氦气源低温大气压等离子体射流处理对离体牙本质黏接强度的影响

王丹杨,谢 娜,陆 磊,马晨育,李 旋

(1西安医学院口腔医学院口腔修复学教研室,西安 710021;2西安医学院口腔医学院口腔内科学教研室;*通讯作者,E-mail:kqwangdy@xiyi.edu.cn)

口腔黏接修复成功的关键在于修复材料与牙体组织间形成牢固、长效的黏接。牙本质的黏接依赖于混合层结构的形成[1],但现有的全酸蚀黏接系统及自酸蚀黏接系统会在混合层底部形成缺陷带及纳米渗漏[2,3],使部分牙本质胶原失去黏接剂的保护作用而裸露,易受到水分以及各种蛋白水解酶的作用而降解,最终导致黏接修复失败[4,5]。如何降低黏接缺陷的形成,增加黏接剂与牙本质的化学结合,对改善牙本质黏接效果意义重大。低温大气压等离子体(non-thermal atmospheric pressure plasma,NTAPP)射流处理是近年来新兴的一种表面处理技术[6],产生的活性物质可以与物质表面反应,从而改变材料的表面特性[7]。本研究拟观察NTAPP处理对牙本质表面接触角以及黏接性能的影响,以期为提高牙本质黏接效果提供新的研究思路及技术手段。

1 材料和方法

1.1 离体牙来源

收集因阻生拔除的无龋第三磨牙60颗(西安医学院第一、第二附属医院口腔科),患者知情同意。刮除附着软组织,清洗后保存于含0.02%叠氮化钠的4 ℃生理盐水，于拔除后1个月内使用。本研究由西安医学院伦理审查委员会审查通过。

1.2 主要材料和仪器

去离子水,高纯度氦气(99.99%,西安天盛气体有限公司),37%磷酸酸蚀剂(Vericom公司,韩国),Single Bond 2全酸蚀黏接剂(3M公司,美国),Z250复合树脂(3M公司,美国),无尘纸巾(Kimberly-Clark,美国),低温大气压等离子体发生装置(CTP-2000K,南京苏曼等离子科技有限公司),示波器(MSO1104Z,苏州普源精电科技有限公司),低速金刚石切割机(沈阳科晶自动化设备制造有限公司),接触角测量仪(Easy Drop,KRÜSS,德国),光固化机(Dentsply公司,美国),万能材料试验机(Shimadzu公司,日本)。

1.3 NTAPP射流的产生

本研究使用的NTAPP设备采用连续正弦波驱动的介质阻挡放电原理,电源输入功率为8 W,峰值电压Vpp为7.0 kV,频率为54.9 kHz,放电气体为高纯度氦气(He),气体流量为3 L/min。

1.4 NTAPP处理牙本质

慢速切割机流水冷却下将10颗牙齿按牙长轴方向纵切,获得30片1.5 mm厚的牙本质片,800目水砂纸流水打磨、超声清洗备用。根据NTAPP射流处理时间的不同(0、5,10,15,20 s)随机分为5组(n=6)。将牙片用无尘纸巾蘸干水分,置于载玻片上备用。调整等离子体发生装置的高度,使喷嘴距离牙面3 cm。打开气瓶、等离子体发生装置及示波器,调整输入功率。待产生等离子体并且射流稳定之后,移动载玻片至射流处,使射流接触牙面(见图1),同时开始计时并处理相应时间。

黄色:进气口,绿色:接地线,红色:高压线A.等离子体发生装置射流垂直喷涂于牙面,喷嘴口距离牙面3 cm B.试件处理示意图图1 氦气源NTAPP实验装置及试件处理示意图Figure 1 Experimental device of the helium NTAPP jet and schematic diagram of specimen treatment

1.5 牙面接触角测量

每个牙片在中层牙本质处选择3个点测量接触角。将0.5 μl去离子水滴至样品表面,测量水滴接触牙面瞬间的接触角。3个位点的平均值记为每个试件的接触角,计算每组试件接触角的平均值和标准差,评估等离子体处理后牙本质表面润湿性的变化。

