納米填料改性復合樹脂的生物化學性能評價及研究進展①

盧成輝，顧遠平

(桂林醫學院附屬口腔醫院/口腔醫學院，廣西 桂林 541004)

齲病是導致牙體缺損最常見的牙體疾病之一，而修復牙體缺損最常用的材料主要是復合樹脂。與銀汞合金相比，復合樹脂具有色澤與牙體組織相近、固位性能良好和高生物安全性等優點，現已成為臨床上應用最廣泛的牙體缺損修復材料之一。復合樹脂也存在一些不足，臨床上現階段使用的復合樹脂幾乎沒有抗菌成分，細菌黏附聚集在修復材料及周圍牙體組織后，易導致邊緣繼發齲的發生，繼發齲的發生是影響修復體壽命甚至導致樹脂修復失敗的重要原因。為此，許多研究致力于研發具有良好抗菌性能的新型納米復合樹脂，以期為延長修復體壽命、提升成功率提供依據。

1 復合樹脂中納米填料的作用

復合樹脂主要由有機樹脂基質、無機填料和引發體系、稀釋劑、偶聯劑、著色劑等組成。有機樹脂基質，如Bis-GMA、TEGDMA、UDMA和HEMA等，主要賦予樹脂材料可塑性和固化特性，并使樹脂成形且具有一定強度。引發體系、稀釋劑、偶聯劑及著色劑等，則主要起輔助加成聚合反應、賦予材料仿真的色澤等作用。無機填料在復合樹脂組分中占據重要地位(70 wt.%～80 wt.%)，主要作為分散相和增強組分，其粒徑對樹脂的性能也起著關鍵作用。納米填料是指結構單元尺寸為0.1～100 nm的超細顆粒，與傳統無機填料相比，其尺寸小、比表面積大，吸附能力強且化學性質活潑，可與有機單體充分結合，若將其添加到樹脂基質中達到納米水平分散，制成的復合樹脂的綜合性能將大為提升。其中，主要以提升復合樹脂生物化學性能為主，如抗菌防齲性能、釋氟再礦化性能。具有釋氟再礦化性能的納米填料有：納米銀(AgNPS)、納米氧化鋅(Nano-ZnO)、納米氧化鎂(Nano-MgO)、季銨鹽如甲基丙烯酰氧十二烷基溴吡啶(MDPB)、季銨鹽聚乙烯亞胺(QAS-PEI)、季銨二甲基丙烯酸(QADM)、納米氟化鈣(NCaF2)、納米磷酸鈣(NACP)、納米生物活性玻璃(BGN)等，以上填料主要賦予復合樹脂抑制菌斑生物膜形成及細菌代謝、調節脫礦及再礦化平衡等作用。

2 生物化學性能

2.1 抗菌防齲性能

為賦予樹脂良好的抗菌防齲性能，國內外學者進行了大量研究，如直接對樹脂基質進行抗菌改性，共混有機、無機類抗菌成分，或在樹脂基質結構上鍵合抗菌官能團，或摻雜、負載或接枝抗菌成分，直接或間接改善樹脂抗菌性能。隨著納米技術的進展，納米顆粒的小尺寸效應和界面效應使得抗菌離子得以高水平釋放，進一步提升抗菌性能。

2.1.1 納米銀(AgNPS) AgNPS具有廣譜抗菌性、高效殺菌性，少量即可產生強抗菌性，能對變形鏈球菌生物膜產生明顯的抑制效果，而與MDBP聯用在較少添加量的情況下即能有效抑菌；與抗生素聯用具有優異的協同抗革蘭陰性菌性能；與雙甲基丙烯酸酯季銨鹽單體聯用的抗菌體系優于其單一抗菌體系[1]；與TiO2聯合亦可減少復合樹脂表面變形鏈球菌生物膜的形成[2]。許多研究已經證實，AgNPS對革蘭陰性菌具有良好的抗菌作用，尤其是直徑1～10 nm的AgNPS具有直接接觸殺菌作用[3]。0～0.175 wt.%的AgNPS改性復合樹脂可顯著降低生物膜生長及代謝活性，且抗菌作用隨著AgNPS質量分數的增加而增強；在0～0.088 wt.%時，復合樹脂的撓曲強度和彈性模量與商品化復合樹脂相比無明顯差異；0.042 wt.%的AgNPS既可保持其抗菌性能，亦可獲得良好的機械強度及美學性能；但其達到0.175 wt.%時，復合樹脂的撓曲強度出現了顯著降低情況[4]。因此，賦予樹脂抗菌活性且不影響甚至提升其機械性能是研究重點，于是研究人員嘗試通過制備載銀抗菌填料以達到這一目的，如：納米載銀SiO2、納米載銀羥基磷灰石、納米載銀ZrO2、載銀納米金剛石(Ag/QNDs)、載銀埃洛石納米管(HNT/Ag)[5]等，適量共混可在改善復合樹脂機械性能的同時保留高效的抗菌活性。

2.1.2 納米氧化鋅(Nano-ZnO) Nano-ZnO抗菌譜亦廣，可通過釋放Zn2+、活性氧等或基于納米顆粒的量子尺寸效應發揮抗菌功效。相比于微米氧化鋅，其具有更高的表面勢能，可釋放出更多的Zn2+抗菌，或可激活光催化抗菌機制，產生大量自由基殺菌，隨著質量分數(1 wt.%～ 5 wt.%)增加，變形鏈球菌數顯著減少，但24 h后無抗微生物作用的表達[6]。為延長Nano-ZnO的抗菌作用時間，梁蓓蕾等[7-8]研究Nano-ZnO(1 wt.%，5 wt.%，10 wt.%)中的Zn2+釋放規律及浸泡1個月后的抗菌活性，發現10 wt.%的Nano-ZnO改性樹脂可在一定時間內保持較高的Zn2+釋放水平，從而發揮長效性抗菌作用，且添加量不超過10 wt.%不會對復合樹脂的機械性能造成負面影響。也有研究顯示，將AgNPS、Nano-Cu、Nano-Ti和Nano-ZnO等納米顆粒共混添加至復合樹脂中，發現其對口腔常見細菌(如變形鏈球菌、乳酸桿菌)有一定的抗菌效果，且隨著納米顆粒表面積/體積比的增加，抗菌性逐漸增強[9]。

