表面改性氧化鋯無機填料對齒科自酸蝕粘結劑性能的影響

涂寶麗，張青紅，王海風，劉 梅

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

0 引 言

復合樹脂由于具有較好的生物相容性及美觀性，被廣泛用于口腔修復材料領域[1]。樹脂粘結劑與復合樹脂配套使用，由磷酸腐蝕后涂覆向自酸蝕方向發展。自酸蝕粘結劑因為含有酸性單體不再需要對牙本質進行單獨酸蝕處理，減小了發生術后敏感的概率，所以在臨床中得到大量應用[2-4]。但是，其自身組分具有親水性，通常能夠與牙本質很好地結合，而與復合樹脂的粘結強度不夠[5]。因此，增強粘結劑與復合樹脂的粘結十分必要。

無機填料的加入通常被認為可有效地增強粘結劑的性能[6]。一方面是由于無機填料比樹脂基材料的的硬度高、強度高，使樹脂基體可承受更多的應力，另一方面是經過活化處理的填料與牙體結合更牢固，具有應力緩沖的作用[7-8]。一般認為，填料對粘結劑力學性能的影響主要取決于填料的種類、形狀和尺寸等。目前氧化鋯、氧化硅和羥基磷灰石等材料已被證實能夠增強粘結劑的力學性能[9]。同時，氧化鋯基材料被認為是一種具有高化學穩定性的生物材料，可避免向周圍組織釋放有毒物質[10-11]。但是氧化鋯的表面通常具有化學惰性，如果不對其表面進行預處理，不能發揮其增強力學性能的作用[12]。所以，為了對氧化鋯進行硅烷偶聯劑改性，可對其表面包覆氧化硅涂層[13]。Martinlinna等[14-15]報道了通過摩擦化學增加表面粗糙度，使用不同類型的硅烷偶聯劑來提高氧化鋯與表面氧化硅涂層的結合強度，但是該方法制備的氧化硅層不夠均勻[16]。最近，溶膠-凝膠法已用于制備氧化鋯表面的氧化硅涂層，以改善樹脂與氧化鋯之間的鍵合[17]。溶膠-凝膠法制備的氧化硅涂層生物相容性好，能夠形成均勻的氧化硅涂層，并且涂層厚度易于調控。本研究使用溶膠-凝膠法在氧化鋯表面包覆氧化硅涂層，使其能夠表面改性接枝較多的偶聯劑，以提高填料與樹脂基體的相容性。

本文以氧化鋯粉體為主要無機原料，采用溶膠-凝膠法包覆氧化硅層，并在硅烷化后按照不同比例將其添加到自酸蝕粘結劑基體中，制備了自酸蝕粘結劑。

1 實 驗

1.1 原材料

單體雙酚A-甲基丙烯酸縮水甘油酯(Bis-GMA)、稀釋劑二甲基丙烯酸三乙二醇酯(TEGDMA)、兩性單體甲基丙烯酸-2-羥乙酯(HEMA)、酸蝕劑10-(2-甲基丙烯酰氧基)磷酸單癸酯(10-MDP)、光引發劑樟腦醌(CQ)、光引發劑對二甲氨基苯甲酸乙酯(4-EDMAB)均購自Sigma-Aldrich(上海)貿易有限公司。2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、正硅酸四乙酯(TEOS)、聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)、環己烷、正丙胺、納米氧化鋯均購自中國醫藥集團有限公司。γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)、亞甲基藍購自上海泰坦科技股份有限公司。10-(2-甲基丙烯酰氧基)磷酸單癸酯(10-MDP)購自畢得醫藥。牙托粉購自上海奇異牙科器材有限公司，牙托水購自上海新世紀有限公司。3M/ESPE商用粘結劑、3M/ESPE復合樹脂購自深圳市愛牙邦醫療器械有限公司。

