玻璃離子水門汀加入Sr－HA后機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)研究①

陳　瑩，王健平，李　巖，馮　瑤，周立波，王佳琦

(1.佳木斯大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江佳木斯154003 ;2.黑龍江省牙病防治所，黑龍江哈爾濱150000)

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玻璃離子水門汀加入Sr－HA后機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)研究①

陳瑩1，王健平1，李巖2，馮瑤1，周立波1，王佳琦1

(1.佳木斯大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江佳木斯154003 ;2.黑龍江省牙病防治所，黑龍江哈爾濱150000)

摘要:目的:生物活性陶瓷材料是一種功能比較特殊的生物醫(yī)用材料，一種新型的磷灰石類的陶瓷材料，即摻鍶羥基磷灰石。本課題旨在研制成一種能達(dá)到牙齒仿生學(xué)要求的并應(yīng)用于臨床的牙科修復(fù)性的摻鍶羥基磷灰石(Sr－HA)復(fù)合生物活性材料。方法:將不同質(zhì)量比例的摻鍶羥基磷灰石(Sr－HA)與玻璃離子水門汀(GIC)充分混合后，檢測(cè)復(fù)合生物材料的力學(xué)性能。選用Sr－HA(鍶含量為5%)為本實(shí)驗(yàn)的改性材料，通過向等質(zhì)量的玻璃離子水門汀(GIC)中添加不同質(zhì)量比例(5%，10%，15%，20%)的摻鍶羥基磷灰石(Sr－HA)后，常規(guī)固化，測(cè)定改性后生物材料的抗壓強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度及掃描電鏡后觀察了生物材料的斷端形態(tài)，與玻璃離子水門汀組形成對(duì)照。結(jié)果:新型復(fù)合生物材料的機(jī)械性能均有不同程度的提高，當(dāng)添加質(zhì)量比例分別為15%，10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，達(dá)到峰值，各組數(shù)值均高于玻璃離子水門汀組。結(jié)論:這些數(shù)值為玻璃離子水門汀(GIC)的改性和對(duì)其深入的研究奠定了基礎(chǔ)，使玻璃離子水門汀即保持了在生物相容性、黏結(jié)性、牙髓刺激小、防齲方面的優(yōu)勢(shì)，又能在提高機(jī)械性能的前提下擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞:摻鍶羥基磷灰石;玻璃離子水門汀;力學(xué)性能

玻璃離子水門汀(glass ionomer cement，GIC)是一種新型材料，能夠普遍的應(yīng)用在臨床上是因其具有良好的性能，它以黏結(jié)性好，對(duì)牙髓刺激小，防齲等特點(diǎn)而倍受青睞。近年來，隨著科研人員對(duì)玻璃離子的不斷改進(jìn)，使得其在性能方面更趨于理想化。

納米羥基磷灰石(HA)作為一種較理想的生物材料被廣泛的應(yīng)用，具有生物相容性。是骨骼和牙齒中主要的無機(jī)成分，在牙齒中，羥基磷灰石的成分占95%左右。羥基磷灰石納米顆粒無論是在基礎(chǔ)研究還是臨床研究中都顯示出較高的優(yōu)勢(shì)［1］。鍶(Sr)的存在被認(rèn)為具有增強(qiáng)骨強(qiáng)度的作用，在骨骼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%［2］。作為人體和某些動(dòng)物內(nèi)必要的微量元素，曾被用于防齲和預(yù)防骨質(zhì)疏松［3］。納米羥基磷灰石(HA)的晶體極其微小，具有很高的表面能、高靜電場(chǎng)、強(qiáng)極化力等特殊的理化特性，這些特性使得納米羥基磷灰石(HA)容易發(fā)生置換反應(yīng)［4］。鍶與鈣同族，它可以置換羥基磷灰石的的鈣而成為鍶磷灰石(Sr－HA)，鍶元素的適量摻入可以提高骨質(zhì)的機(jī)械性能，起到了化學(xué)強(qiáng)化作用［5］。

本實(shí)驗(yàn)想利用摻鍶羥基磷灰石的機(jī)械性能，按不同質(zhì)量比例(5%，10%，15%，20%)與等質(zhì)量玻璃離子水門汀充分混合后，將Sr－HA作為添加材料引入到GIC，與玻璃離子水門汀組形成對(duì)照。此實(shí)驗(yàn)綜合二者材料優(yōu)勢(shì)，將Sr－HA與GIC復(fù)合，探討添加Sr－HA對(duì)GIC的力學(xué)性能的影響，為其提供有力的依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料的制備

