可光固化聚氨酯粘接劑的制備及其對傳統(tǒng)丙烯酸樹脂粘接劑性能的影響

張曉萌，王惠敏，楊宇斌，朱軒言，田子璐，朱 松

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，吉林 長春130021)

目前，光固化復(fù)合樹脂以其優(yōu)異的機(jī)械性能、美學(xué)性能及操作簡便性幾乎完全取代了銀汞合金成為現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)不可缺少的修復(fù)材料。然而，與銀汞合金修復(fù)相比，復(fù)合樹脂修復(fù)治療的失敗率卻增加了2.0～3.5倍。國內(nèi)外臨床數(shù)據(jù)調(diào)查[1]顯示：樹脂修復(fù)體的年失敗率高達(dá)8%，平均壽命只有5.7年。研究[2-6]表明：目前的丙烯酸酯單體粘接系統(tǒng)親水性較大，其高含量的親水性單體導(dǎo)致粘接體系在潮濕的口腔環(huán)境中容易吸收過多的水份，使固化后的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)降解，從而使得樹脂-牙本質(zhì)的粘接界面完整性產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而引發(fā)樹脂修復(fù)體的水解甚至斷裂。因此，對傳統(tǒng)的丙烯酸樹脂單體粘接劑進(jìn)行功能改性，研發(fā)新型耐水解的粘接劑已成為眾多學(xué)者的研究方向之一[2,7]。

聚氨酯(polyurethane,PU)作為最具商業(yè)價值和生物安全性的醫(yī)用高分子材料之一，以其優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。PU的耐潮濕、耐溶劑和較高的粘接性能等特性使其在口腔醫(yī)學(xué)粘接修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有較大潛力[8]。國內(nèi)外研究[9-10]顯示：將醫(yī)用PU粘接劑直接應(yīng)用于口腔的粘接修復(fù)領(lǐng)域中，由于其不易固化或固化條件口腔不耐受以及無法與光固化樹脂材料很好地結(jié)合等，不能應(yīng)用于臨床。本研究制備一種可光固化PU粘接劑，檢測其加入到現(xiàn)有商品粘接劑后對粘接劑的吸水值和溶解值、雙鍵轉(zhuǎn)化率和微剪切強(qiáng)度的影響，綜合評價PU粘接劑對傳統(tǒng)丙烯酸樹脂粘接劑性能的影響，以期為新型耐水解性樹脂粘接劑的研究和臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器通用型粘接劑Single Bond Universal(SBU)和全酸蝕粘接劑Single Bond 2(SB2)(3M ESPE 公司，美國)，自酸蝕粘接劑SE Bond(SE)(Clearfil公司，日本)。聚醚三元醇(藍(lán)星東大公司，中國)，異氟爾酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate,IPDI)、甲基丙烯酸羥乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA)、丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸甲酯、丙酮、樟腦醌和4-二甲基氨基苯甲酸乙酯(Sigma公司，美國)。傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FT-IR)(Nicolet iS10，Thermo Scientific公司，美國),光固化燈(維潤V200，桂林維潤醫(yī)療科技有限公司)，電子分析天平(MATTELER AE240，北京晨曦勇創(chuàng)科技有限公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGG-9070B，上海森信實驗儀器有限公司)，萬能試驗機(jī)(AG-X plus，島津公司，日本)，低速金剛石切割機(jī)(SYJ-160，沈陽科晶自動化設(shè)備有限公司)。

