新型抗菌性牙科光固化復(fù)合樹(shù)脂的耐磨性研究

(青島大學(xué)附屬醫(yī)院口腔科,山東 青島 266003)

牙科復(fù)合樹(shù)脂因美觀性好、生物相容性好、物理機(jī)械性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，極大地滿(mǎn)足了齲病病人對(duì)牙科修復(fù)材料的要求，目前已成為最常用的牙體修復(fù)材料。然而，沒(méi)有內(nèi)在抗菌活性的樹(shù)脂容易積累菌斑[1]，且因其本身聚合反應(yīng)產(chǎn)生的聚合收縮會(huì)引起修復(fù)體和牙體間產(chǎn)生微滲漏，最終導(dǎo)致繼發(fā)齲[2]。因此，研發(fā)一種具有理想抗菌性能的樹(shù)脂對(duì)于繼發(fā)齲的預(yù)防及提高修復(fù)體的使用壽命具有重要意義。

齲病是在以細(xì)菌為主的多種因素作用下，牙體硬組織發(fā)生的慢性、進(jìn)行性破壞，而變形鏈球菌在牙齒表面的黏附、集聚以及增殖是導(dǎo)致齲病的主要原因[3]。近年來(lái)，納米氧化鎂(nano-MgO)作為一種新型無(wú)機(jī)抗菌劑應(yīng)運(yùn)而生。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)nano-MgO具有抗菌作用，且其抗菌效果廣譜、高效，對(duì)革蘭陽(yáng)性菌和陰性菌均有良好的殺菌作用[4]。粒徑越小的MgO顆粒，越易于透過(guò)細(xì)胞膜，其殺菌能力越強(qiáng)[5-6]，含有高分散相MgO的AL2O3具有較好的抗菌性，能夠殺死99%以上的細(xì)菌和芽孢[7]。本課題組研究人員前期通過(guò)實(shí)驗(yàn)已證明了nano-MgO對(duì)變形鏈球菌有一定的抗菌效果，添加nano-MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04的復(fù)合樹(shù)脂抗菌率為95.5%，具有較強(qiáng)的抗菌作用，且其機(jī)械性能滿(mǎn)足臨床需求，是制備抗菌性復(fù)合樹(shù)脂的較優(yōu)選擇[8]。而在臨床應(yīng)用中，復(fù)合樹(shù)脂的耐磨性能是決定臨床療效的重要因素，尤其是后牙復(fù)合樹(shù)脂，承受的咬合力大，疲勞作用強(qiáng)，并且在咀嚼過(guò)程中，與對(duì)頜牙的接觸磨耗和食物磨損均較明顯[9]，早期的后牙復(fù)合樹(shù)脂臨床應(yīng)用成功率較低，主要原因就是耐磨性差，導(dǎo)致了修復(fù)體表面體積減小和邊緣破壞，在后牙復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)失敗的病例中，因聚合收縮導(dǎo)致的邊緣微滲漏和機(jī)械磨耗導(dǎo)致的咬合面降低最為多見(jiàn)[10]。因此，本實(shí)驗(yàn)在前期nano-MgO抗菌性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究含有nano-MgO的新型牙科光固化復(fù)合樹(shù)脂的磨耗性能，為研制新型抗菌性復(fù)合樹(shù)脂和探討其臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

樟腦醌(CQ，Aldrich公司)；雙酚A-雙甲基丙烯酸縮水甘油酯(Bis-GMA，Aldrich公司)；雙甲基丙烯酸二縮三乙二醇酯(TEGDMA，Aldrich公司)；二氧化硅(SiO2，粒徑為2 μm，阿拉丁試劑公司)；N，N-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯(DMAEMA，Aldrich公司)；3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(KH-570，Aldrich公司)；氧化鎂(MgO，粒徑為50 nm，阿拉丁試劑公司)。

