牙科自修復(fù)微膠囊材料的研究進(jìn)展

姚 爍，張曉冉，秦露丹，吳峻嶺

樹脂材料因其優(yōu)異的美學(xué)性能，良好的可操作性在口腔臨床應(yīng)用廣泛。但是，在復(fù)雜的口腔環(huán)境中，樹脂內(nèi)部將不可避免的產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋，微裂紋逐漸擴(kuò)展、融合，最終可能導(dǎo)致樹脂材料破裂，影響使用壽命[1]。為有效克服牙科樹脂材料在各種因素作用下產(chǎn)生的微裂紋，延長使用期限，基于微膠囊模型的外援型自修復(fù)材料成為了近年來研究的熱點(diǎn)[2-3]。為此，本文對牙科自修復(fù)微膠囊材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)、分析。

1 自修復(fù)微膠囊材料概述

自修復(fù)材料是一類能夠自我感知微裂紋并自我修復(fù)的智能材料[4]，可分為本征型(intrinsic)和外援型(extrinsic)自修復(fù)材料兩類[2，5-7]。其中基于微膠囊模型的外援型自修復(fù)材料制備簡便且修復(fù)效率高，在牙科自修復(fù)材料中具有良好的應(yīng)用前景[8-9]。微膠囊結(jié)構(gòu)通常由內(nèi)部的芯材和外部的殼材構(gòu)成，呈典型的核-殼結(jié)構(gòu)[4]，其制備方法涵蓋了物理法、相分離法、聚合反應(yīng)法等3類[9]。當(dāng)微裂紋產(chǎn)生時，裂紋刺破樹脂基質(zhì)中的微膠囊，儲存在微膠囊中的愈合液會通過毛細(xì)作用釋放到靶區(qū)，與預(yù)埋在基質(zhì)中的催化劑接觸，引發(fā)聚合反應(yīng)，從而將裂紋面黏合在一起，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)[10-13]。

2001年，White等[14]首次制備出了以雙環(huán)戊二烯(dicyclopentadiene，DCPD)為芯材，以脲醛樹脂(poly(urea-formaldehyde)，PUF)為殼材的自修復(fù)微膠囊，并將格拉布(Grubbs)催化劑與自修復(fù)微膠囊一同加入環(huán)氧樹脂基體中，實(shí)現(xiàn)了良好的自修復(fù)效果。2010年，Wertzberger等[15]將White提出的自修復(fù)模型引入到牙科復(fù)合樹脂中，自此，基于微膠囊模型的牙科自修復(fù)材料蓬勃發(fā)展。但PUF殼材的強(qiáng)度不夠，Then 等[16]嘗試用三聚氰胺對PUF進(jìn)行改性，提高了囊壁強(qiáng)度并能與樹脂基質(zhì)產(chǎn)生更大的機(jī)械結(jié)合力。鑒于DCPD-Grubb體系的毒性和高成本，Ouyang 等[17]制備了以三乙二醇二甲基丙烯酸酯(trimethylene glycol dimethacrylate，TEGDMA)為芯材，以聚氨酯為殼材的納米微膠囊。而后，Wu 等[3，18-19]研制出了以TEGDMA為芯材，以PUF為殼材的新型自修復(fù)微膠囊。受到玻璃離子水門汀材料粉-液調(diào)和固化模式的啟發(fā)，Huyang 等[20]以玻璃離子水門汀的主要成分聚丙烯酸水溶液作為自修復(fù)液合成了一種新型二氧化硅自修復(fù)微膠囊，并將氟硅酸鍶顆粒添加到樹脂基質(zhì)中，同樣獲得了自修復(fù)效果。上述研究均是利用微膠囊單一自修復(fù)特性為主的探索，鑒于口腔環(huán)境的復(fù)雜性，將自修復(fù)材料與多種改性材料聯(lián)合應(yīng)用，制備出具有多重功能的新型自修復(fù)牙科材料成為了研究的熱點(diǎn)。