1.6 牙本质微拉伸黏接强度测试

慢速切割机流水冷却下沿垂直于牙长轴的方向,将30颗离体牙去除牙合面牙釉质,暴露冠方牙本质。800目水砂纸流水打磨、超声清洗,制备标准玷污层。酸蚀剂酸蚀15 s,水气枪冲洗1 min。按照1.4所述方法分组后用NTAPP处理,随后用湿润的无尘纸巾重新湿润干燥的牙本质表面,采用湿黏接法严格按照Single Bond 2的产品说明书操作。黏接剂光照固化后分层堆塑4-5层复合树脂,每层光照固化40 s。所有试件于37 ℃去离子水中静置24 h。

慢速切割机流水冷却下垂直于黏接界面将试件切成0.8 mm×0.8 mm×9 mm的试件条,用氰基丙烯酸盐黏接剂将试件固定到微拉伸夹具上,万能材料试验机以1 mm/min的速度向上拉伸直至试件断裂。根据公式计算:微拉伸强度(MPa)=断裂载荷(N)/试件截面积(mm2)。将来自同一颗牙的黏接试件的黏接强度求均值作为一独立样本,然后结合同一组其他牙齿黏接试件的均值获得本组黏接强度均值与标准差(n=6)。

1.7 统计学分析

采用SPSS 18.0统计软件对实验数据进行统计学分析。对接触角及微拉伸黏接强度值进行单因素方差分析及均值间的LSD多重比较,显著水平为双侧α=0.05。

2 结果

2.1 NTAPP处理对牙本质接触角的影响

各组牙本质接触角见图2,变化规律见图3。正常牙本质接触角为75.57°±1.45°,经NTAPP处理后各组接触角均显著小于对照组(P<0.05),处理20 s时接触角最小为58.41°±1.15°;随着处理时间延长,各组间接触角差异无统计学意义(P>0.05)。

A.对照组 B.NTAPP处理5 s C.NTAPP处理10 s D.NTAPP处理15 s E.NTAPP处理20 s图2 NTAPP处理不同时间后牙本质接触角图像Figure 2 Representative pictures of dentine contact angle after various NTAPP treating time

与0 s比较,***P<0.001图3 NTAPP处理不同时间牙本质接触角比较Figure 3 Changes of dentine contact angle after various NTAPP treating time

2.2 NTAPP处理对牙本质微拉伸黏接强度的影响

各组微拉伸黏接强度结果见图4。NTAPP处理5 s后牙本质微拉伸黏接强度稍有增加,但与对照组相比无显著性差异(P>0.05);NTAPP处理10 s和15 s后黏接强度均显著增加(P<0.05),两组间差异也有统计学意义(P<0.05),以NTAPP处理15 s效果最佳;NTAPP处理20 s后黏接强度与对照组无显著性差异(P>0.05)。经NTAPP处理,可以有效改善即刻牙本质黏接强度。

与0 s比较,**P<0.01,***P<0.001;与5 s组比较,##P<0.01;与10 s组比较,△P<0.05,△△△P<0.001图4 NTAPP处理不同时间对牙本质微拉伸黏接强度的影响Figure 4 The influence of NTAPP on micro-tensile bond strength after various treating time

3 讨论

复合树脂因其良好的安全性及美观性,是首选的牙体修复材料。但是牙本质-黏接界面是复合树脂修复的薄弱区域,导致复合树脂修复牙本质时黏接效率较低,使用期限较短。混合层的形成是牙本质黏接的基础。全酸蚀黏接系统需要在黏接前使用酸蚀剂使牙本质表面脱矿,暴露牙本质小管及胶原纤维网,随后黏接剂向胶原纤维网内渗透形成混合层,从而实现黏接。但是酸蚀剂对牙本质的脱矿能力与黏接剂的浸润能力不匹配,往往会在杂化层底部形成一个黏接树脂不完全渗透且胶原纤维裸露的“缺陷带”[2,8]。最终将导致黏接修复失败。因此,如何有效提高牙本质黏接强度,对改善黏接修复效果至关重要。

