6種光固化復(fù)合樹脂吸水性、溶解性和單體釋放量的比較

嚴(yán) 敏，馮 丹，高 平，魏茜茜，姜 雪，張曉萌，朱 松

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，吉林 長(zhǎng)春 130021)

光固化復(fù)合樹脂因具有良好的美學(xué)性能、機(jī)械性能及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床。目前70%以上的商品復(fù)合樹脂以雙酚A雙甲基丙烯酸縮水甘油酯(Bisphenol A diglycidyl methacrylate，Bis-GMA)為主要基質(zhì)[1]，由于Bis-GMA的黏度很高，限制了無機(jī)填料的加入，所以通常要加入相對(duì)分子質(zhì)量較小、黏度較低的稀釋劑如雙甲基丙烯酸二縮三乙二醇酯(triethylene glycol dimethacrylate，TEGDMA)。復(fù)合樹脂在光引發(fā)條件下發(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)，仍有部分單體未能聚合，成為殘余單體。殘余單體可在唾液的浸泡下進(jìn)行釋放，已聚合的樹脂成分也會(huì)在口腔唾液、微生物、酶及咀嚼磨耗等的作用下發(fā)生降解，其中唾液衍生酯酶和非特異性酯酶能輕易降解復(fù)合樹脂的成分[2]。如果水或者其他溶劑進(jìn)入樹脂聚合物內(nèi)，將導(dǎo)致降解的低聚物和殘余單體釋放，Bis-GMA基質(zhì)較為軟化，更容易被滲透，從而使聚合物網(wǎng)膨脹，最終導(dǎo)致殘余單體長(zhǎng)期釋放[3]。研究[4-6]表明：復(fù)合樹脂釋放的成分具有致敏性、致突變性、遺傳毒性和雌激素樣作用等。Bis-GMA和TEGDMA對(duì)來源于人類牙髓、牙齦或牙周膜成纖維細(xì)胞的原代細(xì)胞系和永生細(xì)胞系均具有較高毒性[7]。

復(fù)合樹脂釋放成分的生物安全性已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注，近年研究者們也圍繞著復(fù)合樹脂釋放成分進(jìn)行了較多研究，但是關(guān)于樹脂長(zhǎng)期釋放的單體量研究尚少。本研究擬檢測(cè)目前具有代表性的6種商品光固化復(fù)合樹脂的吸水值、溶解值及單體釋放量，探討各檢測(cè)指標(biāo)出現(xiàn)差異的原因，為臨床選擇和應(yīng)用光固化復(fù)合樹脂提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

6種商品復(fù)合樹脂分別為FiltekTM Z250(Z250)、FiltekTM Z350XT(Z350)、Aelite LS Posterior(ALS)、Clearfil Majesty Posterior(CMP)、Neofil Nano(NN)和Tetric N-Ceram(TNC)，其中ALS和CMP是低收縮復(fù)合樹脂。具體資料見表1。

表1 6種復(fù)合樹脂的相關(guān)信息

1.2 主要試劑和儀器

Bis-GMA和TEGDMA(分析純，美國(guó)Sigma-aldrich公司)(表2)。高分辨液相色譜質(zhì)譜儀(Agilent1290-micrOTOF Q Ⅱ，德國(guó)Bruke公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGG-9070B，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；光固化燈(SLC-ⅧA,杭州四方醫(yī)療器械有限公司)，光強(qiáng)度為900 mW·cm-2，光強(qiáng)度由輻射儀(美國(guó)登士柏公司)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；電子分析天平(MATTELER AE240，北京晨曦勇創(chuàng)科技有限公司)；保干器；電子游標(biāo)卡尺(精度為0.001 mm)。

表2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)單體的相關(guān)信息

1.3 6種復(fù)合樹脂吸水值和溶解值的檢測(cè)

