超支化基齒科修復樹脂基體的模擬口腔環境下服役性能研究

王康妮,曹林杰,黃清琳,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)

齲齒是人類重點防治的疾病之一，人類深受其困擾。根據第四次中國口腔健康流行病學調查報告[1]顯示老年人患病率高，各個年齡層人群也深受齲病危害。充填法是齲齒病治療方法中最簡便、最有效的方法，常見的充填治療材料主要有銀汞合金、大塊充填復合樹脂及流動型復合樹脂。復合樹脂材料因其美觀性、可操作性及生物相容性等優異性能替代銀汞合金，成為充填法中最主要使用的材料。復合樹脂材料一經問世迅速發展，其最主要的性能為力學強度、聚合收縮以及生物相容性等。如何在保持一定強度下降低聚合收縮，同時有較好的生物相容性成為近些年來研究齒科修復復合樹脂材料的熱點問題。

超支化分子由于其分子量大，具有可修飾的官能團等優點被廣泛的應用于多個領域內，包括齒科修復領域[2]。大量的研究證明，超支化分子的加入有效地降低了復合樹脂的聚合收縮率。主要應用于齒科修復材料的超支化單體為Boltorn型聚酯，對其進行改性使其獲得多功能性[3-5]。大量研究僅對超支化的應用進行短期服役行為探究，因此本文在此基礎上進行長期的性能探究，以及用不同介質來研究材料在極限模擬口腔環境中的服役行為。

基于此，本文合成了二代超支化聚胺-酯，并對其進行改性使其含有大量雙鍵同時具有剛性苯環結構。將其作為有機基體的組分與Bis-GMA和稀釋劑TEG-DMA復配，探究超支化聚胺- 酯對樹脂基體在服役過程中雙鍵轉化率、聚合收縮率、機械性能、吸水溶解性、生物相容性等的變化影響。

1 試 驗

1.1 原料

Bis-GMA、TEG-DMA、樟腦琨(CQ)、4-乙基(二甲氨基)苯甲酸(4-EDMAB)，分析純，美國Sigma-Aldrich公司。MHPAE的合成主要參考專利[6]及文章[3,7]。

1.2 設備

雙中心混合分散機，DAC 150.1 FVZ-K型，德國Hauschild公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet 8700型，美國Nicolet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 復合樹脂的復配

基于超支化單體的合成進行探究，首先稱取不同質量比的MHPAE、Bis-GMA、TEG-DMA作為樹脂基體，避光放在塑料盒子中，在磁力攪拌器上混合均勻。稱取主引發劑樟腦醌(CQ)與助引發劑4-EDMAB作為光引發體系，其占總基體質量的1% (CQ∶4-EDMAB=1∶4)，加入混合均勻的樹脂基體中繼續混合一段時間，利用雙中心分散機混合均勻，充分分散，得到所需的齒科修復樹脂，即可以用于制備光固化樹脂。采用50B50T(Bis-GMA(B)-TEGDMA(T)質量比為50∶50)作為對照組，20Hb40B40T(MHPAE(Hb)-B-T質量比為20∶40∶40)作為實驗組，用于探究超支化單體作為樹脂基體的長期服役性能研究。

1.4 分析測試

雙鍵轉化率(DC)：利用傅里葉紅外光譜儀測試不同光強度及不同輻照時間對雙鍵轉化率的影響。利用所得紅外吸收光譜圖分析固化前后脂肪族C=C雙鍵吸收峰高度的變化，從而計算得到復合樹脂的雙鍵轉化率。不同光強度選取800、1 000、1 200 mW/cm2，輻照時間為60 s；保持最優光強度下利用不同輻照時間研究樹脂動力學。

聚合收縮率(PS)：根據國際標準ISO 17304—2013對復合樹脂進行聚合收縮率測試。制備不同光強度下的樣品，利用阿基米德原理，通過密度天平測試其固化前后復合樹脂在空氣中及溶液中的質量，換算得到所需密度，從而得到其聚合收縮率。

吸水溶解性：依據ISO 4049—2013獲得實驗所需復合樹脂圓片樣品。首先將樣品放置于 37 ℃ 烘箱中進行干燥處理得到樣品質量m1，然后將樣品放置于37 ℃的去離子水、模擬口腔唾液、75%乙醇混合液[8-9]中7天、14天、21天、28天，分別在對應時間內取出擦干水分稱重得到m2，將取出樣品放入烘箱，烘干相同時間稱重得到m3，利用國際標準中展示的公式計算得到復合樹脂的吸水率和溶解率。

