氦氣源低溫大氣壓等離子體射流處理對(duì)離體牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度的影響

王丹楊,謝 娜,陸 磊,馬晨育,李 旋

(1西安醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院口腔修復(fù)學(xué)教研室,西安 710021;2西安醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院口腔內(nèi)科學(xué)教研室;*通訊作者,E-mail:kqwangdy@xiyi.edu.cn)

口腔黏接修復(fù)成功的關(guān)鍵在于修復(fù)材料與牙體組織間形成牢固、長(zhǎng)效的黏接。牙本質(zhì)的黏接依賴(lài)于混合層結(jié)構(gòu)的形成[1],但現(xiàn)有的全酸蝕黏接系統(tǒng)及自酸蝕黏接系統(tǒng)會(huì)在混合層底部形成缺陷帶及納米滲漏[2,3],使部分牙本質(zhì)膠原失去黏接劑的保護(hù)作用而裸露,易受到水分以及各種蛋白水解酶的作用而降解,最終導(dǎo)致黏接修復(fù)失敗[4,5]。如何降低黏接缺陷的形成,增加黏接劑與牙本質(zhì)的化學(xué)結(jié)合,對(duì)改善牙本質(zhì)黏接效果意義重大。低溫大氣壓等離子體(non-thermal atmospheric pressure plasma,NTAPP)射流處理是近年來(lái)新興的一種表面處理技術(shù)[6],產(chǎn)生的活性物質(zhì)可以與物質(zhì)表面反應(yīng),從而改變材料的表面特性[7]。本研究擬觀察NTAPP處理對(duì)牙本質(zhì)表面接觸角以及黏接性能的影響,以期為提高牙本質(zhì)黏接效果提供新的研究思路及技術(shù)手段。

1 材料和方法

1.1 離體牙來(lái)源

收集因阻生拔除的無(wú)齲第三磨牙60顆(西安醫(yī)學(xué)院第一、第二附屬醫(yī)院口腔科),患者知情同意。刮除附著軟組織,清洗后保存于含0.02%疊氮化鈉的4 ℃生理鹽水，于拔除后1個(gè)月內(nèi)使用。本研究由西安醫(yī)學(xué)院倫理審查委員會(huì)審查通過(guò)。

1.2 主要材料和儀器

去離子水,高純度氦氣(99.99%,西安天盛氣體有限公司),37%磷酸酸蝕劑(Vericom公司,韓國(guó)),Single Bond 2全酸蝕黏接劑(3M公司,美國(guó)),Z250復(fù)合樹(shù)脂(3M公司,美國(guó)),無(wú)塵紙巾(Kimberly-Clark,美國(guó)),低溫大氣壓等離子體發(fā)生裝置(CTP-2000K,南京蘇曼等離子科技有限公司),示波器(MSO1104Z,蘇州普源精電科技有限公司),低速金剛石切割機(jī)(沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備制造有限公司),接觸角測(cè)量?jī)x(Easy Drop,KRüSS,德國(guó)),光固化機(jī)(Dentsply公司,美國(guó)),萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(Shimadzu公司,日本)。

1.3 NTAPP射流的產(chǎn)生

本研究使用的NTAPP設(shè)備采用連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)的介質(zhì)阻擋放電原理,電源輸入功率為8 W,峰值電壓Vpp為7.0 kV,頻率為54.9 kHz,放電氣體為高純度氦氣(He),氣體流量為3 L/min。

1.4 NTAPP處理牙本質(zhì)

慢速切割機(jī)流水冷卻下將10顆牙齒按牙長(zhǎng)軸方向縱切,獲得30片1.5 mm厚的牙本質(zhì)片,800目水砂紙流水打磨、超聲清洗備用。根據(jù)NTAPP射流處理時(shí)間的不同(0、5,10,15,20 s)隨機(jī)分為5組(n=6)。將牙片用無(wú)塵紙巾蘸干水分,置于載玻片上備用。調(diào)整等離子體發(fā)生裝置的高度,使噴嘴距離牙面3 cm。打開(kāi)氣瓶、等離子體發(fā)生裝置及示波器,調(diào)整輸入功率。待產(chǎn)生等離子體并且射流穩(wěn)定之后,移動(dòng)載玻片至射流處,使射流接觸牙面(見(jiàn)圖1),同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)并處理相應(yīng)時(shí)間。

黃色:進(jìn)氣口,綠色:接地線(xiàn),紅色:高壓線(xiàn)A.等離子體發(fā)生裝置射流垂直噴涂于牙面,噴嘴口距離牙面3 cm B.試件處理示意圖圖1 氦氣源NTAPP實(shí)驗(yàn)裝置及試件處理示意圖Figure 1 Experimental device of the helium NTAPP jet and schematic diagram of specimen treatment

1.5 牙面接觸角測(cè)量

每個(gè)牙片在中層牙本質(zhì)處選擇3個(gè)點(diǎn)測(cè)量接觸角。將0.5 μl去離子水滴至樣品表面,測(cè)量水滴接觸牙面瞬間的接觸角。3個(gè)位點(diǎn)的平均值記為每個(gè)試件的接觸角,計(jì)算每組試件接觸角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,評(píng)估等離子體處理后牙本質(zhì)表面潤(rùn)濕性的變化。

