低聚合收缩率的超支化基齿科流动修复复合树脂

陆梦娇，沈 君，任志伟，孙 宾，王瑞莉，江晓泽，朱美芳

(东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

随着生活质量和个人审美的不断提高，龋病的治疗重要性不言而喻。作为最直接的牙齿缺损的填补修复，通用型齿科修复复合树脂以其色泽美观、操作简便以及生物相容性良好等优点，逐渐取代银汞合金成为齿科修复的重要材料。这类修复材料在临床应用中虽已取得极好的治疗效果，但主要修复对象是缺损面积较大的牙体修复，而对于牙齿中存在的一些难以填充的小型缺损、预防性修复中的颌面小面积龋齿及较狭窄区的龋齿，难以发挥其作用，迫切需要研发出专用于这类面积小的牙体修复材料，因此，具有一定流动性的齿科修复流动复合树脂的研究逐步成为这类研究中的热点。

流动复合树脂是一种低黏度、流动性好的复合树脂材料。为了适应修复面积小或者位置难修复的牙体修复，与通用复合树脂相比，这类树脂通常采取的策略是减少树脂的无机填料填充量和增加有机基体含量[1]，从而使其黏度降低，流动性和贴合性增强，能够进入细小的裂隙或角落，与洞壁良好地贴合[2]。这样的方法虽然实现了缺损的修复，但同时也存在问题：无机填料含量的降低引起修复材料的机械性能降低以及大量有机单体聚合后的体积收缩增加，限制了流动树脂的应用[3]。为了实现并改善流动复合树脂的应用，在维持可接受的强度性能下，大幅度降低修复材料的聚合收缩，避免收缩引起的再次龋齿问题，是一项持续且必须克服的挑战。

近年来，随着纳米技术的快速发展，无机填料的组成、拓扑结构以及三维形貌对齿科修复树脂的性能影响规律研究已取得不断深入和突破，大量高强度的齿科修复树脂已得到广泛报道，但对于低聚合收缩率的树脂研究相对较少，尤其超支化分子引入到有机基体内，探索其对超支化基修复树脂的性能影响规律还有待加强深入。基于此，本研究在合成出含12个羟基的二代超支化聚酯基础上，用反应活性更高的甲基丙烯酸异氰基乙酯对其进行改性，得到端基全部含有双键的不饱和超支化聚酯，将其引入到传统齿科修复树脂Bis-GMA/TEGDMA有机基体体系中，并与机械性能优异的微纳米二氧化硅[4]混合制成可流动齿科修复复合树脂，探究超支化分子的加入对齿科流动修复树脂的聚合收缩率、双键转化率、机械性能、吸水溶解性及生物相容性的影响。

1 试 验

1.1 原料

季戊四醇、对甲苯磺酸、甲基丙烯酸异氰基乙酯、双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、二甲基丙烯酸三乙二醇酯(TEGDMA)、樟脑醌、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为分析纯，购于美国Sigma-Aldrich公司；纳米SiO2(20 nm)，上海泰坦科技股份有限公司；微米级SiO2(1 μm)，浙江通达威鹏电器有限公司。

1.2 设备

双中心混合分散机，DAC 150.1 FVZ-K型，德国Hauschild公司；三辊研磨机，80E型，德国Exart公司；光固化灯，SLC-Ⅷ B型，杭州四方医疗器械有限公司；核磁共振仪，Avance 600型，瑞士Bruker公司；傅里叶变换红外光谱仪，Nicolet 8700型，美国Nicolet公司；哈克流变仪，RS150L型，德国HAAKE公司；密度天平，AL/AB-N型，美国梅特勒-托利多公司；电子万能材料试验机，INSTRON 5969型，美国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

采用准一步法合成含12个端羟基的二代超支化聚酯。在烧瓶加入5 g(0.037 mol)季戊四醇，28.31 g(0.148 mol)支化单体N，N-二羟乙基-3-氨基丙酸甲酯(实验室自制)和0.14 g(单体质量的5‰)催化剂对甲苯磺酸，升温120 ℃反应3 h后，在40 ℃下旋蒸1 h，抽真空30 min除去生成的甲醇；继续滴加28.31 g(0.148 mol)支化单体和0.14 g对甲苯磺酸，得到最终产物超支化聚酯，为黄色透明油状液体。

