摻鋅生物活性玻璃納米顆粒對(duì)復(fù)合樹脂力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

王路明 曹瀟 仵琳悅 李蘊(yùn)聰 雷波 牛林

1.西安交通大學(xué)陜西省顱頜面精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710004；2.西安醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院口腔科 西安 710038；3.西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院 西安 710054

復(fù)合樹脂以其優(yōu)異的美學(xué)效果及良好的力學(xué)性能在臨床上廣泛應(yīng)用于牙體缺損修復(fù)[1]，但與其他牙科修復(fù)材料相比，復(fù)合樹脂容易產(chǎn)生聚合收縮，這種收縮會(huì)破壞充填體的邊緣封閉性，在充填體與牙體組織之間形成微滲漏。此外，口腔微環(huán)境中的細(xì)菌容易在其表面黏附、聚集，形成菌斑生物膜，從而導(dǎo)致繼發(fā)齲的產(chǎn)生[2]。為了克服這些缺陷，在復(fù)合樹脂材料中添加具有抗菌生物效應(yīng)的組分，研發(fā)能夠抑制細(xì)菌黏附和生長(zhǎng)的牙科復(fù)合樹脂材料具有重要的臨床意義。另外，預(yù)防釉牙本質(zhì)脫礦的同時(shí)促進(jìn)脫礦組織再礦化，也是減少繼發(fā)齲發(fā)生，提高樹脂充填修復(fù)成功率的有效策略[3-4]。近年來，生物活性玻璃以其良好的生物活性、生物相容性、骨傳導(dǎo)性、組織礦化能力等在器官損傷修復(fù)[5]、癌癥治療[6]等方面的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。鋅元素是人體必需的微量元素之一，鋅及其氧化物有著長(zhǎng)效且安全穩(wěn)定的抗菌特性[7]。若將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來對(duì)復(fù)合樹脂進(jìn)行改性，增強(qiáng)復(fù)合樹脂的抗菌性能和促進(jìn)牙體組織再礦化的能力，將大大改善目前復(fù)合樹脂性能的不足。本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠模板法，在十二胺催化下制備摻鋅生物活性玻璃納米顆粒（Zn-doped bioactive glass nanoparticles，Zn@BGN），再用其對(duì)復(fù)合樹脂改性，對(duì)改性后的復(fù)合樹脂力學(xué)性能進(jìn)行初步研究，同時(shí)篩選適宜的Zn@BGN添加比例，為進(jìn)一步探討Zn@BGN改性復(fù)合樹脂的抗菌性能及再礦化能力提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料儀器

1.1.1 主要原料去離子水、無水乙醇（C2H6O）、十二胺[dodecylamine；CH3(CH2)11NH2]、正硅酸乙酯（tetraethylorthosilicate，TEOS；C8H20O4Si）、磷酸 三 乙 酯（triethylphosphate，TEP；C6H15O4P）、四水硝酸鈣[calcium nitrate tetrahydrate，CN；Ca(NO3)2·4H2O]、六 水 硝 酸 鋅[zinc nitrate hexahydrate，ZN；Zn(NO3)2·6H2O]，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷kh-570[γ-ethacryloxy propyl trimethoxyl silane；CH3CCH2COO(CH2)3Si(OCH3)3]，以上材料均為薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司產(chǎn)品。樹脂體系采用雙酚A雙甲基丙烯酸縮水甘油酯（bisphenol A glycerolate dimethacrylate，BisGMA）和雙甲基丙烯酸二縮三乙二醇酯（triethylene glycol dimethacrylate，TEGDMA）的混合物（Bis-GMA∶TEGDMA質(zhì)量比為50∶50），0.7 μm硅化鋇硼酸鹽玻璃填料[silinated 0.7 micron Bbas（boron barium sulfate）glass]，以上材料均為美國(guó)Esstech公司產(chǎn)品。引發(fā)體系包括光引發(fā)劑樟腦醌（camphorquinon，CQ）及光促進(jìn)劑胺活化劑甲基丙烯酸二甲氨基乙酯[2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate，DMAEMA]，均為美國(guó)Sigma-Aldrich公司產(chǎn)品。