①納米Sr－HA的制備:以四水硝酸鈣［Ca (NO3)2·4H2O］、磷酸氫二銨［(NH4)2HPO4］、硝酸鍶［Sr(NO3)2］為原料，180℃下水熱處理8h制得Sr－HA。

②摻鍶羥基磷灰石(Sr－HA)復(fù)合生物活性材料的制取:將制得的白色Sr－HA粉體(即Sr－HA)研磨、過200目篩，按質(zhì)量比例5%、10%、15%、20%向玻璃離子水門汀中加入摻鍶羥基磷灰石(Sr －HA)，將容器置于超聲振蕩器中，400 W功率條件下，超聲振蕩15min，并機(jī)械攪拌后形成復(fù)合生物材料。

1.2試件的制備

①抗壓強(qiáng)度:將鐵片彎制成半徑2mm、高為6mm的中空?qǐng)A柱形模型，共計(jì)40個(gè)。②彎曲強(qiáng)度:將鐵片彎制成長(zhǎng)為25mm，寬為2mm，高為2mm的矩形，共計(jì)40個(gè)。③彎曲強(qiáng)度力學(xué)性能檢測(cè)后試件的斷端作為掃描電鏡觀察生物材料形態(tài)的試件。

1.3測(cè)試方法

先將玻璃離子水門汀組和摻鍶羥基磷灰石(Sr －HA)生物活性材料(按質(zhì)量比例的5%，10%，15%，20%)與等質(zhì)量的玻璃離子水門汀混合調(diào)拌。

①抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)

將調(diào)拌后充填到半徑2mm、高為6mm的中空?qǐng)A柱形模型中，固化后從模具中取出，用硅砂紙進(jìn)行打磨拋光，并保證每組有8個(gè)測(cè)試抗壓強(qiáng)度的最終試樣。將試樣存貯在37℃恒溫干燥箱48h后測(cè)試備用。用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以1mm/min的加速度進(jìn)行加荷，在達(dá)到斷裂時(shí)，記錄下瞬間最大的負(fù)荷值P (N)。將8組試件的負(fù)荷值取平均值。

②彎曲性能的檢測(cè)將調(diào)拌后充填到標(biāo)準(zhǔn)模具中(長(zhǎng)×寬×高: 25mm× 2mm×2mm)，固化后從模具中取出，將制好的試件分別用硅砂紙進(jìn)行打磨，并保證每組有8個(gè)試件作為最終樣本。放入37℃恒溫干燥箱中48h后待測(cè)。用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以0.75mm/min，支點(diǎn)間距離20mm，支座和壓頭圓角半徑1mm，使壓頭和試件成一條直線垂直加壓，構(gòu)成3點(diǎn)加荷直至試件斷裂，檢測(cè)試件的彎曲強(qiáng)度。記錄最大負(fù)荷值P(N)。

③斷裂表面形態(tài)觀察

彎曲試驗(yàn)樣本斷面用丙酮清潔噴金后，用掃描電鏡觀察斷裂表面形態(tài)，統(tǒng)計(jì)裂紋個(gè)數(shù)和裂紋尺寸，進(jìn)行對(duì)比分析。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用均數(shù)士標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，各組均數(shù)之間總體差別，兩兩比較，采用LSD－t檢驗(yàn)分析，以P＜0.05為差異有顯著性意義。

2　結(jié)果

2.1抗壓強(qiáng)度

隨著不同質(zhì)量比例Sr－HA加入后，復(fù)合生物活性材料的抗壓強(qiáng)度均高于玻璃離子水門汀。其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先升高再下降，當(dāng)添加質(zhì)量比例為15%的摻鍶羥基磷灰石時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。

2.2彎曲強(qiáng)度

隨著不同質(zhì)量比例Sr－HA加入后，復(fù)合生物活性材料的彎曲強(qiáng)度均高于玻璃離子水門汀。其彎曲強(qiáng)度先升高后下降再升高，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)加入質(zhì)量比例為10% Sr－HA時(shí)，數(shù)值最大。

