王康妮,曹林杰,黃清琳,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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

齲齒是人類重點(diǎn)防治的疾病之一，人類深受其困擾。根據(jù)第四次中國(guó)口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報(bào)告[1]顯示老年人患病率高，各個(gè)年齡層人群也深受齲病危害。充填法是齲齒病治療方法中最簡(jiǎn)便、最有效的方法，常見的充填治療材料主要有銀汞合金、大塊充填復(fù)合樹脂及流動(dòng)型復(fù)合樹脂。復(fù)合樹脂材料因其美觀性、可操作性及生物相容性等優(yōu)異性能替代銀汞合金，成為充填法中最主要使用的材料。復(fù)合樹脂材料一經(jīng)問世迅速發(fā)展，其最主要的性能為力學(xué)強(qiáng)度、聚合收縮以及生物相容性等。如何在保持一定強(qiáng)度下降低聚合收縮，同時(shí)有較好的生物相容性成為近些年來(lái)研究齒科修復(fù)復(fù)合樹脂材料的熱點(diǎn)問題。

超支化分子由于其分子量大，具有可修飾的官能團(tuán)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，包括齒科修復(fù)領(lǐng)域[2]。大量的研究證明，超支化分子的加入有效地降低了復(fù)合樹脂的聚合收縮率。主要應(yīng)用于齒科修復(fù)材料的超支化單體為Boltorn型聚酯，對(duì)其進(jìn)行改性使其獲得多功能性[3-5]。大量研究?jī)H對(duì)超支化的應(yīng)用進(jìn)行短期服役行為探究，因此本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行長(zhǎng)期的性能探究，以及用不同介質(zhì)來(lái)研究材料在極限模擬口腔環(huán)境中的服役行為。

基于此，本文合成了二代超支化聚胺-酯，并對(duì)其進(jìn)行改性使其含有大量雙鍵同時(shí)具有剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)。將其作為有機(jī)基體的組分與Bis-GMA和稀釋劑TEG-DMA復(fù)配，探究超支化聚胺- 酯對(duì)樹脂基體在服役過程中雙鍵轉(zhuǎn)化率、聚合收縮率、機(jī)械性能、吸水溶解性、生物相容性等的變化影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

Bis-GMA、TEG-DMA、樟腦琨(CQ)、4-乙基(二甲氨基)苯甲酸(4-EDMAB)，分析純，美國(guó)Sigma-Aldrich公司。MHPAE的合成主要參考專利[6]及文章[3,7]。

1.2 設(shè)備

雙中心混合分散機(jī)，DAC 150.1 FVZ-K型，德國(guó)Hauschild公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet 8700型，美國(guó)Nicolet公司；密度天平，AL/AB-N型，美國(guó)梅特勒-托利多公司；電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，INSTRON 5969型，美國(guó)Instron公司。

1.3 復(fù)合樹脂的復(fù)配

基于超支化單體的合成進(jìn)行探究，首先稱取不同質(zhì)量比的MHPAE、Bis-GMA、TEG-DMA作為樹脂基體，避光放在塑料盒子中，在磁力攪拌器上混合均勻。稱取主引發(fā)劑樟腦醌(CQ)與助引發(fā)劑4-EDMAB作為光引發(fā)體系，其占總基體質(zhì)量的1% (CQ∶4-EDMAB=1∶4)，加入混合均勻的樹脂基體中繼續(xù)混合一段時(shí)間，利用雙中心分散機(jī)混合均勻，充分分散，得到所需的齒科修復(fù)樹脂，即可以用于制備光固化樹脂。采用50B50T(Bis-GMA(B)-TEGDMA(T)質(zhì)量比為50∶50)作為對(duì)照組，20Hb40B40T(MHPAE(Hb)-B-T質(zhì)量比為20∶40∶40)作為實(shí)驗(yàn)組，用于探究超支化單體作為樹脂基體的長(zhǎng)期服役性能研究。