1.2 PU粘接劑的制備與表征將7.992 g IPDI和0.096 g二月桂酸二丁基錫加入三頸瓶中，68℃油浴下冷凝管冷凝，機(jī)械攪拌。再逐滴加入24 g聚醚三元醇(相對分子質(zhì)量為3 000)，反應(yīng)時間為3 h。使用FT-IR觀察無羥基特征峰后，向反應(yīng)中加入3.12 g HEMA，反應(yīng)持續(xù)2 h后獲得聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體，采用紅外光譜儀觀察無羥基基團(tuán)后，關(guān)閉反應(yīng)。將產(chǎn)物中的剩余溶劑用真空旋蒸儀除凈。通過FT-IR對合成的預(yù)聚體進(jìn)行紅外結(jié)構(gòu)表征。PU粘接劑由聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體、稀釋劑丙烯酸異冰片酯和甲基丙烯酸甲酯、光引發(fā)劑樟腦醌、4-二甲基氨基苯甲酸乙酯和丙酮溶劑組成。其中聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體、丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸甲酯和丙酮的質(zhì)量比為6∶1.5∶1.5∶1，光引發(fā)劑樟腦醌和助發(fā)劑4-二甲基氨基苯甲酸乙酯共占1%～3%的總質(zhì)量。在本課題組的前期研究中，所合成的聚氨酯單獨使用時不能夠完全滲透至酸蝕后的牙本質(zhì)小管內(nèi)發(fā)揮粘接作用，因此在本研究中嘗試將PU粘接劑與現(xiàn)有商品粘接劑(SBU、SB2和SE)混合作為新型牙本質(zhì)粘接劑。在預(yù)實驗時設(shè)計了90%、80%和70% PU 3種混合比例，盡管90%PU和80%PU組的吸水值和溶解值低于70%PU組，但前兩者在微剪切實驗的試樣制備過程中均出現(xiàn)了樹脂修復(fù)體脫落的現(xiàn)象，未脫落試樣的測試結(jié)果也較低，因此，最終選擇了PU添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。在避光條件下PU粘接劑分別與SBU、SB2和SE按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為70∶30進(jìn)行配置并超聲震蕩混勻，作為實驗組，不加PU粘接劑的SBU、SB2和SE作為對照組。

1.3 各組粘接劑吸水值和溶解值的檢測根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YY 1042-2011要求，將各組樣品滴入圓盤形模具(內(nèi)徑直徑15.0 mm±0.1 mm，深度1.0 mm±0.1 mm)，光照固化(n=5)。LED藍(lán)光固化燈光源(900 mW·cm-2)統(tǒng)一距離試件表面1 mm。將所有試件放置于含硅膠的干燥器中，37℃恒溫保存，每隔24 h監(jiān)控質(zhì)量變化直至達(dá)到穩(wěn)定值m1(質(zhì)量減少量小于0.1 mg)。測量并計算各試件體積V(mm3)。將試件在去離子水中浸泡7 d后取出，用濾紙吸干表面水分，稱質(zhì)量后記為m2。再放置于干燥器內(nèi)干燥，直至質(zhì)量再次恒定記為m3。吸水值(water sorption,Wsp)和溶解值(water solubility,Wsl)可由下列公式計算(單位：μg·mm-3): Wsp=(m2-m3)/V,Wsl= (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)。公式中Wsp和Wsl的計算均為單位體積(mm3)質(zhì)量的變化，即已將體積變化的因素考慮在內(nèi)。

1.4 各組粘接劑雙鍵轉(zhuǎn)化率測定將各組粘接劑涂布均勻薄層于溴化鉀壓片上，采集樣品固化前的FT-IR吸收光譜，再對樣品進(jìn)行光固化，并立即測定樣品固化后的FT-IR吸收光譜。以苯環(huán)(C…C)為內(nèi)標(biāo)(1 609 cm-1)，計算C=C雙鍵在峰值1 638 cm-1處的吸光度(A)值變化。雙鍵轉(zhuǎn)化率= 1-固化后A(1 638)/A(1 609)/固化前A(1 638)/A(1 609)×100% 。

