含碘甲基丙烯酸酯单体的合成及在牙科树脂中的应用*

刘芳 朱文彬 何经纬

(华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640)

可见光固化的树脂基牙科材料在临床上的应用十分广泛.理想的树脂基牙科材料需要具备足够的X射线阻射性[1- 2].在进行X射线检查时,X射线阻射的树脂能形成清晰的影像,与牙齿和牙床组织影像产生明显区分,从而精确定位材料,以评价治疗的有效性[3].ISO 4049:2009标准规定,标注为“X射线阻射”的商品化牙科材料,其X射线阻射性必须强于与其厚度相同的纯铝.

树脂基牙科材料的基体树脂主要由碳、氢、氧等轻元素组成,对X射线的衰减很弱.要提高树脂基牙科材料的X射线阻射性,可以向其中加入X射线阻射的无机粒子或有机添加剂,或在单体中引入溴、碘等重原子.已有不少研究报道了向树脂中加入重金属盐[4- 5]、有机金属化合物[6]甚至是金属粉末[7]来提高树脂X射线阻射性的方法.在口腔临床中,填充细小龋洞和复杂空腔时需要用到高流动性的牙科复合树脂[8],但是含有较多填料的复合树脂的流动性不佳[9],其中的填料也会使固化光散射,导致固化深度降低[10- 12].减少填料用量可以提高复合树脂的流动性,但是会降低其X射线阻射性.向高分子材料中引入共价键结合的重原子碘可以大幅提高材料的X射线阻射性,有助于降低材料的X射线阻射性对填料的依赖,从而制备高流动性牙科复合树脂.

在前期研究中,笔者合成了一种含碘的单体并将其添加到牙科树脂中,但由于该单体的含碘量偏低,X射线阻射性仍低于相同厚度的纯铝[13].文中合成了具有较高含碘量的三碘代苯基甲基丙烯酸酯单体1-(2,3,5-三碘苄基)-N-甲基丙烯酰氧乙基氨基甲酸酯(TIMEC),研究了单体含量(质量分数,余同)对双酚A甲基丙烯酸缩水甘油酯/聚三乙二醇二甲基丙烯酸酯(Bis-GMA/TEGDMA)牙科树脂基体各项性能的影响.

1 实验

1.1 实验原料

超干二氯甲烷、2,3,5-三碘苯甲醇(2,3,5-TIBA)、二月桂酸二丁基锡(DBTDL)、甲基丙烯酸异氰基乙酯(IEMA)、TEGDMA、樟脑醌(CQ)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)均购自上海百灵威化学技术有限公司.Bis-GMA购自美国Sigma-Aldrich公司.

1.2 TIMEC的合成

在三口烧瓶中加入100 mL超干二氯甲烷以及14.58 g 2,3,5-TIBA、2滴DBTDL,搅拌均匀后升温至45 ℃,再向溶液中滴加4.65 g IEMA.每隔固定时间取反应液,采集其红外光谱(使用德国Bruker公司生产的Vector 33型傅里叶变换红外光谱仪),直至2 270 cm-1处 —NCO基团吸收峰完全消失,判定反应结束.旋蒸除去溶剂,用正戊烷洗涤产物、过滤,放置于真空烘箱中,在60 ℃下干燥24 h得到白色结晶性产物,即为TIMEC,产率为91%.用德国Bruker公司生产的AVANCE Ⅲ HD 600型600 MHz核磁共振波谱仪采集分子核磁共振氢谱,用德国Bruker公司生产的Vector 33型傅里叶变换红外光谱仪采集分子的红外光谱.

1.3 树脂的制备

以商业常用Bis-GMA/TEGDMA树脂体系作为牙科树脂基体、CQ作为光引发剂,并以DMAEMA作为助引发剂.各实验组与对照组配方见表1.所有试样采用法国赛特力公司生产的MiniLED光固化机进行固化,光功率密度为1 250 mW/cm2,最大波长λmax=458 nm.

1.4 双键转化率测试

表1 含不同质量分数TIMEC的光固化牙科树脂配方表

(1)

式中，下标0和t分别代表光照前及光照t秒.

