background image

Dental Chemistry 

 

ProfDr. Amer A. Taqa 

Cements 
Classification of materials in dentistry 
The materials may be classification as follows:  
a-acid base reaction cement
 
b- polymerizing materials 
1-acrylic polymer 
2-cyanoacrylates 
3-dimethacrylate polymers 
4-polymer-ceramic composites 
C-other materials
 
1-calicium hydroxide 
2-Gutta percha 
3-varnishes 

Acid base reaction cements 
Chief constituents 
Dental cements are formulated as powders and liquid. 
 The powders are amphoteric or basic (proton acceptors) and the 
liquid are acid or proton donors.
 
On mixing the two together a viscous paste is formed, which 
subsequently hardens to a solid mass.  The cements can be classified 
by the nature of the cement powder.
 

a/ Zinc oxide: this can react with a range of liquids as detailed later. 
b/  Ion –leachable glasses, particularly fluorine containing  
aluminosilicate.
 

 

 


background image

General reactions: 
A cement reaction is the interaction between an acid and base in 
general
 
MO+H

2

A→MA+H

2

O 

  
MOXSiO

2

+H

2

A →MA+XSiO

2

+H

2

O 

Table: chief constituents of acid –base reaction cements 

Cement 
powder
 

(proton 
acceptor)
 

Cement 
liquid
 

(proton 
donor)
 

Type of cement  Related materials 

Zinc oxide 

Eugenol 

Zinc oxide-
eugenol(ZOE)
 

EBA cement 

Zinc oxide 

Aqueous 
solution of 
phosphoric 
acid
 

Zinc phosphate  Copper and silver 

cement 

Zinc oxide 

Aqueous 
solution of 
poly 
acrylic 
acid
 

Zinc 
polycarboxylate 
or polyacrylate
 

Poly acrylic acid may 
be in solid form as a 
powder components
 

Fluorine 
containing 
aluminosilicate 
glass
 

Aqueous 
solution of 
phosphoric 
acid
 

Silicate cement  Silicaphosphatcement 

Fluorine 
containing 
aluminosilicate
 

Aqueous 
solution of 
poly 
acrylic 
acid or 
polymer
 

Glass-ionomer   


background image

General structure 
Set cements are heterogeneous, only part of the powder   reacts with  
the liquids and the final set material  is composed of a core un 
reacted powder surrounded by a matrix of reaction products, i.e. the 
gel-salt.
 
  
Requirements of cements 
1-They should be non-toxic, and non irritant to the pulp and other 
tissues.
 
2-Insoluble in saliva and liquid taken into the mouth. 
3-Mechanical properties: these must meet the requirements for their 
particular applications, for example , for a cavity lining , a cement 
should develop sufficient strength rapidly to enable a filling materials 
to be packed on it.
 
4-Protection of the pulp from effect of other restoration materials 

Zinc phosphate cement 

The compositions  of powder and liquid in a typical cement are given 
in table:
 

Powder   ZnO                                                                         90% 

            Other metallic oxide                                                   10% 

Liquid aqueous solution of phosphoric acid                        50-60% 

 Al

3

(PO

4

)

2

                                                                         up to 10% as 

buffers 

Zn

3

(PO

4

)

2

 

 

Setting reaction 
On mixing the powder and liquid together a vigorous reaction 
occurs, resulting in the formation of a relatively insoluble zinc 
phosphate
 
   3ZnO+2H

3

PO

4

 +H

2

O →Zn

3

(PO

4

)

2

 +4H

2

O 

Only the surface layers of the zinc oxide particles react leaving 


background image

unconsumed cores bound together by the phosphate matrix (the 
reaction is exothermic)
 

Copper cements 
These are similar to phosphate cement except that the powder 
contains a copper compound in addition to zinc oxide. If copper (I) 
oxide (copprous oxide) is used, the cement is red, while 
copper(II)oxide(cupric oxide) gives black materials.
 
The black copper cements have the following properties 
1-Their effect on the pulp may be even greater than that of an 
unmodified phosphate cement.
 
2-They are considered to be bactericidal, so have been used to 
prolong the life of deciduous teeth. If all the carious tooth substance 
cannot be removed.
 
They are sometimes used in  the cementation of splints and fixed 
orthodontic appliances.
 
Silver cements 
Same phosphate type cements contain silver salt in an endeavor to 
render there bactericidal.
 

