硅橡胶软衬材料表面构建仿章鱼吸盘微结构的体外研究

董梦璐，杨孟孟，李全利

随着社会经济的不断发展，人类平均寿命延长，人口老龄化已成为我国一个不可逆的社会问题，年龄的增长、饮食结构的改变等众多因素导致龋病、牙周病等发病率上升，继而导致各类牙列缺损、牙列缺失的发生[1]。《第四次全国口腔健康流行病学调查报告(2018)》显示，我国各类无牙颌患者超过2 100万人[2]。随着国内外口腔医学的发展，目前牙列缺失的修复方法主要包括种植固定义齿、种植覆盖义齿以及全口义齿等。但是由于经济、时间、全身健康状况等因素的影响，传统全口义齿仍然是牙列缺失的主要修复方法。良好的固位和稳定是全口义齿获得满意修复效果的必要前提[3]。但在临床实际应用过程中，牙列长期缺失及佩戴不良义齿常常会导致颌骨的严重吸收，进而导致牙槽嵴形态不佳、全口义齿固位差等问题，且有统计数据表明这些情况尤其以下颌总义齿修复多见[4]，所以提高全口义齿的固位力一直是全口义齿研究的重要方向和目标。说话、吞咽、咀嚼、伸舌等功能运动易破坏义齿边缘的封闭性、破坏大气压的作用，以及义齿组织面面积有限、基托组织面与黏膜组织的适合性差等因素，是目前全口义齿固位力不足与脱位的主要原因。因此，提高大气压的作用，同时提高义齿基托组织面与黏膜组织的适合性，增加基托组织面的相对比表面积，以提高义齿组织面与黏膜组织之间的吸附力是改善全口义齿固位力的关键科学问题。

在自然界中，许多生物在进化过程中由于生存背景和物种的不同演变出各种各样的吸附系统，近年来，生物吸附成为一个新兴的仿生方向，研究者主要致力于制作出无毒、高强度粘结以及长时间吸附的结构，目的是让物体暂时或永久地附着在基体或另一个物体上，防止脱落[5]。目前在工业运输、机械制作及医疗等领域，基于自然界丰富的吸附方式及特定吸附机理而设计的仿生吸附装置，如仿生软体吸附机器人、仿生吸附软材料结构等不胜枚举[6]。研究表明，章鱼作为一种典型的水下吸附生物，主要依靠其吸盘负压产生高吸附性能，而且其吸盘内表面凹凸不平的非光滑纹理在保持吸附上也起到了非常重要的作用，是一种非常值得借鉴的生物原型[7-8]。目前关于章鱼吸盘的仿生研究应用于工业等领域较多，尚未发现应用于口腔无牙颌全口义齿修复方面。因此，本研究依据章鱼吸附机理，对义齿组织面进行表面仿章鱼吸盘微结构设计，并体外模拟口腔环境，通过万能材料试验机测试吸附力，为提高义齿的固位力提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料和仪器设备

Silagum-Comfort软衬硅橡胶(DMG公司，德国)；改良型SBF模拟体液(青岛捷世康生物科技有限公司，中国)；牙托水、牙托粉(上海新世纪齿科材料有限公司，中国)；仿真皮肤模型(河南齿留香医疗器械有限公司，中国)；摩方nanoArch S130微纳3D打印系统(重庆摩方精密科技有限公司，中国)；震荡机(江苏金泰齿科器材有限公司，中国)；GeminiSEM 500场发射电子扫描显微镜(卡尔蔡司公司，德国)；岛津电子式万能试验机(岛津(苏州)仪器有限公司，中国)。

1.2 实验方法

1.2.1 仿章鱼吸盘微结构参数设计 设计5组实验组，按照仿章鱼吸盘微结构的不同参数分为A、B、C、D、E组，吸盘直径、孔径分别为100、200、300、400、500 μm，同时根据逆向设计原理，3D打印微结构的阴模分别记为a、b、c、d、e组，参数对应A、B、C、D、E组，另设空白对照组S为无微结构的平面样片。实验组和对照组样片大小均为6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm，微结构分布密度设定为间距比为1∶1，即微结构宽度与各微结构间距离之比为1∶1。

1.2.2 仿章鱼吸盘微结构制作 根据实验组的参数数字化建模，应用光敏树脂3D打印仿章鱼吸盘微结构的阴模，同时轴面模仿章鱼吸盘内表面设计打印成带有横向圆环凹槽和凸起的非光滑形态，即a～e组。将Silagum-Comfort软衬硅橡胶安装在注射枪内，混合后注射于a～e组带有仿章鱼吸盘微结构阴模的样片表面，室温下完成固化，脱模，得到A～E组带有仿章鱼吸盘微结构阳模的样片(图1)，同时在洁净玻板上制作同等尺寸的对照组无微结构的平面硅橡胶样片。实验组和对照组每组采用软衬硅橡胶材料各制作样片6个，其中5个用于后续吸附力测试，1个用于进行电子扫描显微镜观察。

