秦 陽，張青紅，王瑞莉，劉 梅

(1.東華大學材料科學與工程學院，上海 201620；2.南京醫(yī)科大學，江蘇省口腔疾病重點實驗室，南京 210029)

0 引 言

齲齒是最常見的口腔疾病之一，治療不當會導致繼發(fā)性感染及心臟病、關(guān)節(jié)炎和慢性腎炎等疾病的產(chǎn)生，從而嚴重影響到人們的日常生活及身體健康[1]。自20世紀80年代以來，復合修復樹脂已被廣泛用于齲齒修復，與傳統(tǒng)的汞合金相比，復合修復材料具有更好的美觀性、生物相容性和方便的臨床操作性[2]。

復合樹脂主要由有機樹脂基體(包括稀釋劑、引發(fā)劑)和無機填料組成。其中，無機填料作為復合樹脂的增強相，在復合樹脂中所占質(zhì)量比一般超過70%。研究表明，無機填料的尺寸、組分、表面改性效果均會影響復合樹脂的物理機械性能[3-4]。Hirt等[5]報道了納米ZnO對復合樹脂性能的影響，發(fā)現(xiàn)納米ZnO粒子添加時難以分散至樹脂基體，并發(fā)生團聚，受力后極易導致復合樹脂的大面積脫落。Niu等[6]研究了四針狀ZnO晶須(t-ZnO)對復合樹脂的增強作用，發(fā)現(xiàn)當t-ZnO質(zhì)量分數(shù)大于5%時，由于其晶須較大且十分粗糙，與有機相復合過程中易產(chǎn)生氣泡，難以分散均勻，導致樹脂機械性能較弱。Kim等[7]將未改性SiO2粒子與樹脂基體直接混合，由于樹脂-填料界面結(jié)合較弱，導致齒科復合樹脂力學性能較差。此外，齒科修復材料的耐磨性也是影響其性能的關(guān)鍵因素，復合樹脂耐磨性主要由無機填料粒徑和負載量[8]共同決定，可通過降低無機填料粒徑和增加填料負載量來提高。商業(yè)FiltekTMSupreme(3M-ESPE，美國)中引入多級結(jié)構(gòu)SiO2和ZrO2納米團簇顆粒，通過填料顆粒之間具有較強的相互結(jié)合作用，提高了修復復合樹脂的耐磨性及美觀性，延長了使用壽命，為開發(fā)高強度、低磨耗復合樹脂提供了新思路[9]。基于上述問題，研發(fā)新填料有重要意義。介晶作為一類由納米晶以結(jié)晶學方式自組裝而成的納米粒子超結(jié)構(gòu)，由于其有序的介孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積和良好的相容性[10-13]，開始在齒科復合樹脂中受到關(guān)注。Tang等[14]以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)引導合成了片狀ZnO介晶，具有較高的比表面積，但沒有研究其對復合樹脂力學性能的影響。劉玉玲等[15]首次以三乙醇胺(TEA)為軟模板劑，通過水熱法合成了有序堆積與牙釉質(zhì)羥基磷灰石緊密堆積結(jié)構(gòu)類似的球形ZnO 介晶，并將其與樹脂復合，以商業(yè) ZnO微球為對照，表明添加介晶提高了抗彎強度與耐磨性，且賦予樹脂抗菌性。Natalio等[16]使用生物礦化蛋白硅酸鹽-α引導合成了針狀方解石介晶，具有極高的柔韌性及抗彎曲強度。

除齲齒修復外，由細菌積累而引起的繼發(fā)性齲病是需要解決的另一個主要問題?？谇恢屑毦捌溆泻Υx產(chǎn)物通過縫隙進入牙體組織，極易導致二次齲齒，因此，復合樹脂的抗菌性研究同樣是十分必要[17]。研究表明，Ag+的加入對抑制變異鏈球菌的生長有效，但Ag+易還原為金屬銀，從而導致牙齒修復體與牙體有較大的顏色差異[18]。因此，不溶性、牙齒顏色接近的或無色的金屬氧化物粉體，如ZnO更適合復合樹脂，且其緩慢釋放的 Zn2+可以起到長效抗菌作用[19]。