1.2 儀器

DMW-1型磨耗試驗(yàn)機(jī)(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)研究所研制);分析天平(Mettler Toledo公司，瑞士)；數(shù)顯千分表(Mitutoyo公司，日本)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1樹(shù)脂磨耗試樣的制備 先將Bis-GMA與TEGDMA按照質(zhì)量比7∶3混合成為基體樹(shù)脂，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7的經(jīng)KH-570表面改性后的SiO2，同時(shí)將nano-MgO分別按照0.01、0.02、0.04、0.08的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基體樹(shù)脂混合。待混合均勻后，加入所稱(chēng)取的光引發(fā)劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01的CQ，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02的DMAEMA)繼續(xù)調(diào)拌均勻得到所要制備的樹(shù)脂。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)前期nano-MgO抗菌性實(shí)驗(yàn)的分組，分為不含nano-MgO的A組和分別含nano-MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01、0.02、0.04、0.08的B組、C組、D組、E組，以臨床常用的兩種商品化復(fù)合樹(shù)脂作為陽(yáng)性對(duì)照組，分別為F組(charisma)和G組(AP-XTM)。按口腔材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T-0113[11]每種材料制備5個(gè)直徑10 mm、高6 mm的圓柱形磨耗試樣，按廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)要求操作，并分層固化，然后37 ℃水浴24 h。

1.3.2摩擦磨損實(shí)驗(yàn) 在磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)磨物上鋪設(shè)400目的水砂紙，在料盤(pán)內(nèi)加入25 mL蒸餾水，預(yù)磨75次(磨耗負(fù)荷22 N)，然后磨料預(yù)磨150次(磨耗負(fù)荷172 N)。取下試樣進(jìn)行超聲清洗、吹干，用分析天平稱(chēng)質(zhì)量作為初始質(zhì)量，并測(cè)定每個(gè)試樣的密度，用于計(jì)算體積損失量。每次磨耗實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用數(shù)顯千分表測(cè)量試樣表面13個(gè)點(diǎn)的高度，用平均值作為試樣高度，各測(cè)量點(diǎn)的分布如圖1所示。對(duì)每個(gè)試樣，在磨耗負(fù)荷172 N的條件下分別磨耗100、200、400和800次時(shí)稱(chēng)質(zhì)量并測(cè)量高度。磨耗結(jié)束后，根據(jù)公式△V=△m/ρ計(jì)算出不同磨耗次數(shù)下試樣的體積損失量，掃描電鏡觀察試樣磨損面微觀形貌。

圖1 磨耗試樣高度測(cè)量點(diǎn)示意圖

2 結(jié) 果

2.1 樹(shù)脂耐磨性能測(cè)定

7種樹(shù)脂的體積損失量及高度損失量如表1所示。樹(shù)脂的磨耗量隨著磨耗次數(shù)的增加而增加。在體積損失量方面，A組與C組、D組、E組、F組、G組比較，差異有顯著性(F=12.424，P<0.05)，其他各組間兩兩比較差異均無(wú)顯著性。在高度損失量方面，A組與C組、D組、E組、F組、G組比較差異有顯著性(F=17.875)，其他各組間兩兩比較差異均無(wú)顯著性。本實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂磨耗的體積損失量和高度損失量呈顯著正相關(guān)(r=0.957～0.999，P<0.05)。

2.2 樹(shù)脂磨損面微觀形貌

由圖2、3可見(jiàn)，未添加nano-MgO的A組樹(shù)脂在低倍鏡下表面平整、致密，隱約可見(jiàn)斜向摩擦條紋，材料局部剝脫不明顯；在高倍鏡下見(jiàn)SiO2在樹(shù)脂中分散較均勻，呈規(guī)則的球形，表面僅有少量填料脫落形成的圓凹坑，幾乎未見(jiàn)裂紋。其他4組含有nano-MgO的樹(shù)脂在低倍鏡下表面平整但略顯粗糙，摩擦條紋不明顯，有些可見(jiàn)填料脫落形成的凹坑，nano-MgO顆粒在樹(shù)脂中有不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象；在高倍鏡下見(jiàn)nano-MgO顆粒部分團(tuán)聚，另有許多填料顆粒脫落形成的凹坑。F組在低倍鏡下表面非常致密光滑，有方向交錯(cuò)的條紋，幾乎未見(jiàn)剝脫性凹坑；高倍鏡下可見(jiàn)填料密度較大，有少量填料脫落后形成的小凹坑，沒(méi)有明顯的裂紋和材料剝脫性凹坑。G組在低倍鏡下表面見(jiàn)劃痕，未見(jiàn)明顯的剝脫性凹坑；在高倍鏡下見(jiàn)基質(zhì)明顯磨除伴大顆粒填料暴露。

