3D打印载银氧化石墨烯改性义齿基托复合涂层的性能

郑少娜，叶领云，梁达颖，黄婉慧，廖文波,

1.东莞理工学院基础化学实验教学中心，广东 东莞 523808

2.东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523808

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有成本低、易加工、低吸水性、无毒、生物相容性良好等优点，被广泛应用于牙科领域中最常用的义齿基托材料[1]。但是，长期佩戴义齿会影响口腔微生态平衡，沉积于义齿基托表面的菌斑及其毒素产物可导致龋病、牙周病、义齿性口炎等口腔疾病[2-3]。所以，解决PMMA的抗菌性能成为国内外学者研究的热点。

纳米银(AgNPs)是一种抗菌谱广、抗菌效能久、热稳定性好、生物安全性高、无耐药性的纳米抗菌材料，负载于无机或有机载体后添加至义齿基托树脂中，对多种细菌具有抑制作用[4-5]。但是，AgNPs由于纳米尺寸效应，比表面能高和表面亲水，在义齿基托树脂中容易团聚，而且在赋予基托抗菌性能的同时会影响其机械性能。兼顾机械性能和抗菌性能是义齿基托材料需要解决的重要问题[5]。

氧化石墨烯(GO)具有优异的水溶性、杀菌活性、生物安全性等优点，其独特的片层结构及边缘富含的含氧亲水官能团使其极易被其他基团修饰或负载[6-7]。作为石墨烯的氧化衍生物，在材料制备过程中仅需添加少量就能显著改善材料的力学性能、电学性能和热性能[8]。本研究利用GO片层结构的反应活性，通过静电吸附作用和化学还原反应在GO片层原位负载AgNPs，再与义齿基托树脂混合后通过3D打印机打印成型，得到义齿基托复合涂层。GO在提升义齿基托材料机械性能的同时发挥出其自身抗菌性，协同AgNPs增强了义齿基托材料的抗菌性能。

1 实验

1.1 原料

氧化石墨烯(10 mg/mL，粒径0.1 ~ 1.0 μm，工业品)：中国科学院山西煤炭化学研究所；义齿基托树脂E-Denture(工业品)：EnvisionTEC公司；硝酸银(分析纯)：上海麦克林生化科技有限公司；氨水(分析纯)：富宇精细化工有限责任公司；柠檬酸钠(化学纯)：天津市百世化工有限公司。

1.2 复合涂层的制备

将3.81 g的GO放入50 mL水中超声分散0.5 h备用。通过缓慢滴加氨水到0.005 mol/L AgNO3溶液形成银氨溶液，然后迅速加入到已经分散好的GO悬浮液中。将分散悬浮液置于四口烧瓶中，机械搅拌下用恒压漏斗在30 min内匀速滴加30 mL的1.5 mol/L柠檬酸钠水溶液，升温至60 °C反应6.0 h。反应完毕后，通过高速离心得到灰色产物，置于真空干燥箱中60 °C干燥12 h，即得载银氧化石墨烯(AgNPs-GO)。

称取计量的AgNPs-GO和义齿基托树脂(质量比为1∶100)，在高速分散机中分散1 h，然后用DLP 3D打印机打印成型。按《牙科学 基托聚合物 第1部分：义齿基托聚合物》(YY 0270.1–2011)将样条打磨成长(64.0 ± 0.2) mm、宽(10.0 ± 0.2) mm、高(3.3 ± 0.2) mm和长(32.0 ± 0.2) mm、宽(4.0 ± 0.2) mm、高(8.0 ± 0.2) mm的标准形状。

1.3 分析与测试

1.3.1 微观形貌分析

采用日本电子株式会社的JEM-2100F型高分辨场发射透射电镜(TEM)观察AgNPs-GO颗粒的微观形态，用去离子水将样品稀释至固含量为0.1%左右，超声波振荡分散0.5 h，在铜网碳膜上进行分析。

采用日本电子株式会社的JSM-6701型扫描电镜(SEM)对AgNPs-GO及3D打印的义齿基托复合涂层的表面形貌进行表征，所有试样需事先进行喷金处理。

1.3.2 表面元素分析

采用日本岛津/KRATOS公司的Kratos Axis Ultra(DLD)多功能光电子能谱仪(XPS)对涂膜表面元素及其价态进行分析，扫描范围为700 μm × 300 μm。