本文以阿拉伯膠為結(jié)構(gòu)導向劑，通過熱水解法制備了非等軸刷狀ZnO介晶，考察其形貌對樹脂性能的可能增益?？紤]到ZnO表面羥基較少，通過微流注射法合成ZnO@SiO2并對其進行硅烷化處理，將其用作復合樹脂的功能填料。相比于ZnO，ZnO@SiO2提高了無機填料與樹脂基體間的界面相容性，同時，不影響ZnO介晶中Zn2+的釋放。因此，刷狀ZnO@SiO2有望在提高復合樹脂的物理-機械性能的同時，賦予材料抗菌性及耐磨性，具有較強的應(yīng)用前景。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用的單體雙酚A甲基丙烯酸縮水甘油酯(Bis-GMA，99%(質(zhì)量分數(shù)，下同))、稀釋劑二甲基丙烯酸三乙二醇酯(TEGDMA，95%)、光引發(fā)劑樟腦醌(CQ，97%)、共引發(fā)劑4-乙基(二甲氨基)苯甲酸(4-EDMAB，99%)、偶聯(lián)劑γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS，99%)和阿拉伯膠(≥95%，粉末)購于Sigma-Aldrich公司(Milwaukee,USA)。環(huán)己烷(分析純)、正丙胺(分析純)、無水乙醇(分析純)、濃氨水(25%～28%)和正硅酸四乙酯(TEOS，分析純)、六亞甲基四胺(HMT，分析純)、Zn(NO3)2·6H2O(分析純)購自國藥集團(上海,中國)。

1.2 實驗過程

1.2.1 刷狀ZnO介晶和SiO2微球的制備

將0.2 g阿拉伯膠溶于60 mL超純水中，攪拌至溶解，然后在磁力攪拌下將1.78 g Zn(NO3)2·6H2O和0.84 g HMT共同加入阿拉伯膠溶液，磁力攪拌15 min。隨后，將上述溶液置于三口瓶中，80 ℃反應(yīng) 21 h，離心分離，所得沉淀物用去離子水洗滌6次，放置于80 ℃真空干燥箱中 24 h，置于馬弗爐中300 ℃煅燒3 h，得到刷狀ZnO介晶粉體[20]。

將450.0 mL無水乙醇、300.0 mL濃氨水和60.0 mL超純水混合，25 ℃攪拌20 min，然后迅速將35.0 mL TEOS加入上述溶液，于60 ℃下持續(xù)攪拌2 h。將得到的產(chǎn)物離心分離，分別用無水乙醇、去離子水交替洗滌2～3次，隨后，在110 ℃真空烘箱中干燥24 h，即得SiO2微球粉體[21]。

1.2.2 ZnO@SiO2的制備

首先，將40.0 mL無水乙醇與10.0 mL超純水混合加入燒瓶中并密封，高速攪拌35 min 待用。取0.5 g 刷狀ZnO粉體、2.2 mL 氨水、4.0 mL TEOS和180.0 mL 無水乙醇依次加入500 mL單口燒瓶中，密封室溫攪拌15 min，超聲分散 10 min。隨后，取 20 mL體積比為 4∶1的乙醇/水混合溶液加入20 mL玻璃注射器中，通過注射泵以30 μL/min的速率，全部注射加入到上懸浮液中，并持續(xù)攪拌。隨后將得到的產(chǎn)物分別用去離子水、乙醇交替洗滌2～3次，干燥即得ZnO@SiO2粉體[22]。

1.2.3 無機填料表面改性

ZnO@SiO2和SiO2微球表面改性：將50.0 mL環(huán)己烷、2.5 g ZnO@SiO2加入燒瓶中，攪拌均勻，然后依次加入0.55 mL γ-MPS和0.25 mL正丙胺，室溫下攪拌30 min，然后將燒瓶放置于油浴鍋中60 ℃攪拌30 min。將得到的產(chǎn)物分別用環(huán)己烷、無水乙醇離心清洗2～3次。最后，在真空烘箱中于80 ℃下干燥24 h。使用相同的方法對SiO2微球進行改性。

1.2.4 復合樹脂的制備

以Bis-GMA為單體、TEGDMA為稀釋劑,兩者質(zhì)量比為1∶1，即質(zhì)量分數(shù)各占49.5%，再與光引發(fā)劑(m(CQ)/m(4-EDMAB)，0.2/0.8，質(zhì)量百分比)質(zhì)量分數(shù)計為1.0%作為樹脂配方，接著將改性后的無機粉體手動攪拌預(yù)混至粉體完全被樹脂基體潤濕，放入雙中心分散機混合均勻，然后放入三輥研磨機中充分混合，得到復合樹脂。其中，樹脂中無機填料的填充量固定在質(zhì)量分數(shù)為75%，所用ZnO@SiO2和SiO2分別按照0∶75、3∶72、5∶70和10∶65的質(zhì)量比例混合，分別記為Z0S75、Z3S72、Z5S70和Z10S65，全過程需避光保護。