1.4 分析測(cè)試

雙鍵轉(zhuǎn)化率(DC)：利用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試不同光強(qiáng)度及不同輻照時(shí)間對(duì)雙鍵轉(zhuǎn)化率的影響。利用所得紅外吸收光譜圖分析固化前后脂肪族C=C雙鍵吸收峰高度的變化，從而計(jì)算得到復(fù)合樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率。不同光強(qiáng)度選取800、1 000、1 200 mW/cm2，輻照時(shí)間為60 s；保持最優(yōu)光強(qiáng)度下利用不同輻照時(shí)間研究樹脂動(dòng)力學(xué)。

聚合收縮率(PS)：根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17304—2013對(duì)復(fù)合樹脂進(jìn)行聚合收縮率測(cè)試。制備不同光強(qiáng)度下的樣品，利用阿基米德原理，通過密度天平測(cè)試其固化前后復(fù)合樹脂在空氣中及溶液中的質(zhì)量，換算得到所需密度，從而得到其聚合收縮率。

吸水溶解性：依據(jù)ISO 4049—2013獲得實(shí)驗(yàn)所需復(fù)合樹脂圓片樣品。首先將樣品放置于 37 ℃ 烘箱中進(jìn)行干燥處理得到樣品質(zhì)量m1，然后將樣品放置于37 ℃的去離子水、模擬口腔唾液、75%乙醇混合液[8-9]中7天、14天、21天、28天，分別在對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)取出擦干水分稱重得到m2，將取出樣品放入烘箱，烘干相同時(shí)間稱重得到m3，利用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中展示的公式計(jì)算得到復(fù)合樹脂的吸水率和溶解率。

機(jī)械性能：復(fù)合樹脂的制備方法及測(cè)試流程根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 4049—2013。將制備好的樣品置于不同介質(zhì)(去離子水、模擬唾液、75%乙醇[10]以模擬極限條件下的口腔環(huán)境)中浸沒不同時(shí)間，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、壓縮強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

細(xì)胞相容性：測(cè)試所需樣品及其操作過程依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10993—5制備，同時(shí)利用人體牙髓細(xì)胞(HDPCs)對(duì)其進(jìn)行細(xì)胞相容性測(cè)試。利用樹脂材料的浸提液對(duì)牙髓干細(xì)胞進(jìn)行1天、3天、5天孵育，利用CCK-8試劑觀察其吸光度及通過活/死細(xì)胞染色劑在熒光顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)變化，從而評(píng)估復(fù)合樹脂材料的細(xì)胞相容性。

2 結(jié)果與討論

2.1 超支化基樹脂基體的雙鍵轉(zhuǎn)化率及聚合收縮分析

齒科修復(fù)復(fù)合樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率反映了樹脂材料形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的程度，未反應(yīng)的單體會(huì)析出，造成過敏等不良反應(yīng)[11]。但雙鍵轉(zhuǎn)化率受光照強(qiáng)度及輻照時(shí)間的影響。因此首先探究了不同光強(qiáng)度對(duì)雙鍵轉(zhuǎn)化率的影響，采用了光強(qiáng)度為800、1 000、1 200 mW/cm2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由圖1 (a)可知，輻照時(shí)間為60 s下在光強(qiáng)度為1 000 mW/cm2時(shí)雙鍵轉(zhuǎn)化程度最高，光強(qiáng)度過高會(huì)對(duì)聚合產(chǎn)生負(fù)面的影響，光強(qiáng)過低導(dǎo)致聚合不足。因此選取光強(qiáng)度為1 000 mW/cm2應(yīng)用于樹脂基體材料的動(dòng)力學(xué)研究。進(jìn)一步探究輻照時(shí)間對(duì)雙鍵轉(zhuǎn)化率的影響，圖1(b)可以看出，隨時(shí)間的增加，雙鍵轉(zhuǎn)化率逐漸增大，后基本保持不變，50B50T最大轉(zhuǎn)化率為53.2%，這與文獻(xiàn)報(bào)道的50B50T的47%相符合[12-13]。實(shí)驗(yàn)組的雙鍵轉(zhuǎn)化率稍低于50B50T對(duì)照組，20Hb40B40T的最大轉(zhuǎn)化率也達(dá)47.3%，其原因是超支化分子呈三維球狀立體構(gòu)型，在發(fā)生聚合時(shí)存在較大的位阻，分子鏈的活動(dòng)性變差，難以較大程度的參與反應(yīng)，造成雙鍵轉(zhuǎn)化率降低。但是由于超支化分子含有大量的雙鍵，即使轉(zhuǎn)化程度稍低，仍有大量的雙鍵參與到聚合反應(yīng)中。

