含碘甲基丙烯酸酯單體的合成及在牙科樹脂中的應(yīng)用*

劉芳 朱文彬 何經(jīng)緯

(華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

可見光固化的樹脂基牙科材料在臨床上的應(yīng)用十分廣泛.理想的樹脂基牙科材料需要具備足夠的X射線阻射性[1- 2].在進(jìn)行X射線檢查時,X射線阻射的樹脂能形成清晰的影像,與牙齒和牙床組織影像產(chǎn)生明顯區(qū)分,從而精確定位材料,以評價治療的有效性[3].ISO 4049:2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,標(biāo)注為“X射線阻射”的商品化牙科材料,其X射線阻射性必須強(qiáng)于與其厚度相同的純鋁.

樹脂基牙科材料的基體樹脂主要由碳、氫、氧等輕元素組成,對X射線的衰減很弱.要提高樹脂基牙科材料的X射線阻射性,可以向其中加入X射線阻射的無機(jī)粒子或有機(jī)添加劑,或在單體中引入溴、碘等重原子.已有不少研究報(bào)道了向樹脂中加入重金屬鹽[4- 5]、有機(jī)金屬化合物[6]甚至是金屬粉末[7]來提高樹脂X射線阻射性的方法.在口腔臨床中,填充細(xì)小齲洞和復(fù)雜空腔時需要用到高流動性的牙科復(fù)合樹脂[8],但是含有較多填料的復(fù)合樹脂的流動性不佳[9],其中的填料也會使固化光散射,導(dǎo)致固化深度降低[10- 12].減少填料用量可以提高復(fù)合樹脂的流動性,但是會降低其X射線阻射性.向高分子材料中引入共價鍵結(jié)合的重原子碘可以大幅提高材料的X射線阻射性,有助于降低材料的X射線阻射性對填料的依賴,從而制備高流動性牙科復(fù)合樹脂.

在前期研究中,筆者合成了一種含碘的單體并將其添加到牙科樹脂中,但由于該單體的含碘量偏低,X射線阻射性仍低于相同厚度的純鋁[13].文中合成了具有較高含碘量的三碘代苯基甲基丙烯酸酯單體1-(2,3,5-三碘芐基)-N-甲基丙烯酰氧乙基氨基甲酸酯(TIMEC),研究了單體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),余同)對雙酚A甲基丙烯酸縮水甘油酯/聚三乙二醇二甲基丙烯酸酯(Bis-GMA/TEGDMA)牙科樹脂基體各項(xiàng)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

超干二氯甲烷、2,3,5-三碘苯甲醇(2,3,5-TIBA)、二月桂酸二丁基錫(DBTDL)、甲基丙烯酸異氰基乙酯(IEMA)、TEGDMA、樟腦醌(CQ)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)均購自上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司.Bis-GMA購自美國Sigma-Aldrich公司.

1.2 TIMEC的合成

在三口燒瓶中加入100 mL超干二氯甲烷以及14.58 g 2,3,5-TIBA、2滴DBTDL,攪拌均勻后升溫至45 ℃,再向溶液中滴加4.65 g IEMA.每隔固定時間取反應(yīng)液,采集其紅外光譜(使用德國Bruker公司生產(chǎn)的Vector 33型傅里葉變換紅外光譜儀),直至2 270 cm-1處 —NCO基團(tuán)吸收峰完全消失,判定反應(yīng)結(jié)束.旋蒸除去溶劑,用正戊烷洗滌產(chǎn)物、過濾,放置于真空烘箱中,在60 ℃下干燥24 h得到白色結(jié)晶性產(chǎn)物,即為TIMEC,產(chǎn)率為91%.用德國Bruker公司生產(chǎn)的AVANCE Ⅲ HD 600型600 MHz核磁共振波譜儀采集分子核磁共振氫譜,用德國Bruker公司生產(chǎn)的Vector 33型傅里葉變換紅外光譜儀采集分子的紅外光譜.

1.3 樹脂的制備

以商業(yè)常用Bis-GMA/TEGDMA樹脂體系作為牙科樹脂基體、CQ作為光引發(fā)劑,并以DMAEMA作為助引發(fā)劑.各實(shí)驗(yàn)組與對照組配方見表1.所有試樣采用法國賽特力公司生產(chǎn)的MiniLED光固化機(jī)進(jìn)行固化,光功率密度為1 250 mW/cm2,最大波長λmax=458 nm.

1.4 雙鍵轉(zhuǎn)化率測試

表1 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TIMEC的光固化牙科樹脂配方表

(1)

式中，下標(biāo)0和t分別代表光照前及光照t秒.

1.5 聚合收縮測試

樣品光聚合所產(chǎn)生的體積收縮(VS)通過測定樹脂固化前后密度(分別為ρ1和ρ2)的變化計(jì)算得到:

(2)

樹脂固化前后的密度采用上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的FA1104J型電子分析天平(精度0.1mg)上提供的浮力法密度測量裝置測量,每組樣品重復(fù)測定3次.