1.2.3 仿章鱼吸盘微结构的表征及制作过程优化 电子扫描显微镜表征评价上述步骤所得a～e组仿章鱼吸盘微结构阴模样片的尺寸是否符合设定参数,翻制所得A～E组仿章鱼吸盘微结构样片的尺寸变化、气泡率、结构破损率及通过微结构纵切面或改变显微镜扫描角度观察内部轴面非光滑纹理的完整性；在震荡机上重复1.2.2的步骤，电子扫描显微镜表征评价，比较制作过程的优化程度。

A：3D打印仿章鱼吸盘微结构的阴模；B：利用硅橡胶软衬材料翻模；C：硅橡胶材料固化后脱模，得到仿章鱼吸盘微结构

1.2.4 吸附性能的评价 取3 cm×3 cm仿真皮肤模型，去除表面杂质及油垢，晾干，并将其固定于万能材料试验机的下夹具上，均匀涂布0.5 mL人工唾液于其表面。将样片粘固于自凝塑料块上并固定于材料试验机的上夹具，如图2所示。启动材料试验机，调节移动横梁高度，以5 mm/min的速度使仿真皮肤和样片缓慢接触，施加(9.8±0.2)N的负荷力于样片上，保持30 s，使样片吸附在仿真皮肤块中央，然后以5 mm/min的速度分开，记录将两者分开所需的最大破坏载荷值(N)。按照上述拉伸实验方案，对实验组A、B、C、D、E及对照组S每组中的5个样片分别测试3次，得到吸附力-横梁位移曲线图(即吸附力-位移图线)及最强吸附力平均值。

图2 吸附力测试装置Fig.2 Adsorption test device

1.3 统计学方法

2 结 果

2.1 3D打印仿章鱼吸盘微结构阴模及硅橡胶翻制微结构阳模

仿章鱼吸盘微结构阴模a～e组样片及硅橡胶翻制后表面带有仿章鱼吸盘微结构的A～E组样片实物见图3，可见a～e组样片表面有明显的均匀分布的圆柱形凸起，样片尺寸测量结果为6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm，A～E组样片表面见均匀分布的圆形孔隙，修整周围多余的硅橡胶材料后，样片均保持为6.0 mm×6.0 mm×1.5 mm。

A:3D打印的带有仿章鱼吸盘微结构阴模的树脂样片；B：翻制的带有仿章鱼吸盘微结构的硅橡胶样片

2.2 电子扫描显微镜进行表面结构表征

仿章鱼吸盘微结构阴模a～e组样片及硅橡胶翻制后表面带有仿章鱼吸盘微结构的A～E组样片电子扫描显微镜表征结果见图4。可见a～e组微结构阴模为直径和高度相等的圆柱形凸起， 凸起分布密度是间距比为1∶1， 凸起轴面显示带有明显横向圆环凹槽和凸起的非光滑形态，由于3D打印具有一定的误差率，各组微结构阴模直径平均为91、185、273、368、465 μm，与预定设计的尺寸参数相差7%～9%。A～E组经翻制得到的仿章鱼吸盘微结构为直径和深度相等的圆柱形微孔，孔壁为环形凹凸不平的非光滑形态。直径为100、200、300 μm的微结构样片部分微孔周围存在大小不一的气泡，气泡出现率约50%，直径为400、500 μm的微结构样片未见大量气泡出现，结构完整性较均一。经翻制过程各组微结构直径及孔径平均为95、194、394、392、495 μm，与预定设计的尺寸参数误差缩小为1%～5%。在震荡机上重复翻模过程后对微结构进行表征结果见图5，直径为100、200、300 μm的微结构样片微孔周围的气泡显著减少，气泡率降低至5%以下，尺寸与未使用震荡机无明显差异，仿章鱼吸盘微结构更加完善。

A、B：直径为100 μm的仿章鱼吸盘阴模；C：3D打印出的仿章鱼吸盘阴模轴面显示为明显凹凸不平的非光滑形态；D、E：硅橡胶翻制的直径为100 μm的仿章鱼吸盘微结构，部分结构周围有气泡；F：硅橡胶翻制的直径为100 μm的仿章鱼吸盘微结构内部轴面显示为清晰的凹凸不平沟槽状

图5 震荡后直径为100 μm的仿章鱼吸盘微结构扫描电镜观察Fig.5 Scanning electron microscopy observation of microstructures inspired by octopus suction cups after vibrating

2.3 不同尺寸的仿章鱼吸盘微结构对吸附力的影响

按照前述实验方案，每组吸附力数据以均数±标准差表示，见表1，A、B、C、E组样片所产生的吸附力均大于对照组，且A、B组(直径100、200 μm的仿章鱼吸盘结构)与对照组之间的差异具有统计学意义(P<0.05)。

