新型抗菌性牙科光固化复合树脂的耐磨性研究

(青岛大学附属医院口腔科,山东 青岛 266003)

牙科复合树脂因美观性好、生物相容性好、物理机械性能优越等优点，极大地满足了龋病病人对牙科修复材料的要求，目前已成为最常用的牙体修复材料。然而，没有内在抗菌活性的树脂容易积累菌斑[1]，且因其本身聚合反应产生的聚合收缩会引起修复体和牙体间产生微渗漏，最终导致继发龋[2]。因此，研发一种具有理想抗菌性能的树脂对于继发龋的预防及提高修复体的使用寿命具有重要意义。

龋病是在以细菌为主的多种因素作用下，牙体硬组织发生的慢性、进行性破坏，而变形链球菌在牙齿表面的黏附、集聚以及增殖是导致龋病的主要原因[3]。近年来，纳米氧化镁(nano-MgO)作为一种新型无机抗菌剂应运而生。有学者研究发现nano-MgO具有抗菌作用，且其抗菌效果广谱、高效，对革兰阳性菌和阴性菌均有良好的杀菌作用[4]。粒径越小的MgO颗粒，越易于透过细胞膜，其杀菌能力越强[5-6]，含有高分散相MgO的AL2O3具有较好的抗菌性，能够杀死99%以上的细菌和芽孢[7]。本课题组研究人员前期通过实验已证明了nano-MgO对变形链球菌有一定的抗菌效果，添加nano-MgO质量分数为0.04的复合树脂抗菌率为95.5%，具有较强的抗菌作用，且其机械性能满足临床需求，是制备抗菌性复合树脂的较优选择[8]。而在临床应用中，复合树脂的耐磨性能是决定临床疗效的重要因素，尤其是后牙复合树脂，承受的咬合力大，疲劳作用强，并且在咀嚼过程中，与对颌牙的接触磨耗和食物磨损均较明显[9]，早期的后牙复合树脂临床应用成功率较低，主要原因就是耐磨性差，导致了修复体表面体积减小和边缘破坏，在后牙复合树脂修复失败的病例中，因聚合收缩导致的边缘微渗漏和机械磨耗导致的咬合面降低最为多见[10]。因此，本实验在前期nano-MgO抗菌性实验的基础上，进一步研究含有nano-MgO的新型牙科光固化复合树脂的磨耗性能，为研制新型抗菌性复合树脂和探讨其临床应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

樟脑醌(CQ，Aldrich公司)；双酚A-双甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA，Aldrich公司)；双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯(TEGDMA，Aldrich公司)；二氧化硅(SiO2，粒径为2 μm，阿拉丁试剂公司)；N，N-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯(DMAEMA，Aldrich公司)；3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(KH-570，Aldrich公司)；氧化镁(MgO，粒径为50 nm，阿拉丁试剂公司)。

1.2 仪器

DMW-1型磨耗试验机(北京大学口腔医学研究所研制);分析天平(Mettler Toledo公司，瑞士)；数显千分表(Mitutoyo公司，日本)等。

1.3 实验方法

1.3.1树脂磨耗试样的制备 先将Bis-GMA与TEGDMA按照质量比7∶3混合成为基体树脂，然后加入质量分数为0.7的经KH-570表面改性后的SiO2，同时将nano-MgO分别按照0.01、0.02、0.04、0.08的质量分数与基体树脂混合。待混合均匀后，加入所称取的光引发剂(质量分数为0.01的CQ，质量分数为0.02的DMAEMA)继续调拌均匀得到所要制备的树脂。本实验根据前期nano-MgO抗菌性实验的分组，分为不含nano-MgO的A组和分别含nano-MgO质量分数为0.01、0.02、0.04、0.08的B组、C组、D组、E组，以临床常用的两种商品化复合树脂作为阳性对照组，分别为F组(charisma)和G组(AP-XTM)。按口腔材料行业标准YY/T-0113[11]每种材料制备5个直径10 mm、高6 mm的圆柱形磨耗试样，按厂家说明书要求操作，并分层固化，然后37 ℃水浴24 h。

