固化方式對樹脂水門汀氧阻聚層形成的影響

陳文新，包旭東，岳 林

(北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院， 牙體牙髓科 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學北京市重點實驗室, 北京 100081)

臨床上修復體粘接時，會發(fā)現(xiàn)剛聚合的樹脂水門汀表面有一層黏軟的物質(zhì)，容易被擦掉。Bergmann等[1]通過體外實驗證實臨床冠邊緣的樹脂水門汀表面會形成黏軟的氧阻聚層，擦去后修復體邊緣質(zhì)量較差。既往對復合樹脂的研究顯示，當樹脂基材料暴露于氧氣中固化，表面會形成氧阻聚層[2]，其內(nèi)單體轉(zhuǎn)化不全，可產(chǎn)生殘留未反應(yīng)的單體和光引發(fā)劑[3]。樹脂水門汀與復合樹脂同屬樹脂基材料，且二者組成成分類似[4]，但目前尚未見樹脂水門汀氧阻聚層特點的報道，本研究旨在探究樹脂水門汀固化表面形成的氧阻聚層內(nèi)樹脂單體的轉(zhuǎn)化規(guī)律、氧阻聚層表征的變化及其影響因素。

1 材料與方法

1.1 材料選擇和分組

根據(jù)固化方式將樹脂水門汀分為3 組：(1)光固化組： RelyX Veneer(Veneer，3M，德國)、NX3(NX3光固化型，Kerr，美國)、Variolink N(Variolink N，IvoclarVivadent, 列支敦士登)；(2)雙重固化組： RelyX U200 Automix(U200 Automix，3M，德國)、NX3(NX3雙重固化型，Kerr，美國)、Multilink Speed(Multilink Speed，IvoclarVivadent, 列支敦士登)；(3)化學固化組：按說明書，上述3種雙重固化組樹脂水門汀不進行光照，自行暗固化，即為化學固化樹脂水門汀。

1.2 固化后樹脂水門汀表面形貌的掃描電鏡觀察和表面化學元素測定

1.2.1試樣制備

在一片載玻片上放置樹脂水門汀糊劑，載玻片表面兩側(cè)分別放置厚度0.1 mm的蓋玻片，一側(cè)與樹脂水門汀接觸，為試樣的無氧側(cè),另一側(cè)遠離樹脂水門汀，為試樣的有氧側(cè)(圖1)。將一片聚四氟乙烯膜緊貼樹脂水門汀，壓于兩側(cè)蓋玻片上(圖2)。每一材料制備10個平行樣本，光固化組及雙重固化組的光照強度設(shè)置為1 200 mW/cm2，光照時間設(shè)置為20 s，光照距離為0.5 cm。化學固化組進行暗固化6 min以上。固化后試樣于室溫下置于密閉暗盒24 h以上。

1.2.2掃描電鏡觀測

1.2.2.1試樣準備 每種樹脂水門汀材料取5個，表面噴鉑,在距邊緣10 μm以內(nèi)的區(qū)域每間隔100 μm定一個點，共選3個點,另取每種樹脂水門汀材料5個，表面噴碳，選點同上。

1.2.2.2掃描電鏡下表面形貌 用冷場發(fā)射掃描電鏡(SU-8010, Hitachi, 日本)分別觀察噴鉑試樣有氧側(cè)與無氧側(cè)的表面形貌，隨機記錄3個點的圖像。根據(jù)明暗的反差，評估表面襯度[5]，襯度為圖像上不同區(qū)域間存在的明暗程度的差異。

1.2.2.3表面元素測定 用能譜分析儀(PHI Quantera SXM, ULVAC-PHI, 日本)對噴碳試樣觀察區(qū)進行元素分析，獲得主要元素成分及其質(zhì)量百分比。