按照ISO 4049-2009，將6種復(fù)合樹脂制作成直徑15 mm、厚1 mm的圓形試件，固化后放入裝有重新干燥過硅膠的保干器內(nèi)支架上，將試件放入第一個(gè)保干器中22 h(37℃)后，再放入第2個(gè)保干器2 h(23℃)后稱質(zhì)量，重復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到恒定質(zhì)量(在24 h內(nèi)，每個(gè)試件的質(zhì)量減少量≤0.1 mg)，記為m1；用電子千分尺測(cè)量試件2個(gè)相互垂直的直徑以及中心和圓周四等分處的厚度，計(jì)算試件的體積，記為V。將恒定的試件浸泡于37℃的去離子水中7 d，取出稱質(zhì)量，記為m2。按照上述方法將試件放入保干器中直至質(zhì)量再次恒定，記為m3。吸水值(water sorption value,Wsp)和溶解值(water solubility value,Wsl)可由下列公式計(jì)算：Wsp(μg·mm-3)=(m2-m3)/V，Wsl(μg·mm-3)=(m1-m3)/V。m1為試件浸水前質(zhì)量(μg)，m2為試件浸水后質(zhì)量(μg)，m3為再恒定質(zhì)量(μg)，V為試件的體積(mm3)。

1.4 單體滲出量的檢測(cè)

1.4.1 樣品制備 將6種復(fù)合樹脂制備成直徑6 mm、厚度2 mm的樹脂片，制備過程中將不銹鋼模具放置在玻璃板上，用充填器將樹脂加壓充填入模具內(nèi)，樹脂上下表面用聚酯薄膜覆蓋以抑制空氣中的氧對(duì)樹脂表面的阻聚作用，蓋玻片擠壓出多余樹脂，移去玻片，光固化燈光源距試件表面約1 mm，光照40 s。每種材料制備3個(gè)試件，然后浸入1 mL、37℃的75%乙醇溶液中，24 h后終止浸泡。重復(fù)上述步驟，分別在7 d、28 d和3個(gè)月終止浸泡，浸出液4℃密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4.2 色譜條件 色譜柱：Agilent SB-C18(2.1 mm×150 mm，1.8 μm),柱溫為(23±2)℃。流動(dòng)相：A相為乙腈，B相為水；梯度洗脫條件：0.00 min，30%A-70%B；5.00 min，80%A-20%B。流速0.7 mL·min-1，進(jìn)樣量5 μL。

1.4.3 質(zhì)譜條件 電噴霧電離源(eletrospray ionization,ESI)，霧化氣壓力0.8 Bar，毛細(xì)管電壓4 500 V，干燥氣流速6.0 L·min-1，干燥氣溫度200℃。

1.4.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制和線性回歸方程的建立 配制2.5、5.0、10.0、20.0和30.0 mg·L-1的Bis-GMA和TEGDMA標(biāo)準(zhǔn)溶液，在選定的色譜質(zhì)譜條件下分析。以濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1)。Bis-GMA和TEGDMA的濃度在2.5～30.0 mg·L-1的范圍內(nèi)呈線性，Bis-GMA的線性回歸方程為Y=21 977.523X-23 713.962，相關(guān)系數(shù)為0.997；TEGDMA的線性回歸方程為Y=2 043.858X+11 540.721，相關(guān)系數(shù)為0.998。

圖1 Bis-GMA(A)和TEGDMA(B)標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.5 樣品檢測(cè) 所有樣品檢測(cè)前需用離心機(jī)4 000 r·min-1離心3 min。以標(biāo)準(zhǔn)溶液Bis-GMA和TEGDMA提取離子色譜圖(extracted ion chromatogramme, EIC)出現(xiàn)的主峰時(shí)間及峰面積為參照，選取被測(cè)樣品EIC相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的洗脫峰，測(cè)定峰面積，根據(jù)線性回歸方程計(jì)算樣品中Bis-GMA和TEGDMA的濃度。Bis-GMA和TEGDMA的EIC和質(zhì)譜圖見圖2和3。

圖2 Bis-GMA的EIC(A)和質(zhì)譜圖(B)

圖3 TEGDMA的EIC(A)和質(zhì)譜圖(B)