NTAPP是气体在高频高压电场下形成的部分电离的气体[9,10],其射流温度接近室温,并包含了大量活性物质,如带电粒子、各种离子、自由基、活性氧等[7]。这些活性较高的等离子体基团可以与物质表面反应,起到清洁、蚀刻的作用,或者在材料表面形成一薄层等离子体涂层,从而改变材料的表面特性[9,11]。

本研究结果显示,经过NTAPP处理,可以显著降低牙本质表面的接触角。接触角是衡量液体对材料表面润湿性能的重要参数,接触角越小,湿润程度越好。该结果提示,NTAPP作为一种温和且安全的表面处理技术,能够改善牙本质表面的润湿特性。牙本质的润湿性变化可能与化学成分发生改变相关,等离子体射流处理牙本质表面,能够引起C-C键和C-H键断裂而产生活性位点,射流周围空气通过向放电区域的反向扩散作用,将氧基引入处理过的牙面,形成含氧的极性基团以提高润湿性[12]。已有研究表明,处理过的材料表面暴露于大气中时,能够产生活性过氧化物自由基(R-OO-)和官能团(C-OH);另有学者证实等离子体处理后牙本质表面C-O基团明显增多[13-15]。正是这些亲水性含氧极性基团的存在,使牙本质表面润湿性得以改善[16]。

本研究微拉伸黏接强度结果显示,经NTAPP处理10,15 s能够显著提高即刻牙本质黏接强度,其原因可能与以下机制密切相关:①NTAPP处理改善了牙本质黏接界面的力学性能。湿润性的改善能够提高黏接剂在脱矿牙本质面的渗润,有利于形成更长的树脂突及更完整的混合层[15],同时降低缺陷带及纳米渗漏的发生。②NTAPP处理后脱矿牙本质化学成分发生了改变,等离子体处理可以将含氧的羰基引入Ⅰ型胶原分子中,胶原纤维表面羰基数量的增加能够提高胶原与黏接剂之间氢键的相互作用。此外,等离子体处理可以暂时暴露胶原蛋白表面的官能团,有利于官能团与黏接剂间共价键的形成[9]。③NTAPP处理后胶原纤维网的微观结构发生了改变,羰基数量的增加可以通过电斥力使胶原纤维暂时脱聚并分离成更小的纤维聚集体,甚至单个纤维,这将显著提高黏接剂对胶原纤维的渗透,增加黏接剂与胶原的界面面积,从而显著提高牙本质界面的黏接强度[9]。

虽然NTAPP是一种温和、安全的表面处理技术,但是随着处理时间的延长,材料表面会发生局部热量累积及蚀刻现象[6],易损害敏感性较高的生物材料。本研究结果显示,经NTAPP处理20 s后黏接强度有所下降,推测脱矿的牙本质胶原纤维网在NTAPP射流轰击及热累积作用下,发生了塌陷、变性[17]。值得注意的是,牙本质的高亲水性可能会造成黏接剂的相分离,影响树脂聚合,或促进水和水解酶在界面的渗透,增加降解率,引起牙本质黏接界面耐久性变差[18]。本研究中牙本质的接触角介于58°-60°之间,不同于以往研究结果(<10°)[12],对于牙本质黏接耐久性的影响及具体的作用机制,仍需要进一步研究。

本研究结果表明,NTAPP处理可显著降低牙本质表面接触角,增加牙本质的润湿性。在本研究的放电参数下,牙本质接触角不随NTAPP处理时间延长而显著变化。NTAPP处理对即刻牙本质黏接强度有双重作用,处理10 s和15 s能够显著增加黏接强度,但处理20 s黏接强度降低。进一步研究NTAPP与牙本质之间的相互作用机制,有助于为等离子体在口腔黏接领域的应用提供理论依据。