных, как описано выше, вводили в средства для ухода за зубами с соответствии с информацией, представленной в таблице 10.
Таблица 10
Композиции средств для ухода за зубами
Компонент
Композиция
1
2
3
4
5
6
Глицерин, 99,5%
11,600
11,600
11,600
11,600
11,600
11,600
Сорбит, 70,0%
41,320
41,320
41,320
41,320
41,320
41,320
Деионизированная вода
18,097
18,097
18,097
18,097
18,097
18,097
Carbowax 600 (полиэтиленгликоль)
3,000
3,000
3,000
3,000
3,000
3,000
Cekol 2000 (КМЦ высокой степени очистки)
0,600
0,600
0,600
0,600
0,600
0,600
Тетраанатрий пирофосфат
0,440
0,440
0,440
0,440
0,440
0,440
Сахарин натрия
0,200
0,200
0,200
0,200
0,200
0,200
Фторид натрия
0,243
0,243
0,243
0,243
0,243
0,243
Загуститель
Zeodent-165<sup>∗</sup>
5,000
5,000
5,000
5,000
Сравнительный образец 4 [Zeothix 177<sup>∗</sup>]
5,000
Сравнительный образец 5 [Zeothix 265<sup>∗</sup>]
5,000
Абразив
Zeodent 113<sup>∗</sup>
17,000
12,000
12,000
17,000
17,000
12,000
Сравнительный образец 1
5,000
Пример 6
5,000
Сравнительный образец 2
5,000
ЛаурилсульфатНатрия
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
Корригент
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
Всего
100,000
100,000
100,000
100,000
100,000
100,000
<sup>∗</sup>ZEODENT и ZEOTHIX - осажденные материалы из диоксида кремния от компании J.M. Huber Corporation.
Эти композиции были проанализированы на загущающую способность для определения того, будут ли материалы согласно изобретению с малыми частицами обеспечивать достаточную вязкость в средствах для ухода за зубами, если они будут включены с абразивным осажденным диоксидом кремния (Zeodent 113). Определенные значения вязкости представлены в таблице 10. Эти результаты показывают, что не наблюдается различий в загущающей способности при использовании осажденных материалов из диоксида кремния, обработанных аддуктом (не все композиции были измерены на вязкость при каждом интервале времени как отмечено ниже).
Таблица 11
Данные по вязкости средств для ухода за зубами (×1000 сПз)
Образец
№ композиции
1
2
3
4
5
6
Время (дни)
Сравнитель-ный 1
Сравнитель-ный 4
Сравнитель-ный 5
Сравнительный 2
Контроль
Пример 6
1
---
---
---
---
---
239
3
252
272
283
306
276
---
7
275
290
314
346
300
305
21
353
353
386
388
380
---
42
406
388
468
510
419
---
Для определения влияния размеров частиц на способность осажденных материалов из диоксида кремния согласно изобретению закрывать дентинные канальцы, а также на способность этих материалов выходить из средств для ухода за зубами в поверхность зубов (и заполнять канальцы), были предприняты следующие тесты, аналогичные тесту на сродство в растворе, описанному выше, однако результаты были показаны через 1 минуту чистки зубов 2 граммами средства для ухода за зубами (из Таблицы 9), которое наносили на бычьи зубы (далее -“ тест на сродство средства для ухода за зубами”). В том же тесте на сродство в растворе, описанном выше, кусочек ленты из TEFLON (DuPont) размером полдюйма разрезали вдоль и оборачивали им середину зуба, обеспечивая 3 зоны - 2 открытых и одну закрытую. Закрытая зона - это внутренний стандарт в процессе тестирования.
Оценивали 5 образцов в тесте на сродство средства для ухода за зубами: один контрольный образец, Сравнительный образец 1, Пример 6, Сравнительный образец 4, Сравнительный образец 5. На фиг.1 - 5 показаны результаты этого теста на сродство средства для ухода за зубами. Зоны зубов чистили щеткой (мягкой обычной щеткой фирмы Oral-B) с использованием средства для ухода за зубами в течение 1 минуты. После чистки зуб промывали деионизированной водой до тех пор, пока не оставалось видимого остатка на зубе (примерно 10 секунд).
Краткое описание фигур
На всех фигурах 1-6 изображения представлены следующим образом: 1) фотографии с левой стороны показывают закрытую зону зуба, 2) фотографии в центре - граничную область между закрытой и открытой зонами, и 3) фотографии с правой стороны показывают открытую зону зуба.
Изображения на фигурах 1-6 показывают, что материалы из диоксида кремния согласно Примеру 6 (Фиг.3) демонстрируют большее сродство и покрытие дентинной поверхности, а также области вокруг и внутри канальцев, по сравнению с контрольным и сравнительными образцами. Эти данные хорошо коррелируют с данными, полученными с использованием АСМ, в том, что диоксид кремния, обработанный аддуктом, лучше подходит для закрытия канальцев зубов, и также с тестом на сродство в растворе, который показал то же явление. Фигуры 1 и 2 показывают весьма небольшое покрытие такого типа, или вообще его не показывают. Фигуры 4 и 5 показывают большую степень покрытия, чем фигуры 1 и 2. Кроме того, примеры с меньшим размером частиц (фигуры 3-5) обеспечивают явно большую степень покрытия, чем на фиг.6 (частицы диоксида кремния, обработанные металлическим аддуктом, большего размера). Даже с присутствующим металлическим аддуктом размеры частиц являются слишком большими, чтобы обеспечить достаточное покрытие внутри дентинных канальцев; наблюдалась только определенная степень адгезии к дентинной поверхности. Как видно на фиг.6, только некоторые мелкие частицы, присутствующие наряду с более крупными частицами, действительно проходят внутрь некоторых канальцев. Однако большая часть частиц слишком крупная, чтобы она могла обеспечить достаточный эффект закрытия канальцев. Фиг.6, в частности, показывает, что только должный гранулометричсекий состав может обеспечить результат, который заключается в доставке большого количества материала из диоксида кремния, его адгезии и заполнении дентинных канальцев для снижения чувствительности зубов.
Хотя изобретение описано подробно в отношении его конкретных вариантов, предполагается, что специалистами в данной области техники могут быть сделаны различные изменения, вариации и эквиваленты этих вариантов. Соответственно, объем изобретения выражен формулой изобретения и любыми ее эквивалентами.