1.3 單體轉(zhuǎn)化率測定和氧阻聚層厚度計算

1.3.1試樣制備

將各樹脂水門汀糊劑放入直徑8 mm，高0.2 mm的圓柱形透明塑料模具中，每種材料設(shè)有氧面和無氧面，有氧面用載玻片壓平，取下載玻片使材料表面暴露于空氣中，無氧面操作同前，用載玻片壓平后取下載玻片，表面再蓋上聚四氟乙烯膜。固化方法同前，有氧面光固化組和雙重固化組中設(shè)置光照強度和光照時間的變量，光照強度分別為800、1 000、1 200 mW/cm2，光照時間分別為10、20、40、60 s；測試材料為RelyX Veneer和RelyX U200 Automix，固化后樹脂水門汀室溫下放置于密閉暗盒24 h以上，無氧面取下上覆聚四氟乙烯膜，備用。所有試驗樣本量均為5。

1.3.2共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測單體轉(zhuǎn)化率

在測試暗室中，先取未固化的各個樹脂水門汀糊劑，分別放于上述模具中，用載玻片壓平材料表面，后取下載玻片，在每個樣本表面選擇3個點，間隔約為3 mm，即刻用共聚焦顯微拉曼光譜儀(confocal Raman micro-spectroscopy，Horiba，法國，曝光 30 s、功率 10 mW、放大倍率50倍、激光波長514 nm)分別聚焦于3個檢測點進行未固化材料表面的檢測分析，讀取光譜圖作為上述待檢試樣光譜圖的參照基準。

以同樣方法在試樣表面定3個點，并用共聚焦顯微拉曼光譜儀在相同參數(shù)條件下檢測。在光譜圖上可獲得碳碳雙鍵峰(波數(shù)1 638 cm-1)和芳香雙鍵峰(波數(shù)1 608 cm-1)的峰高值，根據(jù)公式計算出每一位點的單體轉(zhuǎn)化率ConvRaman= (1-Acured/Auncured)×100%, 其中Acured為固化后樹脂水門汀光譜中碳碳雙鍵(波數(shù)1638 cm-1)峰高值與芳香雙鍵(波數(shù)1 608 cm-1)峰高值的比值，Auncured為未固化樹脂水門汀的碳碳雙鍵(波數(shù)1 638 cm-1)峰高值與芳香雙鍵(波數(shù)1 608 cm-1)峰高值的比值(圖3)。激光從表面位點垂直向下，每隔4 μm聚焦一次，檢查固化試樣直至60 μm處，從視窗中可讀取各測試深度下的光譜圖。同樣用公式計算出各測試深度的單體轉(zhuǎn)化率。各試樣通過每個檢測點獲得由材料表面(0 μm)至其內(nèi)部60 μm的16個單體轉(zhuǎn)化率值，通過計算可以得到3組各測試深度下樹脂水門汀的單體轉(zhuǎn)化率。

1.4 統(tǒng)計學分析

使用SPSS24.0軟件，對通過能譜分析儀得到的有氧側(cè)和無氧側(cè)主要元素質(zhì)量百分比進行統(tǒng)計學分析，計量資料以均數(shù)±標準差表示。采用配對樣本t檢驗來檢驗有氧側(cè)和無氧側(cè)主要元素質(zhì)量百分比和各材料有、無氧面表面單體轉(zhuǎn)化率的差異，P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗每個試樣各深度位點的3 組單體轉(zhuǎn)化率間的差異，對檢驗有差異的結(jié)果采用Post-hoc test(LSD)法進行兩兩比較，檢驗水準均為雙側(cè)α=0.05，尋找并記錄單體轉(zhuǎn)化率停止繼續(xù)增長的點(P>0.05)，以此深度作為氧阻聚層厚度。

各固化方式及各光照條件下表面單體轉(zhuǎn)化率及氧阻聚層厚度的差異用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進行檢驗，而對檢驗有差異的結(jié)果采用Post-hoc test(LSD)法進行兩兩比較，檢驗水準均為雙側(cè)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 固化后樹脂水門汀的表面形貌特點

固化后樹脂水門汀無氧側(cè)表面亮暗相間，成像襯度較強；有氧側(cè)表面呈模糊的膜狀物覆蓋狀，襯度較弱。從固化方式來看，化學固化樹脂水門汀無氧側(cè)與有氧側(cè)的成像襯度差異最大，雙重固化樹脂水門汀次之，光固化樹脂水門汀無氧側(cè)與有氧側(cè)電子顯微鏡下所見成像襯度相近(圖4)。