1.2 材料制備

1.2.1 改性ZrO2@SiO2的制備

(1)制備ZrO2@SiO2：稱取5.0 g ZrO2以及0.5 g PVP, 加入到裝有0.8 mL氨水、2 mL超純水和100 mL無水乙醇的單口燒瓶中，超聲10 min使ZrO2均勻分散在液相中，然后在室溫下高速攪拌30 min，迅速注入1.0 mL TEOS,繼續攪拌反應8 h。離心后用乙醇洗滌，將洗滌后的沉淀物放置到120 ℃的真空烘箱中干燥24 h。

(2)ZrO2@SiO2硅烷改性：稱取5.0 g ZrO2@SiO2，分別量取0.550 mL γ-MPS、0.255 mL正丙胺和100 mL環己烷，全部混合加入到250 mL單口燒瓶中，超聲10 min使其分散，在室溫下高速攪拌30 min，然后將所得懸濁液轉移到60 ℃的油浴鍋中，繼續攪拌30 min完成表面改性。接著將單口燒瓶放入溫度設置為80 ℃的旋轉蒸發儀中除去未反應的試劑，當溶劑蒸發完畢，將其取下放入到80 ℃的真空烘箱中干燥18 h，得到改性后的ZrO2@SiO2。

1.2.2 制備樹脂基體及自酸蝕粘結劑

制備樹脂基體：稱取30.72 g Bis-GMA和11.44 g的TEGDMA，在40 ℃下攪拌2 h使兩者混合均勻，備用。

制備自酸蝕粘結劑：分別稱取4.40 g、4.35 g、4.20 g、3.95 g的上述混合溶液放在20 mL的棕色小瓶中，接著分別加入0.25 g HEMA以及0.25 g 10-MDP，然后加入光引發劑10 mg CQ和40 mg 4-EDMAB，再分別加入0 g、0.05 g、0.10 g、0.25 g、0.50 g的改性ZrO2@SiO2，其加入的質量分數分別占粘結劑總量的0%、1%、2%、5%、10%。避光攪拌5 h。對照組使用3M/ESPE商用粘結劑。

其他助劑：加入質量分數占粘結劑總量10%的乙醇，溶解酸性單體10-MDP的同時也能降低粘度，有利于粘結劑對牙本質的滲透。然后加少量阻聚劑BHT，其質量占粘結劑總量的0.01%，保證粘結劑能夠穩定儲存。

1.3 表征及測試方法

1.3.1 場發射透射電鏡(TEM)

采用場發射透射電鏡(TEM，型號JEM/2100F，日本)對ZrO2、ZrO2@SiO2的晶體形貌和元素分布進行分析。

1.3.2 傅里葉紅外光譜儀(FTIR)

采用傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Nicolet 8700，美國)來定性分析ZrO2@SiO2的改性效果。測試采用KBr壓片法，波數范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為32次，分辨率為4 cm-1。

1.3.3 熱重分析儀(TGA)

采用熱重分析儀(TGA，Q5000IR，美國)定量分析 γ-MPS在ZrO2@SiO2表面的接枝率。選擇N2氣氛；溫度范圍為30～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.4 機械性能測試

(1)拉伸強度測試

樹脂與樹脂粘結：將購買的3M/ESPE復合樹脂填充到尺寸為25 mm×2 mm×2 mm的硅橡膠模具中，一次填充12.5 mm高度并光固化。將自制粘結劑均勻地涂布在樹脂樣條端部，用強氣流吹至少5 s后光固化。最后，與上述方法相同，在涂布粘結劑的端部上將另一半樹脂填充并固化。每組為8個樣品，取平均值。使用萬能電子材料試驗機(INSTRON/5969，美國)測試粘結強度。將拉伸速度設置為0.75 mm/min，直至樣品斷裂，記錄斷裂時的最大拉伸粘結強度。