1.6 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

采用德國Zwick/Roell公司生產(chǎn)的Z010型材料萬能試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試.樣品尺寸為：長25 mm,截面2 mm×2 mm(寬×高,即b×h).彎曲跨距L=20 mm,壓頭速率為(0.75±0.25)mm/min.根據(jù)加載力(p)-形變(d)曲線，分別通過式(3)和(4)計(jì)算試樣彎曲強(qiáng)度(Flexural Strength,FS)和彎曲模量(Flexural Modulus,FM).每組制備8個樣條進(jìn)行平行試驗(yàn).

(3)

(4)

1.7 吸水溶解性測試

吸水率(WS)和溶解率(SL)測試步驟如下：每組制備5個直徑為15 mm、厚度為1 mm的樣片,稱取其原始質(zhì)量md,將其浸泡在溫度恒定為37 ℃的30 mL蒸餾水中.每隔24 h將樣片取出,用吸水紙擦干表面后稱取質(zhì)量,直至樣片質(zhì)量穩(wěn)定為me,取出樣片放至60 ℃真空烘箱中烘至質(zhì)量不變,記為mf.材料的吸水率和溶解率分別按式(5)和(6)計(jì)算:

(5)

(6)

1.8 X射線阻射性測試

以楔形鋁階梯為參考.鋁階梯共8個臺階,相鄰平臺厚度相差0.5 mm.將樹脂固化,制成厚1 mm、直徑8 mm的圓片,放置在鋁階梯旁,在醫(yī)用數(shù)字式X射線儀(管電壓為60 kV,管電流為2 mA,響應(yīng)時間為0.10 s)下獲得數(shù)碼照片.以ImageJ2X軟件分別測量樹脂樣片、某個厚度的鋁階梯和照片背景的灰度值Gd、Ga和Gb.材料的相對X射線阻射性(RXO)通過式(7)進(jìn)行計(jì)算:

(7)

1.9 數(shù)據(jù)分析與處理

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,使用Turkey法進(jìn)行事后多重比較分析,以P<0.05作為差異顯著的判斷標(biāo)準(zhǔn).試驗(yàn)結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示.

2 結(jié)果與討論

圖1 TIMEC的核磁共振氫譜

圖2 TIMEC的紅外光譜

含多官能度甲基丙烯酸酯單體的自由基聚合體系在固化時能夠形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),使體系黏度急劇上升,在聚合后期未轉(zhuǎn)化的單體擴(kuò)散困難,導(dǎo)致碳碳雙鍵無法完全轉(zhuǎn)化[14- 15].文中牙科樹脂在藍(lán)光下照射60 s后的雙鍵轉(zhuǎn)化率和體積收縮率如表2所示.實(shí)驗(yàn)組的雙鍵轉(zhuǎn)化率平均值均有所下降,含有10%、15%和20% TIMEC的樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率均顯著低于對照組(P<0.05),它們之間沒有顯著差異(P>0.05).這些結(jié)果表明,加入TIMEC可使雙鍵轉(zhuǎn)化率在一定程度上下降.

表2 各組樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率與體積收縮率1)

甲基丙烯酸酯樹脂在受到光照后進(jìn)行自由基聚合,分子間作用力由較弱的范德華力轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)的共價鍵力,分子間距離減小,從而不可避免地產(chǎn)生聚合體積收縮[16].牙科樹脂的體積收縮會導(dǎo)致樹脂內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,并使得樹脂與牙體間產(chǎn)生間隙,因此很多研究者都致力于降低樹脂的聚合收縮率.樹脂的收縮率受到雙鍵轉(zhuǎn)化率和體系中雙鍵含量等因素的影響,雙鍵轉(zhuǎn)化率和雙鍵含量越低,聚合收縮率越低[17].TIMEC的摩爾質(zhì)量為640.81 g/mol,其分子中僅含一個甲基丙烯酸酯基;與之相比,Bis-GMA和TEGDMA的摩爾質(zhì)量分別為512.6和286.3 g/mol,都含有兩個甲基丙烯酸酯基.因此,加入TIMEC后,體系中的雙鍵含量降低.當(dāng)TIMEC含量較低(5%)時,樹脂收縮率平均值有所下降,但由于含量較低,產(chǎn)生的變化沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).當(dāng)TIMEC含量上升至10%時,由于樹脂的雙鍵轉(zhuǎn)化率也明顯降低,導(dǎo)致收縮率有了明顯下降(P<0.05).而15%與20%組的收縮率依次顯著減小，且明顯低于對照組(P<0.05).