2 自修復(fù)微膠囊材料與其他改性材料的聯(lián)合應(yīng)用

復(fù)雜的口腔環(huán)境對自修復(fù)樹脂材料提出了極高的要求，所以牙科自修復(fù)材料的多功能化對延長使用壽命具有重要意義。由于口腔環(huán)境中微生物的存在，繼發(fā)齲的發(fā)生成為了影響牙科樹脂使用壽命的另一大挑戰(zhàn)。基于此，學(xué)者們嘗試在牙科自修復(fù)樹脂中引入抗菌劑。吳峻嶺等[21]將PUF-TEGDMA微膠囊和新型納米二氧化硅抗菌填料同時加入復(fù)合樹脂中，合成出了兼具自修復(fù)及抗菌雙重功效的牙科復(fù)合樹脂。添加7.5%微膠囊，不會影響復(fù)合樹脂材料的機(jī)械性能。此體系在牙科樹脂水門汀中也表現(xiàn)出了良好的自修復(fù)及抗菌效果[22]。為了更好應(yīng)對復(fù)合樹脂繼發(fā)齲的發(fā)生，Wu等[23]又嘗試賦予牙科樹脂再礦化功能，合成了一種含有PUF-TEGDMA微膠囊、季銨鹽抗菌單體甲基丙烯酸十六烷基二甲銨以及無定形磷酸鈣納米顆粒的牙科復(fù)合樹脂。這種材料能夠?qū)崿F(xiàn)自修復(fù)、抗菌和再礦化三重功效，可以很好應(yīng)對樹脂破裂及繼發(fā)齲等影響樹脂修復(fù)體使用壽命的臨床問題；同時，此策略設(shè)計(jì)在牙科樹脂粘接劑中也能發(fā)揮作用，具有廣闊的應(yīng)用前景[24]。Chen 等[25]將新型強(qiáng)蛋白趨避性聚合物二甲基丙烯酰氧乙基磷膽堿和PUF-TEGDMA微膠囊共同加入牙科復(fù)合樹脂中。結(jié)果顯示，這種新型復(fù)合材料能實(shí)現(xiàn)較好的自修復(fù)效果，且能夠有效降低細(xì)菌在樹脂表面的吸附。將自修復(fù)微膠囊材料與抗菌劑、再礦化劑、抗蛋白等物質(zhì)聯(lián)合應(yīng)用可以有效提升自修復(fù)材料的抗菌性能，具有重要的應(yīng)用價值。

在樹脂材料中加入微膠囊將不可避免的會對樹脂材料的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，如何在不影響牙科樹脂機(jī)械性能的前提下賦予其自修復(fù)功能也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。納米二氧化硅作為常用填料，被嘗試添加到自修復(fù)牙科樹脂材料中。有研究將自修復(fù)微膠囊和納米二氧化硅填料同時加入到牙科樹脂材料中，研究結(jié)果表明，在樹脂基質(zhì)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硅烷化處理的二氧化硅及質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以內(nèi)的PUF-TEGDMA微膠囊，材料彎曲強(qiáng)度、透光率、硬度、轉(zhuǎn)換率、彈性模量等參數(shù)均未受到影響[26]。Ahangaran等[27]采用溶劑揮發(fā)法制備了一種以TEGDMA為芯材，以聚甲基丙烯酸甲酯為殼材的自修復(fù)微膠囊，與一定量硅烷化處理后的納米二氧化硅顆粒加入到自修復(fù)牙科樹脂材料中，數(shù)據(jù)顯示，微膠囊的引入并未影響樹脂的機(jī)械性能，該材料的自修復(fù)效率能達(dá)到78%～121%，對變形鏈球菌也有較好的抑制性，且未表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性。因此，通過加入納米二氧化硅填料來增強(qiáng)自修復(fù)牙科樹脂材料的機(jī)械性能具有重要的研究意義。

3 自修復(fù)微膠囊的硅烷化處理

硅烷化處理是指采用硅烷偶聯(lián)劑為主要原料的新型表面處理技術(shù)，能夠增強(qiáng)界面間結(jié)合力[28]。提高自修復(fù)微膠囊與樹脂基質(zhì)之間的界面結(jié)合力有利于提高自修復(fù)牙科復(fù)合樹脂材料的機(jī)械性能和自修復(fù)效率，基于此，學(xué)者們開始嘗試用偶聯(lián)劑對微膠囊進(jìn)行預(yù)處理。Li 等[29]用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑對PUF微膠囊進(jìn)行了表面改性，結(jié)果顯示，硅烷偶聯(lián)劑中的Si—OH與PUF微膠囊中的羥基發(fā)生反應(yīng)生成了化學(xué)鍵(Si—O—C)；另外，Si—OH與PUF微囊壁的羥基間有氫鍵作用，在界面上同時產(chǎn)生了化學(xué)吸附效應(yīng)，顯著改善了微膠囊與樹脂之間的界面結(jié)合力。有學(xué)者又用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑對三聚氰胺-尿素-甲醛微膠囊進(jìn)行了預(yù)處理，硅烷偶聯(lián)劑改善了微膠囊與基質(zhì)之間的界面結(jié)合力，并顯著提高了微膠囊的機(jī)械性能[30]。另外，硅烷偶聯(lián)劑的加入提高了微膠囊及自修復(fù)牙科復(fù)合樹脂的耐熱性能。其主要原因在于偶聯(lián)劑在分解過程中生成了無機(jī)鹽二氧化硅[30]。