1.3.2 超支化聚酯的改性

称取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，用恒压滴液漏斗缓慢滴加12.1 mL(85.23 mmol)甲基丙烯酸异氰基乙酯，室温反应24 h。用甲醇清洗除去未反应的异氰酸酯后，在30 ℃下旋蒸1 h除去溶剂，得完全改性超支化聚酯HPAE-IEMA，为黄色透明液体，反应全程避光。

1.3.3 流动复合树脂的制备

首先称取不同质量比的完全改性超支化单体HPAE-IEMA、传统商业化单体Bis-GMA和稀释剂单体TEGDMA作为树脂基质，在磁力搅拌机上搅拌分散均匀，然后在树脂基质中加入占其质量比1%的光引发剂(引发剂CQ和助引发剂4-EDMAB的质量比为1∶4)。将表面硅烷化处理的微纳米无机填料分批少量多次加入树脂基质中，用双中心混合分散机对复合树脂进行先低速后高速的预混，直至树脂基质与无机填料初步分散混合。再将预混后的混合物放入三辊研磨机中进一步研磨混合，全程避光处理，即得到所要制备的流动复合树脂。流动复合树脂中Bis-GMA/TEGDMA比例始终保持为50∶50，无机填料填充质量比为65%，其中微米SiO2与纳米SiO2质量比为80∶20。

1.4 测试及表征

1.4.1 超支化聚酯结构及理化性质表征

核磁共振氢谱分析：对实验合成的超支化聚酯以及完全改性后的HPAE-IEMA进行核磁共振氢谱分析，标定物为四甲基硅氧烷(TMS)，其中超支化聚酯采用氘代氯仿为溶剂，改性后超支化聚酯采用二甲基亚砜(DMSO)为氘代溶剂。

红外分析：利用傅里叶红外光谱仪辅助分析合成及改性的超支化聚酯的结构。采用红外光谱衰减全反射附件(ATR)，波数范围525～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32。

黏度分析：使用哈克应力流变仪分别测量Bis-GMA、TEGDMA以及改性前后超支化聚酯的动力黏度。频率范围0.001～100 rad/s，温度25 ℃。

1.4.2 流动复合树脂性能表征

聚合收缩率(PS)：复合树脂的聚合收缩率参照国际标准ISO 17304—2013进行测试，依据阿基米德原理，通过密度天平，分别测量复合树脂在空气中和溶液中的质量得到复合树脂固化前后的密度，进而计算复合树脂的聚合收缩率。

吸水溶解性：将固化脱模后的树脂圆片用碳化硅砂纸打磨平整。所有样品圆片在37 ℃烘箱进行干燥处理48 h后用天平称重得到质量m0，然后将样品置于37 ℃去离子水中浸泡7 d，取出擦干水分后称重得到质量m1，再将样品置于37 ℃烘箱充分干燥7 d，称重直至得到样品稳定质量m2后计算吸水率和溶解率。

机械性能：复合树脂机械性能样品制备方法和测试步骤参照ISO 4049—2009。将固化脱模后的树脂样条用碳化硅砂纸打磨平整，室温下放置72 h。利用电子万能材料试验机测试其弯曲强度、弯曲模量和压缩强度。

生物相容性：采用MTT法评价流动复合树脂对小鼠成纤维细胞(L929)的细胞活性。树脂片消毒后按照ISO 10993—5标准各取3个放入48孔板中，随后向每孔加入500μL培养基，置于细胞培养箱中分别孵育1天、3天和5天。待孵育时间结束后，加入50μL MTT溶液继续培养4 h后终止培养。最后用酶标仪在490 nm波长处测定各孔溶液的吸光度数值。

2 结果与讨论

2.1 超支化聚酯的结构及理化性质分析

为了制备出流动性好的超支化分子，以N,N-二羟乙基-3-氨基丙酸甲酯为支化前体，以季戊四醇为核，采用准一步法合成了一种端羟基的超支化聚酯(如图1)。该超支化分子黏度低，流动性及溶解性好，在多种溶剂中均可良好分散。用甲基丙烯酸异氰基乙酯将超支化分子末端羟基进行完全改性(如图2)，可得到末端12个双键、可流动、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA单体。

2.1.1 核磁及红外分析

为了验证合成及改性反应的进行，超支化分子改性前后的产物分别进行核磁氢谱和红外光谱(如图3)的表征。经过聚氨酯化学后，甲基丙烯酸酯基团被引入到超支化分子中，如核磁图中δ=1.86，δ=5.67和δ=6.05出现双键特征峰，且各个峰对应的积分面积比与分子结构H含量比一致；红外谱图1 637 cm-1和816 cm-1处出现丙烯酸酯中双键的特征峰，且2 270 cm-1处没有—NCO的特征伸缩振动峰，说明甲基丙烯酸酯基成功引入到超支化分子末端，制备出了可光固化的超支化聚酯HPAE-IEMA。

