冯丹* 杨政远温雅晴林岐
吉林大学口腔医院修复科吉林长春 130021
来源：口腔医学研究
2023年11月第39卷第11期
摘要
目的:合成一种聚氨酯-二甲基丙烯酸酯低聚物(PU-MA),应用于牙科可见光固化树脂基质以改善其综合 性能。方法:以 BPA、IPDI和 HEMA 为原料合成 PU-MA,并与 POSS-MA、Bis-GMA/TEGDMA 共混配制新型可 见光固化树脂基质,通过物理-机械性能和体外细胞毒性检测,评价其综合性能;采用 SPSS20.0统计软件对数据进 行单因素和双因素方差分析。结果:20wt% PU-MA 使树脂基质的挠曲强度达(124.51±6.00) MPa,高于ISO 4049要求的下限(≥90 MPa);吸水和溶解值为(25.93±1.47) μg/mm3 和(0.50±0.08) μg/mm3,低于ISO 4049要求的上限(吸水值≤40 μg/mm3,溶解值≤7.5 μg/mm3);体外细胞毒性试验表明,L929细胞增殖率大于90%,且 细胞生长形态良好。结论:在一定条件下(对于甲基丙烯酸酯基树脂),PU-MA 可有效提高传统树脂基质的力学性 能,降低其吸水和溶解性,在改善复合树脂耐老化性能方面可能具有较好的应用潜力。
关键词
树脂基质; 聚氨酯; 吸水和溶解性; 机械性能
引言
光固化复合树脂目前仍被作为龋病充填治疗的 主要及首选修复材料[1]。然而调查表明,临床医生 需要花费较多时间更换充填失败的修复体[1,2],其 中修复体断裂是修复失败较常见原因之一[3,4]。目 前临床上常见的商品复合树脂仍是以 Bis-GMA/TEGDMA 体系为主,在光引发剂作用下,基质通过 碳碳双键发生聚合反应,形成高度交联的聚合物网 络结构包裹无机填料,使复合树脂表现出良好的机 械性能[5]。但修复体长期受到咀嚼应力以及酸、碱 和冷热环境作用,有机聚合物易发生腐蚀和降解,导 致材料机械性能下降[6,7]。
POSS 是 一 类 有 机-无 机 杂 化 单 体,粒 径 在1.5 nm 左右,其化学式为(RSiO1,5)n,它具有Si-O 形 成的疏水性内核作为主体结构,将 POSS加入到塑 料中,可以使材料的物理性能显著提高[8]。多面体 低聚倍半硅氧烷-甲基丙烯酸酯(POSS-MA)具有笼 型基本结构,外部连接8个甲基丙烯酸酯官能团,有 文献报道,将POSS-MA 作为Bis-GMA 的部分替代 单体,可提高树脂基质的机械性能[9,10]。
以双酚-A 为核心结构的高分子能够赋予聚合 物良好的强度和韧性[11]。故在前期工作基础上,本 研究采用异氟尔酮二异氰酸酯、双酚 A 和甲基丙烯 酸羟乙酯合成了一种聚氨酯-二甲基丙烯酸酯低聚 物(PU-MA),进一步改进 POSS-MA 增强树脂基质 的性能。通过物理-机械性能和体外细胞毒性检测,评估 PU-MA 在提高可见光固化复合树脂综合性能 方面的应用潜力。
1 材料与方法
1.1 主要材料
双酚 A(BPA,纯度99%)、异佛尔 酮二异氰酸酯(IPDI,纯度99%)、甲基丙烯酸羟乙 酯 (HEMA,纯 度 95%)由 美 国 TCI 公 司 提 供; POSS-MA 由 美 国 Hybrid Plastic 公 司 提 供;BisGMA(纯度99%)、TEGDMA(纯度 95%)、4-二甲 氨基 苯 甲 酸 乙 酯 (EDMAB,纯 度 99%)、樟 脑 醌(CQ,纯度97%)由美国 Sigma-Aldrich公司提供,主要单体分子结构如图1。
1.2 主 要 仪 器
万 能 试 验 机 (AG-Xplus10KN, Shimadzu,日本);维氏硬度仪(HMV-G20,Shimadzu,日本);傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 (FT-IR,VERTEX-80V,Bruker,德国);荧光倒置显微镜(Olympus,日本);酶标仪(Gene5, Biotek,美国)。
1.3 实验方法
1.3.1 PU-MA 的合成与化学表征
