董夢璐，楊孟孟，李全利

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類平均壽命延長，人口老齡化已成為我國一個不可逆的社會問題，年齡的增長、飲食結(jié)構(gòu)的改變等眾多因素導(dǎo)致齲病、牙周病等發(fā)病率上升，繼而導(dǎo)致各類牙列缺損、牙列缺失的發(fā)生[1]。《第四次全國口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報告(2018)》顯示，我國各類無牙頜患者超過2 100萬人[2]。隨著國內(nèi)外口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，目前牙列缺失的修復(fù)方法主要包括種植固定義齒、種植覆蓋義齒以及全口義齒等。但是由于經(jīng)濟(jì)、時間、全身健康狀況等因素的影響，傳統(tǒng)全口義齒仍然是牙列缺失的主要修復(fù)方法。良好的固位和穩(wěn)定是全口義齒獲得滿意修復(fù)效果的必要前提[3]。但在臨床實際應(yīng)用過程中，牙列長期缺失及佩戴不良義齒常常會導(dǎo)致頜骨的嚴(yán)重吸收，進(jìn)而導(dǎo)致牙槽嵴形態(tài)不佳、全口義齒固位差等問題，且有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明這些情況尤其以下頜總義齒修復(fù)多見[4]，所以提高全口義齒的固位力一直是全口義齒研究的重要方向和目標(biāo)。說話、吞咽、咀嚼、伸舌等功能運動易破壞義齒邊緣的封閉性、破壞大氣壓的作用，以及義齒組織面面積有限、基托組織面與黏膜組織的適合性差等因素，是目前全口義齒固位力不足與脫位的主要原因。因此，提高大氣壓的作用，同時提高義齒基托組織面與黏膜組織的適合性，增加基托組織面的相對比表面積，以提高義齒組織面與黏膜組織之間的吸附力是改善全口義齒固位力的關(guān)鍵科學(xué)問題。

在自然界中，許多生物在進(jìn)化過程中由于生存背景和物種的不同演變出各種各樣的吸附系統(tǒng)，近年來，生物吸附成為一個新興的仿生方向，研究者主要致力于制作出無毒、高強度粘結(jié)以及長時間吸附的結(jié)構(gòu)，目的是讓物體暫時或永久地附著在基體或另一個物體上，防止脫落[5]。目前在工業(yè)運輸、機械制作及醫(yī)療等領(lǐng)域，基于自然界豐富的吸附方式及特定吸附機理而設(shè)計的仿生吸附裝置，如仿生軟體吸附機器人、仿生吸附軟材料結(jié)構(gòu)等不勝枚舉[6]。研究表明，章魚作為一種典型的水下吸附生物，主要依靠其吸盤負(fù)壓產(chǎn)生高吸附性能，而且其吸盤內(nèi)表面凹凸不平的非光滑紋理在保持吸附上也起到了非常重要的作用，是一種非常值得借鑒的生物原型[7-8]。目前關(guān)于章魚吸盤的仿生研究應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域較多，尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于口腔無牙頜全口義齒修復(fù)方面。因此，本研究依據(jù)章魚吸附機理，對義齒組織面進(jìn)行表面仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)設(shè)計，并體外模擬口腔環(huán)境，通過萬能材料試驗機測試吸附力，為提高義齒的固位力提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料和儀器設(shè)備

Silagum-Comfort軟襯硅橡膠(DMG公司，德國)；改良型SBF模擬體液(青島捷世康生物科技有限公司，中國)；牙托水、牙托粉(上海新世紀(jì)齒科材料有限公司，中國)；仿真皮膚模型(河南齒留香醫(yī)療器械有限公司，中國)；摩方nanoArch S130微納3D打印系統(tǒng)(重慶摩方精密科技有限公司，中國)；震蕩機(江蘇金泰齒科器材有限公司，中國)；GeminiSEM 500場發(fā)射電子掃描顯微鏡(卡爾蔡司公司，德國)；島津電子式萬能試驗機(島津(蘇州)儀器有限公司，中國)。