1.5 各組粘接劑微剪切強(qiáng)度測試在患者知情同意的情況下，收集于吉林大學(xué)口腔醫(yī)院拔除的磨牙，要求磨牙結(jié)構(gòu)完好且無齲壞，將離體牙用75%乙醇消毒后保存在4℃生理鹽水中。用低速切割機(jī)在流水下磨去磨牙的牙釉質(zhì)層，以完全暴露牙本質(zhì)。經(jīng)自凝樹脂包埋后用600目碳化硅砂紙濕性打磨形成粘接面，將粘接劑均勻涂抹在牙本質(zhì)上，將圓孔膠貼貼在粘接面上，限定粘接面積，再將復(fù)合樹脂Z250充填在圓孔硅膠貼內(nèi)形成高約2 mm的樹脂柱。光固化24 h后，將萬能試驗機(jī)的剪切壓頭加載于粘接界面，加載速度為1 mm·min-1，記錄斷裂時的最大剪切力，計算微剪切強(qiáng)度。微剪切強(qiáng)度(MPa)= 最大剪切力(N)/粘接面積(mm2)。

2 結(jié) 果

2.1 聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體的FT-IR表征聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體合成過程及產(chǎn)物所涉及的主要化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示，F(xiàn)T-IR見圖2。由FT-IR可見在3 340 cm-1處為聚醚三元醇中的OH與IPDI中的NCO反應(yīng)生成的氨基甲酸酯鍵(-NHCOO-)中的N-H峰，1 720 cm-1處為羰基(C=O)吸收峰，在加入HEMA后于1 637 cm-1處出現(xiàn)了C=C雙鍵的特征吸收峰。FT-IR對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析與預(yù)期產(chǎn)物一致，成功合成含有可光固化基團(tuán)(C=C)的聚氨酯預(yù)聚體。

2.2 各組粘接劑的Wsp和Wsl與SBU、SB2和SE對照組比較，加入PU后的相應(yīng)實驗組粘接劑吸水值明顯降低(t=15.479,P<0.05;t=19.703,P<0.05;t=11.795,P<0.05)；與SBU和SB2對照組比較，相應(yīng)實驗組粘接劑的溶解值明顯降低(t=29.845,P<0.05;t=28.862,P<0.05)。見表1。

2.3 各組粘接劑的雙鍵轉(zhuǎn)化率各組粘接劑雙鍵轉(zhuǎn)化率比較情況：SBU-70%PU組>SBU對照組，SB2-70%PU組>SB2對照組，SE-70%PU組>SE對照組，各組間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-11.612,P<0.05;t=7.213,P<0.05;t=-15.031,P<0.05)。見圖3。

圖1 溶液聚合法合成光固化聚氨酯的反應(yīng)步驟及化學(xué)反應(yīng)式

Fig.1 Reaction steps and chemical reaction formulas of solution polymerization for synthesizing light-curing polyurethane

2.4 各組粘接劑微剪切強(qiáng)度各組粘接劑微剪切強(qiáng)度比較情況:SB2-70%PU組微剪切強(qiáng)度大于SB2對照組(t=-2.515,P<0.05)，SBU-70%PU組和SE-70%PU組與其對照組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見圖4。

圖2 溶液聚合法合成聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚體的FT-IR步驟圖

Fig.2 FT-IR steps of synthesizing polyurethane acrylate prepolymer by solution polymerization

表1 各組粘接劑的Wsp和Wsl

MaterialWspWslSBU control108.73±9.3545.07±3.27SBU-70%PU 42.14±2.07?4.86±0.42?SB2 control98.53±6.3962.88±4.89SB2-70%PU43.30±3.53△7.81±1.27△SE control61.67±5.521.96±0.91SE-70%PU38.63±0.19# 3.57±1.61#

*P<0.05vsSBU control group;△P<0.05vsSB2 control group;#P<0.05vsSE control group.

*P<0.05vsSBU control group;△P<0.05vsSB2 control group;#P<0.05vsSE control group.

圖3 FT-IR法檢測各組粘接劑的雙鍵轉(zhuǎn)化率

Fig.3 Rates of double bond conversion of adhesives in various groups detected by FT-IR method

*P<0.05 compared with SB2 control group.