1.3.2摩擦磨损实验 在磨耗试验机对磨物上铺设400目的水砂纸，在料盘内加入25 mL蒸馏水，预磨75次(磨耗负荷22 N)，然后磨料预磨150次(磨耗负荷172 N)。取下试样进行超声清洗、吹干，用分析天平称质量作为初始质量，并测定每个试样的密度，用于计算体积损失量。每次磨耗实验结束后，用数显千分表测量试样表面13个点的高度，用平均值作为试样高度，各测量点的分布如图1所示。对每个试样，在磨耗负荷172 N的条件下分别磨耗100、200、400和800次时称质量并测量高度。磨耗结束后，根据公式△V=△m/ρ计算出不同磨耗次数下试样的体积损失量，扫描电镜观察试样磨损面微观形貌。

图1 磨耗试样高度测量点示意图

2 结 果

2.1 树脂耐磨性能测定

7种树脂的体积损失量及高度损失量如表1所示。树脂的磨耗量随着磨耗次数的增加而增加。在体积损失量方面，A组与C组、D组、E组、F组、G组比较，差异有显著性(F=12.424，P<0.05)，其他各组间两两比较差异均无显著性。在高度损失量方面，A组与C组、D组、E组、F组、G组比较差异有显著性(F=17.875)，其他各组间两两比较差异均无显著性。本实验树脂磨耗的体积损失量和高度损失量呈显著正相关(r=0.957～0.999，P<0.05)。

2.2 树脂磨损面微观形貌

由图2、3可见，未添加nano-MgO的A组树脂在低倍镜下表面平整、致密，隐约可见斜向摩擦条纹，材料局部剥脱不明显；在高倍镜下见SiO2在树脂中分散较均匀，呈规则的球形，表面仅有少量填料脱落形成的圆凹坑，几乎未见裂纹。其他4组含有nano-MgO的树脂在低倍镜下表面平整但略显粗糙，摩擦条纹不明显，有些可见填料脱落形成的凹坑，nano-MgO颗粒在树脂中有不同程度的团聚现象；在高倍镜下见nano-MgO颗粒部分团聚，另有许多填料颗粒脱落形成的凹坑。F组在低倍镜下表面非常致密光滑，有方向交错的条纹，几乎未见剥脱性凹坑；高倍镜下可见填料密度较大，有少量填料脱落后形成的小凹坑，没有明显的裂纹和材料剥脱性凹坑。G组在低倍镜下表面见划痕，未见明显的剥脱性凹坑；在高倍镜下见基质明显磨除伴大颗粒填料暴露。

表1 各种树脂体积损失量及高度损失量

3 讨 论

目前，复合树脂的耐磨性研究常用的有体内试验[12]和体外实验[13-15]两种方法。体外实验能够有效排除体内环境造成的影响，更好地控制实验参数，实施系统性、精确化的探索，其实验结果更为可靠。因此，本实验采用的是体外实验。DMW-1磨耗试验机是由徐恒昌等在CW3-1磨耗试验机[16-17]的基础上改进的，模拟的是三体磨损，约30 min就可以完成一个试样的耐磨性测试，而且变异系数不超过5%[18]，增强了实验材料的可比性和结果的可靠性。

A、B、C、D、E、F、G分别代表A、B、C、D、E、F、G组，500倍。

A、B、C、D、E、F、G分别代表A、B、C、D、E、F、G组，5 000倍。

MgO是无毒无味的白色无定形粉末状物质，颜色稳定，加入到复合树脂中不会对树脂的色泽造成不良影响，避免了载银类抗菌剂容易变色的问题，而且高纯度MgO晶体的莫氏硬度为5.5，接近人类牙釉质的硬度[19]。

透射电镜是观察纳米颗粒微观形貌的必要仪器，它可以直观地观察颗粒的形状、大小以及分散性。纳米粉体由于其高表面能，易团聚成簇，因此在观察之前需经过超声振荡使其充分分散。本实验所用的MgO粉体在透射电镜下为不规则的球形或棒状，粒径范围50～110 nm。颗粒分散性不好，容易团聚，可能是由于粉体放置过久，或是超声振荡时间太短或粉体浓度太大[20]。而且超声振荡的分散能力有限，很难将纳米级的粉体分散成单个颗粒，不能充分解决纳米颗粒的团聚问题。理论上，粒径范围分布越广，充填到树脂中的量越大，树脂的机械性能和耐磨性越强。但是nano-MgO颗粒的团聚现象会影响其在树脂中的分散性，从而阻碍抗菌性能的发挥，降低树脂的机械性能以及耐磨性。SHIMPI等[21]将颗粒大小为20～60 nm的氢氧化镁加入复合材料中，发现添加质量分数为0.005时提高了材料的各项性能，而添加质量分数增加到0.025时复合体的机械、物理性能都呈较大下降趋势。本实验中含不同比例nano-MgO复合树脂的耐磨性间没有呈现出非常明显的升降趋势，且本实验中添加nano-MgO质量分数为0.01的B组树脂与未添加nano-MgO的A组树脂相比，在高度损失量和体积损失量方面均无统计学差异，除了MgO添加量较少外，分散性问题也是原因之一。