在65 ℃氮气 环境下,向200 mL四氢呋喃溶剂中加入4.67 g异 佛尔酮二异氰酸酯和0.10 g二月桂酸二丁基锡,机 械搅拌;然后加入3.00 g双酚 A,继续反应约6 h。通过 FT-IR红外光谱判断反应结束时间,如图2所 示。当红外 光 谱 显 示 -OH 峰 消 失 时 (此 时 形 成-NCO 封端低聚物),加入稍过量甲基丙烯酸羟乙 酯(2.04 g),形成 C=C 双键封端的聚氨酯-二甲基 丙烯酸酯低聚物单体 PU-MA,其分子式如图3所 示。减压蒸馏反应液,采用石油醚提纯,得到白色沉 淀物,反复提纯2次,抽真空烘干,获得终产物。
1.3.2 光 固 化 树 脂 基 质 的 制 备
以 CQ 和EDMAB为催化剂,向Bis-GMA/TEGDMA/POSSMA混合基质中加入不同质量分数的 PU-MA,部 分取代 Bis-GMA/TEGDMA(质量比为7∶3)传统 基质,40 ℃ 超 声 震 荡 30 min,具 体 成 分 及 配 比 见表1。
1.3.3 吸水和溶解值检测
参照ISO 4049,制作ϕ15 mm×1 mm 圆形树脂片(n=5)。避光条件下,将试件置于37 ℃真空干燥器中干燥,获得试件恒定 质量(记为 M1);然后将试件存放在37 ℃蒸馏水中 浸泡7 d后再次称重(记为 M2);将浸泡过的试件再 次放入 干 燥 器 中 干 燥,获 得 试 件 恒 定 质 量 (记 为M3)。根据 公 式 Wsp= (M2- M3)/V 和 Wsl= (M1-M3)/V 计算待测样品的吸水值(Wsp)和溶 解值(Wsl)(单位:μg/mm3)。
1.3.4 挠 曲 强 度 和 弹 性 模 量 检 测
参 照 ISO 4049,制作2 mm×2 mm×25 mm 的长条形待测样 品(n=5),避光条件下,在37 ℃蒸馏水中存放24 h后采用万能试验机进行测试,将压头下降速度设为1 mm/min,直至试件断裂得到材料的挠曲强度值 (单位:MPa)和弹性模量值(单位:Gpa)。
1.3.5 表 面 硬 度 检 测
按 照 ISO 4049,制 作ϕ6 mm×2 mm 的圆形树脂片(n=5),避光条件下,在37 ℃蒸馏水中存放24 h后采用维氏硬度仪进行 测试。加 载 力 设 定 为 980 mN,加 载 时 间 设 定 为10 s,稳定后记录表面硬度值。1.3.6 体外细胞毒性检测
1.3.6.1 MTT 细胞毒性检测
参照ISO10993-5- 2013,制作ϕ15 mm×1 mm 的圆形试件,放入6孔 板,紫外照射4 h。配制含10% FBS的 DMEM 培 养液,分别提取试验材料24 h、48 h和72 h的样本 浸提液。向96孔板中接种1×104/mL L929细胞 悬液(每孔200 μL),在37 ℃、5%CO2 条件下孵育24 h,显微镜下观察,当细胞贴壁后去除原液,将试 验组浸 提 液 加 入 孔 板 中 (200 μL/孔),继 续 培 养24 h。然后向 每 孔 加 入 20 μL MTT 溶 液 (5 mg/ mL),继续培养4 h,弃上层液,加入150 μL DMSO,采用酶标仪(490 nm 波长下)检测 A 值,根据公式 细胞相对增殖率(%)=实验组A 值/阴性对照组 A值×100%,计 算 细 胞 相 对 增 殖 率。将 仅 含 10% FBS的 DMEM 培养液设为空白对照,不含 PU-MA的材料浸提液设为阳性对照。
1.3.6.2 Calcein-AM 和 PI活/死细胞染色配置
染液:避光条件下将6 μL Calcein-AM 和18 μL PI加入6 mL 10×Assay Buffer,充分混匀,得到染色 工作液。首先按照如上方法获得24 h、48 h和72 h材料浸 提 液,然 后 向 6 孔 板 接 种 L929 细 胞 悬 液(5×104 个细胞/孔)。在37 ℃、5%CO2 条件下孵育24 h,显微镜下观察,当细胞贴壁后去除原液,将试 验组浸提液加入孔板中(每孔2 mL),继续培养24 h后,采用 PBS溶液冲洗,然后加入200 μL 染色液,通过荧光显微镜观察活死细胞染色情况。将仅含10%FBS 的 DMEM 培 养 液 设 为 空 白 对 照,不 含PU-MA 的材料浸提液设为阳性对照。