Fig.4 Micro-shear bond strengths of adhesives in various groups

3 討 論

20世紀(jì)60年代末，自BUONOCORE成功采用37%磷酸處理牙體硬組織表面以后，樹脂粘接劑逐漸發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，臨床常用的商品樹脂粘接劑主要由功能單體或交聯(lián)單體、光引發(fā)劑、抑制劑或穩(wěn)定劑、溶劑以及無機(jī)填料組成[3]。其中親水性較好的單體如HEMA，因具有優(yōu)異的滲透能力而被大量添加到商品粘接劑中，以促進(jìn)疏水性組分和親水性組分混合，防止產(chǎn)生相分離，同時還可與相對親水的牙本質(zhì)之間進(jìn)行有效結(jié)合。然而，HEMA的引入同時也使得牙本質(zhì)-粘接界面有大量羥基存在，即使在樹脂粘接劑充分光固化后，粘接層仍具有很高的吸水性和溶解性，可逐漸造成整個粘接界面的水解降解，機(jī)械性能降低，進(jìn)而引發(fā)繼發(fā)齲，最終導(dǎo)致修復(fù)失敗[10-11]。因此如何降低商品粘接劑的親水性及吸水溶解性、增強(qiáng)材料的耐水解性是目前學(xué)者們在牙本質(zhì)粘接領(lǐng)域的研究重點之一。PU是一類具有優(yōu)異生物相容性、化學(xué)多功能性和良好力學(xué)性能的軟硬段交替組成的聚合物，其中硬鏈段為多異氰酸酯和小分子擴(kuò)鏈劑組成，軟鏈段由低聚物多元醇(主要包括聚酯或聚醚多元醇)組成，是可根據(jù)聚多元醇種類的不同而獲得不同性能的PU，即聚酯型PU和聚醚型PU。一般而言，醚鍵比酯基具有更好的耐水性，因此聚醚型PU展現(xiàn)出比聚酯型PU更好的耐水解穩(wěn)定性。此外，PU聚合物與傳統(tǒng)的丙烯酸樹脂單體類粘接劑相比，相對分子質(zhì)量較大，分子鏈段也較長，交聯(lián)后形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生水解降解[2,12-13]。

本研究設(shè)計合成一種光固化型PU粘接劑以改善上述存在的問題。通過聚醚三元醇、IPDI和HEMA為原材料,用紅外光譜監(jiān)控整個合成過程，確保HEMA成功接枝，從而獲得可光固化PU。根據(jù)臨床使用步驟的不同，目前商品粘接劑分為酸蝕-沖洗和自酸蝕兩類。為了更充分、全面地評估新合成的PU對現(xiàn)有商品粘接劑性能的影響，本研究中選用了最新一代的通用型粘接劑(SBU)、有金標(biāo)準(zhǔn)之稱的兩步法酸蝕-沖洗粘接劑(SB2)和經(jīng)典的自酸蝕粘接劑(SE)作為研究對象。分別在3種商品粘接劑中加入新合成的PU粘接劑，在不影響粘接性能的前提下，提高粘接劑的耐水解性，進(jìn)一步提升臨床光固化復(fù)合樹脂的粘接修復(fù)效果。本研究中吸水值/溶解值實驗結(jié)果表明：在3種商品粘接劑中加入70%PU后，其吸水值均發(fā)生明顯降低。其中，在商品粘接劑SBU和SB2中加入70%PU后，溶解值也明顯降低。商品粘接劑中含有的HEMA單體、磷酸和羧酸等親水性物質(zhì)，使粘接劑聚合后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)易從口腔環(huán)境中以“結(jié)合水”等形式吸收水分子，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)鏈增塑、軟化和斷裂；而且，逐漸降解的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會溶解釋放未聚合的單體和一些其他小分子物質(zhì)。隨著時間的延長，粘接劑的粘接強(qiáng)度下降，粘接界面的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，修復(fù)體的使用壽命縮短，甚至危害人體健康[2,14-15]。PU材料是一類較單體物質(zhì)而言相對分子質(zhì)量較大的低聚物，分子鏈段相對較長，固化后分子鏈之間為高交聯(lián)密度，從而降低了聚合物鏈膨脹的能力，抵抗水滲透的能力增強(qiáng)[17], 水分子難以進(jìn)入并對其產(chǎn)生降解。因此，在加入了PU成分后，各組粘接劑的吸水值和溶解值均得到改善。BOARO等[16]的研究顯示：SE的溶解值為負(fù)數(shù)，是由于材料的疏水性使其溶解性和吸水性均降低，導(dǎo)致材料本身的水分子難以溶出，或被結(jié)合在材料內(nèi)部，使材料質(zhì)量增加。這也可能是本研究中SE組吸水值較大但溶解值相對較低的原因。

