鍶摻雜納米生物活性玻璃改性復合樹脂機械性能的實驗研究

劉龍帥, 王路明, 高佳偉, 王 涵, 譚 佳, 田梓辰, 左艷萍

(1. 西安醫學院口腔醫學院, 陜西 西安, 710021; 2. 西安醫學院第二附屬醫院 口腔科, 陜西 西安, 710038)

人牙齒主要的無機成分是羥基磷灰石(HA), 而齲病是牙體硬組織脫礦的常見臨床問題，因此HA的再形成成為牙體硬組織脫礦再礦化修復的有效途徑。鍶(Sr)是人體必須的微量元素，研究[1-3]表明，鍶與鈣有類似的生理途徑，且鍶比鈣具有更好的生物相容性，亦無細胞毒性，同時具有一定的抗齲能力[4-5]。復合樹脂是口腔臨床常用的牙體缺損充填修復[6]與黏結材料，但與牙科其他修復材料比較，也存在明顯不足，如材料本身容易產生聚合收縮，充填體的邊緣封閉性容易遭到破壞，形成微滲漏[7], 再加上口腔微環境中存在大量細菌，容易黏附和聚集在牙齒表面，導致菌斑生物膜[8]的產生，進而導致牙體硬組織脫礦，形成繼發齲[9]。因此，在復合樹脂中添加具有抗菌效應且能促進脫礦牙體硬組織再礦化的組分是提高牙科復合樹脂充填成功率的有效方法[10]。

生物活性玻璃(BG)主要成分為二氧化硅(SiO2)、氧化鈣(CaO)、五氧化二磷(P2O5)等[11-12], 可在組織-玻璃界面沉積HA, 對于脫礦牙體硬組織有再礦化的潛力[13]。若將鍶與生物活性玻璃的優點結合起來并幫助復合樹脂改性，勢必會提高脫礦牙體硬組織再礦化及抗菌的能力，從而改善目前復合樹脂的不足。本實驗通過溶膠-凝膠十二胺模板法合成鍶摻雜納米生物活性玻璃(SrNBG), 再對復合樹脂進行改性，對SrNBG改性后的復合樹脂機械性能進行研究，篩選出合適的SrNBG替換占比，為SrNBG改性復合樹脂的再礦化及抗菌能力研究提供實驗依據。

1 實驗材料、儀器及方法

1.1 材料

十二胺[CH3(CH2)11NH2]、正硅酸乙酯(C8H20O4Si)、磷酸三乙酯(C6H15O4P)、四水硝酸鈣[Ca(NO3)2·4H2O]、硝酸鍶[Sr(NO3)2]原料均來自上海凜恩科技發展有限公司(中國)，無水乙醇(C2H6O)及去離子水來自國藥集團化學試劑有限公司(中國), γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷[KH-570, CH3CCH2COO(CH2)3Si(OCH3)3]來自蓋州市恒達化工有限責任公司(中國)，由雙酚A雙甲基丙烯酸縮水甘油酯和雙甲基丙烯酸二縮三乙二醇酯組成的樹脂體系(BisGMA∶TEGDMA=50∶50)、硅化無機填料、由光引發劑樟腦醌CQ及光促進劑胺活化劑DMAEMA組成的引發體系均來自Esstech公司(美國)。

1.2 儀器

實驗包括以下儀器: 電子天平(XB220A, 上海精科天美天平儀器廠，中國); 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S, 上海力辰邦西儀器科技有限公司，中國); 渦旋振蕩器(Vortex-MD，上海力辰邦西儀器科技有限公司，中國); 超聲振蕩器(KQ5200DE, 昆山超聲儀器有限公司，中國); 離心機(HC-2518, 安徽中科中佳科學儀器有限公司，中國); 冷凍干燥機(SCIENTZ-12N, 寧波新芝生物科技股份有限公司，中國); 馬弗爐(KSL-1200X, 合肥科晶材料技術有限公司，中國); 振蕩培養箱(ZQTY-70S, 上海知楚儀器有限公司，中國); 電熱鼓風干燥箱(DHG-9140A, 上海一恒科學儀器有限公司，中國); 計算機控制電子萬能實驗機(AGS-10kNG/500N, 津島公司，日本); 多功能數顯顯微硬度儀(MHVD-1000IS, 上海鉅晶精密儀器制造有限公司，中國); 電子數顯卡尺(SR44, 桂林廣陸數字測控股份有限公司，中國); 光固化機(LED-F, 啄木鳥醫療器械有限公司，中國); 定制的聚四氟乙烯模具。