1.6 牙本質(zhì)微拉伸黏接強(qiáng)度測(cè)試

慢速切割機(jī)流水冷卻下沿垂直于牙長(zhǎng)軸的方向,將30顆離體牙去除牙合面牙釉質(zhì),暴露冠方牙本質(zhì)。800目水砂紙流水打磨、超聲清洗,制備標(biāo)準(zhǔn)玷污層。酸蝕劑酸蝕15 s,水氣槍沖洗1 min。按照1.4所述方法分組后用NTAPP處理,隨后用濕潤(rùn)的無(wú)塵紙巾重新濕潤(rùn)干燥的牙本質(zhì)表面,采用濕黏接法嚴(yán)格按照Single Bond 2的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)操作。黏接劑光照固化后分層堆塑4-5層復(fù)合樹(shù)脂,每層光照固化40 s。所有試件于37 ℃去離子水中靜置24 h。

慢速切割機(jī)流水冷卻下垂直于黏接界面將試件切成0.8 mm×0.8 mm×9 mm的試件條,用氰基丙烯酸鹽黏接劑將試件固定到微拉伸夾具上,萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min的速度向上拉伸直至試件斷裂。根據(jù)公式計(jì)算:微拉伸強(qiáng)度(MPa)=斷裂載荷(N)/試件截面積(mm2)。將來(lái)自同一顆牙的黏接試件的黏接強(qiáng)度求均值作為一獨(dú)立樣本,然后結(jié)合同一組其他牙齒黏接試件的均值獲得本組黏接強(qiáng)度均值與標(biāo)準(zhǔn)差(n=6)。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)接觸角及微拉伸黏接強(qiáng)度值進(jìn)行單因素方差分析及均值間的LSD多重比較,顯著水平為雙側(cè)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 NTAPP處理對(duì)牙本質(zhì)接觸角的影響

各組牙本質(zhì)接觸角見(jiàn)圖2,變化規(guī)律見(jiàn)圖3。正常牙本質(zhì)接觸角為75.57°±1.45°,經(jīng)NTAPP處理后各組接觸角均顯著小于對(duì)照組(P<0.05),處理20 s時(shí)接觸角最小為58.41°±1.15°;隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),各組間接觸角差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

A.對(duì)照組 B.NTAPP處理5 s C.NTAPP處理10 s D.NTAPP處理15 s E.NTAPP處理20 s圖2 NTAPP處理不同時(shí)間后牙本質(zhì)接觸角圖像Figure 2 Representative pictures of dentine contact angle after various NTAPP treating time

與0 s比較,***P<0.001圖3 NTAPP處理不同時(shí)間牙本質(zhì)接觸角比較Figure 3 Changes of dentine contact angle after various NTAPP treating time

2.2 NTAPP處理對(duì)牙本質(zhì)微拉伸黏接強(qiáng)度的影響

各組微拉伸黏接強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖4。NTAPP處理5 s后牙本質(zhì)微拉伸黏接強(qiáng)度稍有增加,但與對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異(P>0.05);NTAPP處理10 s和15 s后黏接強(qiáng)度均顯著增加(P<0.05),兩組間差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),以NTAPP處理15 s效果最佳;NTAPP處理20 s后黏接強(qiáng)度與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)。經(jīng)NTAPP處理,可以有效改善即刻牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度。

與0 s比較,**P<0.01,***P<0.001;與5 s組比較,##P<0.01;與10 s組比較,△P<0.05,△△△P<0.001圖4 NTAPP處理不同時(shí)間對(duì)牙本質(zhì)微拉伸黏接強(qiáng)度的影響Figure 4 The influence of NTAPP on micro-tensile bond strength after various treating time

3 討論

復(fù)合樹(shù)脂因其良好的安全性及美觀性,是首選的牙體修復(fù)材料。但是牙本質(zhì)-黏接界面是復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)的薄弱區(qū)域,導(dǎo)致復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)牙本質(zhì)時(shí)黏接效率較低,使用期限較短?；旌蠈拥男纬墒茄辣举|(zhì)黏接的基礎(chǔ)。全酸蝕黏接系統(tǒng)需要在黏接前使用酸蝕劑使牙本質(zhì)表面脫礦,暴露牙本質(zhì)小管及膠原纖維網(wǎng),隨后黏接劑向膠原纖維網(wǎng)內(nèi)滲透形成混合層,從而實(shí)現(xiàn)黏接。但是酸蝕劑對(duì)牙本質(zhì)的脫礦能力與黏接劑的浸潤(rùn)能力不匹配,往往會(huì)在雜化層底部形成一個(gè)黏接樹(shù)脂不完全滲透且膠原纖維裸露的“缺陷帶”[2,8]。最終將導(dǎo)致黏接修復(fù)失敗。因此,如何有效提高牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度,對(duì)改善黏接修復(fù)效果至關(guān)重要。