1.2 實驗方法

1.2.1 仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 設(shè)計5組實驗組，按照仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)分為A、B、C、D、E組，吸盤直徑、孔徑分別為100、200、300、400、500 μm，同時根據(jù)逆向設(shè)計原理，3D打印微結(jié)構(gòu)的陰模分別記為a、b、c、d、e組，參數(shù)對應(yīng)A、B、C、D、E組，另設(shè)空白對照組S為無微結(jié)構(gòu)的平面樣片。實驗組和對照組樣片大小均為6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm，微結(jié)構(gòu)分布密度設(shè)定為間距比為1∶1，即微結(jié)構(gòu)寬度與各微結(jié)構(gòu)間距離之比為1∶1。

1.2.2 仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)制作 根據(jù)實驗組的參數(shù)數(shù)字化建模，應(yīng)用光敏樹脂3D打印仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的陰模，同時軸面模仿章魚吸盤內(nèi)表面設(shè)計打印成帶有橫向圓環(huán)凹槽和凸起的非光滑形態(tài)，即a～e組。將Silagum-Comfort軟襯硅橡膠安裝在注射槍內(nèi)，混合后注射于a～e組帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模的樣片表面，室溫下完成固化，脫模，得到A～E組帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陽模的樣片(圖1)，同時在潔凈玻板上制作同等尺寸的對照組無微結(jié)構(gòu)的平面硅橡膠樣片。實驗組和對照組每組采用軟襯硅橡膠材料各制作樣片6個，其中5個用于后續(xù)吸附力測試，1個用于進(jìn)行電子掃描顯微鏡觀察。

1.2.3 仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的表征及制作過程優(yōu)化 電子掃描顯微鏡表征評價上述步驟所得a～e組仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模樣片的尺寸是否符合設(shè)定參數(shù),翻制所得A～E組仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)樣片的尺寸變化、氣泡率、結(jié)構(gòu)破損率及通過微結(jié)構(gòu)縱切面或改變顯微鏡掃描角度觀察內(nèi)部軸面非光滑紋理的完整性；在震蕩機上重復(fù)1.2.2的步驟，電子掃描顯微鏡表征評價，比較制作過程的優(yōu)化程度。

A：3D打印仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的陰模；B：利用硅橡膠軟襯材料翻模；C：硅橡膠材料固化后脫模，得到仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)

1.2.4 吸附性能的評價 取3 cm×3 cm仿真皮膚模型，去除表面雜質(zhì)及油垢，晾干，并將其固定于萬能材料試驗機的下夾具上，均勻涂布0.5 mL人工唾液于其表面。將樣片粘固于自凝塑料塊上并固定于材料試驗機的上夾具，如圖2所示。啟動材料試驗機，調(diào)節(jié)移動橫梁高度，以5 mm/min的速度使仿真皮膚和樣片緩慢接觸，施加(9.8±0.2)N的負(fù)荷力于樣片上，保持30 s，使樣片吸附在仿真皮膚塊中央，然后以5 mm/min的速度分開，記錄將兩者分開所需的最大破壞載荷值(N)。按照上述拉伸實驗方案，對實驗組A、B、C、D、E及對照組S每組中的5個樣片分別測試3次，得到吸附力-橫梁位移曲線圖(即吸附力-位移圖線)及最強吸附力平均值。

圖2 吸附力測試裝置Fig.2 Adsorption test device

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié) 果

2.1 3D打印仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模及硅橡膠翻制微結(jié)構(gòu)陽模

仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模a～e組樣片及硅橡膠翻制后表面帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的A～E組樣片實物見圖3，可見a～e組樣片表面有明顯的均勻分布的圓柱形凸起，樣片尺寸測量結(jié)果為6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm，A～E組樣片表面見均勻分布的圓形孔隙，修整周圍多余的硅橡膠材料后，樣片均保持為6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm。

A:3D打印的帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模的樹脂樣片；B：翻制的帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的硅橡膠樣片