1.5 聚合收缩测试

样品光聚合所产生的体积收缩(VS)通过测定树脂固化前后密度(分别为ρ1和ρ2)的变化计算得到:

(2)

树脂固化前后的密度采用上海舜宇恒平科学仪器有限公司生产的FA1104J型电子分析天平(精度0.1mg)上提供的浮力法密度测量装置测量,每组样品重复测定3次.

1.6 三点弯曲试验

采用德国Zwick/Roell公司生产的Z010型材料万能试验机对样品进行三点弯曲测试.样品尺寸为：长25 mm,截面2 mm×2 mm(宽×高,即b×h).弯曲跨距L=20 mm,压头速率为(0.75±0.25)mm/min.根据加载力(p)-形变(d)曲线，分别通过式(3)和(4)计算试样弯曲强度(Flexural Strength,FS)和弯曲模量(Flexural Modulus,FM).每组制备8个样条进行平行试验.

(3)

(4)

1.7 吸水溶解性测试

吸水率(WS)和溶解率(SL)测试步骤如下：每组制备5个直径为15 mm、厚度为1 mm的样片,称取其原始质量md,将其浸泡在温度恒定为37 ℃的30 mL蒸馏水中.每隔24 h将样片取出,用吸水纸擦干表面后称取质量,直至样片质量稳定为me,取出样片放至60 ℃真空烘箱中烘至质量不变,记为mf.材料的吸水率和溶解率分别按式(5)和(6)计算:

(5)

(6)

1.8 X射线阻射性测试

以楔形铝阶梯为参考.铝阶梯共8个台阶,相邻平台厚度相差0.5 mm.将树脂固化,制成厚1 mm、直径8 mm的圆片,放置在铝阶梯旁,在医用数字式X射线仪(管电压为60 kV,管电流为2 mA,响应时间为0.10 s)下获得数码照片.以ImageJ2X软件分别测量树脂样片、某个厚度的铝阶梯和照片背景的灰度值Gd、Ga和Gb.材料的相对X射线阻射性(RXO)通过式(7)进行计算:

(7)

1.9 数据分析与处理

所有实验结果采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析,使用Turkey法进行事后多重比较分析,以P<0.05作为差异显著的判断标准.试验结果均以“平均值±标准差”的形式表示.

2 结果与讨论

图1 TIMEC的核磁共振氢谱

图2 TIMEC的红外光谱

含多官能度甲基丙烯酸酯单体的自由基聚合体系在固化时能够形成交联网络,使体系黏度急剧上升,在聚合后期未转化的单体扩散困难,导致碳碳双键无法完全转化[14- 15].文中牙科树脂在蓝光下照射60 s后的双键转化率和体积收缩率如表2所示.实验组的双键转化率平均值均有所下降,含有10%、15%和20% TIMEC的树脂的双键转化率均显著低于对照组(P<0.05),它们之间没有显著差异(P>0.05).这些结果表明,加入TIMEC可使双键转化率在一定程度上下降.

表2 各组树脂的双键转化率与体积收缩率1)

甲基丙烯酸酯树脂在受到光照后进行自由基聚合,分子间作用力由较弱的范德华力转化为较强的共价键力,分子间距离减小,从而不可避免地产生聚合体积收缩[16].牙科树脂的体积收缩会导致树脂内部产生应力,并使得树脂与牙体间产生间隙,因此很多研究者都致力于降低树脂的聚合收缩率.树脂的收缩率受到双键转化率和体系中双键含量等因素的影响,双键转化率和双键含量越低,聚合收缩率越低[17].TIMEC的摩尔质量为640.81 g/mol,其分子中仅含一个甲基丙烯酸酯基;与之相比,Bis-GMA和TEGDMA的摩尔质量分别为512.6和286.3 g/mol,都含有两个甲基丙烯酸酯基.因此,加入TIMEC后,体系中的双键含量降低.当TIMEC含量较低(5%)时,树脂收缩率平均值有所下降,但由于含量较低,产生的变化没有统计学意义(P>0.05).当TIMEC含量上升至10%时,由于树脂的双键转化率也明显降低,导致收缩率有了明显下降(P<0.05).而15%与20%组的收缩率依次显著减小，且明显低于对照组(P<0.05).