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 各組樹脂吸水值和溶解值

6種復(fù)合樹脂的吸水值和溶解值見表3。其中ALS吸水值最小，Z350吸水值最大，由小到大依次為ALS0.05)，由小到大依次為Z350

表3 6種復(fù)合樹脂的吸水值和溶解值

2.2 各組樹脂單體釋放量

標(biāo)準(zhǔn)Bis-GMA樣品，分離主要成分即Bis-GMA峰保留時(shí)間3.5 min。標(biāo)準(zhǔn)TEGDMA樣品，主要分離成分即TEGDMA峰保留時(shí)間1.8 min。

6種復(fù)合樹脂的Bis-GMA和TEGDMA在75%乙醇溶液中24 h、7 d、1個(gè)月和3個(gè)月的單體滲出量見表4和表5。Bis-GMA的釋放量：隨著時(shí)間延長(zhǎng)，ALS釋放量緩慢增加，與1個(gè)月時(shí)比較，3個(gè)月時(shí)ALS釋放量減少(P<0.05)；與1個(gè)月時(shí)比較，7 d 時(shí)CMP釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，3個(gè)月時(shí)CMP釋放量減少(P<0.05)；與7 d時(shí)比較，24 h時(shí)Z350和NN釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，1個(gè)月時(shí) Z350和NN釋放量開始增加(P<0.05)；Z250的釋放量隨著時(shí)間的增加而增加，各時(shí)間點(diǎn)釋放量比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；與1個(gè)月時(shí)比較， 7 d 時(shí)TNC釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，3個(gè)月時(shí)釋放量增加(P<0.05)。TEGDMA的釋放量：與7 d時(shí)比較，24 h時(shí) ALS和CMP釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，1個(gè)月時(shí)釋放量增加(P<0.05)，3個(gè)月時(shí)不再增加(P>0.05)；與1個(gè)月時(shí)比較，3個(gè)月時(shí)CMP釋放量減少(P<0.05)；與7 d時(shí)比較，24 h 時(shí)Z350和Z250釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)， 1個(gè)月時(shí) Z350和Z250釋放量開始增加(P<0.05)；NN和TNC未檢出TEGDMA。

表4 6種復(fù)合樹脂浸泡在75%乙醇溶液中不同時(shí)間段Bis-GMA釋放量

*P<0.05 compared with 1 month;△P<0.05 compared with 7 d.

表5 6種復(fù)合樹脂浸泡在75%乙醇溶液中不同時(shí)間段TEGDMA釋放量

*P<0.05 compared with 7 d;△P<0.05 compared with 1 month.“-”:No data.

3 討 論

光固化復(fù)合樹脂的吸水是一個(gè)擴(kuò)散-控制的過程，理論上有2種途徑：一種是自由體積途徑，水分子聚集在樹脂-填料界面、微孔隙和形態(tài)缺陷處，沒有與極性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)；另一種是相互作用途徑，水分子與一些親水基團(tuán)形成氫鍵[8]。復(fù)合樹脂的吸水性取決于有機(jī)基質(zhì)(單體種類、聚合轉(zhuǎn)化率和極性相互作用)、無機(jī)填料(組分、類型、形態(tài)、粒徑和在基質(zhì)中的分布情況)、樹脂-填料界面的性質(zhì)、催化劑和引發(fā)劑的濃度、溶劑性質(zhì)及樹脂暴露在溶劑中的表面積，其中基質(zhì)發(fā)揮著主要作用[8-9]。樹脂浸泡在水中，吸水和溶解過程會(huì)同時(shí)發(fā)生。初期水分子進(jìn)入材料使其質(zhì)量迅速增加并使材料發(fā)生化學(xué)降解，部分降解產(chǎn)物從材料中釋放，同時(shí)水分子擴(kuò)散致殘余單體浸出，無機(jī)填料也發(fā)生降解，材料質(zhì)量相應(yīng)減少，導(dǎo)致材料的綜合性能下降。樹脂的溶解性與吸水性密切相關(guān)，因?yàn)槿軇┻M(jìn)入材料后殘余單體和其他可溶解成分才能釋放，且與樹脂的轉(zhuǎn)化率和交聯(lián)密度也有關(guān)[10]。影響溶解性的因素包括可浸出物質(zhì)的種類、數(shù)量、大小、極性、浸泡溶劑、浸泡時(shí)間和溫度[8]。