1.3 表征及測試

1.3.1 無機粒子

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，S-4800，日本)表征刷狀ZnO介晶和SiO2微球的形貌、復合樹脂的斷面形貌。采用透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100F，日本)觀察ZnO@SiO2的微結(jié)構(gòu)。用X射線衍射(XRD，D/Max-2550PC，日本)鑒定ZnO@SiO2的晶相。采用全自動比表面及孔隙度分析儀(2020-HD88，美國)分析刷狀ZnO介晶的比表面積與孔徑分布。使用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，Nicolet6700，美國)對硅烷化改性前后的ZnO@SiO2和SiO2微球進行定性分析。采用熱重分析儀(TGA2950，美國)對ZnO@SiO2和SiO2微球在N2氣氛中的硅烷化程度進行定量分析，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.2 復合樹脂的力學性能

采用電子萬能材料試驗機(Instron 33R4201，美國)對齒科復合材料的彎曲強度、彎曲模量和壓縮強度等力學性能進行測試。

1.3.3 復合樹脂的抗菌性能

根據(jù)ASTME2180-07(2017)標準對齒科復合材料的抗菌活性進行分析。測試添加和未添加 ZnO@SiO2功能填料的復合樹脂對變異鏈球菌的抗菌活性的影響。將變異鏈球菌瓊脂漿料懸浮液(0.08 mL，約106 CFU的細菌)接種到圓盤狀復合材料(φ20 mm×1 mm，n=3)。樣品在37 ℃厭氧培養(yǎng)箱中孵育24 h，然后用D/E中和肉湯洗脫瓊脂漿料懸浮液接種物，得到存活的突變株。用D/E肉湯進行連續(xù)稀釋，然后將對照、實驗、空白組瓊脂漿料懸浮液置于胰酶大豆瓊脂(TSA)上孵育48 h。最終計數(shù)并記錄細菌菌落，抗菌活性根據(jù)式(1)計算：

(1)

式中：R代表細胞活性;a、b分別代表空白組、實驗組培養(yǎng) 24 h 洗脫后的菌落數(shù)。

1.3.4 復合樹脂的耐磨性

采用實驗室定制的TM-1齒科磨耗試驗機進行兩體滑動磨損試驗，將打磨光滑的成人后牙作為對比參照物固定在機械上方，樹脂固定在下方。每組材料磨損周期分別為5 000、10 000和15 000個循環(huán)[23]，在40 N的垂直載荷下[24]，滑動距離為4 mm，轉(zhuǎn)速為2.5 r/s，經(jīng)過不同的磨損循環(huán)后，將樹脂取下清洗碎屑并干燥，記錄磨損前后質(zhì)量損失。樹脂樣品的質(zhì)量損失用式(2)計算：

Wearloss(mg)=(A-B)×1 000

(2)

式中:A是磨損前樹脂樣品的質(zhì)量(mg);B是磨損后樹脂樣品的質(zhì)量(mg)。

2 結(jié)果與討論

2.1 刷狀ZnO介晶和SiO2微球形貌分析

刷狀ZnO介晶和SiO2微球的FE-SEM照片如圖1所示。ZnO介晶具有獨特的雙刷結(jié)構(gòu)，由垂直排列的納米棒所組成，含納米晶堆積形成的一維孔道(見圖1(b))，厚度和直徑分別為1.2 μm與1.0 μm。SiO2微球粒徑約500 nm，呈單分散狀態(tài)(見圖1(c)和(d))。

圖1 不同倍數(shù)下刷狀ZnO介晶(a,b)和SiO2微球(c,d)的形貌

2.2 刷狀ZnO介晶和ZnO@SiO2物相分析

圖2 刷狀ZnO介晶的TEM(a)、HRTEM(b)照片和SAED花樣(c)及不同倍數(shù)下ZnO@SiO2的TEM照片(d)及HRTEM照片(e)

