低聚合收縮率的超支化基齒科流動修復復合樹脂

陸夢嬌，沈 君，任志偉，孫 賓，王瑞莉，江曉澤，朱美芳

(東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

隨著生活質量和個人審美的不斷提高，齲病的治療重要性不言而喻。作為最直接的牙齒缺損的填補修復，通用型齒科修復復合樹脂以其色澤美觀、操作簡便以及生物相容性良好等優點，逐漸取代銀汞合金成為齒科修復的重要材料。這類修復材料在臨床應用中雖已取得極好的治療效果，但主要修復對象是缺損面積較大的牙體修復，而對于牙齒中存在的一些難以填充的小型缺損、預防性修復中的頜面小面積齲齒及較狹窄區的齲齒，難以發揮其作用，迫切需要研發出專用于這類面積小的牙體修復材料，因此，具有一定流動性的齒科修復流動復合樹脂的研究逐步成為這類研究中的熱點。

流動復合樹脂是一種低黏度、流動性好的復合樹脂材料。為了適應修復面積小或者位置難修復的牙體修復，與通用復合樹脂相比，這類樹脂通常采取的策略是減少樹脂的無機填料填充量和增加有機基體含量[1]，從而使其黏度降低，流動性和貼合性增強，能夠進入細小的裂隙或角落，與洞壁良好地貼合[2]。這樣的方法雖然實現了缺損的修復，但同時也存在問題：無機填料含量的降低引起修復材料的機械性能降低以及大量有機單體聚合后的體積收縮增加，限制了流動樹脂的應用[3]。為了實現并改善流動復合樹脂的應用，在維持可接受的強度性能下，大幅度降低修復材料的聚合收縮，避免收縮引起的再次齲齒問題，是一項持續且必須克服的挑戰。

近年來，隨著納米技術的快速發展，無機填料的組成、拓撲結構以及三維形貌對齒科修復樹脂的性能影響規律研究已取得不斷深入和突破，大量高強度的齒科修復樹脂已得到廣泛報道，但對于低聚合收縮率的樹脂研究相對較少，尤其超支化分子引入到有機基體內，探索其對超支化基修復樹脂的性能影響規律還有待加強深入。基于此，本研究在合成出含12個羥基的二代超支化聚酯基礎上，用反應活性更高的甲基丙烯酸異氰基乙酯對其進行改性，得到端基全部含有雙鍵的不飽和超支化聚酯，將其引入到傳統齒科修復樹脂Bis-GMA/TEGDMA有機基體體系中，并與機械性能優異的微納米二氧化硅[4]混合制成可流動齒科修復復合樹脂，探究超支化分子的加入對齒科流動修復樹脂的聚合收縮率、雙鍵轉化率、機械性能、吸水溶解性及生物相容性的影響。

1 試 驗

1.1 原料

季戊四醇、對甲苯磺酸、甲基丙烯酸異氰基乙酯、雙酚A-甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、二甲基丙烯酸三乙二醇酯(TEGDMA)、樟腦醌、4-乙基(二甲氨基)苯甲酸和γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷均為分析純，購于美國Sigma-Aldrich公司；納米SiO2(20 nm)，上海泰坦科技股份有限公司；微米級SiO2(1 μm)，浙江通達威鵬電器有限公司。

1.2 設備

雙中心混合分散機，DAC 150.1 FVZ-K型，德國Hauschild公司；三輥研磨機，80E型，德國Exart公司；光固化燈，SLC-Ⅷ B型，杭州四方醫療器械有限公司；核磁共振儀，Avance 600型，瑞士Bruker公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet 8700型，美國Nicolet公司；哈克流變儀，RS150L型，德國HAAKE公司；密度天平，AL/AB-N型，美國梅特勒-托利多公司；電子萬能材料試驗機，INSTRON 5969型，美國Instron公司。

1.3 超支化聚酯的合成及改性

1.3.1 超支化聚酯的合成

采用準一步法合成含12個端羥基的二代超支化聚酯。在燒瓶加入5 g(0.037 mol)季戊四醇，28.31 g(0.148 mol)支化單體N，N-二羥乙基-3-氨基丙酸甲酯(實驗室自制)和0.14 g(單體質量的5‰)催化劑對甲苯磺酸，升溫120 ℃反應3 h后，在40 ℃下旋蒸1 h，抽真空30 min除去生成的甲醇；繼續滴加28.31 g(0.148 mol)支化單體和0.14 g對甲苯磺酸，得到最終產物超支化聚酯，為黃色透明油狀液體。

1.3.2 超支化聚酯的改性

稱取10 g(7.1 mmol)超支化聚酯溶解在150 mL 氯仿中，待其完全溶解后，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加12.1 mL(85.23 mmol)甲基丙烯酸異氰基乙酯，室溫反應24 h。用甲醇清洗除去未反應的異氰酸酯后，在30 ℃下旋蒸1 h除去溶劑，得完全改性超支化聚酯HPAE-IEMA，為黃色透明液體，反應全程避光。

1.3.3 流動復合樹脂的制備

首先稱取不同質量比的完全改性超支化單體HPAE-IEMA、傳統商業化單體Bis-GMA和稀釋劑單體TEGDMA作為樹脂基質，在磁力攪拌機上攪拌分散均勻，然后在樹脂基質中加入占其質量比1%的光引發劑(引發劑CQ和助引發劑4-EDMAB的質量比為1∶4)。將表面硅烷化處理的微納米無機填料分批少量多次加入樹脂基質中，用雙中心混合分散機對復合樹脂進行先低速后高速的預混，直至樹脂基質與無機填料初步分散混合。再將預混后的混合物放入三輥研磨機中進一步研磨混合，全程避光處理，即得到所要制備的流動復合樹脂。流動復合樹脂中Bis-GMA/TEGDMA比例始終保持為50∶50，無機填料填充質量比為65%，其中微米SiO2與納米SiO2質量比為80∶20。

1.4 測試及表征

1.4.1 超支化聚酯結構及理化性質表征

核磁共振氫譜分析：對實驗合成的超支化聚酯以及完全改性后的HPAE-IEMA進行核磁共振氫譜分析，標定物為四甲基硅氧烷(TMS)，其中超支化聚酯采用氘代氯仿為溶劑，改性后超支化聚酯采用二甲基亞砜(DMSO)為氘代溶劑。

紅外分析：利用傅里葉紅外光譜儀輔助分析合成及改性的超支化聚酯的結構。采用紅外光譜衰減全反射附件(ATR)，波數范圍525～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數32。

黏度分析：使用哈克應力流變儀分別測量Bis-GMA、TEGDMA以及改性前后超支化聚酯的動力黏度。頻率范圍0.001～100 rad/s，溫度25 ℃。

1.4.2 流動復合樹脂性能表征

聚合收縮率(PS)：復合樹脂的聚合收縮率參照國際標準ISO 17304—2013進行測試，依據阿基米德原理，通過密度天平，分別測量復合樹脂在空氣中和溶液中的質量得到復合樹脂固化前后的密度，進而計算復合樹脂的聚合收縮率。

吸水溶解性：將固化脫模后的樹脂圓片用碳化硅砂紙打磨平整。所有樣品圓片在37 ℃烘箱進行干燥處理48 h后用天平稱重得到質量m0，然后將樣品置于37 ℃去離子水中浸泡7 d，取出擦干水分后稱重得到質量m1，再將樣品置于37 ℃烘箱充分干燥7 d，稱重直至得到樣品穩定質量m2后計算吸水率和溶解率。

機械性能：復合樹脂機械性能樣品制備方法和測試步驟參照ISO 4049—2009。將固化脫模后的樹脂樣條用碳化硅砂紙打磨平整，室溫下放置72 h。利用電子萬能材料試驗機測試其彎曲強度、彎曲模量和壓縮強度。

生物相容性：采用MTT法評價流動復合樹脂對小鼠成纖維細胞(L929)的細胞活性。樹脂片消毒后按照ISO 10993—5標準各取3個放入48孔板中，隨后向每孔加入500μL培養基，置于細胞培養箱中分別孵育1天、3天和5天。待孵育時間結束后，加入50μL MTT溶液繼續培養4 h后終止培養。最后用酶標儀在490 nm波長處測定各孔溶液的吸光度數值。

2 結果與討論

2.1 超支化聚酯的結構及理化性質分析

為了制備出流動性好的超支化分子，以N,N-二羥乙基-3-氨基丙酸甲酯為支化前體，以季戊四醇為核，采用準一步法合成了一種端羥基的超支化聚酯(如圖1)。該超支化分子黏度低，流動性及溶解性好，在多種溶劑中均可良好分散。用甲基丙烯酸異氰基乙酯將超支化分子末端羥基進行完全改性(如圖2)，可得到末端12個雙鍵、可流動、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA單體。

2.1.1 核磁及紅外分析

為了驗證合成及改性反應的進行，超支化分子改性前后的產物分別進行核磁氫譜和紅外光譜(如圖3)的表征。經過聚氨酯化學后，甲基丙烯酸酯基團被引入到超支化分子中，如核磁圖中δ=1.86，δ=5.67和δ=6.05出現雙鍵特征峰，且各個峰對應的積分面積比與分子結構H含量比一致；紅外譜圖1 637 cm-1和816 cm-1處出現丙烯酸酯中雙鍵的特征峰，且2 270 cm-1處沒有—NCO的特征伸縮振動峰，說明甲基丙烯酸酯基成功引入到超支化分子末端，制備出了可光固化的超支化聚酯HPAE-IEMA。