Z350的吸水值最高，這可能與其有機(jī)基質(zhì)含量較高及單體中含親水性基團(tuán)有關(guān)。Z350的填料含量為質(zhì)量的78.5%，是除了NN之外填料含量最低的，Z350含有Bis-GMA和TEGDMA，Bis-GMA中存在親水的羥基，TEGDMA中含有親水的醚鍵，這些親水基團(tuán)的存在有助于材料吸收水。雖然Z350的吸水值最高但溶解值卻是最低的，這與材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)密度有關(guān)[11]。TNC和Z250的吸水值相近，與其樹脂基質(zhì)構(gòu)成比相近有關(guān)。ALS吸水值最小，原因是由于其填料構(gòu)成比高且含有疏水性單體Bis-EMA，Bis-EMA是Bis-GMA的非羥基化相似物，可減少樹脂的吸水性，近年已經(jīng)開始部分替代Bis-GMA。CMP吸水值僅次于ALS，其基質(zhì)中含有疏水性芳香族二甲基丙烯酸酯且填料構(gòu)成比高。

復(fù)合樹脂的浸出成分不僅與樹脂的物理和機(jī)械性能有密切關(guān)聯(lián)，也是評(píng)價(jià)材料生物安全性的決定因素[12-13]。許多單體如TEGDMA是引起接觸性皮炎、扁平苔蘚、牙齦炎和潰瘍等各種過敏反應(yīng)的致敏劑[14]。影響單體釋放的三個(gè)重要因素包括樹脂單體的聚合轉(zhuǎn)化率、可釋放成分(如有機(jī)基質(zhì)和填料)的大小及化學(xué)性質(zhì)、溶劑的種類[7]。另外，光強(qiáng)度、光照距離和光照時(shí)間也可對(duì)單體釋放量產(chǎn)生影響。

本研究6種實(shí)驗(yàn)樹脂中ALS和CMP是用于后牙的低收縮復(fù)合樹脂，其余4種均為目前臨床常用的前后牙通用型樹脂。實(shí)驗(yàn)常用的溶液主要分為兩大類：第一類是水溶液，包括人工唾液或人的唾液、蒸餾水和細(xì)胞培養(yǎng)液等；第二類是有機(jī)溶液，包括乙醇和丙酮溶液等[15]。根據(jù)美國(guó)食品藥物管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)的規(guī)定，75%乙醇溶液可作為食物/口腔的模擬液且與臨床相關(guān)，其模擬某些飲料(包括含酒精的)、蔬菜和水果等食物[16]。本實(shí)驗(yàn)采用此溶液是為了模擬口腔的極端環(huán)境，這對(duì)復(fù)合樹脂的性能穩(wěn)定提出了較高的要求。目前大多數(shù)樹脂單體釋放實(shí)驗(yàn)為短期實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)的時(shí)間點(diǎn)一般有1 h、3 h、24 h、7 d、28 d和1個(gè)月。很多研究[15，17]表明：樹脂聚合后的24 h內(nèi)殘余單體釋放量較多，隨后釋放量呈緩慢上升趨勢(shì)。極少數(shù)研究者進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)[18]。本實(shí)驗(yàn)選取大多數(shù)研究者選用的時(shí)間點(diǎn)24 h、7 d、1個(gè)月和3個(gè)月,其中3個(gè)月的時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)于深入了解單體釋放的規(guī)律具有重要意義。液相色譜法特別適用于分離多組分的試樣，而且分離效率高、分析速度快；質(zhì)譜法通過將被測(cè)物質(zhì)離子化并按質(zhì)荷比大小進(jìn)行分離從而提供分子質(zhì)量信息，根據(jù)質(zhì)譜圖可以進(jìn)行定性定量分析，質(zhì)譜法鑒別能力強(qiáng)、靈敏度高，通常將質(zhì)譜法和液相色譜法聯(lián)合應(yīng)用，液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用既可以發(fā)揮色譜法的高分離能力，又可利用質(zhì)譜法的高鑒別能力，有利于對(duì)復(fù)雜混合物成分進(jìn)行檢測(cè)及分析[19]。