樹脂和牙本質粘結：收集新鮮不含齲齒的臼齒用水徹底洗滌并干燥。將購買的牙托水和牙托粉按質量比1 ∶2 混合，待其進入粘絲期后放入尺寸為12.7 mm×9.5 mm×10 mm的預切聚乙烯管中，將牙齒垂直放置在上面。用硬組織切片機切掉牙釉質，露出牙本質并打磨表面。在牙本質上涂布粘結劑2～3層，用強氣流吹5 s并光固化。將聚乙烯管放在粘合界面上，逐層填充3M/ESPE復合樹脂并固化。使用硬組織切片機垂直于粘結界面分別橫向、縱向切割，將其切割成尺寸為1 mm×1 mm×15 mm(粘結界面為1 mm×1 mm)的長方體樣品。測試方法同上。

(2)壓縮強度測試

將粘結劑填充到φ4 mm×6 mm的模具中，頂部和底部分別固化40 s，每組共制作8個樣品，取平均值。使用萬能電子材料試驗機(INSTRON/5969，美國)測試壓縮強度，設定以1 mm/min的速度加載，測得最大壓縮強度。

(3)光固化深度測試

將粘結劑填充在φ4 mm×10 mm藍色不透光模具中，使用藍光固化燈照射上表面20 s，刮除未完全固化的部分，記錄固化深度。

1.3.5 斷面形貌測試

通過場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，Hitachi S-4800，日本)拍攝斷裂樣品表面，斷裂樣品來自于力學性能測試中斷裂的樣條。

1.3.6 牙本質小管封閉測試

對1.3.4(1)中臼齒進行處理。在牙本質上涂布粘結劑2～3層，然后用強氣流吹5 s并光固化。通過場發射掃描電子顯微鏡觀察表面。

1.3.7 微滲漏測試

收集新鮮不含齲齒的臼齒用水徹底洗滌并干燥。將牙齒分為A、B兩組，在牙齒的咬合面使用硬組織切片機鉆洞來模擬齲齒，確保齲洞的深度到達牙本質。A組直接在齲洞逐層填充復合樹脂并固化；B組選擇具有最佳粘結強度的試驗組膠粘劑，將其涂抹在齲洞中并光固化，然后逐層填充復合樹脂光固化。用石蠟封閉牙根尖，在填充體周圍1 mm區域外涂兩層指甲油，將牙齒樣本可能存在的其他縫隙封閉，防止染料進入。干燥后，將所有牙齒浸泡在質量分數為1%的亞甲基藍溶液中24 h。浸泡完畢后，將牙齒表面殘留的所有染料沖洗掉，用硬組織切片機沿頰舌方向切片，在超景深顯微鏡(DVM6/DVM6，中國)下以72倍的放大倍數觀察切片樣品，并通過場發射掃描電子顯微鏡拍攝切片的粘結區域。

2 結果與討論

2.1 無機填料改性

圖1是ZrO2@SiO2的TEM照片以及元素分布圖，可以看出ZrO2顆粒大小為25～60 nm，SiO2層厚度約為2～3 nm，包覆層致密均勻。這是由于TEOS分子中含有可水解的乙氧基團(-OC2H5)，-OC2H5能夠水解成硅醇基團(Si-OH)，兩個硅烷醇分子縮合形成硅氧烷鍵(Si-O-Si)，再進一步縮聚形成氧化硅網絡。氧化硅表面的羥基與氧化鋯有氫鍵作用，同時后者作為成核劑使其表面形成氧化硅層[17]。

圖1 ZrO2@SiO2的透射電鏡照片及元素分布圖Fig.1 TEM images and element mappings of ZrO2@SiO2

圖2為改性前后的ZrO2@SiO2傅里葉紅外光譜，波數在3 430 cm-1左右處較寬的吸收峰是由于樣品表面大量羥基的伸縮振動引起的[18]。在波數為1 640 cm-1和1 110 cm-1左右的吸收峰分別由SiO2表面含有的羥基彎曲振動所致和Si-O-Si鍵彎曲振動所致，γ-MPS水解產生的Si-OH與SiO2表面的Si-OH發生縮聚反應，通過化學鍵接枝在SiO2表面。從改性之后的ZrO2@SiO2的紅外光譜中可看出，與改性前的樣品相比，波數在1 718 cm-1和1 580 cm-1左右的位置出現了新的吸收峰，這分別是由硅烷偶聯劑 γ-MPS中的C=O鍵和C=C鍵伸縮振動所引起的，說明改性成功[19-20]。