而且，无机填料本身的特点以及与基质结合的强度等也是影响树脂耐磨性能的重要因素。要想提高树脂的耐磨性能，一是应用强度更高的填料，二是加强填料-基质间的结合，最常用的办法就是硅烷耦联剂预处理填料表面。另一种方法是使用一些专门材料使填料与基质间发生机械锁结作用，防止填料从基质中脱落，从而提高树脂的耐磨性能，比如纳米填料等。最常用的是纳米SiO2。根据GAROUSHI等[22]的实验，在SiO2纳米和微米颗粒混合的填料中，经过硅烷化改性的纳米SiO2在质量分数为0.2～0.3时显示出最好的抗磨损性能。本实验G组的AP-XTM树脂是混合填料复合树脂，内含有体积分数为0.7的钡玻璃(粒径3 μm)、硅胶以及粒径0.1～15.0 μm的SiO2颗粒。根据图3示AP-XTM树脂的填料粒径分布广泛，大部分是形态不规则的大颗粒钡玻璃且相距较远，小颗粒镶嵌在大颗粒缝隙之中，基质与填料的界限清晰。在放大5 000倍的情况下可见AP-XTM树脂表面较为粗糙，基质明显被磨除伴填料暴露。基质发生塑性形变和填料剥脱留下的凹坑，表面较为平整可能是基质被磨除后填料被外力压入基质中。但是在低倍镜下看到磨耗表面有明显的犁沟和划痕，这是因为大颗粒填料与萤石递质的摩擦导致。但由于不规则外形的大颗粒填料显露太多，且与基质的固位力较差，在循环应力下，仍会发生翘动和脱落，从而使填料的脱落更加迅速[23-24]。研究发现填料体积含量与树脂的耐磨性能呈线性相关，这源于填料的含量多，颗粒间隙就小，从而减少了基质的暴露，即基质保护理论[25]。但本研究中AP-XTM树脂的填料体积分数(0.70)大于charisma树脂的填料体积分数(0.58)，前者体积损失量仍大于后者，因此树脂填料体积含量与耐磨性无关。

Charisma树脂是一种前后牙通用的小颗粒混合填料型复合树脂，含有体积分数为0.58的填料，钡铝玻璃的粒径范围为0.02～2.00 μm，SiO2的粒径范围为0.02～0.07 μm。Charisma树脂电镜下表面非常光滑和均匀磨损，有很少的剥脱性凹坑，高倍镜下可在整个表面上看到小的空隙。Charisma在这项研究中显示出最好的耐磨性。这是因为根据磨料磨损的机制，charisma树脂的填料粒径小，填料间的缝隙就小，磨料难以磨损填料间的树脂基质，基质能持续发挥对填料的固定作用，填料不易脱落。而且，填料粒径越小，脱落后造成的体积损失就会越小，宏观上展现出良好的耐磨性[26-29]。

本实验自制树脂含无机填料SiO2(粒径2 μm)体积分数为0.7，高倍镜下可见填料脱落形成的圆形凹坑，颗粒分布较均匀，基质与填料间界限较为清晰。5组自制实验树脂在相同磨耗次数下的耐磨性低于charisma树脂和AP-XTM树脂，一方面是由于填料粒度较大，填料间的间隙就较大，磨料磨损树脂基质造成填料脱落，另一方面也可能是手动调和树脂与工厂机器调和树脂的差异引起，这一方面还有待验证。

总之，在本实验中，无论是在高度损失量还是体积损失量方面，加入质量分数为0.02、0.04、0.08的C、D、E组实验树脂与charisma树脂和AP-XTM树脂相比均无统计学差异。根据前期nano-MgO抗菌性实验得出的结果，即含nano-MgO质量分数为0.04的复合树脂抗菌率为95.5%，具有较强的抗菌作用，且其机械性能满足临床要求，可以得出以下结论：含质量分数为0.04 nano-MgO的复合树脂在耐磨性方面也可满足临床需求，考虑到综合性能，含质量分数为0.04 nano-MgO的复合树脂是制备新型抗菌性复合树脂的较优选择。