1.3 SrNBG的合成

采用溶膠-凝膠十二胺法合成不同摩爾比的SrNBG, 見表1。將2.2 g十二胺、12.5 mL去離子水和40 mL無水乙醇加入到燒瓶中，放置于45 ℃的磁力攪拌器上充分攪拌20 min, 接著緩慢滴加1 mL正硅酸乙酯，攪拌40 min后繼續緩慢滴加103 μL磷酸三乙酯，攪拌40 min, 按照表1中不同的鍶摻雜比依次加入已充分水解的硝酸鈣和硝酸鍶，攪拌4 h后離心(10 000轉/min, 15 min), 去上清后加入無水乙醇洗滌3次，每次使用超聲振蕩器及渦旋振蕩器充分振蕩后離心(10 000轉/min, 5 min), 去上清，再使用去離子水洗滌3次，得到納米生物活性玻璃(NBG)以及不同鍶摻雜摩爾比(2 mol%、5 mol%以及10 mol%)的SrNBG凝膠，置入冷凍干燥機中進行干燥，最后馬弗爐650 ℃煅燒去除結晶水和硝酸根，得到白色NBG以及3個實驗組SrNBG粉末(簡稱2SrNBG、5SrNBG及10SrNBG)。

表1 各組不同鍶摻雜摩爾比的NBG mol%

1.4 SrNBG的微觀表征

取適量的NBG及3個實驗組的SrNBG粉末，加入含有無水乙醇的小燒杯中，超聲振蕩器振蕩40 min充分分散，用毛細玻璃管吸取已振蕩均勻的混合液，滴于銅網表面的碳支持膜上，確保樣本均勻分布在支持膜上，待無水乙醇揮發完后，使用解析型穿透式電子顯微鏡AEM(JEM-3010, JEOL公司，日本)對材料的形貌、粒徑及分散性進行觀察。另取適量樣本，采用場發射掃描電子顯微鏡X射線光電子能譜儀EDS(MERLIN Compact, ZEISS公司，德國)進行面掃描，對樣本元素成分進行分析。

1.5 體外HA活性測試

按參照文獻[14]的標準，將NBG及SrNBG粉末按照1 mg/mL的濃度分別加入含有10 mL模擬體液(SBF)[15]的聚乙烯瓶中，固定在恒溫振蕩培養箱中持續搖動(120轉/min, 37 ℃)1周，對反應后的溶液進行過濾，丙酮沖洗終止反應，用去離子水反復洗滌離心(10 000轉/min, 5 min)3遍，之后將其放入60 ℃干燥箱中干燥3 h得到最終材料，使用X射線衍射儀XRD(Bruker D8 ADVANCE, Bruker AXS公司，德國)對反應后材料進行10～70 °連續掃描，工作條件: Cu靶Kα射線，管電壓40 kV, 管電流100 mA。通過XRD圖譜中呈現HA特征峰判斷材料的體外HA活性[16], 篩選出SrNBG中最適宜的鍶摻雜比，將其硅烷化處理后備用。

1.6 SrNBG改性復合樹脂的配制

在實驗室避光環境下，按5%、10%、15%的質量占比替換復合樹脂中的無機填料(見表2)形成3個實驗組(實驗組1為10SrNBG-5改性樹脂，實驗組2為10SrNBG-10改性樹脂，實驗組3為10SrNBG-15改性樹脂)，未替換的復合樹脂為對照組(10SrNBG通過上一步實驗篩選得出)。