圖3(a)為ZnO@SiO2和ZnO的XRD圖譜。ZnO在2θ區(qū)域表現(xiàn)出的特征峰，與標準卡(JCPDS36-1451)一致，表明ZnO具有標準纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO@SiO2的晶型與ZnO相同，說明SiO2的包覆沒有改變ZnO的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，如圖3(a)插圖所示，ZnO@SiO2在2θ為17°～28°處有一個寬的衍射峰，表明其為非晶態(tài)二氧化硅[27]。同時，圖3(b)顯示雙刷狀ZnO介晶的比表面積為26.0 m2·g-1，介孔平均孔徑為6 nm，有利于Bis-GMA等單體滲入填料。

圖3 (a)ZnO@SiO2和ZnO的XRD圖譜，其中插圖為(a)部分放大圖;(b)N2吸附-解吸等溫線，其中插圖為BJH孔徑分布圖

2.3 無機填料的表面改性

改性前后的ZnO@SiO2和SiO2的紅外譜圖如圖4(a，b)所示。波數(shù)在1 719 cm-1和1 453 cm-1處的特征峰是由γ-MPS分子中的C=O及C=C伸縮振動導致的，而未改性處理的ZnO@SiO2中則未出現(xiàn)[28](見圖4(a))。在改性SiO2譜圖中，波數(shù)在1 110 cm-1處的吸收峰為Si-O-Si彎曲振動峰[29]，同樣，波數(shù)在1 716 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，該峰為 γ-MPS的C=O伸縮振動引起。圖4(c)為改性ZnO@SiO2及SiO2的熱失重圖，失重率分別為8.5%和11.6%，兩者的接枝率比較接近。表明在ZnO介晶表面包覆SiO2，為γ-MPS提供了大量可供接枝位點。

圖4 (a)ZnO@SiO2改性前后紅外光譜；(b)SiO2微球改性前后紅外光譜；(c)硅烷化ZnO@SiO2和SiO2的TGA曲線

2.4 復合樹脂的力學性能

由于ZnO羥基較少，難以接枝偶聯(lián)劑，因此對其進行了SiO2包覆，并將其作為復合樹脂中的功能填料。但ZnO粒子加入過多不利于光透過，導致復合樹脂力學性能下降。因此，選擇將硅烷化SiO2納米粒子作為共填料，組成ZnO@SiO2和SiO2復合填料制備復合樹脂。將其命名為ZxSy，其中x和y分別表示ZnO@SiO2和SiO2的質(zhì)量分數(shù)，無機填料總質(zhì)量分數(shù)固定在75%，因為該數(shù)值是無機填料的最大負載量。

含有不同比例硅烷化填料填充的復合樹脂的力學性能如圖5所示。與單獨填充SiO2的復合樹脂Z0S75相比，ZnO@SiO2粒子的加入提高了復合樹脂的力學性能。其中，當ZnO@SiO2的質(zhì)量分數(shù)為3%時，對應(yīng)復合樹脂Z3S72的彎曲強度、彎曲模量和壓縮強度值分別為(113.9±6.4)MPa、(7.2±0.3)GPa和(296.2±12.4)MPa，分別比Z0S75提高了12.9%、6.6%和3.7%。然而，當混合填料中ZnO@SiO2質(zhì)量分數(shù)達到10%時，復合樹脂Z10S65的強度不再增加，這可能是由于ZnO@SiO2加入量的增多不利于光透過，降低雙鍵轉(zhuǎn)化率[30]，導致其力學性能變差。上述結(jié)果表明，ZnO@SiO2填料質(zhì)量分數(shù)需控制在5%以內(nèi)，原因可解釋為：(1)低填充量的ZnO@SiO2在樹脂基體中能夠較好地分散，硅烷化無機粒子能夠與樹脂基體較好地結(jié)合。相比單獨填充硅烷化SiO2納米粒子，添加ZnO@SiO2能夠使體系中無機填料尺寸更大，相對于剛性大顆粒增強，其力學性能提高更加顯著；(2)ZnO介晶本身具有較高的比表面積，增加了與樹脂基體及SiO2顆粒之間的接觸面積，從而提高了強度[31]；(3)ZnO介晶獨特的定向排列結(jié)構(gòu)能夠?qū)е聭?yīng)力集中的擴散，同時能夠起到連接架橋、轉(zhuǎn)移應(yīng)力的作用。因此，這些因素協(xié)同作用提高了復合樹脂的力學性能[32-33]。

