陸夢嬌，沈 君，任志偉，孫 賓，王瑞莉，江曉澤，朱美芳

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 201620)

隨著生活質(zhì)量和個人審美的不斷提高，齲病的治療重要性不言而喻。作為最直接的牙齒缺損的填補(bǔ)修復(fù)，通用型齒科修復(fù)復(fù)合樹脂以其色澤美觀、操作簡便以及生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代銀汞合金成為齒科修復(fù)的重要材料。這類修復(fù)材料在臨床應(yīng)用中雖已取得極好的治療效果，但主要修復(fù)對象是缺損面積較大的牙體修復(fù)，而對于牙齒中存在的一些難以填充的小型缺損、預(yù)防性修復(fù)中的頜面小面積齲齒及較狹窄區(qū)的齲齒，難以發(fā)揮其作用，迫切需要研發(fā)出專用于這類面積小的牙體修復(fù)材料，因此，具有一定流動性的齒科修復(fù)流動復(fù)合樹脂的研究逐步成為這類研究中的熱點(diǎn)。

流動復(fù)合樹脂是一種低黏度、流動性好的復(fù)合樹脂材料。為了適應(yīng)修復(fù)面積小或者位置難修復(fù)的牙體修復(fù)，與通用復(fù)合樹脂相比，這類樹脂通常采取的策略是減少樹脂的無機(jī)填料填充量和增加有機(jī)基體含量[1]，從而使其黏度降低，流動性和貼合性增強(qiáng)，能夠進(jìn)入細(xì)小的裂隙或角落，與洞壁良好地貼合[2]。這樣的方法雖然實(shí)現(xiàn)了缺損的修復(fù)，但同時也存在問題：無機(jī)填料含量的降低引起修復(fù)材料的機(jī)械性能降低以及大量有機(jī)單體聚合后的體積收縮增加，限制了流動樹脂的應(yīng)用[3]。為了實(shí)現(xiàn)并改善流動復(fù)合樹脂的應(yīng)用，在維持可接受的強(qiáng)度性能下，大幅度降低修復(fù)材料的聚合收縮，避免收縮引起的再次齲齒問題，是一項持續(xù)且必須克服的挑戰(zhàn)。

近年來，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，無機(jī)填料的組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及三維形貌對齒科修復(fù)樹脂的性能影響規(guī)律研究已取得不斷深入和突破，大量高強(qiáng)度的齒科修復(fù)樹脂已得到廣泛報道，但對于低聚合收縮率的樹脂研究相對較少，尤其超支化分子引入到有機(jī)基體內(nèi)，探索其對超支化基修復(fù)樹脂的性能影響規(guī)律還有待加強(qiáng)深入?；诖?，本研究在合成出含12個羥基的二代超支化聚酯基礎(chǔ)上，用反應(yīng)活性更高的甲基丙烯酸異氰基乙酯對其進(jìn)行改性，得到端基全部含有雙鍵的不飽和超支化聚酯，將其引入到傳統(tǒng)齒科修復(fù)樹脂Bis-GMA/TEGDMA有機(jī)基體體系中，并與機(jī)械性能優(yōu)異的微納米二氧化硅[4]混合制成可流動齒科修復(fù)復(fù)合樹脂，探究超支化分子的加入對齒科流動修復(fù)樹脂的聚合收縮率、雙鍵轉(zhuǎn)化率、機(jī)械性能、吸水溶解性及生物相容性的影響。

1 試 驗

1.1 原料

季戊四醇、對甲苯磺酸、甲基丙烯酸異氰基乙酯、雙酚A-甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、二甲基丙烯酸三乙二醇酯(TEGDMA)、樟腦醌、4-乙基(二甲氨基)苯甲酸和γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷均為分析純，購于美國Sigma-Aldrich公司；納米SiO2(20 nm)，上海泰坦科技股份有限公司；微米級SiO2(1 μm)，浙江通達(dá)威鵬電器有限公司。

1.2 設(shè)備

雙中心混合分散機(jī)，DAC 150.1 FVZ-K型，德國Hauschild公司；三輥研磨機(jī)，80E型，德國Exart公司；光固化燈，SLC-Ⅷ B型，杭州四方醫(yī)療器械有限公司；核磁共振儀，Avance 600型，瑞士Bruker公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet 8700型，美國Nicolet公司；哈克流變儀，RS150L型，德國HAAKE公司；密度天平，AL/AB-N型，美國梅特勒-托利多公司；電子萬能材料試驗機(jī)，INSTRON 5969型，美國Instron公司。

