超支化基齿科修复树脂基体的模拟口腔环境下服役性能研究

王康妮,曹林杰,黄清琳,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)

龋齿是人类重点防治的疾病之一，人类深受其困扰。根据第四次中国口腔健康流行病学调查报告[1]显示老年人患病率高，各个年龄层人群也深受龋病危害。充填法是龋齿病治疗方法中最简便、最有效的方法，常见的充填治疗材料主要有银汞合金、大块充填复合树脂及流动型复合树脂。复合树脂材料因其美观性、可操作性及生物相容性等优异性能替代银汞合金，成为充填法中最主要使用的材料。复合树脂材料一经问世迅速发展，其最主要的性能为力学强度、聚合收缩以及生物相容性等。如何在保持一定强度下降低聚合收缩，同时有较好的生物相容性成为近些年来研究齿科修复复合树脂材料的热点问题。

超支化分子由于其分子量大，具有可修饰的官能团等优点被广泛的应用于多个领域内，包括齿科修复领域[2]。大量的研究证明，超支化分子的加入有效地降低了复合树脂的聚合收缩率。主要应用于齿科修复材料的超支化单体为Boltorn型聚酯，对其进行改性使其获得多功能性[3-5]。大量研究仅对超支化的应用进行短期服役行为探究，因此本文在此基础上进行长期的性能探究，以及用不同介质来研究材料在极限模拟口腔环境中的服役行为。

基于此，本文合成了二代超支化聚胺-酯，并对其进行改性使其含有大量双键同时具有刚性苯环结构。将其作为有机基体的组分与Bis-GMA和稀释剂TEG-DMA复配，探究超支化聚胺- 酯对树脂基体在服役过程中双键转化率、聚合收缩率、机械性能、吸水溶解性、生物相容性等的变化影响。

1 试 验

1.1 原料

Bis-GMA、TEG-DMA、樟脑琨(CQ)、4-乙基(二甲氨基)苯甲酸(4-EDMAB)，分析纯，美国Sigma-Aldrich公司。MHPAE的合成主要参考专利[6]及文章[3,7]。

1.2 设备

双中心混合分散机，DAC 150.1 FVZ-K型，德国Hauschild公司；傅里叶变换红外光谱仪，Nicolet 8700型，美国Nicolet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 复合树脂的复配

基于超支化单体的合成进行探究，首先称取不同质量比的MHPAE、Bis-GMA、TEG-DMA作为树脂基体，避光放在塑料盒子中，在磁力搅拌器上混合均匀。称取主引发剂樟脑醌(CQ)与助引发剂4-EDMAB作为光引发体系，其占总基体质量的1% (CQ∶4-EDMAB=1∶4)，加入混合均匀的树脂基体中继续混合一段时间，利用双中心分散机混合均匀，充分分散，得到所需的齿科修复树脂，即可以用于制备光固化树脂。采用50B50T(Bis-GMA(B)-TEGDMA(T)质量比为50∶50)作为对照组，20Hb40B40T(MHPAE(Hb)-B-T质量比为20∶40∶40)作为实验组，用于探究超支化单体作为树脂基体的长期服役性能研究。

1.4 分析测试

双键转化率(DC)：利用傅里叶红外光谱仪测试不同光强度及不同辐照时间对双键转化率的影响。利用所得红外吸收光谱图分析固化前后脂肪族C=C双键吸收峰高度的变化，从而计算得到复合树脂的双键转化率。不同光强度选取800、1 000、1 200 mW/cm2，辐照时间为60 s；保持最优光强度下利用不同辐照时间研究树脂动力学。

聚合收缩率(PS)：根据国际标准ISO 17304—2013对复合树脂进行聚合收缩率测试。制备不同光强度下的样品，利用阿基米德原理，通过密度天平测试其固化前后复合树脂在空气中及溶液中的质量，换算得到所需密度，从而得到其聚合收缩率。

