生物玻璃填充牙科复合树脂材料的制备及其性能

郑  治^{1, 2}，黄伯云¹，向其军¹，谭彦妮¹，刘  咏¹

( 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 湘雅三医院，湖南 长沙，410013)

摘  要：通过光固化的方法制备以磷灰石玻璃陶瓷和气相二氧化硅为无机填料的牙科复合树脂。采用扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)对复合材料的微观形貌进行分析，测量复合材料的三点抗弯强度。采用体外模拟体液(Simulated body fluid, SBF)浸泡法测试材料的生物活性。研究结果表明：材料的抗弯强度达到(137±10) MPa，能够满足牙齿修复的力学性能要求；材料在SBF中浸泡3 d后，在表面形成矿化的碳酸磷灰石晶体层，表明材料具有较强的生物活性，可加快该材料植入人体后与骨的结合，并有利于龋齿的修复愈合。

关键词：磷灰石；无机填料；树脂；牙齿；生物活性

中图分类号：R783.1；TQ325        文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)01-0094-05

Preparation and property of bioglass ceramics filled dental resins

ZHENG Zhi^{1, 2}, HUANG Bai-yun¹, XIANG Qi-jun¹, TAN Yan-ni¹, LIU Yong¹

( State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;

2.The 3rd Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410013, China)

Abstract: Apaptite glass-ceramics and gaseous silica were used to fill light-cured dental resins. By using SEM/EDS, bending test and in vitro experiment, the microstructure, mechanical behavior and bioactivity of the composite were studied. The results show that the bending strength of the dental resin is (137±10) MPa, which meets the requirements for dental restoration. After immersion in SBF for 3 d, there is a mineralized carbonyl apatite layer formed on the material surface, indicating that the dental resin has a high bioactivity and has a good bonding to human bones. The dental resins filled with bioglass-ceramics and gaseous silica is promising in restoration of dental hard tissues.

Key words: apatite; inorganic filler; resin; tooth; bioactivity

牙科填充材料可用于各类缺损、龋齿充填及活动固定修复等。随着我国人口增长，牙科就医人数不断增加，牙科填充材料的需求量也日益扩大。银汞合金是早期的牙科充填材料，一直被用于治疗承担咀嚼功能的后牙出现的大面积缺损(Ⅰ类和Ⅱ类缺损)。然而，由于银汞合金存在一定的毒性，环境污染，美观性差，与牙体的颜色不一致，在牙体预备时侵入性大，与牙体硬组织附着力小等问题，许多患者不愿接受银汞合金填料，而更多地选用复合树脂材料。牙科用光固化复合树脂材料主要由无机填料和有机树脂组成，在受损区域充填后通过可见光固化。牙科光固化复合树脂材料具有操作方便，透明度高，粘着力强，美观，色泽好等优点，特别适合用于修复小面积的原发龋。然而，它存在一些不足之处，如在受力较大之处，直接的后牙修复和间接的牙冠修复方面的强度不够^[1-2]。此外，该材料的生物活性低，植入人体后与骨结合速  度较慢，容易松动，同时，不利于加快龋齿的修复愈合^[3-6]。

由于复合树脂材料中的无机填料质量占总质量的70%~80%，其体积占总体积的50%~60%，因此，通过改变无机填料的种类、组分、形态能够显著改变树脂的各项性能指标。值得注意的是，采用氨改性蒙脱土或多孔氧化硅填料能够显著降低复合树脂的收缩应力，减少微渗漏，可见，无机填料对改善聚合收缩具有广阔的应用前景。近年来，许多研究者对有机树脂与无机填料复合而成的复合树脂材料进行了研     究^[7-10]。Raveh等^[11]发现以生物玻璃(Bioglass^?)或磷酸三钙为填料的双酚A二甲基丙烯酸缩水甘油脂树脂(Bis-GMA)复合材料可以直接与骨结合。Kawanabe  等^[12]以CaO-SiO₂-P₂O₅-CaF₂玻璃粉末为填料的等质量混合的双酚A二甲基丙烯酸缩水甘油脂(Bis-GMA)和二甲基丙烯酸三甘醇酯(TEGDMA)复合树脂材料，抗压强度可达170 MPa，并可与骨结合。复合树脂中无机填料的平均粒度已由最初的30~50 mm 降到1~5 mm，质量分数也高达70%~80%。随着纳米粉末制备技术的发展，在牙科复合树脂中也逐渐出现了纳米无机填料(如气化氧化硅)。纳米无机填料能够改善复合树脂的抛光性能和力学性能。然而，由于填料的表面能高，与树脂作用加强，导致填料黏度呈指数增加，影响临床操作，而且当填料质量分数为30%左右时，很容易聚集成团。因此，采用单一的纳米级无机填料反而达不到提高树脂力学性能的目的，通常需要较宽的粒径分布，有利于提高充填量^[1-2]。美国3M公司最近开发出一种纳米复合树脂，其无机填料由一种单分散的纳米粒子(如氧化硅)和一种经过预处理的纳米团簇(如氧化锆/氧化硅复合体)组成，粒度分布范围为5~75 nm。采用此技术，可以使微填料质量分数增加至50%以上，而不降低树脂的黏度，大大提高了材料的耐磨性能、抛光性和力学性能。磷灰石是牙齿中无机物的重要组成部分。由于磷灰石具有良好的生物学性能和力学性能，常作为有机聚合物的增强相被用作骨水泥或者牙科植入材料^{[7, 12-14]}。然而，单一磷灰石成分的填料很难满足复合树脂力学性能和临床应用要求，将磷灰石和气相二氧化硅双复合，有可能更大地提高其性能。在此，本文作者采用光固化的方法制备以磷灰石玻璃陶瓷和气相二氧化硅为无机填料的Bis-GMA/ TEGDMA牙科复合树脂，并对材料的抗弯强度和体外生物活性进行研究，以期制备既具有高生物活性又具有良好力学性能的无机填料-树脂复合材料。