1.3 超支化聚酯的合成及改性

1.3.1 超支化聚酯的合成

采用準(zhǔn)一步法合成含12個端羥基的二代超支化聚酯。在燒瓶加入5 g(0.037 mol)季戊四醇，28.31 g(0.148 mol)支化單體N，N-二羥乙基-3-氨基丙酸甲酯(實(shí)驗室自制)和0.14 g(單體質(zhì)量的5‰)催化劑對甲苯磺酸，升溫120 ℃反應(yīng)3 h后，在40 ℃下旋蒸1 h，抽真空30 min除去生成的甲醇；繼續(xù)滴加28.31 g(0.148 mol)支化單體和0.14 g對甲苯磺酸，得到最終產(chǎn)物超支化聚酯，為黃色透明油狀液體。

1.3.2 超支化聚酯的改性

稱取10 g(7.1 mmol)超支化聚酯溶解在150 mL 氯仿中，待其完全溶解后，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加12.1 mL(85.23 mmol)甲基丙烯酸異氰基乙酯，室溫反應(yīng)24 h。用甲醇清洗除去未反應(yīng)的異氰酸酯后，在30 ℃下旋蒸1 h除去溶劑，得完全改性超支化聚酯HPAE-IEMA，為黃色透明液體，反應(yīng)全程避光。

1.3.3 流動復(fù)合樹脂的制備

首先稱取不同質(zhì)量比的完全改性超支化單體HPAE-IEMA、傳統(tǒng)商業(yè)化單體Bis-GMA和稀釋劑單體TEGDMA作為樹脂基質(zhì)，在磁力攪拌機(jī)上攪拌分散均勻，然后在樹脂基質(zhì)中加入占其質(zhì)量比1%的光引發(fā)劑(引發(fā)劑CQ和助引發(fā)劑4-EDMAB的質(zhì)量比為1∶4)。將表面硅烷化處理的微納米無機(jī)填料分批少量多次加入樹脂基質(zhì)中，用雙中心混合分散機(jī)對復(fù)合樹脂進(jìn)行先低速后高速的預(yù)混，直至樹脂基質(zhì)與無機(jī)填料初步分散混合。再將預(yù)混后的混合物放入三輥研磨機(jī)中進(jìn)一步研磨混合，全程避光處理，即得到所要制備的流動復(fù)合樹脂。流動復(fù)合樹脂中Bis-GMA/TEGDMA比例始終保持為50∶50，無機(jī)填料填充質(zhì)量比為65%，其中微米SiO2與納米SiO2質(zhì)量比為80∶20。

1.4 測試及表征

1.4.1 超支化聚酯結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)表征

核磁共振氫譜分析：對實(shí)驗合成的超支化聚酯以及完全改性后的HPAE-IEMA進(jìn)行核磁共振氫譜分析，標(biāo)定物為四甲基硅氧烷(TMS)，其中超支化聚酯采用氘代氯仿為溶劑，改性后超支化聚酯采用二甲基亞砜(DMSO)為氘代溶劑。

紅外分析：利用傅里葉紅外光譜儀輔助分析合成及改性的超支化聚酯的結(jié)構(gòu)。采用紅外光譜衰減全反射附件(ATR)，波數(shù)范圍525～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32。

黏度分析：使用哈克應(yīng)力流變儀分別測量Bis-GMA、TEGDMA以及改性前后超支化聚酯的動力黏度。頻率范圍0.001～100 rad/s，溫度25 ℃。

1.4.2 流動復(fù)合樹脂性能表征

聚合收縮率(PS)：復(fù)合樹脂的聚合收縮率參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17304—2013進(jìn)行測試，依據(jù)阿基米德原理，通過密度天平，分別測量復(fù)合樹脂在空氣中和溶液中的質(zhì)量得到復(fù)合樹脂固化前后的密度，進(jìn)而計算復(fù)合樹脂的聚合收縮率。

吸水溶解性：將固化脫模后的樹脂圓片用碳化硅砂紙打磨平整。所有樣品圓片在37 ℃烘箱進(jìn)行干燥處理48 h后用天平稱重得到質(zhì)量m0，然后將樣品置于37 ℃去離子水中浸泡7 d，取出擦干水分后稱重得到質(zhì)量m1，再將樣品置于37 ℃烘箱充分干燥7 d，稱重直至得到樣品穩(wěn)定質(zhì)量m2后計算吸水率和溶解率。