吸水溶解性：依据ISO 4049—2013获得实验所需复合树脂圆片样品。首先将样品放置于 37 ℃ 烘箱中进行干燥处理得到样品质量m1，然后将样品放置于37 ℃的去离子水、模拟口腔唾液、75%乙醇混合液[8-9]中7天、14天、21天、28天，分别在对应时间内取出擦干水分称重得到m2，将取出样品放入烘箱，烘干相同时间称重得到m3，利用国际标准中展示的公式计算得到复合树脂的吸水率和溶解率。

机械性能：复合树脂的制备方法及测试流程根据标准ISO 4049—2013。将制备好的样品置于不同介质(去离子水、模拟唾液、75%乙醇[10]以模拟极限条件下的口腔环境)中浸没不同时间，利用电子万能试验机对其弯曲强度、弯曲模量、压缩强度进行测试。

细胞相容性：测试所需样品及其操作过程依据国际标准ISO 10993—5制备，同时利用人体牙髓细胞(HDPCs)对其进行细胞相容性测试。利用树脂材料的浸提液对牙髓干细胞进行1天、3天、5天孵育，利用CCK-8试剂观察其吸光度及通过活/死细胞染色剂在荧光显微镜下观察细胞形态变化，从而评估复合树脂材料的细胞相容性。

2 结果与讨论

2.1 超支化基树脂基体的双键转化率及聚合收缩分析

齿科修复复合树脂的双键转化率反映了树脂材料形成交联网络结构的程度，未反应的单体会析出，造成过敏等不良反应[11]。但双键转化率受光照强度及辐照时间的影响。因此首先探究了不同光强度对双键转化率的影响，采用了光强度为800、1 000、1 200 mW/cm2进行实验。由图1 (a)可知，辐照时间为60 s下在光强度为1 000 mW/cm2时双键转化程度最高，光强度过高会对聚合产生负面的影响，光强过低导致聚合不足。因此选取光强度为1 000 mW/cm2应用于树脂基体材料的动力学研究。进一步探究辐照时间对双键转化率的影响，图1(b)可以看出，随时间的增加，双键转化率逐渐增大，后基本保持不变，50B50T最大转化率为53.2%，这与文献报道的50B50T的47%相符合[12-13]。实验组的双键转化率稍低于50B50T对照组，20Hb40B40T的最大转化率也达47.3%，其原因是超支化分子呈三维球状立体构型，在发生聚合时存在较大的位阻，分子链的活动性变差，难以较大程度的参与反应，造成双键转化率降低。但是由于超支化分子含有大量的双键，即使转化程度稍低，仍有大量的双键参与到聚合反应中。

聚合收缩是影响齿科修复复合树脂材料的重要因素，其产生原因是光辐照时分子间的作用力由范德华力转变为键长较短的共价键[14-15]，造成自由体积减少，从而产生了聚合收缩，这会导致牙体与复合树脂间产生微渗漏，引发细菌滋生，使得牙体修复失败[16]。图1(c)展示了不同光强度下50B50T、20Hb40B40T的聚合收缩率变化情况，可以看出1 000 mW/cm2下聚合收缩率较低，同时超支化组别的聚合收缩率显著低于对照组。超支化单体呈三维球状立体结构，含有大量双键、较高的分子量，但其双键密度低，聚合时其体积收缩较小，因此添加到树脂基体中聚合收缩率降低。1 000 mW/cm2下对照组聚合收缩率为8.36%，20Hb40B40T的聚合收缩率为6.44%，这与理论分析及参考文献基本相符[17]。通过实验分析可看出超支化单体加入复合树脂中能有效降低材料的聚合收缩率，这有利于树脂材料的临床应用及其长期服役行为。

图1 光强度(a)与光强度1 000 mW/cm2下

2.2 超支化树脂基体的吸水溶解性、机械性能及生物相容性分析

吸水率和溶解率是齿科修复材料的重要参数。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单体及降解产物从三维网络结构中释放出的量。反应程度会影响材料的强度及生物相容性，也是影响材料的吸水溶解性的因素。由于超支化单体含有氨基甲酸酯基团，该基团亲水性强，且有强极性，因此含超支化的组别吸水性高于对照组，随时间的增加吸水性增加不明显，如图2(a、c、e)。超支化的转化率稍低于对照组，同时氨基甲酸酯基团易被溶解，导致该组的溶解性高于对照组，随时间出现递增的趋势，如图2(b、d、f)。而浸泡于乙醇中的对照组溶解性出现负增加，可能是Bis-GMA体系吸收乙醇但是TEGDMA体系又不容易使乙醇挥发出去，使得乙醇被困于三维体系中，造成溶解性出现负增长，这与文献中数据相符[18]，但超支化单体含有氨基甲酸酯基团，其形成的三维网络体系易被乙醇打破，因此超支化组不存在该问题。