2.2 電子掃描顯微鏡進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)表征

仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模a～e組樣片及硅橡膠翻制后表面帶有仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)的A～E組樣片電子掃描顯微鏡表征結(jié)果見圖4?？梢奱～e組微結(jié)構(gòu)陰模為直徑和高度相等的圓柱形凸起， 凸起分布密度是間距比為1∶1， 凸起軸面顯示帶有明顯橫向圓環(huán)凹槽和凸起的非光滑形態(tài)，由于3D打印具有一定的誤差率，各組微結(jié)構(gòu)陰模直徑平均為91、185、273、368、465 μm，與預(yù)定設(shè)計的尺寸參數(shù)相差7%～9%。A～E組經(jīng)翻制得到的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)為直徑和深度相等的圓柱形微孔，孔壁為環(huán)形凹凸不平的非光滑形態(tài)。直徑為100、200、300 μm的微結(jié)構(gòu)樣片部分微孔周圍存在大小不一的氣泡，氣泡出現(xiàn)率約50%，直徑為400、500 μm的微結(jié)構(gòu)樣片未見大量氣泡出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)完整性較均一。經(jīng)翻制過程各組微結(jié)構(gòu)直徑及孔徑平均為95、194、394、392、495 μm，與預(yù)定設(shè)計的尺寸參數(shù)誤差縮小為1%～5%。在震蕩機上重復(fù)翻模過程后對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征結(jié)果見圖5，直徑為100、200、300 μm的微結(jié)構(gòu)樣片微孔周圍的氣泡顯著減少，氣泡率降低至5%以下，尺寸與未使用震蕩機無明顯差異，仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)更加完善。

A、B：直徑為100 μm的仿章魚吸盤陰模；C：3D打印出的仿章魚吸盤陰模軸面顯示為明顯凹凸不平的非光滑形態(tài)；D、E：硅橡膠翻制的直徑為100 μm的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)周圍有氣泡；F：硅橡膠翻制的直徑為100 μm的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)內(nèi)部軸面顯示為清晰的凹凸不平溝槽狀

圖5 震蕩后直徑為100 μm的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)掃描電鏡觀察Fig.5 Scanning electron microscopy observation of microstructures inspired by octopus suction cups after vibrating

2.3 不同尺寸的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)對吸附力的影響

按照前述實驗方案，每組吸附力數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，見表1，A、B、C、E組樣片所產(chǎn)生的吸附力均大于對照組，且A、B組(直徑100、200 μm的仿章魚吸盤結(jié)構(gòu))與對照組之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1 實驗組與對照組吸附力結(jié)果Tab.1 Adsorption results of experimental and control groups

3 討 論

本研究通過體外模擬口腔環(huán)境，測試了在平面上增加不同尺寸的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)對吸附力的影響。首先，本研究采用的Silagum-Comfort軟襯硅橡膠為加成型室溫聚合型硅橡膠，與熱聚合型硅橡膠相比具有更精確、快捷、簡便等優(yōu)點，與縮合型硅橡膠相比在固化過程中無小分子析出，尺寸穩(wěn)定性較好，且其抗撕裂性能優(yōu)越，在脫模過程中使微吸盤結(jié)構(gòu)不受破壞。其次，實驗結(jié)果顯示，微吸盤直徑大小與復(fù)制成功率及完整性具有一定相關(guān)性，在微結(jié)構(gòu)制作過程中未使用震蕩機的情況下，硅橡膠翻制出的直徑為100、 200、 300 μm的實驗組樣片存在一定的氣泡率， 而直徑為400、 500 μm的實驗組未見大量氣泡出現(xiàn)，這主要是因為Silagum-Comfort軟襯硅橡膠為乙烯基聚硅氧烷[9]，流動性較差，在翻制過程中不能完全流入小尺寸的微米級仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)陰模，導(dǎo)致翻模時兩種材料接觸界面的空氣未能完全排出，在加入震蕩機的輔助后氣泡率則明顯降低。研究結(jié)果顯示A、B組仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)對吸附力的提高與對照組相比具有統(tǒng)計學(xué)差異，說明設(shè)計增加一定尺寸的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)于平面上對吸附力的提高有促進(jìn)作用，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。C、E組吸附力改善的效果不甚明顯，說明這可能與微結(jié)構(gòu)的具體尺寸有關(guān)系，同時相同面積下不同尺寸的微結(jié)構(gòu)吸附相對比表面積不同也是影響因素之一。理論上D組所產(chǎn)生的吸附力也應(yīng)有所增大，但結(jié)果顯示與平面樣片所產(chǎn)生的吸附力基本持平，原因有可能是翻模過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致部分微結(jié)構(gòu)破損或者是進(jìn)行吸附力測試時，吸附界面被污染所致。