機(jī)械性能：復(fù)合樹脂機(jī)械性能樣品制備方法和測試步驟參照ISO 4049—2009。將固化脫模后的樹脂樣條用碳化硅砂紙打磨平整，室溫下放置72 h。利用電子萬能材料試驗機(jī)測試其彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和壓縮強(qiáng)度。

生物相容性：采用MTT法評價流動復(fù)合樹脂對小鼠成纖維細(xì)胞(L929)的細(xì)胞活性。樹脂片消毒后按照ISO 10993—5標(biāo)準(zhǔn)各取3個放入48孔板中，隨后向每孔加入500μL培養(yǎng)基，置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中分別孵育1天、3天和5天。待孵育時間結(jié)束后，加入50μL MTT溶液繼續(xù)培養(yǎng)4 h后終止培養(yǎng)。最后用酶標(biāo)儀在490 nm波長處測定各孔溶液的吸光度數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 超支化聚酯的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)分析

為了制備出流動性好的超支化分子，以N,N-二羥乙基-3-氨基丙酸甲酯為支化前體，以季戊四醇為核，采用準(zhǔn)一步法合成了一種端羥基的超支化聚酯(如圖1)。該超支化分子黏度低，流動性及溶解性好，在多種溶劑中均可良好分散。用甲基丙烯酸異氰基乙酯將超支化分子末端羥基進(jìn)行完全改性(如圖2)，可得到末端12個雙鍵、可流動、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA單體。

2.1.1 核磁及紅外分析

為了驗證合成及改性反應(yīng)的進(jìn)行，超支化分子改性前后的產(chǎn)物分別進(jìn)行核磁氫譜和紅外光譜(如圖3)的表征。經(jīng)過聚氨酯化學(xué)后，甲基丙烯酸酯基團(tuán)被引入到超支化分子中，如核磁圖中δ=1.86，δ=5.67和δ=6.05出現(xiàn)雙鍵特征峰，且各個峰對應(yīng)的積分面積比與分子結(jié)構(gòu)H含量比一致；紅外譜圖1 637 cm-1和816 cm-1處出現(xiàn)丙烯酸酯中雙鍵的特征峰，且2 270 cm-1處沒有—NCO的特征伸縮振動峰，說明甲基丙烯酸酯基成功引入到超支化分子末端，制備出了可光固化的超支化聚酯HPAE-IEMA。

圖1 超支化聚酯的合成路線

圖2 改性超支化聚酯的合成路線

圖3 超支化聚酯改性前后的1H NMR譜圖(a)及紅外光譜圖(b)

2.1.2 黏度分析

黏度是齒科流動復(fù)合樹脂一個非常重要指標(biāo)，其顯示了這類修復(fù)材料的流動性能，決定了其用于小面積牙體缺損的修復(fù)可行性。目前商業(yè)化流動樹脂的黏度范圍為(13～35 Pa·s)，為了維持所制備的流動樹脂也具有類似的黏度特性，首先以常用的Bis-GMA/TEGDMA(質(zhì)量比50∶50，占材料總質(zhì)量含量為35%)有機(jī)基體體系為參比，固定無機(jī)填料填充質(zhì)量比為65%，其中微米SiO2與納米SiO2質(zhì)量比為80∶20，摸索不同含量的超支化分子加入Bis-GMA/TEGDMA體系構(gòu)成混合有機(jī)基體后，測試所制備的樹脂黏度及流動性(如圖4)。為了便于樣品的命名，H代表HPAE-IEMA，B代表Bis-GMA，T代表TEGDMA。50B50T、10H45B45T、15H42.5B42.5T和20H40B40T分別是對應(yīng)有機(jī)基體質(zhì)量比的HPAE-IEMA/Bis-GMA/TEGDMA有機(jī)基體構(gòu)成的樹脂材料，特別說明此處所有樹脂材料都是固定無機(jī)填料質(zhì)量和組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%二氧化硅，微米SiO2與納米SiO2質(zhì)量比為80∶20)。對于樹脂的制備，尤其各自組分含量的添加，必須要考慮到實(shí)際制備工藝混合后所制備材料的狀態(tài)。對于超支化基流動樹脂的具體制備過程中，發(fā)現(xiàn)超支化單體HPAE-IEMA在有機(jī)基體體系中最高添加量僅為20%，當(dāng)添加量超過20%時，樹脂黏度過大(超過40 Pa·s)，流動性很差，樹脂經(jīng)三輥研磨機(jī)研磨混合后變成粉末狀，不能制備成流動樹脂。對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%及以下的超支化基流動樹脂流動性測試結(jié)果顯示：超支化基流動樹脂是切力變稀的，在臨床應(yīng)用中便于樹脂從器械中擠出，且具有較好的流動性。其黏度保持在16～30 Pa·s。