1  材料与方法

无机填料由质量分数为60%的磷灰石玻璃陶瓷(平均粒径为0.5 μm)和40%的气相二氧化硅(平均粒径为14 nm)组成。为了提高填料与树脂之间的结合力，对无机填料进行硅烷化处理。硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(silane A-174)。硅烷化处理过程为^[15]：先按照体积比V(乙醇)?V(水)＝90?10配置溶液，并酸化，使pH＝4，加入质量分数为0.3%~1.0%的硅烷偶联剂silane A-174。接着，将无机填料加入溶液并搅拌1~2 h，在温度为110~120 ℃的环境中干燥。树脂由占质量分数分别为49.25% Bis-GMA，49.25% TEGDMA，0.5%~1.0%樟脑醌(Camphorguinone, CQ)和0.5%~1.0%甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)组成。磷灰石玻璃陶瓷由本课题组自制而成^[16]，其他材料购自美国Sigma-Aldrich公司。

树脂与硅烷化后的填料按照质量比(40~45)?(55~60) 配置，用小刮刀混合均匀，然后，填入模具。采用牙科光固化灯将样品固化120 s，脱模后在空气中放置2 h，置于37 ℃的蒸馏水中浸泡22 h，然后，进行各项性能测试。

材料三点抗弯强度的测试采用的跨距为15 mm，载荷速率为0.5 mm/min，其测试结果取6个样品的平均值。采用日本JSM-5600LV型扫描电镜(SEM/EDS)对样品断裂面的微观结构进行喷金观察。

采用体外模拟体液(SBF)浸泡法测试材料的生物活性。SBF的化学成分组成与人体血浆的组成接近^[17]，SBF的离子溶度及使用的化学试剂如表1和表2所示。SBF溶液的pH值为7.4。先将抛光的样品在蒸馏水中用超声波清洗机清洗15 min。然后，将样品放入SBF 溶液中，并保持在37 ℃的环境中。每过24 h对SBF更换1次。选择浸泡时间分别为3，7，14，28和56 d，将样品取出后用蒸馏水轻轻清洗。干燥后，对样品的表面喷金，并在扫描电镜(SEM/EDS)下观察其表面  形貌。

表1  模拟体液(SBF)与人体血浆的离子溶度对比

Table 1  Comparison of ion density between SBF and human blood plasma of artificial body fluid

表2  模拟体液所用的化学试剂及质量

Table 2  Chemical agents and mass in SBF composition of artificial body fluid

2  结果与讨论

力学性能测试结果表明，制备的牙科复合树脂的抗弯强度达(137±10) MPa，能够满足牙齿修复对力学性能的要求^[18]，并且高于其他牙科复合树脂的强   度^{[7, 19-20]}。这可能是添加了磷灰石玻璃陶瓷与气相二氧化硅填料所致。二氧化硅、玻璃、陶瓷等无机填料常常作为增强相用于制备牙科复合树脂^{[1, 8-10]}。图1所示为复合树脂材料的断口形貌。从图1可以看出，填料与基体树脂较好地融合在一起，表明填料与树脂之间结合良好。这是由于经过硅烷化处理，提高了无机填料与有机树脂之间的结合强度^[7]，从而提高了复合树脂材料的抗弯强度。