機械性能：復合樹脂的制備方法及測試流程根據標準ISO 4049—2013。將制備好的樣品置于不同介質(去離子水、模擬唾液、75%乙醇[10]以模擬極限條件下的口腔環境)中浸沒不同時間，利用電子萬能試驗機對其彎曲強度、彎曲模量、壓縮強度進行測試。

細胞相容性：測試所需樣品及其操作過程依據國際標準ISO 10993—5制備，同時利用人體牙髓細胞(HDPCs)對其進行細胞相容性測試。利用樹脂材料的浸提液對牙髓干細胞進行1天、3天、5天孵育，利用CCK-8試劑觀察其吸光度及通過活/死細胞染色劑在熒光顯微鏡下觀察細胞形態變化，從而評估復合樹脂材料的細胞相容性。

2 結果與討論

2.1 超支化基樹脂基體的雙鍵轉化率及聚合收縮分析

齒科修復復合樹脂的雙鍵轉化率反映了樹脂材料形成交聯網絡結構的程度，未反應的單體會析出，造成過敏等不良反應[11]。但雙鍵轉化率受光照強度及輻照時間的影響。因此首先探究了不同光強度對雙鍵轉化率的影響，采用了光強度為800、1 000、1 200 mW/cm2進行實驗。由圖1 (a)可知，輻照時間為60 s下在光強度為1 000 mW/cm2時雙鍵轉化程度最高，光強度過高會對聚合產生負面的影響，光強過低導致聚合不足。因此選取光強度為1 000 mW/cm2應用于樹脂基體材料的動力學研究。進一步探究輻照時間對雙鍵轉化率的影響，圖1(b)可以看出，隨時間的增加，雙鍵轉化率逐漸增大，后基本保持不變，50B50T最大轉化率為53.2%，這與文獻報道的50B50T的47%相符合[12-13]。實驗組的雙鍵轉化率稍低于50B50T對照組，20Hb40B40T的最大轉化率也達47.3%，其原因是超支化分子呈三維球狀立體構型，在發生聚合時存在較大的位阻，分子鏈的活動性變差，難以較大程度的參與反應，造成雙鍵轉化率降低。但是由于超支化分子含有大量的雙鍵，即使轉化程度稍低，仍有大量的雙鍵參與到聚合反應中。

聚合收縮是影響齒科修復復合樹脂材料的重要因素，其產生原因是光輻照時分子間的作用力由范德華力轉變為鍵長較短的共價鍵[14-15]，造成自由體積減少，從而產生了聚合收縮，這會導致牙體與復合樹脂間產生微滲漏，引發細菌滋生，使得牙體修復失敗[16]。圖1(c)展示了不同光強度下50B50T、20Hb40B40T的聚合收縮率變化情況，可以看出1 000 mW/cm2下聚合收縮率較低，同時超支化組別的聚合收縮率顯著低于對照組。超支化單體呈三維球狀立體結構，含有大量雙鍵、較高的分子量，但其雙鍵密度低，聚合時其體積收縮較小，因此添加到樹脂基體中聚合收縮率降低。1 000 mW/cm2下對照組聚合收縮率為8.36%，20Hb40B40T的聚合收縮率為6.44%，這與理論分析及參考文獻基本相符[17]。通過實驗分析可看出超支化單體加入復合樹脂中能有效降低材料的聚合收縮率，這有利于樹脂材料的臨床應用及其長期服役行為。

圖1 光強度(a)與光強度1 000 mW/cm2下

2.2 超支化樹脂基體的吸水溶解性、機械性能及生物相容性分析

吸水率和溶解率是齒科修復材料的重要參數。吸水率反映的是材料本身的吸水能力；溶解率反映的是未聚合的單體及降解產物從三維網絡結構中釋放出的量。反應程度會影響材料的強度及生物相容性，也是影響材料的吸水溶解性的因素。由于超支化單體含有氨基甲酸酯基團，該基團親水性強，且有強極性，因此含超支化的組別吸水性高于對照組，隨時間的增加吸水性增加不明顯，如圖2(a、c、e)。超支化的轉化率稍低于對照組，同時氨基甲酸酯基團易被溶解，導致該組的溶解性高于對照組，隨時間出現遞增的趨勢，如圖2(b、d、f)。而浸泡于乙醇中的對照組溶解性出現負增加，可能是Bis-GMA體系吸收乙醇但是TEGDMA體系又不容易使乙醇揮發出去，使得乙醇被困于三維體系中，造成溶解性出現負增長，這與文獻中數據相符[18]，但超支化單體含有氨基甲酸酯基團，其形成的三維網絡體系易被乙醇打破，因此超支化組不存在該問題。