圖4 不同單體填充流動復(fù)合樹脂的黏度

2.2 超支化基流動復(fù)合樹脂的性能分析

齒科修復(fù)樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)換率反映了樹脂在光固化過程中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的完善程度，若轉(zhuǎn)化率過低，會使未反應(yīng)單體不斷析出，引起微滲漏以及過敏反應(yīng)等，機(jī)械性能也會有所下降[5]。圖5(a)是不同含量超支化單體對流動復(fù)合樹脂雙鍵轉(zhuǎn)化率的影響。由圖可知，隨著超支化單體的增加，流動復(fù)合樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率由60%左右略微降低至50%～55%，這是由于超支化分子的球形體積使雙鍵聚合時存在較大位阻，并且單個超支化分子末端含有大量雙鍵，當(dāng)部分雙鍵參與聚合后，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，分子鏈活動性變差，該分子上剩余雙鍵難以完全參與反應(yīng)。雖然超支化分子的引入使流動復(fù)合樹脂雙鍵轉(zhuǎn)化率有所下降，但幅度較小，仍在文獻(xiàn)中報道的雙鍵轉(zhuǎn)換率范圍43%～73%[6]之內(nèi)。

聚合收縮率是齒科修復(fù)流動樹脂的重要指標(biāo)。在光固化過程中，碳碳雙鍵打開變成單鍵，分子間作用距離由遠(yuǎn)程的范德華半徑變?yōu)榱私痰墓矁r鍵鍵長[7]，分子排列更為緊密，所占空間體積減小，從而產(chǎn)生了聚合收縮。聚合收縮過高會造成微滲漏，引發(fā)二次齲齒，導(dǎo)致修復(fù)失敗[8]。據(jù)文獻(xiàn)報道，商業(yè)化流動樹脂的聚合收縮一般為4%～6%[9]。圖5(b)是不同超支化單體含量的流動復(fù)合樹脂的聚合收縮率，隨著改性超支化單體的增加，聚合收縮逐漸降低。超支化分子由于其較高的分子量及較大的分子體積，單位分子量/體積的雙鍵數(shù)量遠(yuǎn)低于線性分子，因此，在聚合時體積收縮對整個體系的影響相對較小，聚合收縮率較低，同時，改性后超支化分子中的氨基甲酸酯基團(tuán)極性較大，內(nèi)聚能密度較高，也有助于降低聚合收縮[10]。當(dāng)添加20%改性超支化單體時，聚合收縮達(dá)到最低值(3.46±0.4)%，比對照組降低了41.46%，也低于國產(chǎn)商業(yè)化登泰克流動樹脂4.33%及進(jìn)口流動樹脂TF(Tetric N-Flow)4.68%。通過分析可證明超支化分子雖然使雙鍵轉(zhuǎn)換率有所降低，但是確實(shí)能夠有效地減小流動復(fù)合樹脂聚合收縮率，這有助于其臨床應(yīng)用及長期服役。

圖5 不同單體填充的流動復(fù)合樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)換率(a)及聚合收縮率(b)

考慮到修復(fù)樹脂服役的長期性，尤其涉及到口腔環(huán)境的獨(dú)特性，所以修復(fù)樹脂的水溶性和吸水性也是非常重要的指標(biāo)參數(shù)，分別反映出從聚合物網(wǎng)絡(luò)中釋放出的未反應(yīng)單體的量，以及從材料中釋放出了較多未參與固化的單體，而這些釋放物都會存在對人體健康產(chǎn)生潛在的危害[11]。圖6為不同超支化單體含量的流動樹脂的吸水性及溶解性。隨著超支化單體含量的增加，由于其中含有大量高極性的氨基甲酸酯基，樹脂的吸水性不斷增加，但仍然遠(yuǎn)低于ISO 4049—2009標(biāo)準(zhǔn)40.0 μg/mm3。而流動樹脂溶解性卻僅為3.54～3.92 μg/mm3，低于對照組，也遠(yuǎn)低于IS0標(biāo)準(zhǔn)7.5 μg/mm3。結(jié)合降低的雙鍵轉(zhuǎn)換率，說明單個超分子上大量的可反應(yīng)雙鍵有利于提高每個分子參與聚合的概率，即使轉(zhuǎn)化率較低，未反應(yīng)的分子也較少，能滲漏出的單體較少。說明超支化分子的引入，的確有利于修復(fù)樹脂材料的結(jié)構(gòu)和組分穩(wěn)定性。