牙科樹脂的力學(xué)性能是極其重要的性能參數(shù).各組樹脂體系的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度如表3所示.含5%TIMEC的樹脂的彎曲模量與彎曲強(qiáng)度都與對照組沒有顯著差異(P>0.05),但含10%和15%TIMEC的樹脂的力學(xué)性能與對照組相比顯著下降(P<0.05).含20%TIMEC的樹脂的力學(xué)性能優(yōu)于對照組和其他實(shí)驗(yàn)組(P<0.05).所有實(shí)驗(yàn)組的彎曲性能均優(yōu)于ISO 4049:2009國際標(biāo)準(zhǔn).

表3 各組樹脂的吸水率、溶解率、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和相對X射線阻射性

吸水溶解性能關(guān)系到牙科樹脂在口腔環(huán)境下的長期使用性能和毒性.樹脂基牙科材料長期處于口腔環(huán)境中,能被唾液溶脹.唾液能起到類似于增塑劑的作用,削弱分子鏈間的作用力,降低材料的力學(xué)性能[18].牙科材料中殘留的未反應(yīng)單體具有細(xì)胞毒性,能在唾液浸泡下滲出,損傷組織細(xì)胞,引起炎癥反應(yīng)[19].Bis-GMA和TEGDMA都是雙官能度的單體,固化物有很高的交聯(lián)密度,而吸水性和溶解性與交聯(lián)密度有關(guān)[20].從高分子的空間結(jié)構(gòu)上看,引入單官能度的單體TIMEC會導(dǎo)致交聯(lián)密度降低,使吸水率和溶解率升高.然而,吸水溶解的結(jié)果(見表3)顯示,加入TIMEC后樹脂的吸水率有所下降,這可以從TIMEC相對疏水的化學(xué)結(jié)構(gòu)來解釋.Bis-GMA的分子中含有羥基,具有一定的親水性,而TIMEC中含有苯環(huán)和碳碘鍵這樣的疏水結(jié)構(gòu),即使交聯(lián)密度有所降低,樹脂的吸水性仍然由于樹脂疏水性的提高而下降.不同實(shí)驗(yàn)組的樹脂溶解率隨TIMEC含量的增加而下降,含20%和15%TIMEC的實(shí)驗(yàn)組的溶解率顯著低于對照組(P<0.05),這也可以歸因于TIMEC的化學(xué)結(jié)構(gòu)相對疏水,不易被水溶出.因此,加入單官能度的TIMEC不會造成單體大量溶出,健康風(fēng)險較低.

X射線在材料中的衰減與材料的密度以及元素的原子序數(shù)、有效電子密度有關(guān).X射線透過材料時,原子序數(shù)大的原子能夠使X射線發(fā)生顯著衰減[21].碘的原子序數(shù)是53,屬于重元素,能夠有效阻擋X射線.另外,碘原子的K吸收限為33.2 keV,在此能量附近碘原子對X射線存在強(qiáng)烈吸收[22].有人測得在管電壓為60 kV時,醫(yī)用X射線管能產(chǎn)生能量介于15～60 keV之間的連續(xù)X射線,強(qiáng)度峰值在32 keV附近[23],能有效激發(fā)碘的K吸收.文中合成的單體TIMEC含碘量達(dá)59.4%,以20%的含量加入時,樹脂的含碘量達(dá)11.88%,能夠顯著提高樹脂的X射線阻射性.圖3是TIMEC含量為0%(對照組)～20%的樹脂的X射線透射照片.依灰度計(jì)算的RXO值見表3.可以看到材料的RXO值隨著TIMEC單體含量的升高而升高,加入20% TIMEC后,樹脂的X射線阻射性已經(jīng)超過了與其厚度相同的1 mm厚鋁片,RXO達(dá)到113%(根據(jù)式(7)的定義,鋁階梯厚度為1 mm的臺階的RXO值為100%),在不含填料的情況下已經(jīng)能夠滿足ISO 4049:2009標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求.

圖3 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TIMEC的樣品的X射線透射數(shù)碼照片

3 結(jié)語

文中成功合成了新型的高碘含量甲基丙烯酸酯單體TIMEC.加入該單體后,Bis-GMA/TEGDMA牙科樹脂體系的X射線阻射性顯著提高,含20%TIMEC的樹脂具備高X射線阻射性,超過了相同厚度的鋁.雖然該組配方的樹脂光照雙鍵轉(zhuǎn)化率有所下降,但其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都顯著高于對照組,吸水性和溶解性相比對照組都有明顯改善,聚合體積收縮也顯著降低,具有一定的臨床應(yīng)用潛力.

然而,文中沒有進(jìn)行材料的生物效應(yīng)測試.雖然不少研究表明很多有機(jī)碘化合物對人體沒有明顯的毒性[24- 25],這類化合物應(yīng)用于生物材料中通常較為安全,但TIMEC對人體組織的長期確切毒性尚不明確.為了滿足臨床使用的要求,應(yīng)該進(jìn)行更為深入的研究.

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