1.3.3 机械性能测试

按《牙科学 基托聚合物 第1部分：义齿基托聚合物》(YY 0270.1–2011)中的规定，用万能试验机按照GB/T 9341–2008《塑料 弯曲性能的测定》进行力学性能测试，不同AgNPs-GO含量的义齿基托树脂试样各5个。弯曲试验前，将试样贮存在(37 ± 1) °C的水中(50 ± 2) h。三点弯曲试验时用恒定的(5 ± 1) mm/min加荷速率使加荷杆从零开始均匀加荷，直至试样断裂。断裂韧性试验前，将试样贮存在(37 ± 1) °C的水中7 d ± 2 h，临近试验时再放到(23 ± 1) °C的水中(60 ± 15) min。试验时，载荷压头以(1.0 ± 0.2) mm/min的恒定位移从零开始逐渐加力，直到经过最大压力，缺口几乎到达试条的对面，当载荷减少到最大负荷的5%时试验结束。

1.3.4 抗菌性能测试

LB培养基的制备：称取LB 2.5 g和琼脂1.5 g，加入100 mL的超纯水中溶解。随后用高温高压灭菌锅在121 °C加热15 min，待溶液冷却至40 ~ 50 °C，用电动移液器吸取15 mL培养基倒入一次性无菌平皿中。

细菌接种：用接种环挑取一定量的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，接种到培养基上，四区划线，37 °C恒温培养24 h。再从培养基中选取单克隆菌落，加LB培养基稀释至细菌密度为1 × 106mL−1。取100 μL菌液加入到LB琼脂培养基中混合均匀，在平板上涂抹均匀，37 °C恒温培养24 h后取出拍照并测量抑菌圈大小。

2 结果与讨论

2.1 AgNPs-GO的合成

GO经过氧化后，片层边缘引入包括羟基、羧基、环氧基等在内的带负电荷的含氧基团。加入银氨溶液后，Ag+由于静电吸附作用，吸附在片层的含氧基团表面。添加柠檬酸钠还原剂后，部分Ag+被原位氧化成AgNPs颗粒，合成过程如图1所示[5]。反应过程中，GO片层上的含氧活性基团提供AgNPs原位生长的“节点”，保证了AgNPs在GO表面的均匀分布[9]。

图1 AgNPs-GO的合成流程示意图Figure 1 Synthesis scheme of AgNPs-GO

2.2 AgNPs-GO的化学结构

从图2给出的GO的FT-IR谱图中可以看到，3 411 cm−1处有GO片层边缘羟基的特征吸收峰，1 715 cm−1处的吸收峰应该属于GO片层表面的羧基，1 634 cm−1和1 544 cm−1则是GO片层上苯环特征吸收峰所处的位置，而环氧基在1 204 cm−1和1 083 cm−1两处出现吸收峰。在AgNPs-GO的FT-IR谱图上，羟基特征吸收峰明显变宽，这是GO片层表面存在AgNPs的缘故；在1 715 cm−1的羧基特征吸收峰消失，说明AgNPs优先在─COOH基团表面吸附和生成，这跟文献报道相同[7]。

图2 GO和AgNPs-GO的FT-IR谱图Figure 2 FT-IR spectra of GO and AgNPs-GO

2.3 AgNPs-GO的微观形貌

从图3a中可以看到，GO呈片层分布，数层氧化石墨片重合、折叠，并且具有一定的透明度，其厚度已达纳米级。片层上可以观察到不同尺度范围和不同形状的AgNPs，颗粒的尺寸在10 ~ 50 nm之间。在图3b中，GO表面的褶皱结构清晰可见，上面负载着白色的AgNPs颗粒，其形状有的呈球形，有的呈四面体的晶体结构，AgNPs分散性较好，未出现团聚现象，颗粒尺寸与TEM观察结果基本一致。TEM和SEM的结果证实AgNPs已经成功负载在GO片层表面。