1.1.2 主要儀器分析天平（BSA2245型，Sartorius公司，德國(guó)），磁力恒溫?cái)嚢杵鳎≧H digital&ETS-D5型，IKA公司，德國(guó)），高速離心機(jī)（Multifuge X1型，Thermo公司，美國(guó)），渦旋振蕩器（VoRTEX GENIUS 3型，IKA公司，德國(guó)），超聲振蕩器（KQ5200DE型，昆山超聲儀器有限公司），冷凍干燥機(jī)（LABCONCO公司，美國(guó)），馬弗爐（KSL-1200X型，合肥科晶材料技術(shù)有限公司），恒溫振蕩器（IS-RSD3型，CRYSTAL公司，美國(guó)），電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司），數(shù)顯游標(biāo)卡尺（500-196-30型，Mitutoyo公司，日本），光固化機(jī)（LED-F PLUS型，中國(guó)啄木鳥醫(yī)療器械有限公司），萬能材料測(cè)試機(jī)（AGS-10kNG/500N型，島津公司，日本），多功能數(shù)顯顯微硬度儀（MHVD-1000IS型，上海鉅晶精密儀器制造有限公司），透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM；H7700型，HITACHI公司，日本），場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡X射線光電子能譜儀（field emission scanning electron microscope/X-ray energy dispersive spectrometers，EDS；Quanta 250 FEG型，F(xiàn)EI公司，美國(guó)），X射線衍射儀（X-ray powder diffractometer，XRD；Bruker D8 ADVA-NCE型，Bruker AXS公司，德國(guó)）。

1.2 Zn@BGN的制備

使用溶膠-凝膠模板法，在十二胺催化下制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Zn@BGN（表1）。將2 g十二胺、12.5 mL去離子水和40 mL無水乙醇加入燒瓶中，置于40℃的恒溫磁力攪拌器上，充分?jǐn)嚢?5 min形成催化反應(yīng)模板，先滴加500 μL TEOS，間隔10 min后再滴加500 μL TEOS，攪拌30 min后緩慢滴加103 μL TEP，繼續(xù)攪拌30 min，按照表1所列的不同的摻鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.6%、2.6%、6.4%）依次加入已充分水解的CN和ZN，攪拌3 h后離心（10 000 r·min-1，15 min），去上清后加入無水乙醇洗滌3次，每次均使用超聲振蕩器及渦旋振蕩器充分振蕩后離心（10 000 r·min-1，5 min），去上清，再使用去離子水洗滌3次，得到生物活性納米顆粒（bioactive glass nanoparticles，BGN）以及不同摻鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.6%、2.6%以及6.4%）的Zn@BGN凝膠，預(yù)凍后置入冷凍干燥機(jī)干燥，最后經(jīng)過馬弗爐600℃煅燒以去除結(jié)晶水和硝酸根，得到白 色BGN以 及3組 實(shí) 驗(yàn) 組Zn@BGN粉 末（1-Zn@BGN、2-Zn@BGN和6-Zn@BGN）。

表1 不同摻鋅比例BGN各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab 1 Different proportion of Zn@BGN mass fraction of components %

1.3 Zn@BGN微觀表征

取適量的BGN及3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的Zn@BGN粉末，加入含有無水乙醇的小燒杯中，置于超聲振蕩器上振蕩15～30 min，使之分散均勻。用毛細(xì)玻璃管吸取已振蕩均勻的混合液，滴于銅網(wǎng)表面的碳支持膜上，確保樣本均勻分布在支持膜上。待無水乙醇揮發(fā)完后，使用TEM對(duì)材料的形貌、粒徑及分散性進(jìn)行觀察。另取適量樣本，采用EDS進(jìn)行面掃描，對(duì)樣本元素成分進(jìn)行測(cè)定。

1.4 材料體外生物活性檢測(cè)

將BGN及Zn@BGN粉末按照1 g·L-1的質(zhì)量濃度分別加入含有20 mL模擬體液（simulated body fluid，SBF）[8]的聚乙烯瓶中，將其固定在恒溫振蕩器中（120 r·min-1，37℃）持續(xù)搖動(dòng)，經(jīng)過10 d的反應(yīng)后，過濾溶液，丙酮沖洗終止反應(yīng)，去離子水洗滌，離心（10 000 r·min-1，5 min）3次，之后將其放入干燥箱中60℃干燥2 h獲得反應(yīng)后的材料。使用XRD對(duì)反應(yīng)后材料進(jìn)行連續(xù)掃描（10°～80°），XRD工作條件：Cu靶Kα射線，管電壓40 kV，管電流100 mA。通過XRD圖譜中呈現(xiàn)的磷灰石（hydroxyapatite，HA）特征峰判斷材料的體外活性[9]，篩選Zn@BGN中適宜的摻鋅比例。將篩選出的摻鋅比例適宜的Zn@BGN進(jìn)行硅烷化處理，備用。

1.5 Zn@BGN改性復(fù)合樹脂的制備

參照表2中復(fù)合樹脂各組組分的配比，稱取樹脂體系（BisGMA/TEGDMA），避光環(huán)境下依次加入光引發(fā)體系（CQ和DMAEMA）、硅烷化的無機(jī)填料及1-Zn@BGN（通過上一步實(shí)驗(yàn)篩選得出）。制備對(duì)照組復(fù)合樹脂和3個(gè)實(shí)驗(yàn)組復(fù)合樹脂。對(duì)照組：未添加Zn@BGN改性樹脂；實(shí)驗(yàn)組1：Zn@BGN-10改性樹脂；實(shí)驗(yàn)組2：Zn@BGN-15改性樹脂；實(shí)驗(yàn)組3：Zn@BGN-20改性樹脂。

表2 實(shí)驗(yàn)用復(fù)合樹脂各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab 2 The composite resin mass fraction of each composition %

1.6 復(fù)合樹脂機(jī)械性能測(cè)定

1.6.1 撓曲強(qiáng)度（flexural strength，F(xiàn)S）依據(jù)ISO4049標(biāo)準(zhǔn)，用于FS測(cè)試試件的尺寸為長(zhǎng)（l）25 mm，寬（w）2 mm，高（h）2 mm。將復(fù)合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈燈頭置于垂直于試件表面5 mm處，從前段、中段、后段依次照射，每個(gè)部位照射10 s，正反面相同（正面共30 s，反面共30 s），固化后脫模，打磨光滑，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺復(fù)測(cè)試件尺寸，37℃水浴中存儲(chǔ)24 h，備用。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（跨距L為20 mm，速度為0.5 mm·min-1，傳感器量程為10 kN），記錄破壞載荷F。根據(jù)公式FS=3FL/2wh2計(jì)算FS。

1.6.2 徑向拉伸強(qiáng)度（diametral tensile strength，DTS）依據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用于DTS測(cè)試試件的尺寸為直徑（d）6 mm，高（h）3 mm。將復(fù)合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈充分光照（正面30 s，反面30 s），固化后脫模，打磨光滑后，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺復(fù)測(cè)試件尺寸，在37℃水浴中存儲(chǔ)24 h，備用。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（速度為0.5 mm·min-1，傳感器量程為10 kN），記錄破壞載荷F。根據(jù)公式DTS=2F/πdh計(jì)算DTS。

1.6.3 壓縮強(qiáng)度（compression strength，CS）依據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用于CS測(cè)試試件的尺寸為直徑（d）4 mm，高（h）6 mm。將復(fù)合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈充分光照（正面30 s，反面30 s），固化后脫模，打磨光滑后，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺復(fù)測(cè)試件尺寸，在37℃水浴中存儲(chǔ)24 h，備用。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（速度為0.5 mm·min-1，傳感器量程為10 kN），記錄破壞載荷F。根據(jù)公式CS=F/πr2（r=1/2d）計(jì)算CS。

1.6.4 維氏硬度（Vickers hardness，HV）依據(jù)ISO4049標(biāo)準(zhǔn)，用于HV測(cè)試試件的尺寸為長(zhǎng)（l）6 mm，寬（w）5 mm，高（h）3 mm。將復(fù)合樹脂充分填塞于定制的聚四氟乙烯磨具中，光固化燈充分光照（正面30 s，反面30 s），固化后脫模，測(cè)試面高度拋光至鏡面狀，其余面打磨光滑，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺復(fù)測(cè)試件尺寸，37℃水浴中保存24 h，備用。使用多功能數(shù)顯顯微硬度儀對(duì)每個(gè)試件測(cè)試面取隨機(jī)8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)加載力為0.98 N，保持5 s，得出各點(diǎn)的HV，計(jì)算每個(gè)試件的HV平均值。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本實(shí)驗(yàn)采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，經(jīng)過方差齊性及正態(tài)性檢驗(yàn)后，進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)為雙側(cè)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 材料TEM表征

TEM微觀檢測(cè)顯示：各組Zn@BGN粒徑均在150 nm左右，形態(tài)規(guī)則，單分散性好（圖1），與對(duì)照組BGN無明顯差異。EDS元素分析顯示結(jié)果與生物活性玻璃（SiO2-CaO-P2O5）相符（圖2）。

圖1 摻鋅生物活性玻璃納米顆粒TEM照片F(xiàn)ig 1 TEM photos of Zn@BGN

圖2 摻鋅生物活性玻璃納米顆粒EDS元素分析圖Fig 2 EDS element analysis diagram of Zn@BGN

2.2 體外生物活性

從XRD圖譜中可以看出，BGN出現(xiàn)了HA特征峰，與2-Zn@BGN、6-Zn@BGN相比，當(dāng)摻鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%（1-Zn@BGN）時(shí)，XRD圖譜中也出現(xiàn)了HA特征峰（圖3），由此通過體外HA實(shí)驗(yàn)篩選出了與BGN具有相同活性的合適摻鋅比例。后續(xù)力學(xué)性能研究均采用1-Zn@BGN（以下簡(jiǎn)稱Zn@BGN）進(jìn)行測(cè)試。

圖3 XRD圖譜中HA特征峰圖Fig 3 XRD spectrum of HA characteristic peaks

2.3 Zn@BGN改性復(fù)合樹脂力學(xué)性能

改性復(fù)合樹脂力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見圖4：Zn@BGN添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%時(shí)，4項(xiàng)力學(xué)性能與對(duì)照組的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；當(dāng)Zn@BGN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，F(xiàn)S和DTS性能下降，差異與對(duì)照組相比有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。由此可以看出，Zn@BGN添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%及以下時(shí)，不影響復(fù)合樹脂的力學(xué)性能。

圖4 改性復(fù)合樹脂力學(xué)性能Fig 4 Mechanical properties of modified composite resin

3 討論

20世紀(jì)60年代，Hench等研發(fā)了生物活性玻璃45S5，化學(xué)組分為Na2O-CaO-SiO2-P2O5[10]。因其具有良好的生物相容性和較高的骨修復(fù)能力[11]，以及促進(jìn)生物礦化及提高細(xì)胞活性等優(yōu)越性能，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[12]。20世紀(jì)70年代Hench等又研制出熔融法來制備生物活性玻璃[13]。該方法類似于傳統(tǒng)玻璃制備，即將一定量組成的原料混合，通過高溫下熔融（1 300～1 500℃），最后淬冷得到最終產(chǎn)物。雖然該方法制備的生物活性玻璃在當(dāng)時(shí)具有比較好的生物相容性及較高的骨修復(fù)能力，但其制備缺點(diǎn)十分明顯。熔融法要求條件高，能耗大[14]，得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)密實(shí)無孔[15]，組成不均勻，比表面積較小[16]。直到20世紀(jì)90年代，Hench等又研制出了溶膠-凝膠法，并且成功制備58S、77S等生物活性玻璃，化學(xué)組分為SiO2-CaO-P2O5[17]。研究[15,18]表明，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在室溫下制備，并可達(dá)到分子級(jí)別，大大提高了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)均勻性，不會(huì)像熔融法所制備的那樣密實(shí)無孔，而是具有大量的微納米介孔，同時(shí)具有較高的比表面積和化學(xué)活性，從而提高了生物活性[12,15]。但此方法制備的生物活性玻璃因其顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚，嚴(yán)重影響了材料的分散性，即便通過后期篩分研磨[19-20]仍然欠佳，對(duì)其顆粒形態(tài)及尺寸的調(diào)控非常困難且繁瑣。