聚合收縮是影響齒科修復(fù)復(fù)合樹脂材料的重要因素，其產(chǎn)生原因是光輻照時(shí)分子間的作用力由范德華力轉(zhuǎn)變?yōu)殒I長(zhǎng)較短的共價(jià)鍵[14-15]，造成自由體積減少，從而產(chǎn)生了聚合收縮，這會(huì)導(dǎo)致牙體與復(fù)合樹脂間產(chǎn)生微滲漏，引發(fā)細(xì)菌滋生，使得牙體修復(fù)失敗[16]。圖1(c)展示了不同光強(qiáng)度下50B50T、20Hb40B40T的聚合收縮率變化情況，可以看出1 000 mW/cm2下聚合收縮率較低，同時(shí)超支化組別的聚合收縮率顯著低于對(duì)照組。超支化單體呈三維球狀立體結(jié)構(gòu)，含有大量雙鍵、較高的分子量，但其雙鍵密度低，聚合時(shí)其體積收縮較小，因此添加到樹脂基體中聚合收縮率降低。1 000 mW/cm2下對(duì)照組聚合收縮率為8.36%，20Hb40B40T的聚合收縮率為6.44%，這與理論分析及參考文獻(xiàn)基本相符[17]。通過實(shí)驗(yàn)分析可看出超支化單體加入復(fù)合樹脂中能有效降低材料的聚合收縮率，這有利于樹脂材料的臨床應(yīng)用及其長(zhǎng)期服役行為。

圖1 光強(qiáng)度(a)與光強(qiáng)度1 000 mW/cm2下

2.2 超支化樹脂基體的吸水溶解性、機(jī)械性能及生物相容性分析

吸水率和溶解率是齒科修復(fù)材料的重要參數(shù)。吸水率反映的是材料本身的吸水能力；溶解率反映的是未聚合的單體及降解產(chǎn)物從三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中釋放出的量。反應(yīng)程度會(huì)影響材料的強(qiáng)度及生物相容性，也是影響材料的吸水溶解性的因素。由于超支化單體含有氨基甲酸酯基團(tuán)，該基團(tuán)親水性強(qiáng)，且有強(qiáng)極性，因此含超支化的組別吸水性高于對(duì)照組，隨時(shí)間的增加吸水性增加不明顯，如圖2(a、c、e)。超支化的轉(zhuǎn)化率稍低于對(duì)照組，同時(shí)氨基甲酸酯基團(tuán)易被溶解，導(dǎo)致該組的溶解性高于對(duì)照組，隨時(shí)間出現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，如圖2(b、d、f)。而浸泡于乙醇中的對(duì)照組溶解性出現(xiàn)負(fù)增加，可能是Bis-GMA體系吸收乙醇但是TEGDMA體系又不容易使乙醇揮發(fā)出去，使得乙醇被困于三維體系中，造成溶解性出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，這與文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)相符[18]，但超支化單體含有氨基甲酸酯基團(tuán)，其形成的三維網(wǎng)絡(luò)體系易被乙醇打破，因此超支化組不存在該問題。