表1 各種樹(shù)脂體積損失量及高度損失量

3 討 論

目前，復(fù)合樹(shù)脂的耐磨性研究常用的有體內(nèi)試驗(yàn)[12]和體外實(shí)驗(yàn)[13-15]兩種方法。體外實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行懦w內(nèi)環(huán)境造成的影響，更好地控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)施系統(tǒng)性、精確化的探索，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠。因此，本實(shí)驗(yàn)采用的是體外實(shí)驗(yàn)。DMW-1磨耗試驗(yàn)機(jī)是由徐恒昌等在CW3-1磨耗試驗(yàn)機(jī)[16-17]的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，模擬的是三體磨損，約30 min就可以完成一個(gè)試樣的耐磨性測(cè)試，而且變異系數(shù)不超過(guò)5%[18]，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)材料的可比性和結(jié)果的可靠性。

A、B、C、D、E、F、G分別代表A、B、C、D、E、F、G組，500倍。

A、B、C、D、E、F、G分別代表A、B、C、D、E、F、G組，5 000倍。

MgO是無(wú)毒無(wú)味的白色無(wú)定形粉末狀物質(zhì)，顏色穩(wěn)定，加入到復(fù)合樹(shù)脂中不會(huì)對(duì)樹(shù)脂的色澤造成不良影響，避免了載銀類(lèi)抗菌劑容易變色的問(wèn)題，而且高純度MgO晶體的莫氏硬度為5.5，接近人類(lèi)牙釉質(zhì)的硬度[19]。

透射電鏡是觀察納米顆粒微觀形貌的必要儀器，它可以直觀地觀察顆粒的形狀、大小以及分散性。納米粉體由于其高表面能，易團(tuán)聚成簇，因此在觀察之前需經(jīng)過(guò)超聲振蕩使其充分分散。本實(shí)驗(yàn)所用的MgO粉體在透射電鏡下為不規(guī)則的球形或棒狀，粒徑范圍50～110 nm。顆粒分散性不好，容易團(tuán)聚，可能是由于粉體放置過(guò)久，或是超聲振蕩時(shí)間太短或粉體濃度太大[20]。而且超聲振蕩的分散能力有限，很難將納米級(jí)的粉體分散成單個(gè)顆粒，不能充分解決納米顆粒的團(tuán)聚問(wèn)題。理論上，粒徑范圍分布越廣，充填到樹(shù)脂中的量越大，樹(shù)脂的機(jī)械性能和耐磨性越強(qiáng)。但是nano-MgO顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)影響其在樹(shù)脂中的分散性，從而阻礙抗菌性能的發(fā)揮，降低樹(shù)脂的機(jī)械性能以及耐磨性。SHIMPI等[21]將顆粒大小為20～60 nm的氫氧化鎂加入復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005時(shí)提高了材料的各項(xiàng)性能，而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.025時(shí)復(fù)合體的機(jī)械、物理性能都呈較大下降趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)中含不同比例nano-MgO復(fù)合樹(shù)脂的耐磨性間沒(méi)有呈現(xiàn)出非常明顯的升降趨勢(shì)，且本實(shí)驗(yàn)中添加nano-MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01的B組樹(shù)脂與未添加nano-MgO的A組樹(shù)脂相比，在高度損失量和體積損失量方面均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，除了MgO添加量較少外，分散性問(wèn)題也是原因之一。