表2 實驗用復合樹脂的各組分質量占比 %

1.7 復合樹脂機械性能測定

1.7.1 徑向拉伸強度(DTS): 依據美國國家標準[17]制作尺寸為直徑6 mm、高度3 mm的試件(n=10)。將復合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈往復充分光照固化(正反面各40 s)后脫模，試件各面使用600目水砂紙打磨光滑，卡尺復測試件尺寸，保存在37 ℃水浴中24 h。使用電子萬能實驗機進行徑向拉伸強度測試(速度0.5 mm/min, 傳感器量程10 kN), 根據公式DTS=2F/πDH計算并記錄破壞載荷F(N)。

1.7.2 壓縮強度(CS): 依據美國國家標準[17]制作尺寸為直徑4 mm、高度6 mm的試件(n=10)。將復合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈往復充分光照固化(正反面各40 s)后脫模，試件各面使用600目水砂紙打磨光滑，卡尺復測試件尺寸，保存在37 ℃水浴中24 h。使用電子萬能實驗機進行壓縮強度測試(速度0.5 mm/min, 傳感器量程10 kN), 根據公式CS=F/πR2(R=1/2D)計算并記錄破壞載荷F(N)。

1.7.3 撓曲強度(FS): 依據ISO4049(2000)標準[18]制作尺寸為長度25 mm、寬度2 mm、高度2 mm的試件(n=10)。將復合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈往復充分光照固化(正反面各40 s)后脫模，試件各面使用600目水砂紙打磨光滑，卡尺復測試件尺寸，保存在37 ℃水浴中24 h。使用電子萬能實驗機進行撓曲強度測試(跨距為20 mm, 速度0.5 mm/min, 傳感器量程10 kN), 記錄破壞載荷F(N), 根據公式FS=3FL/2WH2進行計算(L為跨距)。

1.8 統計學分析

采用SPSS 21.0軟件對數據進行統計學分析，并經過方差齊性及正態性檢驗后進行單因素方差分析。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 材料AEM表征

AEM微觀照片顯示, NBG及各組SrNBG粒徑均顯示約200 nm, 顆粒較均勻，球形形態規則，分散性好(見圖1)。EDS元素分析圖顯示，合成的NBG及各組SrNBG組分均與生物活性玻璃主要成分相符，且NBG中已成功摻入鍶元素(見圖2)。

A: NBG; B: 2SrNBG; C: 5SrNBG; D: 10SrNBG。圖1 SrNBG 的AEM照片

A: NBG; B: 2SrNBG; C: 5SrNBG; D: 10SrNBG。圖2 EDS元素分析圖

2.2 體外HA活性

機械性能測試均采用5SrNBG進行測試。從XRD物相分析圖譜中可以看出, NBG、2SrNBG、5SrNBG均出現了HA特征峰，當鍶摻雜比為10 mol% SrNBG(簡稱10SrNBG)時, HA特征峰不明顯。因此，體外HA活性實驗說明, 5 mol%SrNBG(簡稱5SrNBG)與NBG具有相同活性，且為最適宜的鍶摻雜比，見圖3。

2.3 SrNBG改性復合樹脂機械性能

測試結果表明，在SrNBG替換無機填料質量占比為5%(SrNBG-5)時，機械性能出現小幅升高，替換質量占比為10%(SrNBG-10)時, 3項機械性能開始下降，但與對照組比較，差異無統計學意義(P>0.05), 但當SrNBG替換質量占比增至15%(SrNBG-15)時, DTS和FS性能再次下降，且與對照組比較，差異有統計學意義(P<0.05), 見圖4。因此SrNBG最大替換質量占比為10%時不影響原復合樹脂的機械性能，能夠滿足臨床要求。

A: 徑向拉伸強度DTS; B: 壓縮強度CS; C: 撓曲強度FS。對照組: 未改性樹脂; 實驗組1: SrNBG-5改性樹脂; 實驗組2: SrNBG-10改性樹脂; 實驗組3: SrNBG-15改性樹脂。圖4 改性復合樹脂機械性能(n=10)