图3 AgNPs-GO的TEM(a)和SEM(b)图像Figure 3 TEM (a) and SEM (b) images of AgNPs-GO

2.4 AgNPs-GO的表面元素分析

如图4所示，结合能541.56 eV和294.06 eV分别属于O 1s和C 1s，380.66 eV则是Ag 3d的结合能，说明AgNPs已经成功负载在GO片层表面。在AgNPs-GO的Ag 3d窄区扫描谱图上，368.28 eV和374.33 eV处分别出现对应于Ag 3d5/2和Ag 3d3/2的特征峰，说明还原反应只是将部分吸附在GO片层含氧基团表面的Ag+还原为Ag[10]。

图4 AgNPs-GO的XPS全谱图(a)和Ag 3d窄区扫描谱图(b)Figure 4 XPS survey (a) and high-resolution spectrum of Ag 3d region (b) for AgNPs-GO

2.5 义齿基托复合涂层的表面形貌

从图5中可知，GO片层嵌入到PMMA基体树脂内部，两者之间没有明确的边界，说明GO在PMMA基体树脂中的分散性良好。AgNPs在义齿基托复合涂层表面分散均匀，没有观察到明显的团聚现象，这是因为AgNPs与GO片层上的含氧基团通过静电吸附原位生长，GO对AgNPs起到了稳定和保护作用，避免了AgNPs的团聚。

图5 义齿基托复合涂层的表面SEM图像Figure 5 SEM image of the surface of denture base composite material

2.6 义齿基托复合涂层的机械性能

有研究报道，GO片层表面和边缘富含大量的含氧基团，使其在水溶液及有机溶剂中的溶解度增大，更易于与聚合物复合。但是，高浓度GO的分散性会变差，在复合涂层表面团聚，反而对机械性能产生负面影响。由图6可知，添加1.0% AgNPs-GO后，义齿基托复合涂层的弯曲模量(Ef)从(687.81 ± 28.26) MPa增大到(746.42 ± 20.45) MPa，弯曲强度(σfM)从(24.52 ± 1.95) MPa增大到(30.06 ± 1.58) MPa，说明AgNPs-GO在复合涂层中的分散性尚好，对复合涂层机械性能的提升有正面影响。

图6 含与不含AgNPs-GO的义齿基托涂层的机械性能Figure 6 Mechanical properties of denture base composite materials with and without AgNPs-GO

2.7 义齿基托复合涂层的杀菌性能及机理

为了研究GO和AgNPs的协同杀菌效果，考察了PMMA、添加了GO的义齿基托复合涂层(GO/PMMA)和AgNPs-GO义齿基托复合涂层(AgNPs-GO/PMMA)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能，结果见图7和图8。无论采用大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌进行实验，PMMA周围都没有出现抑菌圈，说明PMMA本身不具备抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的性能。添加了GO的义齿基托复合涂层试样中有部分出现较为微弱的抑菌圈，说明GO赋予了义齿基托涂层一定的杀菌能力。而添加了AgNPs-GO的义齿基托复合涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的平均抑菌圈直径分别为2 mm和3 mm，其抗菌活性明显高于PMMA和GO/PMMA，且对金黄色葡萄球菌的抑菌效果要优于对大肠杆菌的抑菌效果。

图7 不同义齿基托涂层对大肠杆菌的抗菌效果Figure 7 Antibacterial effect of different denture base materials on Escherichia coli

图8 不同义齿基托涂层对金黄色葡萄球菌的抗菌效果Figure 8 Antibacterial effect of different denture base materials on Staphylococcus aureus

GO和AgNPs协同杀菌的可能机理如图9所示：一方面，分散在复合涂层表面的GO利用其锐利的边缘直接接触粘附在涂层表面的菌体，对菌膜造成物理切割损伤，从而起到杀菌的作用[2]；另一方面，AgNPs具有稳定的缓释作用，在O2和质子(H+)的协同作用下所释放的Ag+进入细胞内，将细菌杀死[11-13]。

图9 GO与AgNPs协同杀菌的机理Figure 9 Synergistic germicidal mechanism of GO and AgNPs

3 结论

通过静电吸附和化学还原反应，在褶皱的GO片层表面原位生长负载尺寸为10 ~ 50 nm的AgNPs，再与义齿基托树脂混合后通过3D打印得到义齿基托复合涂层。AgNPs在义齿基托复合涂层表面均匀分布，义齿基托复合涂层的弯曲模量和弯曲强度因此而增大。GO和AgNPs协同作用可以赋予义齿基托复合涂层抑菌性能，且对金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于对大肠杆菌的抑菌效果。