—  Cements based on zinc oxide 

—  Zinc oxide-eugenol and related materials 

—   Composition 

—  a-powder 

—  Zinc oxide 

—  Magnesium oxide may be present in small quantities, it react with 

eugenol in a similar manner to zinc oxide. 

—  Zinc acetate( or other salts) in quantities up to about 1%, are used 

accelerators for the setting reaction. 

—   b-liquid 

—  Eugenol, the major constituent of oil of cloves. 

—  Olive oil, up to 15%. 

—  Some times acetic acid , to act as an accelerator. 


background image

Setting reaction 

One or both of two things may occur on mixing the powder and liquid: 

—  Chemical reaction, to form a compound called zinc eugenolate. 

The reaction between zinc oxide and eugenol begins gives the structural 
formula of eugenol.  The basis of the reaction is that the phenolic –OH of 
the eugenol act as a weak acid and undergoes an acid –base reaction with 
zinc oxide to form a salt, zinc eugenolate, as follows: 

—  2C

10

H

12

O

2

  + ZnO                         Zn(C

10

H

11

O

2

)

2

   +H

2

—   Two molecules of eugenol reacts with zinc oxide to form the salt. 

The structural formula of zinc eugenolate. 

—  The ionic salt bonds are formed between zinc and the phenolic 

oxygen of each molecule of eugenol. Two further co-ordinate 
bonds are formed by donation of pairs of electrons from the 
methoxy oxygens to zinc. These bonds are indicated by the arrows 
in figure 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Complex of  zinc eugenolate 

 

—  Absorption of the eugenol by the zinc oxide may also occur other 

factors to be noted are: 


background image

—    

—  1-the setting reaction between pure zinc oxide and pure eugenol, 

will not occur in the absence of water. Thus , a mixture of zinc 
oxide and eugenol, without add(accelerators), can be kept in a 
desiccators for several days without undergoing much change. 

—       2- the set materials contains both some unreacted  oxide and 

eugenol. 

—    

—  Setting time 

—  This depends on 

—  The powder ( its method to preparation, the particles size of the 

powder 

—  The accelerating additives 

—  The powder/liquid ratio a thicker mixing gives a faster setting 

materials. 

—  Exposure to moister on mixing or the addition of water will 

accelerator  the reaction. 

—  An increase in temperature also causes faster setting. 

—   Properties of cement 

—   All the cement(include ZOE) must be  have the following 

requirements 

—  Effect on the pulp is small, thus the material  has been 

recommended for use in deep cavities near the pulp. 

—  Chemical properties: the solubility of the set cement  in water  is 

high- by the far the highest off all dental cements-mainly due to the 
elution of eugenol. 

—  Mechanical properties: (ZOE cement)these are the weakest of all 

the cement(except calicium hydroxide). 

—  Protection of the pulp. 


background image

—  Optical properties. 

—  Adhesion : ZOE cement do not adhere to enamel and dentine. This 

is one reason why they are not frequently used for the final 
cementation  of dental restoration 

—  ZOE cement are bacteriostatic  and abundant. 

—  Thermal insulation: a cement is used under a large metallic 

restoration (e.g. amalgam) to protect the pulp from temperature 
changes. 

—  Chemical protection : a cement should be able to prevent 

penetration into the pulp of harmful chemicals from the restorative 
material. 

—  Electrical insulation under a metallic restoration to minimize 

galvanic effects. 

—  Optical properties: for cementation of translucent restoration (for 

example, a porcelain crown) the optical properties of the cement 
should parallel these of tooth substance. 

—  A cement should ideally be adhesion to enamel and dentine, and to 

gold alloys, porcelain and acrylic, but not to dental instruments. 

—  A cement should be bacteriostatic if inserted in a cavity with 

residual caries. 

—  Cement should be have an abundant   effect on the pulp. 

—  Rheological properties are important, a luting cement should have 

sufficiently low viscosity to give a low film thickness and should 
have a adequate working time at mouth temperature to prevent 
placement of the restoration 

—  Dental amalgam 

  
An amalgam consist of a mixture of two or more metals, one of 
which is mercury combined with a powdered silver-tin alloy. 
Mercury is a liquid at R.T. and is able to form a workable mass 
when mixed with the alloy.  This behavior renders the material 


background image

suitable for use in dentistry. 
The reaction between mercury and alloy which follows mixing is 
termed an “amalgamation’ reaction .  dental amalgam is the most 
widely used of all the available filling materials. 
 