Huyang 等[20]制備了以聚丙烯酸水溶液為芯材的二氧化硅微膠囊，硅烷化處理后加入到牙科樹脂基質(zhì)中，并對其表面形貌、機(jī)械性能和自修復(fù)效果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，硅烷偶聯(lián)劑可以幫助微膠囊在復(fù)合樹脂基體內(nèi)形成牢固的表面結(jié)合，對微膠囊的破裂和愈合液的釋放具有積極作用。Sharma 等[31]將經(jīng)過硅烷處理的微膠囊加入到牙科樹脂材料中，該材料表現(xiàn)出了較好的機(jī)械性能。有報道將兩組由不同硅烷偶聯(lián)劑處理的微膠囊加入到牙科復(fù)合樹脂中，一種用甲基丙烯酸酯硅烷(methacrylate silane，MA-silane)處理，另一組使用羥基硅烷(hydroxyl silane，OH-silane)處理，數(shù)據(jù)證實(shí)，含有5%的MA-silane處理的微膠囊實(shí)現(xiàn)了最佳的斷裂韌性和自修復(fù)效率[32]。這種硅烷化的微囊在基質(zhì)中的破裂速度可達(dá)未預(yù)處理微囊的5倍。所以，硅烷化處理對牙科自修復(fù)樹脂材料實(shí)現(xiàn)良好的自修復(fù)效果具有重要意義。

4 自修復(fù)牙科樹脂的動態(tài)力學(xué)、疲勞及老化研究

自修復(fù)牙科材料在臨床應(yīng)用中面臨著極大的挑戰(zhàn)。一方面是復(fù)雜的口腔環(huán)境，另一方面是修復(fù)材料本身需承受咬合所產(chǎn)生的咀嚼力。循環(huán)荷載、磨損、高濕度以及微生物等因素的存在都會對自修復(fù)牙科樹脂材料的使用壽命產(chǎn)生一定影響。因此，對樹脂材料的動態(tài)力學(xué)性能、疲勞及老化性能的研究對于自修復(fù)樹脂材料的臨床應(yīng)用具有重要意義。

目前基于牙科材料的動態(tài)力學(xué)行為的研究文獻(xiàn)較少。有學(xué)者研究了硅烷化處理的三聚氰胺-尿素-甲醛微膠囊的動態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果顯示，在較低的溫度范圍內(nèi)，含硅烷化微膠囊樹脂的儲能模量高于含未硅烷化微膠囊樹脂組，其tanδ曲線的寬度也較未改性組窄，微膠囊和基質(zhì)之間相容性的提高增加了儲能模量和阻尼性能[30]。Sharma等[31]也制備了硅烷化處理的自修復(fù)微膠囊，并研究了添加不同比例的微膠囊對牙科自修復(fù)復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)行為的影響。當(dāng)微膠囊含量從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%增加到6%時，材料的儲能模量、損耗模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨微囊添加量的增加而下降。但進(jìn)一步增加微膠囊的添加量到9%時，樹脂的儲能模量、損耗模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度又有所增加。Cole-Cole圖顯示了填充微膠囊的牙科復(fù)合樹脂體系是非均相體系。當(dāng)然，對自修復(fù)牙科樹脂的動態(tài)力學(xué)行為的研究還需進(jìn)一步深入，包括自修復(fù)微膠囊的加入如何影響牙科樹脂動態(tài)力學(xué)性能、使自修復(fù)樹脂材料動態(tài)及靜態(tài)力學(xué)性能最佳化的微膠囊最適添加量的探索等。

在以裂紋形式出現(xiàn)的修復(fù)體破壞中，由于疲勞造成的損傷占主導(dǎo)地位。之前對自修復(fù)牙科復(fù)合樹脂自愈合效率的評估主要集中在斷裂韌性的研究上，雖然修復(fù)體的整體破壞是由快速斷裂引起的，但微裂紋只有達(dá)到一定長度才能夠造成修復(fù)體斷裂，因此，修復(fù)體的使用壽命與其抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力有關(guān)[32]。而疲勞試驗(yàn)是表征牙科復(fù)合材料中裂紋擴(kuò)展的適宜方法，能夠較好預(yù)測材料的使用壽命。研究證實(shí)[33]，在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中加入微膠囊能夠降低疲勞裂紋的生長速率；由于微膠囊的加入改變了斷裂面的形貌，使其獲得了一定增韌效果，從而起到了抗裂紋生長的作用。Kafagy等[34]系統(tǒng)研究了自修復(fù)材料修復(fù)阻止裂紋擴(kuò)展的能力。自修復(fù)微膠囊的加入增強(qiáng)了復(fù)合材料體系的韌性，實(shí)現(xiàn)了疲勞裂紋增長的延遲，與先前的研究結(jié)果[33]相同。Yahyazadehfar等[32]根據(jù)微膠囊在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下的斷裂韌性、自修復(fù)效率以及其抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力對牙科自修復(fù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了評價。研究結(jié)果顯示，微膠囊含量為5%時，表現(xiàn)出了最好的斷裂韌性和自修復(fù)效率。微膠囊的加入可以顯著增強(qiáng)復(fù)合物基體的抗疲勞能力，其疲勞裂紋擴(kuò)展阻力顯著增加，疲勞壽命提高(580±15)%。疲勞裂紋擴(kuò)展的延緩可能與復(fù)合樹脂材料體系韌性的提高和自修復(fù)機(jī)制的作用有關(guān)，具體的臨床應(yīng)用效果仍然需要進(jìn)一步探索。

目前對自修復(fù)牙科復(fù)合樹脂抗老化能力的研究，除了上述模擬咀嚼循環(huán)法常用的疲勞循環(huán)試驗(yàn)外，還有介質(zhì)浸泡法，常采用蒸餾水作為浸泡介質(zhì)。Wu等[35]研究了含PUF-TEGDMA微膠囊的牙科復(fù)合樹脂的抗老化性能，研究結(jié)果顯示，此種復(fù)合材料具有良好的時效性，在水中浸泡6個月后樹脂材料仍具有良好的自修復(fù)效果且對復(fù)合材料的原始機(jī)械性能沒有不良影響。而對于含有PUF-TEGDMA微膠囊以及含長鏈烷基季銨鹽修飾的納米抗菌二氧化硅填料的新型自修復(fù)抗菌牙科復(fù)合樹脂，水老化明顯影響了自修復(fù)抗菌復(fù)合樹脂的機(jī)械性能，但其自修復(fù)性能和抗菌性能均未受到影響。浸泡270 d后，仍然可以獲得64%的自修復(fù)效率[36]。作為系列研究，Wu等[18]又研究了水老化12個月對自修復(fù)抗菌牙科樹脂粘接劑的影響。結(jié)果表明，老化12個月后，粘接劑的粘接強(qiáng)度、抗菌性能、自修復(fù)效率均未降低，表現(xiàn)出了良好的耐久性。新型多功能樹脂材料在實(shí)際口腔環(huán)境下的老化特性應(yīng)是未來研究的重點(diǎn)方向。

5 牙科自修復(fù)微膠囊材料展望

近年來，牙科自修復(fù)微膠囊材料得到了極大的發(fā)展，研究人員研發(fā)并優(yōu)化了不同的自修復(fù)體系，與多種材料協(xié)同應(yīng)用，制備出了多種極具臨床應(yīng)用前景的牙科自修復(fù)材料，豐富了牙科自修復(fù)高分子材料的基礎(chǔ)理論。

盡管牙科自修復(fù)微膠囊材料具有良好的性能，仍然存在著制約其發(fā)展的因素。一是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自修復(fù)效果。自修復(fù)效果與多重因素有關(guān)，例如微膠囊的大小及質(zhì)量、微膠囊與樹脂基質(zhì)的連接及微膠囊的破裂率等都會影響自修復(fù)效率。較大的微膠囊能夠容納較多的愈合液，且與基質(zhì)的結(jié)合更加緊密，有利于提高自修復(fù)效率。而較小的微膠囊由于表面積小，達(dá)不到理想的機(jī)械互鎖作用，不利于微膠囊的破裂，從而影響了自修復(fù)效率。所以調(diào)控微膠囊的適宜粒徑、提升微膠囊的質(zhì)量及強(qiáng)化微膠囊與樹脂基質(zhì)的結(jié)合十分有必要。此外，還可以研發(fā)更優(yōu)的自修復(fù)體系，選用反應(yīng)性高的愈合液，進(jìn)一步提高自修復(fù)效率。二是自修復(fù)微膠囊的加入，不可避免的會對樹脂基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)現(xiàn)最佳自修復(fù)效果，又不影響樹脂材料本身的性能的前提下，探討微膠囊的最適添加量具有重要意義。三是目前來說，微膠囊僅能實(shí)現(xiàn)單次自修復(fù)效果，當(dāng)樹脂材料內(nèi)的微膠囊行使單次自修復(fù)功能后，存在于樹脂中的微膠囊即變成了樹脂中的薄弱點(diǎn)。賦予微膠囊除自修復(fù)效果之外的功能，以使其能夠持續(xù)發(fā)揮作用也是今后應(yīng)用的挑戰(zhàn)。最后，目前對于牙科自修復(fù)微膠囊材料的研究多為體外研究，而口腔環(huán)境較為復(fù)雜，具體的應(yīng)用效果，仍需在實(shí)際口腔環(huán)境中進(jìn)行探索[37]。