圖5 復合樹脂的力學性能

進一步選擇復合樹脂Z0S75和Z3S72進行斷面分析，研究樹脂與無機填料之間的相互作用，結(jié)果如圖6所示。與圖6(a)所示的 Z0S75相比, 圖6(b)中復合樹脂Z3S72的斷裂表面粗糙，表現(xiàn)出更多的彎曲和拉伸臺階，說明ZnO介晶可以使應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，在斷裂形成新表面時消耗更多的能量[34]，從而獲得更好的機械性能。

圖6 復合樹脂斷面FE-SEM照片，插圖為(b)部分放大

2.5 復合樹脂的抗菌性能

選取變異鏈球菌作為菌種，對復合樹脂的抗菌活性進行分析[35-36]。與圖7(a)中0 h空白無菌板相比，圖7(b)中24 h后的空白無菌平板上變異鏈球菌數(shù)量減少。選取兩種不同質(zhì)量比復合樹脂Z0S75與復合樹脂Z3S72，復合樹脂Z3S72上的菌落數(shù)(b值)在孵育24 h后急劇下降，抗菌率達到98.7%(見圖7(d)),對比復合樹脂Z0S75(見圖7(c))的82.8%有顯著效果，而Z0S75中尚有少量未固化的單體，其有一定的抑菌作用。抗菌性能表明ZnO顆粒本身具有優(yōu)良的抗菌活性，少量的加入就可以使復合樹脂的抗菌性得到明顯的提高[37]，一定厚度上無定形多孔SiO2的包覆并未影響到復合樹脂中Zn2+的釋放及抗菌性能。

圖7 不同時間孵育后復合樹脂表面變異鏈球菌數(shù)的數(shù)碼照片

2.6 復合樹脂的耐磨性能

采用實驗室定制的TM-1齒科磨耗試驗機，對復合樹脂Z0S75、Z3S72、Z5S70進行兩體滑動磨損試驗[38]，結(jié)果如圖8所示。圖中顯示了重復載荷周期從5 000增加到15 000次時復合樹脂試樣的平均磨損量，所有被測試復合樹脂試樣的磨損量都會隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加而增加。不同循環(huán)次數(shù)下，添加ZnO@SiO2功能填料的復合樹脂Z5S70，平均磨損量明顯低于其他復合樹脂試樣，磨損15 000次后，接近0.007 g，而復合樹脂Z0S75的磨損值相對偏高，為0.009 g。

圖8 不同復合樹脂的耐磨性

進一步通過FE-SEM對磨損后的復合樹脂表面進行觀察，結(jié)果如圖9所示。磨損5 000次后，復合樹脂表面產(chǎn)生微裂紋，主要表現(xiàn)為樹脂基體的黏著磨損(見圖9(a～c))；磨損10 000次后，隨著樹脂基體的磨損剝落，復合樹脂材料表面磨損形貌變得粗糙，部分填料出現(xiàn)裸露，產(chǎn)生粒狀磨屑，過程主要表現(xiàn)為復合樹脂的疲勞磨損(見圖9(d～f))；磨損15 000次后，SiO2粒子的脫落增加，出現(xiàn)凹坑，出現(xiàn)裂紋(見圖9(g～h)),過程主要表現(xiàn)為磨粒磨損[39-40]。由于無機粒子之間的緊密堆積，同時與樹脂基體之間具有良好的界面相容性，當復合樹脂表面受到磨損時，ZnO@SiO2粒子更傾向于斷裂而不是完全脫落，從而導致相應(yīng)的樹脂復合材料有較光滑和均勻的磨損表面，而Z0S75的磨損形貌更為粗糙[41]。磨損過程中，ZnO@SiO2會承擔較大的應(yīng)力，而單純填充硅烷化SiO2的復合樹脂則不具備此效應(yīng)。結(jié)果表明，ZnO@SiO2功能填料的摻入增強了復合樹脂的耐磨性。

圖9 幾種復合樹脂在不同磨損循環(huán)下的FE-SEM照片

3 結(jié) 論

采用簡便的熱水解法制備了一維納米棒構(gòu)筑的刷狀ZnO介晶，通過微流注射法在其表面包覆了4～6 nm無定形SiO2層，接枝了較多的γ-MPS。ZnO@SiO2可作為復合樹脂的功能填料，填充質(zhì)量分數(shù)為3%時，復合樹脂Z3S72的力學性能明顯提高，相比單一SiO2填料復合樹脂Z0S75，彎曲強度、彎曲模量和壓縮強度分別提高了12.9%、6.6%和3.7%，同時還表現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌活性及耐磨性，有望用于齒科復合樹脂。