1.3.7 统计学分析采用
SPSS 20.0软件分别对吸水值、溶解值、挠曲强度、弹性模量和表面硬度检 测结果进行单因素方差分析,并进行多重比较;对MTT 检测结果进行双因素方差分析。
2 结果
2.1 吸水和溶解值
如表2所示,PU-MA 的加入 使树脂基 质 的 吸 水 值 明 显 降 低,具 有 统 计 学 意 义(P<0.05);低含量的 PU-MA 使树脂基质的溶解 值升高,但当含量超过 15wt% 时,明 显 降 低 (P < 0.05)。
2.2 挠曲强度、弹性模量和表面硬度
PU-MA 使 树脂基质的挠曲强度、弹性模量和表面硬度得到提 高,如表3;当 PU-MA 含量为20wt%时,树脂基质 的挠曲强度可达(124.51±6.00) MPa;但当含量达25wt%以上时,挠曲强度明显下降(P<0.05),达到30wt%时,弹性模量值较难获得。
2.3 体外细胞毒性
2.3.1 细胞相对增殖率 结果显示各组 L929细 胞增殖率均在90%以上(图4);PU-MA 含量在0~ 30wt%变化时各组细胞增殖率没有显著差异(P> 0.05)。此外,试验材料和浸提时间并未对细胞增殖 率产生 显 著 影 响,二 者 之 间 也 无 交 互 作 用 (P > 0.05),如表4。
2.3.2 Calcein-AM 和 PI活/死细胞染色 观察细 胞生长状 态 如 图 5 所 示,可 见 材 料 浸 提 液 培 养 的L929细胞伸展良好,形态未见明显异常。
3 结论
复合树脂的吸水性与有机基质的亲水特性密切 相关,而非共价键起到重要作用[12,13],其中,-OH 与 水分子之间具有较强的氢键作用力[14]。此外,材料 的吸湿性与聚合物内部微观结构也密切相关。浓度 适宜的小分子单体作为稀释剂,有助于聚合物形成 致密的网络结构,减少聚合物内部缺陷[15]。本研究 中,采 用 PU-MA 部 分 替 代 Bis-GMA/TEGDMA,使树脂基质中羟基含量降低,基质的亲水性下降,这 是 PU-MA 降低光固化树脂基质吸水值的主要原 因。
聚合物链分子结构和交联程度是影响材料力学 性能的重要因素[16]。苯环含有共轭双键体系,其平面结构特征,有助于提高材料的刚性。通过调整聚 合物中刚性结构与柔性结构比例可改善材料的挠曲 性能[17]。PU-MA 分子链中含有重复的苯环和环己 烷结构单元,使材料具有刚性特征,POSS-MA 具有Si-O 形成的笼型主体结构,二者均有助于提高传统 基质固化后的交联度,降低其质的溶解性,使树脂基 质强 度 提 高,赋 予 材 料 良 好 的 机 械 性 能。但 当PU-MA 超过一定含量时,树脂基质粘度增加,这会 限制分子在聚合反应过程中的移动,导致固化后聚 合物结构分布不均匀或内部存在微小孔隙等缺陷,局部易出现应力集中,影响材料的强度。此外,体外 细胞毒性实验研究初步表明,PU-MA 改进树脂基 质的细胞相对增加率在90%以上,细胞生长形态良 好,说明材料无明显细胞毒性,但仍需对新材料的生 物相容性进一步研究。
修复体断裂是复合树脂充填修复失败较常见原 因,力学强度可作为评价其临床使用寿命的重要参 考。复合树脂长期浸泡在复杂的口腔环境中,受到 水环境和咀嚼应力的综合作用,有机聚合物易发生 腐蚀和降解,而吸水和溶解性是影响材料力学强度、颜色稳定性的重要因素[18,19]。具有较高吸水和溶 解性的复合树脂更易发生材料降解,力学强度下降 和染色[6,7,18,19]。而 PU-MA 的加入使树脂基质的 初始力学强度提高,吸水及溶解性降低,因此推断其 在改善复合树脂耐老化性能方面可能具有较好的应 用潜力。
综上所述,可以得出以下结论:在一定条件下(对于甲基丙烯酸酯基树脂),PU-MA 可有效提高 树脂基质力学性能;降低传统树脂基质的吸水和溶 解性;在改善复合树脂耐老化性能方面可能具有较 好的应用潜力,仍有待进一步研究。
为方便阅读，本文移除了脚注。如有需要，请参阅《口腔医学研究》 2023年11月第39卷第11期 END
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