图1  复合树脂材料的断裂面SEM图像

Fig.1  SEM of fracture face of composite resin

图2所示为复合树脂材料在模拟体液(SBF)中浸泡不同时间后表面形貌。可见，在浸泡3 d后，材料表面已有一些矿化的磷灰石晶体生成(图2(a))；经过  7 d浸泡，矿化的磷灰石晶体几乎覆盖了整个材料表面(图2(b))；浸泡14 d后，材料表面矿化的磷灰石晶体层越来越厚。从图2可以看出，矿化的磷灰石晶体层由一些层片状的细小晶体组成。这种层片状的磷灰石形貌与其他生物材料在模拟体液中浸泡后矿化的磷灰石晶体形貌十分相似^[21-23]。图3所示为复合树脂材料浸泡3 d后表面生成的矿化磷灰石晶体的能谱(EDS)。可以看出，这种矿化磷灰石晶体含有C，O，Ca和P元素，表明它是一种碳酸磷灰石，这种碳酸磷灰石与人体骨中含有的磷灰石的成分和结构相似^[21]。

(a) 3 d；(b) 7 d；(c) 14 d；(d) 14 d

图2  复合树脂材料在模拟体液(SBF)中浸泡不同时间后表面形貌

Fig.2  Appearance of composite resin soaked in SBF for different time

图3  复合树脂材料浸泡3 d后表面生成的矿化磷灰石晶体能谱图

Fig.3  Energy spectrum of mineralized apatite crystal on the surface of composite resin soaked in SBF for 3 d

本研究材料在模拟体液中的矿化速率与生物玻璃和生物活性玻璃陶瓷的矿化速率接近^[24]，表明材料在体外具有高生物活性。这主要是由于在材料中添加了磷灰石玻璃陶瓷粉末颗粒，其诱导材料表面生物性磷灰石生成的过程主要包括^[25-26]：

a. 磷灰石玻璃陶瓷在浸泡后溶解的Na⁺或 K⁺与SBF中的H⁺或 H₃O⁺进行离子交换，即

Si—O—Na⁺ + H⁺ + OH^- → Si—OH⁺ + Na⁺+OH^-。 (1)

b. Si—O—Si键被溶解打断，在玻璃陶瓷与溶液界面处形成Si—OH，即

Si—O—Si + H₂O → Si—OH +OH—Si。   (2)

c. Si—OH通过聚合反应在玻璃陶瓷表面形成富SiO₂ 层，即

 ^。(3)

d. 来源于玻璃陶瓷体内释放以及SBF溶液中的Ca²⁺和PO₄^3-被富SiO₂ 层吸附，在富SiO₂层的外层又形成一层无定形态富CaO-P₂O₅薄层，并且不断吸收Ca²⁺和PO₄^3-而生长。

e. 通过吸收溶液中的OH^-和CO₃^2-，无定形态富CaO-P₂O₅薄层发生晶化，形成含羟基、碳酸根的磷灰石层(HCA)。

随着浸泡时间的延长，材料表面矿化的磷灰石晶体层越来越厚，也有利于材料力学性能的提高^[21]。因为随着材料表面的矿化磷灰石层厚度增加，浸泡溶液要穿透磷灰石层并扩散进入复合树脂材料使树脂降解这个过程会变得更加困难，材料表面的矿化磷灰石层的形成对基体树脂起到一种保护作用。人体牙齿处于不断脱矿与再矿化的动态平衡状态，当脱矿量大大高于再矿化量时，便会产生龋齿。龋齿通常由酸性物质(乳酸、醋酸、丙酸等)引起，这些酸性物质是由细菌对碳水化合物代谢后的产物产生的。当pH＜5.5时，牙釉质中的磷灰石开始溶解，这个过程称为脱矿^[5]。该牙科复合树脂在模拟体液中浸泡3 d后，表面就有矿化磷灰石晶体层生成，表明材料具有较强的再矿化能力，可加快龋齿的修复愈合。

3  结  论

a. 通过光固化的方法制备了以磷灰石玻璃陶瓷和气相二氧化硅为无机填料的牙科复合树脂。材料的抗弯强度达到(137±10) MPa，能够满足牙齿修复的力学性能要求。

b. 生物活性实验显示材料在SBF中浸泡3 d后，在表面已形成矿化的碳酸磷灰石晶体层，表明材料具有高的生物活性，可加快该材料植入人体后与骨的结合，并有利于龋齿的修复愈合。

c. 因具有高抗弯强度和生物活性，以磷灰石玻璃陶瓷和气相二氧化硅为无机填料的牙科复合树脂材料在牙齿硬组织修复方面具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] Xu H H K, Eichmiller F C, Antonucci J M, et al. Dental resin composites containing ceramics whiskers and precured glass ionomer particles[J]. Dental materials, 2000, 16(5): 356-363.

[2] Xu H H K, Quinn J B, Smith D T, et al. Dental resin composites containing silica-fused whiskers-effects of whisker-to-silica ratio on fracture toughness and indentation properties[J]. Biomaterials, 2002, 23(3): 735-742.