图1 超支化聚酯的合成路线

图2 改性超支化聚酯的合成路线

图3 超支化聚酯改性前后的1H NMR谱图(a)及红外光谱图(b)

2.1.2 黏度分析

黏度是齿科流动复合树脂一个非常重要指标，其显示了这类修复材料的流动性能，决定了其用于小面积牙体缺损的修复可行性。目前商业化流动树脂的黏度范围为(13～35 Pa·s)，为了维持所制备的流动树脂也具有类似的黏度特性，首先以常用的Bis-GMA/TEGDMA(质量比50∶50，占材料总质量含量为35%)有机基体体系为参比，固定无机填料填充质量比为65%，其中微米SiO2与纳米SiO2质量比为80∶20，摸索不同含量的超支化分子加入Bis-GMA/TEGDMA体系构成混合有机基体后，测试所制备的树脂黏度及流动性(如图4)。为了便于样品的命名，H代表HPAE-IEMA，B代表Bis-GMA，T代表TEGDMA。50B50T、10H45B45T、15H42.5B42.5T和20H40B40T分别是对应有机基体质量比的HPAE-IEMA/Bis-GMA/TEGDMA有机基体构成的树脂材料，特别说明此处所有树脂材料都是固定无机填料质量和组分(质量分数65%二氧化硅，微米SiO2与纳米SiO2质量比为80∶20)。对于树脂的制备，尤其各自组分含量的添加，必须要考虑到实际制备工艺混合后所制备材料的状态。对于超支化基流动树脂的具体制备过程中，发现超支化单体HPAE-IEMA在有机基体体系中最高添加量仅为20%，当添加量超过20%时，树脂黏度过大(超过40 Pa·s)，流动性很差，树脂经三辊研磨机研磨混合后变成粉末状，不能制备成流动树脂。对于质量分数20%及以下的超支化基流动树脂流动性测试结果显示：超支化基流动树脂是切力变稀的，在临床应用中便于树脂从器械中挤出，且具有较好的流动性。其黏度保持在16～30 Pa·s。

图4 不同单体填充流动复合树脂的黏度

2.2 超支化基流动复合树脂的性能分析

齿科修复树脂的双键转换率反映了树脂在光固化过程中形成交联网络的完善程度，若转化率过低，会使未反应单体不断析出，引起微渗漏以及过敏反应等，机械性能也会有所下降[5]。图5(a)是不同含量超支化单体对流动复合树脂双键转化率的影响。由图可知，随着超支化单体的增加，流动复合树脂的双键转化率由60%左右略微降低至50%～55%，这是由于超支化分子的球形体积使双键聚合时存在较大位阻，并且单个超支化分子末端含有大量双键，当部分双键参与聚合后，形成交联网络，分子链活动性变差，该分子上剩余双键难以完全参与反应。虽然超支化分子的引入使流动复合树脂双键转化率有所下降，但幅度较小，仍在文献中报道的双键转换率范围43%～73%[6]之内。

聚合收缩率是齿科修复流动树脂的重要指标。在光固化过程中，碳碳双键打开变成单键，分子间作用距离由远程的范德华半径变为了近程的共价键键长[7]，分子排列更为紧密，所占空间体积减小，从而产生了聚合收缩。聚合收缩过高会造成微渗漏，引发二次龋齿，导致修复失败[8]。据文献报道，商业化流动树脂的聚合收缩一般为4%～6%[9]。图5(b)是不同超支化单体含量的流动复合树脂的聚合收缩率，随着改性超支化单体的增加，聚合收缩逐渐降低。超支化分子由于其较高的分子量及较大的分子体积，单位分子量/体积的双键数量远低于线性分子，因此，在聚合时体积收缩对整个体系的影响相对较小，聚合收缩率较低，同时，改性后超支化分子中的氨基甲酸酯基团极性较大，内聚能密度较高，也有助于降低聚合收缩[10]。当添加20%改性超支化单体时，聚合收缩达到最低值(3.46±0.4)%，比对照组降低了41.46%，也低于国产商业化登泰克流动树脂4.33%及进口流动树脂TF(Tetric N-Flow)4.68%。通过分析可证明超支化分子虽然使双键转换率有所降低，但是确实能够有效地减小流动复合树脂聚合收缩率，这有助于其临床应用及长期服役。