2.2 固化后樹脂水門汀表面的元素分析

除RelyX Veneer和RelyX U200 Automix雙重固化樹脂水門汀外，光固化、雙重固化、化學固化樹脂水門汀均表現(xiàn)為有氧側(cè)的氧元素質(zhì)量百分比顯著大于無氧側(cè)(P<0.05)， 其他無機成分質(zhì)量百分比顯示有氧側(cè)的鐿(Yb)元素質(zhì)量百分比均顯著小于無氧側(cè)(P<0.05)， 大多數(shù)樹脂水門汀的硅(Si)、鋯(Zr)、鋇(Ba)、氟(F)元素也表現(xiàn)出了有氧側(cè)的質(zhì)量百分比顯著小于無氧側(cè)的特點(P<0.05)。

光固化組的RelyX Veneer和雙重固化組的RelyX U200 Automix，表現(xiàn)為有氧側(cè)的氧元素與其他無機成分質(zhì)量百分比和無氧側(cè)的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.3 固化后樹脂水門汀的單體轉(zhuǎn)化率

2.3.1固化后樹脂水門汀的表面單體轉(zhuǎn)化率

固化后的各樹脂水門汀有氧面表面單體轉(zhuǎn)化率均顯著小于無氧面(P<0.05，表1)， 且無論是在有氧面還是無氧面，表面單體轉(zhuǎn)化率均為化學固化組最低(P<0.05)，其有氧面為 44.82%±3.33%，無氧面為 65.62%±2.86%；雙重固化組最高(P<0.05)，其有氧面為 54.34%±4.28%，無氧面為 74.01%±3.29%；光固化組介于二者之間，其有氧面為 49.68%±3.20%，無氧面為 68.91%±4.30%。對于光固化及雙重固化樹脂水門汀，其表面單體轉(zhuǎn)化率會隨光照強度增加而增加(P<0.05)，光固化樹脂水門汀光照時間為40 s及以上時，雙重固化樹脂水門汀光照時間為60 s及以上時，表面單體轉(zhuǎn)化率不再隨光照強度增加而變化(P>0.05)。光固化及雙重固化樹脂水門汀在光照強度為800 mW/cm2時，表面單體轉(zhuǎn)化率隨光照時間增加而增加(P<0.05)，但當光照強度增加到1 000 mW/cm2及以上時，表面單體轉(zhuǎn)化率較高，同樣不會隨光照時間增加而改變(P>0.05，表2和表3)。

表1 固化后樹脂水門汀有氧面、無氧面表面單體轉(zhuǎn)化率Table 1 Surface monomer conversion of cured resin cement on aerobic surface and anaerobic surface

表2 光照強度及時間對光固化樹脂水門汀表面單體轉(zhuǎn)化率的影響Table 2 Effect of light intensity and illumination time on surface monomer conversion of light-cured resin cement /%

表3 光照強度及時間對雙重固化樹脂水門汀表面單體轉(zhuǎn)化率的影響Table 3 Effect of light intensity and illumination time on surface monomer conversion of dual-cured resin cement /%

2.3.2固化后樹脂水門汀深部的單體轉(zhuǎn)化率變化

3種固化方式的樹脂水門汀材料無氧面從表面到60 μm深時的單體轉(zhuǎn)化率為60%～80%，各深度單體轉(zhuǎn)化率之間的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，樹脂水門汀有氧面的單體轉(zhuǎn)化率從表面至內(nèi)部隨深度增加而增加，表現(xiàn)為逐漸增長至轉(zhuǎn)化維持穩(wěn)定(圖5)?；瘜W固化樹脂水門汀的氧阻聚層厚度最大，為(40.00±4.00) μm；雙重固化樹脂水門汀的氧阻聚層厚度最小，為(17.60±2.19) μm；光固化樹脂水門汀的氧阻聚層厚度介于二者之間，為(20.80±3.35) μm,其中，光固化及雙重固化樹脂水門汀在光照時間為10、20、40 s時，氧阻聚層厚度會隨光照強度增加而減小(P<0.05)， 在光照時間為60 s時，氧阻聚層厚度較小，不會隨光照強度增加而變化(P>0.05)。光固化及雙重固化樹脂水門汀的氧阻聚層厚度隨光照時間增加而減小(P<0.05)， 光固化樹脂水門汀光照強度增加到1 200 mW/cm2時，雙重固化樹脂水門汀在光強為1 000 mW/cm2及以上時，氧阻聚層厚度不再隨光照時間增加而改變(P>0.05，表4和表5)。