3 討 論

1969年，佛羅里達大學發明了第一種生物活性玻璃[19], 成分為SiO2(46.1 mol%)、Na2O(24.4 mol%)、CaO(26.9 mol%)和P2O5(2.6 mol%), 后來稱為45S5生物玻璃，開啟了生物玻璃的研究領域。生物活性玻璃具有良好的生物相容性，較高的骨修復能力[19], 具有促進生物礦化及提高細胞活性等優越性能，也被廣泛應用于口腔醫學領域[20]。20世紀60年代至今，生物活性玻璃的合成有傳統的熔融淬火法和溶膠-凝膠法。早期生物玻璃45S5和其他商用生物活性玻璃都是通過熔融淬火法制成的，即在1 300 ℃以上高溫下將氧化物熔合在一起，然后在石墨模具或水中進行淬火。此方法的要求比較高，能耗大[21], 合成出來的生物玻璃結構密實無孔[22], 組成也不均勻，表面積小[23], 容易形成團聚等; 溶膠-凝膠法合成的58 S、77 S可以在室溫下形成和組裝納米二氧化硅粒子，在此過程中，前體的溶液在室溫下進行聚合反應形成凝膠，凝膠可以干燥和加熱，加熱到600℃成為玻璃。因此，溶膠-凝膠法優勢明顯，制備的生物玻璃具有固有的納米孔徑，而熔融淬火法制備的生物玻璃很致密[24]。同時溶膠-凝膠法也具有很大的通用性[25], 只需改變合成環境的pH值，生物活性玻璃就可以制成納米多孔粉體、單顆粒或納米顆粒。本實驗采用了溶膠-凝膠十二胺模板法，改善了熔融淬火法的不足。同時，十二胺兼具模板劑和催化劑的雙重作用[26], 十二胺能夠調節堿性環境，從而控制生物活性玻璃的粒徑和分散性[26-27]。因此使用該方法合成的NBG及SrNBG均呈現出較為規則的粒徑約200 nm的球型顆粒，大小較均一，分散性良好，得到了理想的納米生物活性玻璃。

目前復合樹脂是口腔臨床最為常用的牙體修復材料，主要由樹脂基質和硅烷化無機填料構成，其中無機填料的占比、顆粒大小及形態、分布是否均勻均可對復合樹脂的機械性能產生影響[22], 因此填料占比并不見得越高越好。常見的無機填料質量占比為35%～90%[28], 本實驗選用最常用的70%為實驗質量占比, SrNBG則是對無機填料進行不同占比的替代。

從3項機械性能測定的結果上看, SrNBG替換復合樹脂無機填料質量占比為5%、10%時，徑向拉伸強度(DTS)、壓縮強度(CS)、撓曲強度(FS)與對照組均未顯示統計學差異。在替換質量占比為5%時, 3項機械性能反而均有不同程度的升高，其可能的原因是在摻入少量納米顆粒后，填補了樹脂基質中的空隙，二者形成均勻連續相在樹脂基體中[29]，起到了加強的作用。替換質量占比增加到10%時，均勻連續相出現小幅破壞，導致機械性能出現不同程度的下降，但仍與對照組機械性能未顯示統計學差異。當替換質量占比增加到15%時, DTS和FS再次降低，結果與對照組有統計學差異，與郭永錦等[30]研究結果有一致性。而CS雖然也出現了下降，但與對照組未顯示統計學差異, DTS和FS顯示出差異的原因可能是隨著替換量的增加，納米顆粒發生了團聚，在聚合收縮時呈現出不均勻的現象[31], 導致在受力時，應力容易集中在這些不均勻的地方，引發斷裂及擴展[32], 最終影響了復合樹脂的機械性能。CS未見差異的原因可能是因為受力方式不同于DTS和FS, CS是以整個面進行接觸測試，受力面積大且平整，應力被更好的分散出去，即使局部出現裂紋，也不會像DTS和FS那樣反應那么直接。有研究表明，樹脂的壓縮性能要高于徑向拉伸性能[29], 與本結果存在一致性。

本實驗采用溶膠-凝膠十二胺模板法，利用十二胺的雙重作用，合成出了形態、粒徑、生物活性均理想的SrNBG, 并將其替換不同占比復合樹脂中的無機填料對其改性。當SrNBG替換為10%時，改性復合樹脂的機械性能不受影響，為下一步SrNBG改性復合樹脂的再礦化及抗菌性能研究提供了依據。