NTAPP是氣體在高頻高壓電場(chǎng)下形成的部分電離的氣體[9,10],其射流溫度接近室溫,并包含了大量活性物質(zhì),如帶電粒子、各種離子、自由基、活性氧等[7]。這些活性較高的等離子體基團(tuán)可以與物質(zhì)表面反應(yīng),起到清潔、蝕刻的作用,或者在材料表面形成一薄層等離子體涂層,從而改變材料的表面特性[9,11]。

本研究結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)NTAPP處理,可以顯著降低牙本質(zhì)表面的接觸角。接觸角是衡量液體對(duì)材料表面潤(rùn)濕性能的重要參數(shù),接觸角越小,濕潤(rùn)程度越好。該結(jié)果提示,NTAPP作為一種溫和且安全的表面處理技術(shù),能夠改善牙本質(zhì)表面的潤(rùn)濕特性。牙本質(zhì)的潤(rùn)濕性變化可能與化學(xué)成分發(fā)生改變相關(guān),等離子體射流處理牙本質(zhì)表面,能夠引起C-C鍵和C-H鍵斷裂而產(chǎn)生活性位點(diǎn),射流周?chē)諝馔ㄟ^(guò)向放電區(qū)域的反向擴(kuò)散作用,將氧基引入處理過(guò)的牙面,形成含氧的極性基團(tuán)以提高潤(rùn)濕性[12]。已有研究表明,處理過(guò)的材料表面暴露于大氣中時(shí),能夠產(chǎn)生活性過(guò)氧化物自由基(R-OO-)和官能團(tuán)(C-OH);另有學(xué)者證實(shí)等離子體處理后牙本質(zhì)表面C-O基團(tuán)明顯增多[13-15]。正是這些親水性含氧極性基團(tuán)的存在,使牙本質(zhì)表面潤(rùn)濕性得以改善[16]。

本研究微拉伸黏接強(qiáng)度結(jié)果顯示,經(jīng)NTAPP處理10,15 s能夠顯著提高即刻牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度,其原因可能與以下機(jī)制密切相關(guān):①NTAPP處理改善了牙本質(zhì)黏接界面的力學(xué)性能。濕潤(rùn)性的改善能夠提高黏接劑在脫礦牙本質(zhì)面的滲潤(rùn),有利于形成更長(zhǎng)的樹(shù)脂突及更完整的混合層[15],同時(shí)降低缺陷帶及納米滲漏的發(fā)生。②NTAPP處理后脫礦牙本質(zhì)化學(xué)成分發(fā)生了改變,等離子體處理可以將含氧的羰基引入Ⅰ型膠原分子中,膠原纖維表面羰基數(shù)量的增加能夠提高膠原與黏接劑之間氫鍵的相互作用。此外,等離子體處理可以暫時(shí)暴露膠原蛋白表面的官能團(tuán),有利于官能團(tuán)與黏接劑間共價(jià)鍵的形成[9]。③NTAPP處理后膠原纖維網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,羰基數(shù)量的增加可以通過(guò)電斥力使膠原纖維暫時(shí)脫聚并分離成更小的纖維聚集體,甚至單個(gè)纖維,這將顯著提高黏接劑對(duì)膠原纖維的滲透,增加黏接劑與膠原的界面面積,從而顯著提高牙本質(zhì)界面的黏接強(qiáng)度[9]。

雖然NTAPP是一種溫和、安全的表面處理技術(shù),但是隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),材料表面會(huì)發(fā)生局部熱量累積及蝕刻現(xiàn)象[6],易損害敏感性較高的生物材料。本研究結(jié)果顯示,經(jīng)NTAPP處理20 s后黏接強(qiáng)度有所下降,推測(cè)脫礦的牙本質(zhì)膠原纖維網(wǎng)在NTAPP射流轟擊及熱累積作用下,發(fā)生了塌陷、變性[17]。值得注意的是,牙本質(zhì)的高親水性可能會(huì)造成黏接劑的相分離,影響樹(shù)脂聚合,或促進(jìn)水和水解酶在界面的滲透,增加降解率,引起牙本質(zhì)黏接界面耐久性變差[18]。本研究中牙本質(zhì)的接觸角介于58°-60°之間,不同于以往研究結(jié)果(<10°)[12],對(duì)于牙本質(zhì)黏接耐久性的影響及具體的作用機(jī)制,仍需要進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明,NTAPP處理可顯著降低牙本質(zhì)表面接觸角,增加牙本質(zhì)的潤(rùn)濕性。在本研究的放電參數(shù)下,牙本質(zhì)接觸角不隨NTAPP處理時(shí)間延長(zhǎng)而顯著變化。NTAPP處理對(duì)即刻牙本質(zhì)黏接強(qiáng)度有雙重作用,處理10 s和15 s能夠顯著增加黏接強(qiáng)度,但處理20 s黏接強(qiáng)度降低。進(jìn)一步研究NTAPP與牙本質(zhì)之間的相互作用機(jī)制,有助于為等離子體在口腔黏接領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。