而且，無(wú)機(jī)填料本身的特點(diǎn)以及與基質(zhì)結(jié)合的強(qiáng)度等也是影響樹(shù)脂耐磨性能的重要因素。要想提高樹(shù)脂的耐磨性能，一是應(yīng)用強(qiáng)度更高的填料，二是加強(qiáng)填料-基質(zhì)間的結(jié)合，最常用的辦法就是硅烷耦聯(lián)劑預(yù)處理填料表面。另一種方法是使用一些專(zhuān)門(mén)材料使填料與基質(zhì)間發(fā)生機(jī)械鎖結(jié)作用，防止填料從基質(zhì)中脫落，從而提高樹(shù)脂的耐磨性能，比如納米填料等。最常用的是納米SiO2。根據(jù)GAROUSHI等[22]的實(shí)驗(yàn)，在SiO2納米和微米顆粒混合的填料中，經(jīng)過(guò)硅烷化改性的納米SiO2在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2～0.3時(shí)顯示出最好的抗磨損性能。本實(shí)驗(yàn)G組的AP-XTM樹(shù)脂是混合填料復(fù)合樹(shù)脂，內(nèi)含有體積分?jǐn)?shù)為0.7的鋇玻璃(粒徑3 μm)、硅膠以及粒徑0.1～15.0 μm的SiO2顆粒。根據(jù)圖3示AP-XTM樹(shù)脂的填料粒徑分布廣泛，大部分是形態(tài)不規(guī)則的大顆粒鋇玻璃且相距較遠(yuǎn)，小顆粒鑲嵌在大顆粒縫隙之中，基質(zhì)與填料的界限清晰。在放大5 000倍的情況下可見(jiàn)AP-XTM樹(shù)脂表面較為粗糙，基質(zhì)明顯被磨除伴填料暴露。基質(zhì)發(fā)生塑性形變和填料剝脫留下的凹坑，表面較為平整可能是基質(zhì)被磨除后填料被外力壓入基質(zhì)中。但是在低倍鏡下看到磨耗表面有明顯的犁溝和劃痕，這是因?yàn)榇箢w粒填料與螢石遞質(zhì)的摩擦導(dǎo)致。但由于不規(guī)則外形的大顆粒填料顯露太多，且與基質(zhì)的固位力較差，在循環(huán)應(yīng)力下，仍會(huì)發(fā)生翹動(dòng)和脫落，從而使填料的脫落更加迅速[23-24]。研究發(fā)現(xiàn)填料體積含量與樹(shù)脂的耐磨性能呈線(xiàn)性相關(guān)，這源于填料的含量多，顆粒間隙就小，從而減少了基質(zhì)的暴露，即基質(zhì)保護(hù)理論[25]。但本研究中AP-XTM樹(shù)脂的填料體積分?jǐn)?shù)(0.70)大于charisma樹(shù)脂的填料體積分?jǐn)?shù)(0.58)，前者體積損失量仍大于后者，因此樹(shù)脂填料體積含量與耐磨性無(wú)關(guān)。

Charisma樹(shù)脂是一種前后牙通用的小顆粒混合填料型復(fù)合樹(shù)脂，含有體積分?jǐn)?shù)為0.58的填料，鋇鋁玻璃的粒徑范圍為0.02～2.00 μm，SiO2的粒徑范圍為0.02～0.07 μm。Charisma樹(shù)脂電鏡下表面非常光滑和均勻磨損，有很少的剝脫性凹坑，高倍鏡下可在整個(gè)表面上看到小的空隙。Charisma在這項(xiàng)研究中顯示出最好的耐磨性。這是因?yàn)楦鶕?jù)磨料磨損的機(jī)制，charisma樹(shù)脂的填料粒徑小，填料間的縫隙就小，磨料難以磨損填料間的樹(shù)脂基質(zhì)，基質(zhì)能持續(xù)發(fā)揮對(duì)填料的固定作用，填料不易脫落。而且，填料粒徑越小，脫落后造成的體積損失就會(huì)越小，宏觀上展現(xiàn)出良好的耐磨性[26-29]。

本實(shí)驗(yàn)自制樹(shù)脂含無(wú)機(jī)填料SiO2(粒徑2 μm)體積分?jǐn)?shù)為0.7，高倍鏡下可見(jiàn)填料脫落形成的圓形凹坑，顆粒分布較均勻，基質(zhì)與填料間界限較為清晰。5組自制實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂在相同磨耗次數(shù)下的耐磨性低于charisma樹(shù)脂和AP-XTM樹(shù)脂，一方面是由于填料粒度較大，填料間的間隙就較大，磨料磨損樹(shù)脂基質(zhì)造成填料脫落，另一方面也可能是手動(dòng)調(diào)和樹(shù)脂與工廠(chǎng)機(jī)器調(diào)和樹(shù)脂的差異引起，這一方面還有待驗(yàn)證。

總之，在本實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是在高度損失量還是體積損失量方面，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02、0.04、0.08的C、D、E組實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂與charisma樹(shù)脂和AP-XTM樹(shù)脂相比均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。根據(jù)前期nano-MgO抗菌性實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，即含nano-MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04的復(fù)合樹(shù)脂抗菌率為95.5%，具有較強(qiáng)的抗菌作用，且其機(jī)械性能滿(mǎn)足臨床要求，可以得出以下結(jié)論：含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04 nano-MgO的復(fù)合樹(shù)脂在耐磨性方面也可滿(mǎn)足臨床需求，考慮到綜合性能，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04 nano-MgO的復(fù)合樹(shù)脂是制備新型抗菌性復(fù)合樹(shù)脂的較優(yōu)選擇。