机械性能是另一个影响复合树脂材料性能的重要因素。在服役过程中牙齿的反复咀嚼需要承受一定的变形，复合树脂材料因其较好的机械性能能够分散外力的作用，可延长材料的使用寿命。选取3种介质:去离子水、模拟口腔唾液、75%乙醇/水混合物[10]来模拟极限条件下的口腔环境，探究材料在不同模拟口腔环境中的长时间服役行为，如图3。由数据结果显示，除浸泡于75%乙醇中的树脂材料外，其余介质中的树脂材料弯曲强度、弯曲模量、压缩强度性能均呈现先下降后上升再下降的趋势，这表示材料存在一定的后固化现象，可以提高材料的力学强度，同时结果表明，超支化基组别的压缩强度基本高于对照组(水：超支化组别压缩强度最大在374 MPa，对照组压缩强度为338 MPa；唾液：317 MPa，321 MPa)，其弯曲强度在水中高于对照组(水：超支化组弯曲强度最大为129 MPa，实验组最大为117 MPa)，在唾液(唾液：124 MPa，125 MPa)及75%乙醇中稍低于对照组。其产生的原因是三维网络结构提供一定的刚性强度，即使双键转化率稍降低也能保持较好的力学强度，但是环境会对材料有一定的侵蚀作用使得材料的性能下降，这是无法避免的。唾液中的实验组的弯曲强度虽然下降明显，可能是溶液中的盐对其具有侵蚀作用，但是仍然在国家标准的范围内(≥60 MPa)。而浸泡于75%乙醇中的材料，性能呈现持续降低状态，其原因是乙醇的溶度参数与树脂三维网络体系相近，其结构极易被乙醇破坏导致材料性能的下降。因此在实际应用时需要封闭剂尽可能的密封完全，减少材料在酒精及其他物质的侵蚀下力学性能降低，延长复合树脂材料的使用寿命。

图2 浸泡在37 ℃水中(a、b)，37 ℃模拟唾液中(c、d)及37 ℃75%乙醇中(e、f)的不同时间下树脂基体的吸水性与溶解性

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

探究细胞相容性可以判断材料的毒性，利用CCK-8试剂测量吸光度(OD值)，吸光度越高，则说明细胞存活率越高，材料毒性越小。将树脂材料的浸提液与牙髓干细胞HDPCs共培养1、3、5天，利用CCK-8试剂测量吸光度(图4(a))，间接观察细胞毒性程度，吸光度越高，细胞毒性越小，细胞存活率越大；同时利用活/死染色剂观察细胞的形态变化(图4(b))。由结果显示，在1、3天时20Hb40B40T的组别其细胞存活性稍低于对照组，随着时间的增加，细胞存活率越大，在第5天时超支化组OD值高于对照组，即细胞存活率高于对照组，同时培养纯细胞组别以验证数据的真实性。利用活/死细胞的形态变化荧光图对细胞毒性进行侧面验证，结果与CCK-8得到的吸光度一致。可以证明超支化的毒性较小，复配的树脂基体材料生物相容性好，降解物质基本无毒，有利于其应用于临床中。

图4 树脂基体的细胞相容性：不同培养时间下细胞的

3 结 论

本文成功合成了一种新型超支化聚胺-酯，将其与Bis-GMA/TEGDMA复配作为有机基体，得到制备的树脂基体材料，探究改性超支化单体对树脂基体的影响。该树脂基体材料具有较好的机械性能、优异的生物相容性，较低的聚合收缩率，相当的双键转化率等优点，该超支化单体作为有机基体应用于复合树脂材料中具有优良的性质，有着巨大的发展潜质及光明的前途。