根據(jù)章魚吸盤吸附機制，吸盤主要是依靠吸盤內(nèi)部容積與外界環(huán)境產(chǎn)生的壓差原理來實現(xiàn)吸附[10-11]。在本研究中，通過對樣片施加(9.8±0.2)N的預(yù)載荷，借助硅橡膠材料的彈性逐漸減小微結(jié)構(gòu)的內(nèi)室體積，依靠機械擠壓排出仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)內(nèi)的大部分氣體和液體分子介質(zhì)。研究表明，吸盤內(nèi)部表面壓強可由計算公式：P=F/S(F為密閉環(huán)境內(nèi)分子的總作用力，S為分子在吸盤內(nèi)表面的總作用面積)表示，擠壓運動使吸盤內(nèi)部介質(zhì)的分子減少，在結(jié)構(gòu)回彈過程中，內(nèi)部總作用力F減少，S不變，內(nèi)部壓強P減小，吸盤樣微結(jié)構(gòu)密閉容腔內(nèi)與外界形成壓差ΔP，即形成負(fù)壓作用[12-14]。還有研究表明，在此過程中液體的內(nèi)聚力也是吸附形成的一個重要因素，微結(jié)構(gòu)恢復(fù)形變時結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余的液體分子對吸盤有一個反向的拉力，即水的內(nèi)聚力，形成一定的毛細(xì)作用[15-16]。從以上吸附機制來看，C、D、E組吸附力未明顯增大，主要原因可能為實驗使用同種硅橡膠材料，材料彈性模量一致，在相同預(yù)載荷下形變量基本相同，擠壓排出的氣體及液體分子量相同，C、D、E組微結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積較大，剩余分子總量較多，即內(nèi)部總作用力F相對于A、B組大，繼而導(dǎo)致與外界壓差ΔP較小，負(fù)壓作用較小。另一方面，吸盤與接觸物體之間的密封程度直接關(guān)系著吸盤腔內(nèi)外真空負(fù)壓的強度，也直接決定著吸盤吸附能力的強弱，是影響吸盤吸附力大小的決定因素之一[17-18]。研究表明，物體表面的輪廓不是越光滑越好，在微觀情況下物體表面存在適量波峰和波谷會更利于兩接觸物體之間的相互嵌合，利于阻斷空氣等流通通路[19-21]。本研究將仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)內(nèi)表面設(shè)計為有一定波峰和波谷的非光滑形態(tài)，進(jìn)一步保障了吸盤微結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的負(fù)壓作用不易被外界環(huán)境所破壞，微結(jié)構(gòu)的非光滑內(nèi)表面在預(yù)載力作用下沿著接觸面產(chǎn)生形變，加大兩者之間的貼附程度，利于接觸面間形成多組密封區(qū)域，并且在一定程度上增大接觸面積，提高微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的吸附力。

本研究仍存在不足之處，未探討微結(jié)構(gòu)的尺寸與吸附力的具體關(guān)系，且研究受條件限制無法完全在體外模擬口內(nèi)的實際應(yīng)用情況，另外在口內(nèi)應(yīng)用時，增大吸附力是否會對口腔黏膜產(chǎn)生負(fù)面影響也有待深入研究。

綜上所述，在全口義齒基托組織面制作一定尺寸的仿章魚吸盤微結(jié)構(gòu)能夠提高吸附力，為提高全口義齒固位力提出了一種新思路，但未來還有待深入的實驗研究和臨床應(yīng)用研究。