2.3斷裂表面形態(tài)觀察

掃描電鏡觀測(cè)裂紋結(jié)果見圖1，分別為加玻璃離子水門汀組和將摻鍶羥基磷灰石按質(zhì)量比例的5%，10%，15%，20%與玻璃離子水門汀混合后復(fù)合生物材料的斷端形態(tài)，圖1中(a) (b)材料斷面可見多處裂痕，而且比較寬。圖1中(c) (d) (e)材料端口裂痕數(shù)目減少，并且變細(xì)，裂痕逐步得到了改善。表明隨著不同質(zhì)量比例的摻鍶羥基磷灰石(Sr－HA)加入，生物活性材料韌性增大，改善了其脆性。結(jié)果見表1，圖1。

表1　不同質(zhì)量比例的摻鍶羥基磷灰石添加后抗壓、彎曲強(qiáng)度結(jié)果(±s，n =8)

表1　不同質(zhì)量比例的摻鍶羥基磷灰石添加后抗壓、彎曲強(qiáng)度結(jié)果(±s，n =8)

※各實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較有差異，P＜0.05。

組　別　　抗壓強(qiáng)度/MPa　　彎曲強(qiáng)度/MPa玻璃離子水門汀59.21±0.75　25.60±1.26 5%(Sr－HA)　 70.59±1.05※　31.62±1.17※10%(Sr－HA)　 88.33±1.21※　45.50±0.59※15%(Sr－HA)　 99.12±0.78※　36.98±0.89※20%(Sr－HA)　 94.43±0.84※　43.68±0.97※

a:玻璃離子水門汀b: 5%Sr－HA－GIC c: 10%Sr－HA－GIC d: 15%Sr－HA－GIC e: 20%Sr－HA－GIC圖1　玻璃離子水門汀組和添加不同質(zhì)量比例Sr－HA對(duì)GIC的斷面SEM的形貌影響

3　討論

本研究通過添加不同質(zhì)量比例的摻鍶羥基磷灰石來提高和改善玻璃離子水門汀的機(jī)械力學(xué)性能，羥基磷灰石具有良好的生物相容性，常作為重要的生物研究材料，鍶是人體必需的微量元素，它可以抑制菌斑中變形鏈球菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)酸，抑制釉質(zhì)脫礦。Sr是HA中最常見的Ca替換元素之一，由于鍶和鈣之間園子半徑和性質(zhì)的差異，鍶的摻入會(huì)使HA原有晶格發(fā)生畸變［6］，從而改變材料的結(jié)晶性、溶解性以及生物降解性等。本實(shí)驗(yàn)研究的生物復(fù)合材料希望能夠在一定水平提高該材料的機(jī)械力學(xué)性能。用鍶替代羥基磷灰石中的鈣后生成鍶羥基磷灰石(Sr－HA)，有資料表明它較傳統(tǒng)的磷灰石陶瓷有著更理想的生物學(xué)性能［7～8］。將玻璃離子水門汀與摻鍶羥基磷灰石按照不同質(zhì)量比例有機(jī)的混合，并與玻璃離子水門汀組形成對(duì)照，結(jié)果顯示在抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均有不同程度的提高，掃描電鏡后觀察了生物材料的斷端形態(tài)裂痕數(shù)目減少，并且變細(xì)，裂痕逐步得到了改善。能夠很好的彌補(bǔ)玻璃離子水門汀機(jī)械性能差的缺點(diǎn)，所以，對(duì)玻璃離子水門汀的改性是很有必要的。

新型復(fù)合生物材料的機(jī)械性能均有不同程度的提高，當(dāng)添加質(zhì)量比例分別為15%，10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度達(dá)到峰值，均能滿足口腔臨床的應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)為口腔臨床改性玻璃離子水門汀(GIC)和對(duì)其深入研究奠定了基礎(chǔ)，使其既能保持玻璃離子水門汀良好的生化性能，又能保持摻鍶羥基磷灰石的機(jī)械強(qiáng)度。本研究提示，使用摻鍶羥基磷灰石改性玻璃離子水門汀是可行的，為玻璃離子水門汀作為齒科材料的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

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(收稿日期:2015－03－16)

通訊作者:王健平(1959～)男，黑龍江佳木斯人，碩士，教授。E－mail: 395931967@ qq.com。

作者簡(jiǎn)介:①陳瑩(1985～)女，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生。

中圖分類號(hào):R783.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1008－0104(2016) 02－0105－02