Chemical composition 
  
Mercury used in dental amalgam is purified by distillation, this ensure the 
elimination of impurities which would adversely affect the setting 
characterization and physical properties of the set amalgam. 
The composition of the alloy powder particles varies from one product to 
another.  Many alloys conveniently described as “conventional alloys” 
have a composition in which the concentration of the component metals 
are given in table: 
  

Composition of conventional  amalgam alloy 

Metals 

Wt% 

Silver 

65 

Tin 

29 

Zinc 

6 max 

copper 

2max 

Mercury 

3 max 

 

—  The quantities of silver and tin specified ensure a preponderance of 

the silver/tin inter metallic compound  Ag

3

Sn, this compound 

known as the δ (gamma) phase of the silver-tin system, is formed 
over only a small composition range and is particularly 
advantageous since it readily undergoes an amalgamation reaction 
with mercury. 

  


background image

—  The role of zinc is a “scavenger” during the production of the alloy.  

The alloys is formed by melting all the constituents metals 
together.  At the elevated temperatures required for this purpose 
there is a tendency for oxidation to occur. 

—  Oxidation of tin, copper or silver would seriously affect the 

properties of the alloy and amalgam.  Zinc reacts rapidly and 
preferentially with the available oxygen, forming a slag of zinc 
oxide which is easily removed.  many alloys and oxidation during 
melting is preventing by carrying out majority in an inert 
atmosphere. 

—  The majority of alloys powders contain no mercury .  those product 

containing up to 3%.  Mercury are called pre-amalgamated alloys.  
They are said to react more rapidly when mixed with mercury. 

—  The reactions which take place when alloys powder and mercury 

are mixed is complex.  Mercury diffuses into the alloys particles, 
very small particles may become totally dissolved in mercury.  The 
alloys structure of the surface layer is broken down and the 
constituent metals undergo amalgamation with mercury.  The 
reaction products crystallize to give new phase in the set amalgam.  
A large quantity  of the initial alloys remains unreacted at the 
completion of setting.  The structure of the set materials is such 
that the unreacted cores of alloy particles remain embedded in a 
matrix of reaction products. 

—  In simplified terms, the reaction for conventional amalgam alloys 

may be given by the following unbalanced equation   

—    

—               Ag

3

Sn +Hg                     Ag

2

Hg

2

 +Sn

x

Hg +Ag

3

Sn 

—  Or             δ         Hg                         δ

1

   +     δ

2

       +  δ  

—    

—  The primary reaction products are a silver-mercury phase (the δ

1

 

phase) and a tin –mercury phase(the δ

2

 phase) .  the δ

2

 phase has a 

rather imprecise structure and the value of X in the formula Sn

x

Hg 


background image

may vary from 7 to 8.  The equation emphasizes the fact that 
considerable quantities of unreacted alloy (δ phase)  remain 
unconsumed. 

  

—  For copper –enriched alloys the reaction may be presented by  

  

—  Ag

Sn     + Cu   +Hg            Ag

2

Hg

3

   +  Cu

6

Sn

5

   +Ag

3

Sn 

Or 

      δ       +     Cu  + Hg             δ

1

  + Cu

6

Sn

5

  + δ 

—  the essential difference between this and the reaction for 

conventional alloys is the replacement of the tin-mercury, δ

2

 phase 

in the reaction product with a copper-tin phase.   

—  In the case of the dispersion-modified, copper-enriched material. It 

is believed that the particles  of conventional lathe-cut alloy 
initially reacts to form δ

1

 and δ

2

 phases.  The δ

2

 phase than reacts 

with copper from the silver-copper eutectic spheres to form the 
copper- tin phase. Thus in these materials, the δ

2

 phase exists as an 

intermediate reaction product for a short time during setting. 

—  The reaction rate is quite slow and some times takes several days 

or even weeks to reach completion. This is reflected in the rate of 
development of mechanical properties. 

  

—  Amalgamation and resulting structure(Low copper)  

—    

—   Amalgamation occurs when mercury comes into contact with the 

surface of Ag-Sn alloy particles.  When a powder is triturated, the 
silver and tin in the outer proton of the particles dissolve into 
mercury. At the same time mercury diffuse into the alloy particles.  
The mercury has a limited solubility for silver  (0.035wt%) and tin 
(0.6wt%). 


background image

 

 

  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammed AGHA
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 206 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل