γ-MPS與10-MDP的相互作用對10-MDP-Ca鹽形成的影響

袁曉君，謝海峰，陳 晨

單瓶型通用型多用途粘接劑的研發(fā)和應(yīng)用是牙體粘接領(lǐng)域的跨越式進(jìn)展，能夠?qū)崿F(xiàn)在自酸蝕或酸蝕沖洗模式下與牙體硬組織和其他多種修復(fù)材料的直接粘接[1]。這歸因于這類產(chǎn)品將多種用途的功能成分集中于單瓶中穩(wěn)定存在。在各個品牌的單瓶型通用型多用途粘接劑的功能成分中，10-甲基丙烯酸氧癸二氫磷酸酯(10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate，10-MDP)和硅烷偶聯(lián)劑γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane，γ-MPS)是最常添加的，例如Scotchbond Universal和Clearfil Universal Bond。其中，10-MDP可以與羥基磷灰石(HAp)相互作用，在粘接界面上形成難溶于水的10-MDP-Ca鹽[2-4]，具有增加牙本質(zhì)的粘接強(qiáng)度[5-6]和提高牙本質(zhì)粘接穩(wěn)定性的作用[6-7]，10-MDP-Ca鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)已被X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)[8]、X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)[6]、核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)[9-10]等表征證實。 γ-MPS通常用于實現(xiàn)對玻璃基陶瓷的硅烷化，媒介其與樹脂材料的粘接[11]。本課題組以往曾通過量子化學(xué)從理論上證實了γ-MPS與10-MDP之間的相互作用[12]，發(fā)現(xiàn)兩者間可以發(fā)生分子間縮合反應(yīng)。有些學(xué)者使用含硅烷的通用粘接劑處理硅基陶瓷，粘接效果較單獨使用硅烷偶聯(lián)劑差[13-14]，不排除是硅烷的性能在含10-MDP的粘接劑中受到影響的原因，不過，目前對硅烷與10-MDP間的相互作用對10-MDP-鈣鹽形成的影響缺乏相關(guān)研究。為了更好地了解這些化合物的分子相互作用，我們旨在研究硅烷對功能性單體10-MDP的影響。因此，本研究配制不同比例的10-MDP與硅烷混合處理劑，通過傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析法(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)ITR)、X射線衍射(XRD)分析10-MDP-Ca鹽的形成情況。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

甲基丙烯酸氧癸二氫磷酸酯(MDP,DM Healthcare Products,美國);γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS,麥克林,上海);羥基磷灰石粉末(hydroxyapatite powder，HAp，Millipore Sigma,美國)，無水乙醇(上海滬試，中國);電子天平(METTLER TOLEDO,美國);iN10-iZ10傅里葉紅外光譜儀(Thermo Scientific,美國)；X射線衍射儀(d8 advance，Bruker，德國)。

1.2 分組

未處理的HAp粉末是第1組，作為空白對照。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP溶液作為第2組，其中去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，乙醇的為75%。去離子水的比例為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的硅烷作為第4、6、8組(乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為70%、65%、60%)。同時，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的硅烷溶液作為3、5、7組(去離子水的比例固定為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為80%、75%、70%)。

1.3 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析法

取0.2 g羥基磷灰石粉，分為10份，按照以上分組進(jìn)行處理，避光反應(yīng)12 h。反應(yīng)完成后離心，倒出上清液。加入無水乙醇，3 500 r/min離心20 min，倒出上清液，反復(fù)清洗3次，將牙本質(zhì)反應(yīng)殘余物在室溫下干燥48 h。未處理的HAp粉末作為對照。使用iN10-iZ10傅里葉紅外光譜儀，以衰減全反射(ATR，attenuated total reflectance) 模式掃描，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù) 32 次。

1.4 X射線衍射

取0.5 g羥基磷灰石粉，分為10份，按照以上分組進(jìn)行處理，避光反應(yīng)12 h。反應(yīng)完成后離心，倒出上清液。加入無水乙醇，3 500 r/min離心20 min，倒出上清液，反復(fù)清洗3次，將牙本質(zhì)反應(yīng)殘余物在室溫下干燥48 h。未處理的HAp粉末作為對照。通過X射線衍射儀(d8 advance，Bruker，德國)進(jìn)行分析，工作電壓為40 kV，電流為40 mA，以連續(xù)方式進(jìn)行掃描，掃描2θ范圍為0.6°～40.0°，速度為0.02°/s,記錄實驗結(jié)果。

2 結(jié) 果

2.1 紅外光譜分析結(jié)果

圖1 反應(yīng)殘余物的紅外光譜圖Fig.1 Fourier infrared spectra of residual recants

2.2 X射線衍射結(jié)果

如圖2所示，與對照組相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP處理HAp后，分別在2θ為3.20°、4.62°、6.88°(箭頭所示)出現(xiàn)3個特征性的峰，表明了10-MDP-鈣鹽的形成[10]，而對照組中未出現(xiàn)這些特征峰。

圖2 第1、2組反應(yīng)殘余物的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of residual recants of group 1, 2

如圖3所示，與對照組相比，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%γ-MPS的10-MDP混合處理劑處理HAp(第4組)后，分別在2θ為3.32°、4.97°、7.50°(箭頭所示)出現(xiàn)3個特征性的峰，形成了10-MDP-鈣鹽。HAp經(jīng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%或15%γ-MPS的10-MDP混合處理劑(依次為第6、8組)處理后，與對照組相比，分別在2θ為3.20°、4.62°、6.88°(箭頭所示)出現(xiàn)3個微弱的特征峰，表明了10-MDP-鈣鹽的形成。但是第8組的3個特征峰的強(qiáng)度較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP處理組的小得多，幾乎看不見峰的形成。

圖 3 第1、2、4、6、8組反應(yīng)殘余物的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of residual recants of group 1, 2, 4, 6, 8

如圖4所示，與對照組相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%γ-MPS處理HAp(依次為第3、5、7組)后，圖譜與對照組相似，未發(fā)現(xiàn)特征峰。

圖4 第1、3、5、7組反應(yīng)殘余物的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of residual recants of group 1, 3, 5, 7

3 討 論

10-MDP被發(fā)現(xiàn)可與羥基磷灰石形成化學(xué)鍵結(jié)合，提供額外的粘接力，成為牙本質(zhì)粘接劑中不可替代的重要功能成分[15]。在粘接劑中加入硅烷或其他物質(zhì)使粘接劑多用途化適應(yīng)目前的臨床需要。在牙本質(zhì)粘接中，10-MDP-Ca鹽的形成在增加牙本質(zhì)的粘接強(qiáng)度[5-6]的同時提高了粘接穩(wěn)定性[6-7]。但是10-MDP-鈣鹽的形成受很多因素的影響，例如濃度[16]、反應(yīng)時間[17]、單體純度[18]等。而γ-MPS水解后的硅烷醇基團(tuán)與10-MDP可能發(fā)生縮合反應(yīng)，因此額外添加硅烷能夠提高通用型粘結(jié)劑對玻璃陶瓷的粘結(jié)強(qiáng)度[12]，但在牙本質(zhì)粘接領(lǐng)域中未研究此縮合反應(yīng)。

本實驗采用紅外和X射線衍射兩種分析方法分析不混合或混合不同量硅烷的10-MDP處理劑與HAp反應(yīng)后的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅烷對10-MDP-鈣鹽形成的影響。10-MDP在水-乙醇介質(zhì)中，其磷酸二氫基團(tuán)可以分解成兩個質(zhì)子[19]。在質(zhì)子的攻擊下，羥基磷灰石與10-MDP反應(yīng)形成10-MDP-鈣鹽。結(jié)合10-MDP的結(jié)構(gòu)和10-MDP-鈣鹽難溶于水的特性，使其既可以酸蝕羥基磷灰石，也能在粘接界面沉積鈣鹽[20]。

從紅外的結(jié)果中可以分析得出10-MDP與HAp間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)乙醇充分沖洗后，仍在反應(yīng)殘余物中觀察到10-MDP中的甲基丙烯氧基羰基峰，與之前的研究結(jié)果保持一致[6]。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP處理劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%γ-MPS，處理HAp，結(jié)果與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP組對比未發(fā)現(xiàn)明顯差異。而經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%γ-MPS處理后，并未出現(xiàn)新的峰。這提示γ-MPS不能與HAp反應(yīng)，或考慮為γ-MPS與HAp的反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)合穩(wěn)定性差。根據(jù)以往報道，硅烷水解形成活性硅烷醇基團(tuán)，隨后與含有羥基的化合物發(fā)生縮合反應(yīng)，在陶瓷和樹脂基質(zhì)間形成硅氧烷網(wǎng)絡(luò)[11]。而羥基磷灰石是一種礦物質(zhì)。粘接劑中的酸性單體的功能基團(tuán)，如磷酸基、羧基、磷酸基等，可釋放H+與牙體硬組織發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使牙體硬組織脫礦然后與鈣離子結(jié)合[21]。因此，γ-MPS不存在與HAp發(fā)生自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)和理論基礎(chǔ)。這與當(dāng)前的紅外實驗結(jié)果是相符的。

為了進(jìn)一步判斷鈣鹽形成含量的變化，當(dāng)前實驗使用X射線衍射來鑒定處理劑與羥基磷灰石樣品反應(yīng)殘余物的晶相。分析XRD圖譜，與對照組相比，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%和15%γ-MPS處理后，反應(yīng)殘余物的峰所在位置和峰的強(qiáng)度與對照組的一致，未出現(xiàn)特征峰，結(jié)合紅外結(jié)果，進(jìn)一步說明γ-MPS不能和HAp反應(yīng)。

如圖3所示，盡管加入10-MDP后，所有的反應(yīng)殘余物中都有10-MDP-鈣鹽的3個特征峰形成。10-MDP-鈣鹽的3個特征峰的強(qiáng)度與10-MDP鈣鹽形成的納米層的數(shù)量之間存在明顯相關(guān)性[17]。峰的強(qiáng)度越高，10-MDP鈣鹽形成的越多。

硅烷是一種雙功能分子，溶解于水和乙醇中。其水解有很強(qiáng)的pH依賴性，硅烷醇基團(tuán)的穩(wěn)定性和縮合速率受溶液pH影響[11]。量子化學(xué)在理論上證明：10-MDP和γ-MPS間存在分子間縮合的可能[12]。同時，在通用型粘接劑pH<3的環(huán)境中,硅烷自身會發(fā)生縮合，降低了玻璃基陶瓷的粘接強(qiáng)度[22]。

XRD分析還發(fā)現(xiàn)，加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硅烷后，峰的位置發(fā)生了變化，第2個特征峰強(qiáng)度較第2組的強(qiáng)，第1個特征峰不明顯。在10-MDP形成的酸性環(huán)境中，硅烷水解后的硅烷醇基團(tuán)自身發(fā)生縮合，干擾了10-MDP-鈣鹽的形成。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%的硅烷后,10-MDP-鈣鹽的3個特征峰的強(qiáng)度較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的10-MDP組小，10-MDP-鈣鹽形成的少。在本實驗設(shè)定的濃度中，實驗結(jié)果可以證實硅烷與10-MDP間存在相互作用，硅烷的添加抑制了10-MDP-鈣鹽的形成。因此，盡管通用型粘接劑用途廣泛，并且單步驟、單瓶型的特點使得操作更為友好和方便，但這是以犧牲一定程度的諸如硅烷或10-MDP等功能成分單獨使用時可實現(xiàn)的效果為代價的，在臨床上，這種表現(xiàn)可能會降低通用型粘接劑應(yīng)用于牙本質(zhì)粘接的強(qiáng)度。尋求該類產(chǎn)品技術(shù)上的革新，以更好地在這一化學(xué)綜合體中充分維持各種功能成分各自完全的活性仍是目前的研究方向。

另外需要注意的是，本實驗作為體外實驗尚不能完全模擬臨床牙本質(zhì)粘接過程，盡管γ-MPS的存在對10-MDP-鈣鹽的形成有影響，牙本質(zhì)粘接效果的獲得除了和鈣鹽形成與否和多少有關(guān)，還與鈣鹽的分布、水解穩(wěn)定性等相關(guān)。臨床醫(yī)師操作是否規(guī)范也是獲得長期粘接效果的關(guān)鍵。此外，硅烷對10-MDP抑制作用的表現(xiàn)，如混合層的機(jī)械性能、固化程度等也有待進(jìn)一步研究。