機械性能是另一個影響復合樹脂材料性能的重要因素。在服役過程中牙齒的反復咀嚼需要承受一定的變形，復合樹脂材料因其較好的機械性能能夠分散外力的作用，可延長材料的使用壽命。選取3種介質:去離子水、模擬口腔唾液、75%乙醇/水混合物[10]來模擬極限條件下的口腔環境，探究材料在不同模擬口腔環境中的長時間服役行為，如圖3。由數據結果顯示，除浸泡于75%乙醇中的樹脂材料外，其余介質中的樹脂材料彎曲強度、彎曲模量、壓縮強度性能均呈現先下降后上升再下降的趨勢，這表示材料存在一定的后固化現象，可以提高材料的力學強度，同時結果表明，超支化基組別的壓縮強度基本高于對照組(水：超支化組別壓縮強度最大在374 MPa，對照組壓縮強度為338 MPa；唾液：317 MPa，321 MPa)，其彎曲強度在水中高于對照組(水：超支化組彎曲強度最大為129 MPa，實驗組最大為117 MPa)，在唾液(唾液：124 MPa，125 MPa)及75%乙醇中稍低于對照組。其產生的原因是三維網絡結構提供一定的剛性強度，即使雙鍵轉化率稍降低也能保持較好的力學強度，但是環境會對材料有一定的侵蝕作用使得材料的性能下降，這是無法避免的。唾液中的實驗組的彎曲強度雖然下降明顯，可能是溶液中的鹽對其具有侵蝕作用，但是仍然在國家標準的范圍內(≥60 MPa)。而浸泡于75%乙醇中的材料，性能呈現持續降低狀態，其原因是乙醇的溶度參數與樹脂三維網絡體系相近，其結構極易被乙醇破壞導致材料性能的下降。因此在實際應用時需要封閉劑盡可能的密封完全，減少材料在酒精及其他物質的侵蝕下力學性能降低，延長復合樹脂材料的使用壽命。

圖2 浸泡在37 ℃水中(a、b)，37 ℃模擬唾液中(c、d)及37 ℃75%乙醇中(e、f)的不同時間下樹脂基體的吸水性與溶解性

圖3 浸泡在37 ℃水中(a、b、c)，37 ℃模擬唾液中(d、e、f)及37 ℃75%乙醇中(g、h、i)的

探究細胞相容性可以判斷材料的毒性，利用CCK-8試劑測量吸光度(OD值)，吸光度越高，則說明細胞存活率越高，材料毒性越小。將樹脂材料的浸提液與牙髓干細胞HDPCs共培養1、3、5天，利用CCK-8試劑測量吸光度(圖4(a))，間接觀察細胞毒性程度，吸光度越高，細胞毒性越小，細胞存活率越大；同時利用活/死染色劑觀察細胞的形態變化(圖4(b))。由結果顯示，在1、3天時20Hb40B40T的組別其細胞存活性稍低于對照組，隨著時間的增加，細胞存活率越大，在第5天時超支化組OD值高于對照組，即細胞存活率高于對照組，同時培養純細胞組別以驗證數據的真實性。利用活/死細胞的形態變化熒光圖對細胞毒性進行側面驗證，結果與CCK-8得到的吸光度一致。可以證明超支化的毒性較小，復配的樹脂基體材料生物相容性好，降解物質基本無毒，有利于其應用于臨床中。

圖4 樹脂基體的細胞相容性：不同培養時間下細胞的

3 結 論

本文成功合成了一種新型超支化聚胺-酯，將其與Bis-GMA/TEGDMA復配作為有機基體，得到制備的樹脂基體材料，探究改性超支化單體對樹脂基體的影響。該樹脂基體材料具有較好的機械性能、優異的生物相容性，較低的聚合收縮率，相當的雙鍵轉化率等優點，該超支化單體作為有機基體應用于復合樹脂材料中具有優良的性質，有著巨大的發展潛質及光明的前途。