機(jī)械性能也是齒科修復(fù)流動樹脂最重要的指標(biāo)之一，若機(jī)械性能較差，在服役過程中樹脂容易變形甚至被破壞。復(fù)合樹脂的機(jī)械強(qiáng)度很大程度上受無機(jī)填料的影響，同時缺少苯環(huán)的超支化單體機(jī)械性能也較Bis-GMA體系弱，這就導(dǎo)致了超支化基流動樹脂的機(jī)械性能必然會有所下降。圖7為不同含量超支化單體填充流動復(fù)合樹脂的機(jī)械性能。由圖可知，樹脂體系中引入改性后的超支化單體后，流動復(fù)合樹脂的機(jī)械性能有所下降。一方面是因為超支化體系雙鍵轉(zhuǎn)化率稍低，另一方面，超支化分子不含羥基，分子間距離較大，氫鍵作用減弱[12]。其中HPAE-IEMA添加量為20%時，機(jī)械性能最好，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和壓縮強(qiáng)度分別為97.85 MPa、5.92 GPa 和220.45 MPa，高于ISO 4049對混合微填料型樹脂彎曲強(qiáng)度及彎曲模量的最低要求70 MPa 及5 GPa，也高于國產(chǎn)登泰克流動樹脂的彎曲模量3.60 GPa，壓縮強(qiáng)度較Klee等[13]研究的復(fù)合樹脂(200 MPa左右)也更高。這表明雖然超支化聚酯的加入在一定程度上降低了樹脂的機(jī)械性能，但依然維持較好的強(qiáng)度特性，仍然比市售產(chǎn)品的機(jī)械性能優(yōu)異。

圖6 不同單體填充復(fù)合樹脂的吸水性(a)和溶解性(b)

雖然這類超支化基流動樹脂維持較好的強(qiáng)度特性，很低的聚合收縮，但仍需探究其生物相容性，來保證其在口腔服役中的實(shí)際臨床應(yīng)用。圖8為添加超支化單體的流動復(fù)合樹脂與L929(小鼠成纖維細(xì)胞)共培養(yǎng)1天、3天和5天后對應(yīng)的細(xì)胞活力。由圖可得，添加超支化單體的流動樹脂細(xì)胞存活率即使在五天后仍然高于對照組(100%)。根據(jù)ISO 7045標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)胞存活率大于對照組50B50T的75%時即可認(rèn)為無細(xì)胞毒性。由于超支化單體的改性劑中含有毒性較強(qiáng)的異氰酸酯，而細(xì)胞存活率卻顯示出樹脂較好的生物相容性，結(jié)合改性超支化單體的紅外譜圖中不含異氰酸酯的特征峰，因此可以證明超支化單體在改性過程中并沒有異氰酸酯的殘留。并且添加超支化單體的流動復(fù)合樹脂無細(xì)胞毒性，具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性，可將其應(yīng)用到臨床使用中。

圖7 不同單體填充流動復(fù)合樹脂的彎曲強(qiáng)度(a)、彎曲模量(b)及壓縮強(qiáng)度(c)

圖8 不同單體填充復(fù)合樹脂的細(xì)胞活力

3 結(jié) 論

本文成功以季戊四醇為核，借助精細(xì)合成手段，合成出末端12個雙鍵、可流動、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA單體。將其與傳統(tǒng)單體Bis-GMA/TEGDMA混合為有機(jī)基體，再與微納米級無機(jī)二氧化硅填料復(fù)配，制備出可流動膏狀齒科修復(fù)復(fù)合樹脂。這類流動型超支化基齒科修復(fù)復(fù)合樹脂在維持較好的強(qiáng)度特性外，還具有低的聚合收縮率、優(yōu)異的生物相容性、極低的溶解性、可釋放物少等優(yōu)點(diǎn)，研究表明超支化基流動樹脂在齒科修復(fù)中有著巨大的應(yīng)用潛力。