图5 不同单体填充的流动复合树脂的双键转换率(a)及聚合收缩率(b)

考虑到修复树脂服役的长期性，尤其涉及到口腔环境的独特性，所以修复树脂的水溶性和吸水性也是非常重要的指标参数，分别反映出从聚合物网络中释放出的未反应单体的量，以及从材料中释放出了较多未参与固化的单体，而这些释放物都会存在对人体健康产生潜在的危害[11]。图6为不同超支化单体含量的流动树脂的吸水性及溶解性。随着超支化单体含量的增加，由于其中含有大量高极性的氨基甲酸酯基，树脂的吸水性不断增加，但仍然远低于ISO 4049—2009标准40.0 μg/mm3。而流动树脂溶解性却仅为3.54～3.92 μg/mm3，低于对照组，也远低于IS0标准7.5 μg/mm3。结合降低的双键转换率，说明单个超分子上大量的可反应双键有利于提高每个分子参与聚合的概率，即使转化率较低，未反应的分子也较少，能渗漏出的单体较少。说明超支化分子的引入，的确有利于修复树脂材料的结构和组分稳定性。

机械性能也是齿科修复流动树脂最重要的指标之一，若机械性能较差，在服役过程中树脂容易变形甚至被破坏。复合树脂的机械强度很大程度上受无机填料的影响，同时缺少苯环的超支化单体机械性能也较Bis-GMA体系弱，这就导致了超支化基流动树脂的机械性能必然会有所下降。图7为不同含量超支化单体填充流动复合树脂的机械性能。由图可知，树脂体系中引入改性后的超支化单体后，流动复合树脂的机械性能有所下降。一方面是因为超支化体系双键转化率稍低，另一方面，超支化分子不含羟基，分子间距离较大，氢键作用减弱[12]。其中HPAE-IEMA添加量为20%时，机械性能最好，弯曲强度、弯曲模量和压缩强度分别为97.85 MPa、5.92 GPa 和220.45 MPa，高于ISO 4049对混合微填料型树脂弯曲强度及弯曲模量的最低要求70 MPa 及5 GPa，也高于国产登泰克流动树脂的弯曲模量3.60 GPa，压缩强度较Klee等[13]研究的复合树脂(200 MPa左右)也更高。这表明虽然超支化聚酯的加入在一定程度上降低了树脂的机械性能，但依然维持较好的强度特性，仍然比市售产品的机械性能优异。

图6 不同单体填充复合树脂的吸水性(a)和溶解性(b)

虽然这类超支化基流动树脂维持较好的强度特性，很低的聚合收缩，但仍需探究其生物相容性，来保证其在口腔服役中的实际临床应用。图8为添加超支化单体的流动复合树脂与L929(小鼠成纤维细胞)共培养1天、3天和5天后对应的细胞活力。由图可得，添加超支化单体的流动树脂细胞存活率即使在五天后仍然高于对照组(100%)。根据ISO 7045标准，细胞存活率大于对照组50B50T的75%时即可认为无细胞毒性。由于超支化单体的改性剂中含有毒性较强的异氰酸酯，而细胞存活率却显示出树脂较好的生物相容性，结合改性超支化单体的红外谱图中不含异氰酸酯的特征峰，因此可以证明超支化单体在改性过程中并没有异氰酸酯的残留。并且添加超支化单体的流动复合树脂无细胞毒性，具有优异的细胞相容性，可将其应用到临床使用中。

图7 不同单体填充流动复合树脂的弯曲强度(a)、弯曲模量(b)及压缩强度(c)

图8 不同单体填充复合树脂的细胞活力

3 结 论

本文成功以季戊四醇为核，借助精细合成手段，合成出末端12个双键、可流动、低黏度、可光固化的二代超支化聚酯HPAE-IEMA单体。将其与传统单体Bis-GMA/TEGDMA混合为有机基体，再与微纳米级无机二氧化硅填料复配，制备出可流动膏状齿科修复复合树脂。这类流动型超支化基齿科修复复合树脂在维持较好的强度特性外，还具有低的聚合收缩率、优异的生物相容性、极低的溶解性、可释放物少等优点，研究表明超支化基流动树脂在齿科修复中有着巨大的应用潜力。