在光固化材料中，通常以雙鍵轉(zhuǎn)化率作為評估其聚合能力和固化性能的重要參數(shù)。較高的轉(zhuǎn)化率使材料的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對致密，不易吸收水分，因此材料的吸水溶解性也較低，也不易有單體游離析出，對維持機(jī)械性能的長期穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。粘接劑材料的雙鍵轉(zhuǎn)化率與單體類型和體系粘度密切相關(guān)[17]。本實驗中3種商品粘接劑以Bis-GMA單體為主體，含有剛性的芳香結(jié)構(gòu)，并且相鄰單體中的-OH和C=O之間能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的分子間氫鍵作用。這些因素均限制了單體在聚合過程中的流動性，進(jìn)而限制了帶雙鍵的樹脂單體的移動[18]。盡管粘接劑中含有稀釋單體和乙醇或丙酮等溶劑有效降低了材料的粘度體系，但同時也降低了單位體積內(nèi)含雙鍵成分的濃度，因而最終導(dǎo)致雙鍵發(fā)生碰撞的概率減少。而PU粘接劑中不含剛性較強(qiáng)的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，富含柔韌性較好且相對易移動的醚鍵，有利于光引發(fā)時含雙鍵成分的移動和碰撞。另有研究[19-21]表明:商品粘接劑中的樹脂單體相對分子質(zhì)量較小，在牙本質(zhì)表面的擴(kuò)散速率較快且滲透性較強(qiáng)。因此在光固化后未發(fā)生聚合的樹脂單體和從聚合物中溶解析出的單體也是產(chǎn)生牙髓細(xì)胞刺激作用的主要原因，可引發(fā)不同程度的牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體的不可逆生物學(xué)行為。總之，通過在粘接體系中引入PU材料，在提高體系雙鍵轉(zhuǎn)化率的同時又降低了粘接材料固化后的吸水值和溶解值，有利于減少樹脂單體的游離和析出，進(jìn)而減緩粘接材料對牙髓細(xì)胞的刺激作用。

微剪切粘接強(qiáng)度測試是評估樹脂粘接劑粘接強(qiáng)度性能的常用方法之一，適宜的微剪切強(qiáng)度是實現(xiàn)良好修復(fù)粘接效果的基礎(chǔ)[22]。本研究中微剪切實驗結(jié)果顯示：在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的可光固化PU后，3個實驗組粘接劑的微剪切強(qiáng)度均未發(fā)生下降，其中全酸蝕粘接劑SB2的實驗組較相應(yīng)對照組的微剪切強(qiáng)度明顯升高。由于本研究所合成的PU無苯環(huán)結(jié)構(gòu)，材料的剛性不足，因此當(dāng)PU的含量過高時會降低粘接劑材料的機(jī)械性能，同時還會增加粘接體系的粘稠度而影響其與牙體組織的滲透作用。但加入適量的PU有助于粘接體系雙鍵轉(zhuǎn)化率的提高，增強(qiáng)粘接體系的聚合，使材料的交聯(lián)固化效果更好，同時也降低了水分子的滲透和水解作用，從而確保與牙體組織的有效粘接。

綜上所述，本研究合成的可光固化PU粘接劑在與商品粘接劑共混后，所獲得的粘接劑具有較低吸水性和溶解性，良好的光固化性能，且不會降低與牙本質(zhì)的粘接強(qiáng)度，該粘接體系的研制有望使粘接界面的耐水解穩(wěn)定性得到改善，為新型樹脂-牙本質(zhì)粘接劑的研究提供參考依據(jù)。