表4 光照強度及時間對光固化樹脂水門汀氧阻聚厚度的影響Table 4 Effect of light intensity and illumination time on oxygen inhibition layer thickness of light-cured resin cement /μm

表5 光照強度及時間對雙重固化樹脂水門汀氧阻聚層厚度的影響Table 5 Effect of light intensity and illumination time on oxygen inhibition layer thickness of dual-cured resin cement /μm

3 討論

3.1 樹脂水門汀氧阻聚層表面形貌和無機成分特點

與以往對復合樹脂氧阻聚層的研究結(jié)果相似[2, 6]，本研究樹脂水門汀在與氧接觸情況下固化時表面也會產(chǎn)生氧阻聚層。無機成分分析結(jié)果顯示氧阻聚層內(nèi)氧元素含量相對聚合穩(wěn)定部分更高，而填料含量較低，尤其是鐿元素質(zhì)量百分比顯著較低。這是因為空氣中的氧被自由基結(jié)合生成過氧化物貼附在材料表面[2, 7]，使氧元素增高。本研究掃描電鏡下的觀察結(jié)果也證實了這一現(xiàn)象，無氧條件下固化后樹脂水門汀表面襯度高，無機填料顯現(xiàn)明顯，有氧時襯度較低，表面呈膜狀物覆蓋，填料不顯現(xiàn)，說明氧阻聚層表面無機填料少。氧元素和表面自由基的結(jié)合占據(jù)了微觀空間，表面其他無機成分含量即相應(yīng)減小，原子質(zhì)量較大的鐿元素更能體現(xiàn)這種趨勢。填料的主要作用是增加材料的耐磨性[8]、剛性、硬度和強度[9]，因而氧阻聚層填料減少會導致樹脂水門汀表面強度和耐磨性均降低[10-11]，邊緣的氧阻聚層易被摩擦掉，使邊緣適合性下降。同時，本研究結(jié)果顯示氧阻聚層的表面單體轉(zhuǎn)化率低，會導致其存在大量未反應(yīng)單體，這可能是氧阻聚層在掃描電鏡下有表面襯度弱、膜狀物覆蓋表現(xiàn)的原因。

3.2 氧阻聚層的單體轉(zhuǎn)化特點及氧阻聚層厚度

本研究有氧條件下樹脂水門汀的表面單體轉(zhuǎn)化率相較于無氧條件顯著降低，說明氧抑制樹脂水門汀表面的單體聚合。這是因為樹脂水門汀的聚合反應(yīng)是光引發(fā)體系或氧化還原體系產(chǎn)生自由基過程，自由基觸發(fā)樹脂單體聚合。而大氣中的氧更容易和自由基結(jié)合形成穩(wěn)定過氧化物抑制進一步的聚合反應(yīng)[2, 7]，故氧阻聚層的單體轉(zhuǎn)化率低，并且氧阻聚層的單體轉(zhuǎn)化率會由淺及深逐漸增加。研究顯示甲基丙烯酸酯基樹脂材料的表面受氧抑制聚合程度最高，表面的單體轉(zhuǎn)化率最低[12-13],因為越接近表層氧滲入越多，往深層氧結(jié)合逐漸減少，氧阻聚作用減弱。