牙科树脂的力学性能是极其重要的性能参数.各组树脂体系的弯曲模量和弯曲强度如表3所示.含5%TIMEC的树脂的弯曲模量与弯曲强度都与对照组没有显著差异(P>0.05),但含10%和15%TIMEC的树脂的力学性能与对照组相比显著下降(P<0.05).含20%TIMEC的树脂的力学性能优于对照组和其他实验组(P<0.05).所有实验组的弯曲性能均优于ISO 4049:2009国际标准.

表3 各组树脂的吸水率、溶解率、弯曲强度、弯曲模量和相对X射线阻射性

吸水溶解性能关系到牙科树脂在口腔环境下的长期使用性能和毒性.树脂基牙科材料长期处于口腔环境中,能被唾液溶胀.唾液能起到类似于增塑剂的作用,削弱分子链间的作用力,降低材料的力学性能[18].牙科材料中残留的未反应单体具有细胞毒性,能在唾液浸泡下渗出,损伤组织细胞,引起炎症反应[19].Bis-GMA和TEGDMA都是双官能度的单体,固化物有很高的交联密度,而吸水性和溶解性与交联密度有关[20].从高分子的空间结构上看,引入单官能度的单体TIMEC会导致交联密度降低,使吸水率和溶解率升高.然而,吸水溶解的结果(见表3)显示,加入TIMEC后树脂的吸水率有所下降,这可以从TIMEC相对疏水的化学结构来解释.Bis-GMA的分子中含有羟基,具有一定的亲水性,而TIMEC中含有苯环和碳碘键这样的疏水结构,即使交联密度有所降低,树脂的吸水性仍然由于树脂疏水性的提高而下降.不同实验组的树脂溶解率随TIMEC含量的增加而下降,含20%和15%TIMEC的实验组的溶解率显著低于对照组(P<0.05),这也可以归因于TIMEC的化学结构相对疏水,不易被水溶出.因此,加入单官能度的TIMEC不会造成单体大量溶出,健康风险较低.

X射线在材料中的衰减与材料的密度以及元素的原子序数、有效电子密度有关.X射线透过材料时,原子序数大的原子能够使X射线发生显著衰减[21].碘的原子序数是53,属于重元素,能够有效阻挡X射线.另外,碘原子的K吸收限为33.2 keV,在此能量附近碘原子对X射线存在强烈吸收[22].有人测得在管电压为60 kV时,医用X射线管能产生能量介于15～60 keV之间的连续X射线,强度峰值在32 keV附近[23],能有效激发碘的K吸收.文中合成的单体TIMEC含碘量达59.4%,以20%的含量加入时,树脂的含碘量达11.88%,能够显著提高树脂的X射线阻射性.图3是TIMEC含量为0%(对照组)～20%的树脂的X射线透射照片.依灰度计算的RXO值见表3.可以看到材料的RXO值随着TIMEC单体含量的升高而升高,加入20% TIMEC后,树脂的X射线阻射性已经超过了与其厚度相同的1 mm厚铝片,RXO达到113%(根据式(7)的定义,铝阶梯厚度为1 mm的台阶的RXO值为100%),在不含填料的情况下已经能够满足ISO 4049:2009标准的相关要求.

图3 含不同质量分数TIMEC的样品的X射线透射数码照片

3 结语

文中成功合成了新型的高碘含量甲基丙烯酸酯单体TIMEC.加入该单体后,Bis-GMA/TEGDMA牙科树脂体系的X射线阻射性显著提高,含20%TIMEC的树脂具备高X射线阻射性,超过了相同厚度的铝.虽然该组配方的树脂光照双键转化率有所下降,但其弯曲强度和弯曲模量都显著高于对照组,吸水性和溶解性相比对照组都有明显改善,聚合体积收缩也显著降低,具有一定的临床应用潜力.

然而,文中没有进行材料的生物效应测试.虽然不少研究表明很多有机碘化合物对人体没有明显的毒性[24- 25],这类化合物应用于生物材料中通常较为安全,但TIMEC对人体组织的长期确切毒性尚不明确.为了满足临床使用的要求,应该进行更为深入的研究.

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