機(jī)械性能是另一個(gè)影響復(fù)合樹脂材料性能的重要因素。在服役過程中牙齒的反復(fù)咀嚼需要承受一定的變形，復(fù)合樹脂材料因其較好的機(jī)械性能能夠分散外力的作用，可延長(zhǎng)材料的使用壽命。選取3種介質(zhì):去離子水、模擬口腔唾液、75%乙醇/水混合物[10]來(lái)模擬極限條件下的口腔環(huán)境，探究材料在不同模擬口腔環(huán)境中的長(zhǎng)時(shí)間服役行為，如圖3。由數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，除浸泡于75%乙醇中的樹脂材料外，其余介質(zhì)中的樹脂材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、壓縮強(qiáng)度性能均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，這表示材料存在一定的后固化現(xiàn)象，可以提高材料的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)果表明，超支化基組別的壓縮強(qiáng)度基本高于對(duì)照組(水：超支化組別壓縮強(qiáng)度最大在374 MPa，對(duì)照組壓縮強(qiáng)度為338 MPa；唾液：317 MPa，321 MPa)，其彎曲強(qiáng)度在水中高于對(duì)照組(水：超支化組彎曲強(qiáng)度最大為129 MPa，實(shí)驗(yàn)組最大為117 MPa)，在唾液(唾液：124 MPa，125 MPa)及75%乙醇中稍低于對(duì)照組。其產(chǎn)生的原因是三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供一定的剛性強(qiáng)度，即使雙鍵轉(zhuǎn)化率稍降低也能保持較好的力學(xué)強(qiáng)度，但是環(huán)境會(huì)對(duì)材料有一定的侵蝕作用使得材料的性能下降，這是無(wú)法避免的。唾液中的實(shí)驗(yàn)組的彎曲強(qiáng)度雖然下降明顯，可能是溶液中的鹽對(duì)其具有侵蝕作用，但是仍然在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)(≥60 MPa)。而浸泡于75%乙醇中的材料，性能呈現(xiàn)持續(xù)降低狀態(tài)，其原因是乙醇的溶度參數(shù)與樹脂三維網(wǎng)絡(luò)體系相近，其結(jié)構(gòu)極易被乙醇破壞導(dǎo)致材料性能的下降。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要封閉劑盡可能的密封完全，減少材料在酒精及其他物質(zhì)的侵蝕下力學(xué)性能降低，延長(zhǎng)復(fù)合樹脂材料的使用壽命。

圖2 浸泡在37 ℃水中(a、b)，37 ℃模擬唾液中(c、d)及37 ℃75%乙醇中(e、f)的不同時(shí)間下樹脂基體的吸水性與溶解性

圖3 浸泡在37 ℃水中(a、b、c)，37 ℃模擬唾液中(d、e、f)及37 ℃75%乙醇中(g、h、i)的

探究細(xì)胞相容性可以判斷材料的毒性，利用CCK-8試劑測(cè)量吸光度(OD值)，吸光度越高，則說(shuō)明細(xì)胞存活率越高，材料毒性越小。將樹脂材料的浸提液與牙髓干細(xì)胞HDPCs共培養(yǎng)1、3、5天，利用CCK-8試劑測(cè)量吸光度(圖4(a))，間接觀察細(xì)胞毒性程度，吸光度越高，細(xì)胞毒性越小，細(xì)胞存活率越大；同時(shí)利用活/死染色劑觀察細(xì)胞的形態(tài)變化(圖4(b))。由結(jié)果顯示，在1、3天時(shí)20Hb40B40T的組別其細(xì)胞存活性稍低于對(duì)照組，隨著時(shí)間的增加，細(xì)胞存活率越大，在第5天時(shí)超支化組OD值高于對(duì)照組，即細(xì)胞存活率高于對(duì)照組，同時(shí)培養(yǎng)純細(xì)胞組別以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。利用活/死細(xì)胞的形態(tài)變化熒光圖對(duì)細(xì)胞毒性進(jìn)行側(cè)面驗(yàn)證，結(jié)果與CCK-8得到的吸光度一致?？梢宰C明超支化的毒性較小，復(fù)配的樹脂基體材料生物相容性好，降解物質(zhì)基本無(wú)毒，有利于其應(yīng)用于臨床中。

圖4 樹脂基體的細(xì)胞相容性：不同培養(yǎng)時(shí)間下細(xì)胞的

3 結(jié) 論

本文成功合成了一種新型超支化聚胺-酯，將其與Bis-GMA/TEGDMA復(fù)配作為有機(jī)基體，得到制備的樹脂基體材料，探究改性超支化單體對(duì)樹脂基體的影響。該樹脂基體材料具有較好的機(jī)械性能、優(yōu)異的生物相容性，較低的聚合收縮率，相當(dāng)?shù)碾p鍵轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點(diǎn)，該超支化單體作為有機(jī)基體應(yīng)用于復(fù)合樹脂材料中具有優(yōu)良的性質(zhì)，有著巨大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)及光明的前途。