表1 实验组与对照组吸附力结果Tab.1 Adsorption results of experimental and control groups

3 讨 论

本研究通过体外模拟口腔环境，测试了在平面上增加不同尺寸的仿章鱼吸盘微结构对吸附力的影响。首先，本研究采用的Silagum-Comfort软衬硅橡胶为加成型室温聚合型硅橡胶，与热聚合型硅橡胶相比具有更精确、快捷、简便等优点，与缩合型硅橡胶相比在固化过程中无小分子析出，尺寸稳定性较好，且其抗撕裂性能优越，在脱模过程中使微吸盘结构不受破坏。其次，实验结果显示，微吸盘直径大小与复制成功率及完整性具有一定相关性，在微结构制作过程中未使用震荡机的情况下，硅橡胶翻制出的直径为100、 200、 300 μm的实验组样片存在一定的气泡率， 而直径为400、 500 μm的实验组未见大量气泡出现，这主要是因为Silagum-Comfort软衬硅橡胶为乙烯基聚硅氧烷[9]，流动性较差，在翻制过程中不能完全流入小尺寸的微米级仿章鱼吸盘微结构阴模，导致翻模时两种材料接触界面的空气未能完全排出，在加入震荡机的辅助后气泡率则明显降低。研究结果显示A、B组仿章鱼吸盘微结构对吸附力的提高与对照组相比具有统计学差异，说明设计增加一定尺寸的仿章鱼吸盘微结构于平面上对吸附力的提高有促进作用，为后续实验奠定基础。C、E组吸附力改善的效果不甚明显，说明这可能与微结构的具体尺寸有关系，同时相同面积下不同尺寸的微结构吸附相对比表面积不同也是影响因素之一。理论上D组所产生的吸附力也应有所增大，但结果显示与平面样片所产生的吸附力基本持平，原因有可能是翻模过程中操作不当导致部分微结构破损或者是进行吸附力测试时，吸附界面被污染所致。

根据章鱼吸盘吸附机制，吸盘主要是依靠吸盘内部容积与外界环境产生的压差原理来实现吸附[10-11]。在本研究中，通过对样片施加(9.8±0.2)N的预载荷，借助硅橡胶材料的弹性逐渐减小微结构的内室体积，依靠机械挤压排出仿章鱼吸盘微结构内的大部分气体和液体分子介质。研究表明，吸盘内部表面压强可由计算公式：P=F/S(F为密闭环境内分子的总作用力，S为分子在吸盘内表面的总作用面积)表示，挤压运动使吸盘内部介质的分子减少，在结构回弹过程中，内部总作用力F减少，S不变，内部压强P减小，吸盘样微结构密闭容腔内与外界形成压差ΔP，即形成负压作用[12-14]。还有研究表明，在此过程中液体的内聚力也是吸附形成的一个重要因素，微结构恢复形变时结构内残余的液体分子对吸盘有一个反向的拉力，即水的内聚力，形成一定的毛细作用[15-16]。从以上吸附机制来看，C、D、E组吸附力未明显增大，主要原因可能为实验使用同种硅橡胶材料，材料弹性模量一致，在相同预载荷下形变量基本相同，挤压排出的气体及液体分子量相同，C、D、E组微结构内部体积较大，剩余分子总量较多，即内部总作用力F相对于A、B组大，继而导致与外界压差ΔP较小，负压作用较小。另一方面，吸盘与接触物体之间的密封程度直接关系着吸盘腔内外真空负压的强度，也直接决定着吸盘吸附能力的强弱，是影响吸盘吸附力大小的决定因素之一[17-18]。研究表明，物体表面的轮廓不是越光滑越好，在微观情况下物体表面存在适量波峰和波谷会更利于两接触物体之间的相互嵌合，利于阻断空气等流通通路[19-21]。本研究将仿章鱼吸盘微结构内表面设计为有一定波峰和波谷的非光滑形态，进一步保障了吸盘微结构所产生的负压作用不易被外界环境所破坏，微结构的非光滑内表面在预载力作用下沿着接触面产生形变，加大两者之间的贴附程度，利于接触面间形成多组密封区域，并且在一定程度上增大接触面积，提高微结构产生的吸附力。

本研究仍存在不足之处，未探讨微结构的尺寸与吸附力的具体关系，且研究受条件限制无法完全在体外模拟口内的实际应用情况，另外在口内应用时，增大吸附力是否会对口腔黏膜产生负面影响也有待深入研究。

综上所述，在全口义齿基托组织面制作一定尺寸的仿章鱼吸盘微结构能够提高吸附力，为提高全口义齿固位力提出了一种新思路，但未来还有待深入的实验研究和临床应用研究。