殘余單體或其他成分從樹脂聚合物網(wǎng)絡(luò)浸出的2個(gè)必要條件是擴(kuò)散和膨脹[13]。當(dāng)浸泡溶液的溶解度參數(shù)與聚合物成分的溶解度參數(shù)相匹配時(shí)易發(fā)生擴(kuò)散。水溶性溶劑易被親水結(jié)構(gòu)吸引，而有機(jī)溶劑更容易擴(kuò)散到疏水結(jié)構(gòu)中。溶劑擴(kuò)散入聚合物網(wǎng)絡(luò)可導(dǎo)致已存在空隙的膨脹和開放，膨脹程度取決于聚合物網(wǎng)絡(luò)的剛性和交聯(lián)密度，殘余單體在聚合物內(nèi)的擴(kuò)散狀況取決于其相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)的柔韌性。與具有剛性結(jié)構(gòu)的大分子Bis-GMA相比，TEGDMA相對(duì)分子質(zhì)量小且含有環(huán)氧乙烷長(zhǎng)鏈，使得該單體易發(fā)生化學(xué)降解反應(yīng)、易移動(dòng)且相對(duì)容易從基質(zhì)中洗脫出來[13，15]。本研究中Bis-GMA檢測(cè)量普遍大于TEGDMA，這是由于基質(zhì)中的Bis-GMA構(gòu)成比大于TEGDMA，且75%乙醇溶液與Bis-GMA有相似的溶解度參數(shù)，乙醇溶液能輕易滲透進(jìn)入樹脂基質(zhì)并使聚合物網(wǎng)絡(luò)膨脹引起殘余單體釋放。Polydorou等[18]研究發(fā)現(xiàn)：無論聚合時(shí)間、存儲(chǔ)時(shí)間和樹脂種類如何，Bis-GMA在75%乙醇溶液中的釋放量一直是最高的，而且長(zhǎng)期保持在較高水平。本研究中，復(fù)合樹脂聚合后24 h內(nèi)可在浸泡液中檢測(cè)出殘余單體且釋放量較高，隨后釋放量呈緩慢升高趨勢(shì)。3個(gè)月時(shí)ALS和CMP的Bis-GMA釋放量及CMP的TEGDMA釋放量減少的原因是單體釋放量不再增加，但溶液中單體發(fā)生了化學(xué)降解，化學(xué)降解的主要原因之一是單體內(nèi)包含較多易水解的基團(tuán)，如羥基、酯鍵和聚氨酯鍵等。NN和TNC的Bis-GMA釋放量較高而TEGDMA未檢出，可能由于其TEGDMA構(gòu)成比低，且釋放量少，導(dǎo)致儀器檢測(cè)不出,其他的研究也出現(xiàn)過類似結(jié)果[13]。

本文作者比較6種復(fù)合樹脂的吸水值及單體釋放量發(fā)現(xiàn)：兩者之間不存在線性相關(guān)，原因是單體釋放量的多少與聚合后材料的吸水性和溶解性、殘余單體量、化學(xué)降解作用及材料表面狀態(tài)等多種因素有關(guān)。但降低樹脂的吸水值、溶解值及單體釋放量，可以提高材料的綜合性能和使用壽命，減少對(duì)患者的危害。

綜上所述，本研究中6種復(fù)合樹脂浸泡不同的時(shí)間有不同的單體釋放量，ALS和CMP 2種低收縮樹脂優(yōu)于其余4種樹脂。Z350和NN的吸水值及NN的Bis-GMA釋放量很高，可能會(huì)影響材料充填后的長(zhǎng)期使用效果。在今后的臨床工作中要根據(jù)臨床需要及復(fù)合樹脂的綜合性能選擇相應(yīng)的光固化復(fù)合樹脂。

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