圖1 超支化聚酯的合成路線

圖2 改性超支化聚酯的合成路線

圖3 超支化聚酯改性前后的1H NMR譜圖(a)及紅外光譜圖(b)

2.1.2 黏度分析

黏度是齒科流動復合樹脂一個非常重要指標，其顯示了這類修復材料的流動性能，決定了其用于小面積牙體缺損的修復可行性。目前商業化流動樹脂的黏度范圍為(13～35 Pa·s)，為了維持所制備的流動樹脂也具有類似的黏度特性，首先以常用的Bis-GMA/TEGDMA(質量比50∶50，占材料總質量含量為35%)有機基體體系為參比，固定無機填料填充質量比為65%，其中微米SiO2與納米SiO2質量比為80∶20，摸索不同含量的超支化分子加入Bis-GMA/TEGDMA體系構成混合有機基體后，測試所制備的樹脂黏度及流動性(如圖4)。為了便于樣品的命名，H代表HPAE-IEMA，B代表Bis-GMA，T代表TEGDMA。50B50T、10H45B45T、15H42.5B42.5T和20H40B40T分別是對應有機基體質量比的HPAE-IEMA/Bis-GMA/TEGDMA有機基體構成的樹脂材料，特別說明此處所有樹脂材料都是固定無機填料質量和組分(質量分數65%二氧化硅，微米SiO2與納米SiO2質量比為80∶20)。對于樹脂的制備，尤其各自組分含量的添加，必須要考慮到實際制備工藝混合后所制備材料的狀態。對于超支化基流動樹脂的具體制備過程中，發現超支化單體HPAE-IEMA在有機基體體系中最高添加量僅為20%，當添加量超過20%時，樹脂黏度過大(超過40 Pa·s)，流動性很差，樹脂經三輥研磨機研磨混合后變成粉末狀，不能制備成流動樹脂。對于質量分數20%及以下的超支化基流動樹脂流動性測試結果顯示：超支化基流動樹脂是切力變稀的，在臨床應用中便于樹脂從器械中擠出，且具有較好的流動性。其黏度保持在16～30 Pa·s。

圖4 不同單體填充流動復合樹脂的黏度

2.2 超支化基流動復合樹脂的性能分析

齒科修復樹脂的雙鍵轉換率反映了樹脂在光固化過程中形成交聯網絡的完善程度，若轉化率過低，會使未反應單體不斷析出，引起微滲漏以及過敏反應等，機械性能也會有所下降[5]。圖5(a)是不同含量超支化單體對流動復合樹脂雙鍵轉化率的影響。由圖可知，隨著超支化單體的增加，流動復合樹脂的雙鍵轉化率由60%左右略微降低至50%～55%，這是由于超支化分子的球形體積使雙鍵聚合時存在較大位阻，并且單個超支化分子末端含有大量雙鍵，當部分雙鍵參與聚合后，形成交聯網絡，分子鏈活動性變差，該分子上剩余雙鍵難以完全參與反應。雖然超支化分子的引入使流動復合樹脂雙鍵轉化率有所下降，但幅度較小，仍在文獻中報道的雙鍵轉換率范圍43%～73%[6]之內。

聚合收縮率是齒科修復流動樹脂的重要指標。在光固化過程中，碳碳雙鍵打開變成單鍵，分子間作用距離由遠程的范德華半徑變為了近程的共價鍵鍵長[7]，分子排列更為緊密，所占空間體積減小，從而產生了聚合收縮。聚合收縮過高會造成微滲漏，引發二次齲齒，導致修復失敗[8]。據文獻報道，商業化流動樹脂的聚合收縮一般為4%～6%[9]。圖5(b)是不同超支化單體含量的流動復合樹脂的聚合收縮率，隨著改性超支化單體的增加，聚合收縮逐漸降低。超支化分子由于其較高的分子量及較大的分子體積，單位分子量/體積的雙鍵數量遠低于線性分子，因此，在聚合時體積收縮對整個體系的影響相對較小，聚合收縮率較低，同時，改性后超支化分子中的氨基甲酸酯基團極性較大，內聚能密度較高，也有助于降低聚合收縮[10]。當添加20%改性超支化單體時，聚合收縮達到最低值(3.46±0.4)%，比對照組降低了41.46%，也低于國產商業化登泰克流動樹脂4.33%及進口流動樹脂TF(Tetric N-Flow)4.68%。通過分析可證明超支化分子雖然使雙鍵轉換率有所降低，但是確實能夠有效地減小流動復合樹脂聚合收縮率，這有助于其臨床應用及長期服役。