圖2 改性前后ZrO2@SiO2的傅里葉紅外光譜Fig.2 FTIR spectra of ZrO2@SiO2 andmodified ZrO2@SiO2

圖3為ZrO2@SiO2經γ-MPS改性處理后熱重曲線。熱重曲線分為兩個階段：第一階段的失重在375～558 ℃，這主要是由γ-MPS中有機基團的氧化、分解所導致的；第二階段的失重發生在558～800 ℃，該階段失重速度明顯減慢，與SiO2中Si-OH轉變為Si-O-Si有關，這部分失重的質量分數約為0.8%。因此由熱重定量分析可知，ZrO2@SiO2表面的 γ-MPS接枝率約為3.1%。

圖3 改性后ZrO2@SiO2的熱重曲線Fig.3 Thermogram curve of modified ZrO2@SiO2

2.2 粘結劑的力學性能測試

圖4為添加了不同含量改性后的無機填料ZrO2@SiO2粘結劑的固化深度。從圖中可以看出隨著無機填料含量的增加，對粘結劑的透光性起不利影響，固化深度逐漸減小。當試驗組填料的質量分數最高達到10%時，其固化深度仍可達到3.72 mm左右，對于粘結劑來說這個固化深度已足夠。因此就固化深度單方面來考慮的話，填料質量分數為1%～10%均合適。

圖4 不同含量改性后ZrO2@SiO2粘結劑的固化深度Fig.4 Curing depth of adhesive containing differentamounts of modified ZrO2@SiO2

圖5為添加了不同含量改性后的無機填料ZrO2@SiO2粘結劑的力學性能，其中圖5(a)為粘結強度，圖5(b)為壓縮強度。由圖5可知，粘結劑的粘結強度和壓縮強度都呈現出先增大后減小的趨勢，當無機填料的質量分數為2%時粘結強度最高，為(31.63±1.53) MPa，當填料的質量分數為1%時壓縮強度最高，為(242.10±38.30) MPa，壓縮強度在填料質量分數為2%時也基本得到保持。其中，粘結強度的增強作用較明顯，提高了約78.8%，壓縮強度的增強作用提高了約17.5%(填料質量分數為1%)。當填料的質量分數超過5%時,粘結強度有所下降。這是由于ZrO2表面包覆的SiO2經過硅烷偶聯劑改性，在光固化時與粘結劑基體形成了化學鍵，并且填料中ZrO2的晶態屬性、Zr-O的強鍵能使粘結強度增高。而隨著填料含量的增加，一方面是減小了粘結劑的透光性,使聚合度有所減弱從而使其力學性能減小;另一方面可能是由于無機填料發生了團聚，難以保持高度分散的狀態[21]。與3M/ESPE商用粘結劑(3M)進行了力學強度的對比，結果顯示商用粘結劑的粘結強度和壓縮強度分別為(16.29±3.13) MPa和(67.92±16.16) MPa，所以自制的試驗組粘結劑力學性能明顯優于商用粘結劑。

圖5 不同含量改性后ZrO2@SiO2粘結劑的粘結強度及壓縮強度Fig.5 Bonding strength and compressive strength of adhesive filled with different amounts of modified ZrO2@SiO2