本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠模板法，在十二胺催化下制備出生物活性玻璃納米顆粒，改善了之前合成方法的不足，而且十二胺同時(shí)具備模板劑和催化劑的雙重作用[20]。通過十二胺的質(zhì)量濃度可以控制生物活性玻璃的粒徑和單分散性[20-21]。在本實(shí)驗(yàn)配置的十二胺質(zhì)量濃度的催化下，制備出的BGN及Zn@BGN均呈現(xiàn)出規(guī)則的納米球狀顆粒，粒徑約150 nm，大小較均一，單分散性良好（圖1），得到了理想的生物活性玻璃納米顆粒。原因考慮可能是由于十二胺的質(zhì)量濃度不同導(dǎo)致了溶液堿性的變化[21]。在溶液堿性較低時(shí)，反應(yīng)物的水解速率比較慢，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)顆粒不能迅速均勻長(zhǎng)大，故無法形成均勻的球狀顆粒；但隨著溶液堿性的升高，反應(yīng)物的水解及聚合速度同時(shí)加快，相同時(shí)間內(nèi)水解的產(chǎn)物有更多的時(shí)間與周圍的水解產(chǎn)物發(fā)生均勻碰撞，聚合增大，從而形成較均勻的納米玻璃微球[8,20-22]。

復(fù)合樹脂主要由樹脂基質(zhì)和硅烷化無機(jī)填料構(gòu)成，其中無機(jī)填料的含量、顆粒的大小及形態(tài)、分布是否均勻均可對(duì)其機(jī)械性能產(chǎn)生影響[23]，所以復(fù)合樹脂中的填料并不見得越多越好。填料過多時(shí)會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，無法均勻分散，樹脂連續(xù)相也同樣會(huì)遭到破壞，使其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)下降。因此，常見的無機(jī)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%[24]。本實(shí)驗(yàn)中無機(jī)填料的總添加比例設(shè)定為70%，Zn@BGN則是對(duì)無機(jī)填料進(jìn)行一定比例的替代。本實(shí)驗(yàn)中的BGN及Zn@BGN均已經(jīng)過硅烷化處理，目的是提高與樹脂基質(zhì)的相容性[25]，提升樹脂的力學(xué)性能。已有研究[26]表明：樹脂基質(zhì)中摻入已硅烷化的生物活性玻璃，依然能較快速地釋放出鈣、磷等離子，誘導(dǎo)HA的生成。

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示：Zn@BGN添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%時(shí)，F(xiàn)S、DTS、CS和HV與對(duì)照組的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，Zn@BGN改性復(fù)合樹脂的FS和DTS出現(xiàn)了明顯降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。CS和HV雖然也有下降，但與對(duì)照組未見明顯差異。FS和DTS降低的原因可能是納米填料添加量達(dá)到20%后，樹脂基質(zhì)中出現(xiàn)了納米顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，導(dǎo)致分布不均勻，從而出現(xiàn)樹脂強(qiáng)度不一及樹脂基質(zhì)不均勻聚合收縮的情況[27]，這種情況可導(dǎo)致應(yīng)力容易集中在這些不均勻的部位從而產(chǎn)生裂紋，并且容易在這些部位擴(kuò)展開來[28]，影響其力學(xué)性能。在20%添加量下，CS和HV與對(duì)照組無明顯差異，可能是因?yàn)镃S和HV與FS和DTS測(cè)試原理不同所致。FS和DTS主要反應(yīng)材料的韌性，以點(diǎn)線受力的方式測(cè)試，容易在分布不均的位置產(chǎn)生線性應(yīng)力集中，造成斷裂；而CS測(cè)試是將壓力以面分散給整個(gè)柱形材料，不容易出現(xiàn)點(diǎn)或線的應(yīng)力集中，所以產(chǎn)生的破壞沒有FS和DTS反應(yīng)的那么直接。此外，樹脂的壓縮性能本身要高于徑向拉伸性能[29]，這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一致性。納米顆粒的摻入會(huì)在復(fù)合樹脂的表層形成納米層，起初表面硬度會(huì)有所提高，但隨著納米材料摻入量的增加，表層的顯微硬度會(huì)逐漸下降[30]。之所以HV與對(duì)照組未見差異，可能是由于Zn@BGN摻入量未達(dá)到出現(xiàn)表層硬度明顯下降的拐點(diǎn)，而且無機(jī)填料的尺寸、組成及分布都有可能是影響硬度的因素[31]。

本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠模板法，在十二胺催化下制備出了粒徑大小均勻、單分散性良好且生物活性優(yōu)異的Zn@BGN。利用其對(duì)復(fù)合樹脂進(jìn)行改性，Zn@BGN添加量為15%時(shí)，不影響改性復(fù)合樹脂的力學(xué)性能，為進(jìn)一步研究Zn@BGN改性復(fù)合樹脂的抗菌性能及其再礦化能力提供了理論支持。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。