圖5 不同單體填充的流動復合樹脂的雙鍵轉換率(a)及聚合收縮率(b)

考慮到修復樹脂服役的長期性，尤其涉及到口腔環境的獨特性，所以修復樹脂的水溶性和吸水性也是非常重要的指標參數，分別反映出從聚合物網絡中釋放出的未反應單體的量，以及從材料中釋放出了較多未參與固化的單體，而這些釋放物都會存在對人體健康產生潛在的危害[11]。圖6為不同超支化單體含量的流動樹脂的吸水性及溶解性。隨著超支化單體含量的增加，由于其中含有大量高極性的氨基甲酸酯基，樹脂的吸水性不斷增加，但仍然遠低于ISO 4049—2009標準40.0 μg/mm3。而流動樹脂溶解性卻僅為3.54～3.92 μg/mm3，低于對照組，也遠低于IS0標準7.5 μg/mm3。結合降低的雙鍵轉換率，說明單個超分子上大量的可反應雙鍵有利于提高每個分子參與聚合的概率，即使轉化率較低，未反應的分子也較少，能滲漏出的單體較少。說明超支化分子的引入，的確有利于修復樹脂材料的結構和組分穩定性。

機械性能也是齒科修復流動樹脂最重要的指標之一，若機械性能較差，在服役過程中樹脂容易變形甚至被破壞。復合樹脂的機械強度很大程度上受無機填料的影響，同時缺少苯環的超支化單體機械性能也較Bis-GMA體系弱，這就導致了超支化基流動樹脂的機械性能必然會有所下降。圖7為不同含量超支化單體填充流動復合樹脂的機械性能。由圖可知，樹脂體系中引入改性后的超支化單體后，流動復合樹脂的機械性能有所下降。一方面是因為超支化體系雙鍵轉化率稍低，另一方面，超支化分子不含羥基，分子間距離較大，氫鍵作用減弱[12]。其中HPAE-IEMA添加量為20%時，機械性能最好，彎曲強度、彎曲模量和壓縮強度分別為97.85 MPa、5.92 GPa 和220.45 MPa，高于ISO 4049對混合微填料型樹脂彎曲強度及彎曲模量的最低要求70 MPa 及5 GPa，也高于國產登泰克流動樹脂的彎曲模量3.60 GPa，壓縮強度較Klee等[13]研究的復合樹脂(200 MPa左右)也更高。這表明雖然超支化聚酯的加入在一定程度上降低了樹脂的機械性能，但依然維持較好的強度特性，仍然比市售產品的機械性能優異。

圖6 不同單體填充復合樹脂的吸水性(a)和溶解性(b)

雖然這類超支化基流動樹脂維持較好的強度特性，很低的聚合收縮，但仍需探究其生物相容性，來保證其在口腔服役中的實際臨床應用。圖8為添加超支化單體的流動復合樹脂與L929(小鼠成纖維細胞)共培養1天、3天和5天后對應的細胞活力。由圖可得，添加超支化單體的流動樹脂細胞存活率即使在五天后仍然高于對照組(100%)。根據ISO 7045標準，細胞存活率大于對照組50B50T的75%時即可認為無細胞毒性。由于超支化單體的改性劑中含有毒性較強的異氰酸酯，而細胞存活率卻顯示出樹脂較好的生物相容性，結合改性超支化單體的紅外譜圖中不含異氰酸酯的特征峰，因此可以證明超支化單體在改性過程中并沒有異氰酸酯的殘留。并且添加超支化單體的流動復合樹脂無細胞毒性，具有優異的細胞相容性，可將其應用到臨床使用中。

圖7 不同單體填充流動復合樹脂的彎曲強度(a)、彎曲模量(b)及壓縮強度(c)

圖8 不同單體填充復合樹脂的細胞活力

3 結 論

本文成功以季戊四醇為核，借助精細合成手段，合成出末端12個雙鍵、可流動、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA單體。將其與傳統單體Bis-GMA/TEGDMA混合為有機基體，再與微納米級無機二氧化硅填料復配，制備出可流動膏狀齒科修復復合樹脂。這類流動型超支化基齒科修復復合樹脂在維持較好的強度特性外，還具有低的聚合收縮率、優異的生物相容性、極低的溶解性、可釋放物少等優點，研究表明超支化基流動樹脂在齒科修復中有著巨大的應用潛力。