2.3 粘結劑斷面的掃描電鏡照片分析

圖6為粘結劑與復合樹脂和牙本質的粘結斷面圖。圖6(a)為直接切割的牙本質斷面掃描電鏡照片，可以看出切割后的牙本質小管被其表面存在的玷污層封閉，圖6(b)為復合樹脂的斷面掃描電鏡照片，圖6(c)和圖6(d)分別為含質量分數為2% ZrO2@SiO2的粘結劑對牙本質小管和復合樹脂的粘結斷面掃描電鏡照片。由圖可知自酸蝕粘結劑由于存在有機酸蝕劑可溶解牙本質表面存在的玷污層，有利于粘結劑滲入到牙本質小管中，并且其與復合樹脂的粘結斷面表面形成的臺階較多，起到了強度分散的作用，有利于粘結劑力學性能的提高[22]。

圖6(e)和圖6(f)分別為含質量分數為10% ZrO2@SiO2的粘結劑對牙本質小管和復合樹脂的粘結斷面掃描電鏡照片，可以看出部分牙本質小管裸露，粘結劑對其的滲入作用減弱，與復合樹脂的粘結表面也可看到大量的填料顆粒。推測是由于隨填料含量的增加，粘結劑的粘稠度也隨之增加，并且填料可能發生了團聚，無機填料過多，因此減弱了其分散強度和消耗能量的作用[23]。

圖6 牙本質小管和復合樹脂的斷面FE-SEM照片Fig.6 FE-SEM images of fracture surfaces of dentin tubules and composite resin

2.4 牙本質表面的場發射掃描電鏡照片分析

圖7為牙本質表面的場發射掃描電鏡(FE-SEM)照片。圖7(a)為磷酸(質量分數37%H3PO4)酸蝕的牙本質表面，圖7(b)為在切割后的牙本質表面涂抹粘結劑后的掃描電鏡照片。從圖中可以看出經過磷酸酸蝕的牙本質表面暴露出管徑2～3 μm左右的牙本質小管，涂抹粘結劑的牙本質表面則未見牙本質小管暴露，與圖6中的牙本質粘結斷面掃描電鏡對比可證明,粘結劑除了可以酸蝕掉切割牙本質表面的玷污層外，還有很好的牙本質小管封閉作用和表面浸潤性。

圖7 牙本質表面的FE-SEM照片Fig.7 FE-SEM images of dentin surface

2.5 微滲漏情況的顯微鏡照片分析

圖8為使用超景深顯微鏡觀察的微滲漏照片，圖8(a)為未使用粘結劑，直接將復合樹脂填充到模擬齲洞的對照組，圖8(b)為選擇力學性能最好的試驗組粘結劑的微滲漏情況。顯微鏡照片顯示對照組微滲漏現象非常明顯，試驗組僅發生了輕微滲漏。圖9為充填體邊緣場發射掃描電鏡照片，可以看出由于粘結劑的存在明顯地使充填體與牙齒之間縫隙減小，使其結合更緊密。這是由于自酸蝕粘結劑部分酸蝕掉牙本質表面的玷污層后滲入到牙本質小管中，而粘結劑中又存在兩親性成分以及硅烷偶聯劑改性過的填料，有利于其與復合樹脂的結合，所以復合樹脂與滲入的粘結劑和部分殘留的玷污層三者混合固化，可以達到粘結固位的目的[24]。

圖8 超景深顯微鏡下的微滲漏情況Fig.8 Microleakage under ultra-depth-of-field microscopy

圖9 充填體邊緣場發射掃描電鏡照片Fig.9 FE-SEM images of filling body edge

3 結 論

為解決氧化鋯難以接枝偶聯劑的難題，本文通過在其表面包覆了2～3 nm厚無定形氧化硅層成功接枝硅烷偶聯劑，并將其以質量分數為1%～10%的比例添加到自酸蝕粘結劑中。適量的添加明顯提高了粘結劑的力學性能，添加質量分數為2%后其粘結強度提高了約78.8%，無機填料超過5%時粘結強度有所下降。適量填料添加后，加強了粘結劑對牙本質小管的滲入作用，可明顯減輕微滲漏現象，這也將在一定程度上延長了齒科修復材料的服役壽命。