各種固化方式相比，雙重固化樹脂水門汀表面單體轉(zhuǎn)化率最高，氧阻聚層厚度最小，而化學固化樹脂水門汀表面單體轉(zhuǎn)化率最低，氧阻聚層厚度最大，說明樹脂水門汀氧阻聚層的表面單體轉(zhuǎn)化率、厚度和固化方式相關(guān)。Yamaji等[14]的研究表明光引發(fā)固化的體系中自由基起始速率與化學固化樹脂相比要快得多，光引發(fā)體系可迅速引發(fā)樹脂單體聚合反應(yīng)，氧來不及與自由基結(jié)合，氧阻聚作用降低。因此，光固化樹脂水門汀氧阻聚作用弱，單體轉(zhuǎn)化率高；而化學固化樹脂水門汀依賴于氧化還原體系引發(fā)單體聚合，速度較慢，氧阻聚作用相對明顯，單體轉(zhuǎn)化率低；雙重固化樹脂水門汀的固化同時具有氧化還原體系和光引發(fā)體系，可以更加快速并產(chǎn)生更多自由基促進聚合反應(yīng)，因而單體轉(zhuǎn)化率最高，氧阻聚作用最弱。學者們對甲基丙烯酸酯類樹脂材料單體轉(zhuǎn)化率的研究結(jié)果也顯示[15-18]，雙重固化型的單體轉(zhuǎn)化率相較于化學固化型更高。

本研究發(fā)現(xiàn)光固化及雙重固化樹脂水門汀的表面單體轉(zhuǎn)化率還會隨光照強度、光照時間的增加而增加，氧阻聚層厚度則隨之相應(yīng)減小。以往的研究認為，光照強度和光照時間的增加均會促進復合樹脂的聚合[19-21]，與本研究結(jié)果相符。樹脂單體的聚合程度取決于光能大小(光照時間×光照強度)，當光照強度較低時可提高光照時間來增加光能[22]，從而激活樹脂水門汀表面未反應(yīng)的光引發(fā)劑,并消耗未反應(yīng)的單體使雙鍵轉(zhuǎn)換繼續(xù)，進一步促進聚合反應(yīng)，使表面單體轉(zhuǎn)化率增加、氧阻聚作用降低，但當光強或光照時間增加到一定程度以后，即使光能繼續(xù)增加，表面單體轉(zhuǎn)化率不再增加，氧阻聚層厚度也不再減小。臨床上希望在較短光照時間下獲得最佳的固化結(jié)果，提高單體轉(zhuǎn)化程度，減少氧阻聚層的形成，本研究結(jié)果提示光固化樹脂水門汀在光強1 200 mW/cm2、光照時間10 s時，雙重固化樹脂水門汀在光強1 000 mW/cm2、光照時間10 s時，即可獲得最大的表面單體轉(zhuǎn)化率及最小的氧阻聚層厚度。也有研究表明固化燈過多的能量輸出會產(chǎn)熱[23-24]，對牙髓產(chǎn)生不利影響。因此，臨床上應(yīng)根據(jù)不同的材料選擇適宜的光照強度和時間。

結(jié)合樹脂水門汀單體轉(zhuǎn)化的特點，單體轉(zhuǎn)化率低的氧阻聚層因固化不完全、表面黏度大[25]，易被擦去從而降低修復體邊緣適合性[1]。氧阻聚層內(nèi)單體轉(zhuǎn)化率隨深度增加而增加，最表層部分可被擦去遺留表層下單體轉(zhuǎn)化率稍高的部分，但其表面質(zhì)量仍然較差。這符合Hyun-Hee等[26]的研究結(jié)果，即復合樹脂在表面有氧阻聚層存在時，拋光后表面有凹坑狀的表現(xiàn)，因此應(yīng)盡量減少或抑制氧阻聚層的形成，在氧阻聚層產(chǎn)生后即使去除也不一定能獲得良好的表面質(zhì)量。

綜上所述，樹脂水門汀暴露于氧環(huán)境下會形成氧阻聚層，其表面無機填料少、表面單體轉(zhuǎn)化率低；較低的單體轉(zhuǎn)化率會在表面下一定深度存在，該深度為氧阻聚層厚度。樹脂水門汀氧阻聚層的表面單體轉(zhuǎn)化率及氧阻聚層厚度受固化方式及光照因素影響。