2.1.3 納米氧化鎂(Nano-MgO) Nano-MgO被認為是一種安全無毒的抗菌劑[10]，主要依賴粒子表面氧空位及缺陷的存在導致脂質氧化和活性氧生成而發揮抗菌作用。其抗菌譜廣，對革蘭氏陽性及陰性菌均有較強的抗菌作用，尤其對變形鏈球菌具有強抗菌作用。隨著Nano-MgO抗菌成分的增加，樹脂的抗菌性能逐漸增強。當Nano-MgO含量超過6 wt.%時可降低樹脂表面的潤濕性，40 mass%時抗菌率高達99.13%，8 wt.%時具有最強的抗菌作用抗菌率可達99.4%[11]。Nano-MgO的加入賦予了樹脂基復合材料良好的抗菌性能和耐磨性，但維氏硬度略低，且隨著Nano-MgO含量的增加，抗壓強度呈下降趨勢。

2.1.4 季銨鹽 季銨鹽是一種高活性陽離子劑，具有廣譜抗菌性，對真菌、病毒亦有一定的抑制作用，尤其是對變形鏈球菌。Imazato等[12]首次合成MDPB，此后多種不同結構的可聚合季銨鹽抗菌劑相繼出現，如QAS-PEI、QADM等。有研究顯示[10]，將10 wt.%～20 wt.%MDPB加入復合樹脂后，發現其能有效抑制變形鏈球菌的附著和生長，浸泡處理90 d后樹脂仍保持良好的抗菌性能。另有研究表明，2.83 wt.%MDPB加入樹脂可抑制齲損的進展，并與黏結劑是否含MDPB無關[13]。此后，Beyth等[14]又在復合樹脂中加入1 wt.%PEI，發現PEI可賦予樹脂對變形鏈球菌和牙菌斑生物膜顯著的抑制作用，同時PEI能穩定存在于復合樹脂中發揮長效抑菌作用，且1 wt.%PEI不會顯著降低復合樹脂的機械性能。另外，Bryth等還制備了的QAS-PEI，并證實1 wt.%QAS-PEI便能有效抑制變形鏈球菌菌斑生物膜的形成，且1個月的老化處理，仍未檢測到抗菌組分的析出，同時亦保持了材料原有的機械性能和抗菌活性。而Yudovin等[15]則在復合樹脂中加入1 wt.%QAS-PEI，3個月的老化處理后其抗菌活性同樣存在，且聚乙烯亞胺烴基鏈長對抗菌作用有著重要影響。另有研究顯示，1.0 wt.%季銨鹽包裹AgBr納米復合物改性樹脂基質在體外對變形鏈球菌具有持續、穩定、長效的抗菌活性，老化處理前后均表現出良好的抗菌活性，且對材料的撓曲強度及維氏顯微硬度無顯著影響[16]。此外，季銨鹽與其他納米增強分子、抗菌分子或功能單體的共混亦是研究熱點之一。吳峻嶺等[17-18]將長鏈烷基季銨鹽與納米SiO2共混，培養法定性檢測結果證實其可有效實現抗菌防齲目的，且大鼠動物實驗證實其具有明顯的抗菌防齲功能。另有研究表明，將AgNPS和季銨鹽分別與抗黏附單體MPC聯合后發現，經抗黏附和抗菌改性的復合樹脂面黏附的細菌菌落數大幅下降，但添加MPC對樹脂的抗菌性能無提高作用[19]。

2.2 釋氟與再礦化性能

氟化物(如CaF2)現被廣泛應用于齲病防治中，因其可在抑制牙體硬組織脫礦的同時促進再礦化，還可抑制菌斑微生物的生長與代謝，相比傳統氟化物，納米氟化鈣(NCaF2)在保持材料良好生物學性能和氟釋放濃度長效性具有突出特色。Melo等[21]將AgNPS、QADM和鈣化劑(NCaF2)共混至復合樹脂中，發現通過AgNPS、季銨鹽殺菌及鈣化劑促進再礦化，三者協同發揮作用可抑制菌斑生物膜的形成。Weir等[22]將NCaF2加入復合樹脂中，發現其可通過釋放F-發揮防齲作用，從而抑制繼發齲的發生。另外，其還具有較高的撓曲強度，熱循環后撓曲強度將近樹脂改良型玻璃離子的5倍，老化處理2年后撓曲強度仍高3～6倍，但其美學性能仍有待改進。

3 總結和展望

大量的基礎研究表明，應用不同的納米填料或共混納米填料改性復合樹脂被證實可在一定程度上抑制菌斑生物膜形成和調節脫礦及再礦化平衡等。但同時也存在一些不足尚需解決：①納米填料的團聚現象，以及獲得抗菌性能的同時是否同樣具有滿意的機械力學性能；②抗菌改性復合樹脂可獲得短期抗菌性能，但僅維持幾個月后抗菌效能便顯著降低，其長效抗菌能力尚有待于進一步提高；③納米填料改性復合樹脂的細胞毒性和納米粒子溢出問題仍有待進一步研究，以確保其具有與人體良好的生物相容性與生物安全性；④許多研究仍處于基礎研究階段，需進一步開展臨床研究。