[3] Miyaji F, Morita Y, Kokubo T, et al. Surface structural change of bioactivity inorganic filler-resin composite cement in simulated body fluid: Effect of resin[J]. J Biomed Mater Res, Part A, 1998, 42(4): 604-610.

[4] Deb S, Aiyathurai L, Roether J A, et al. Development of high-viscosity, two-paste bioactive bone cements[J].Biomaterials, 2005, 26(17): 3713-3718.

[5] Jones F H. Teeth and bones: applications of surface science to dental materials and related biomaterials[J].Surface Science Reports, 2001, 42(3/5): 75-205.

[6] Skrtic D, Antonucci J M, Eanes E D. Improved properties of amorphous calcium phosphate fillers in remineralizing resin composites[J].Dent Mater,1996, 12(5): 295-301.

[7] Santos C, Luklinska Z B, Clarke R L, et al. Hydroxyapatite as a filler for dental composite materials: mechanical properties and in vitro bioactivity of composites[J]. J Mater Sci: Mater in Med, 2001, 12(7): 565-573.

[8] Venhoven B A M, de Gee A J, Werner A, et al. Influence of filler parameters on the mechanical coherence of dental restorative resin composites[J].Biomaterials, 1996, 17(7): 735-740.

[9] Mccabe J F, Wassell R W. Hardness of model dental composites-the effect of filler volume fraction and silanation[J]. J Mater Sci: Mater in Med, 1999, 10(5): 291-294.

[10] Turssi C P, Ferracane J L, Vogel K. Filler features and their effects on wear and degree of conversion of particulate dental resin compostes[J]. Biomaterials, 2005, 26(24): 4932-4937.

[11] Raveh J, Stich H, Schawalder P, et al. Biocement: a new material[J]. Acta Otolaryngology, 1982, 94: 371-384.

[12] Kawanabe K, Tamura J, Yamamuro T, et al. A new bioactive bone cement consisting of BIS-GMA resin and bioactive glass powder[J]. J Appl Biomater, 1993, 4(2): 135-141.

[13] Kobayashi M, Nakamura T, Tamura J, et al. Bioactive bone cement: Comparison of AW-GC filler with hydroxyapatite and β-TCP fillers on mechanical and biological properties[J]. J Biomed Mater Res, 1997, 37(3): 301-313.

[14] Vallo C L, Montemartini P E, Fanovich M A, et al. Polymethylmethacrylate-based bone cement modified with hydroxyapatite[J]. J Biomed Mater Res, 1999, 48(2): 150-158.

[15] Furtos G, Cosma V, Prejmerean C, et al. Fluoride release from dental resin composites[J]. Mater Sci & Eng C, 2005, 25(2): 231-236.

[16] Liu Y, Sheng X X, Dan X H, et al. Preparation of mica/apatite glass-ceramics biomaterials[J]. Mater Sci & Eng C, 2006, 26(8): 1390-1394.

[17] Oliveira J M, Correia R N, Fernandes M H. Surface modifications of a glass and a glass-ceramic of the MgO-3CaO?P₂O₅-SiO₂ system in a simulated body fluid[J]. Biomaterials, 1995, 16(11): 849-854.

[18] 陈治清. 口腔材料学[M]. 北京: 人民卫士出版社, 2003: 210.
CHEN Zhi-qing. Dental materials[M]. Beijing: People’s Hygieism Press, 2003: 210.

[19] Oshida Y, Hashem A, Elsalawy R. Some mechanistic observation on water-deteriorated dental composite resins[J]. Bio-Medical Materials and Engineering, 1995, 5(2): 93-115.

[20] Fong H. Electrospun nylon 6 nanofiber reinforced BIS-GMA/TEGDMA dental restorative composite resins[J]. Polymer, 2004, 45(7): 2427-2432.

[21] Ni J, Wang M. In vitro evaluation of hydroxyapatite reinforced polyhydroxyapatite composite[J]. Mater Sci & Eng C, 2002, 20(1/2): 101-109.

[22] Zhang E L, Yang K. Biomimetic coating of calcium phosphate on biometallic materials[J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2005, 15(6): 1199-1205.

[23] Kasuga T. Bioactive calcium pyrophosphate glasses and glass-ceramics[J]. Acta Biomaterialia, 2005, 1(1): 55-64.

[24] Huang J, Di Silvio L, Wang M, et al. Evaluation of in vitro bioactivity and biocompatibility of Bioglass^?-reinforced polyethylene composite[J]. J Mater Sci: Mater in Med, 1997, 8(12): 809-813.

[25] Hench L L, Wilson J. An introduction to bioceramics[M]. Singapore: World Scientific Publishing Co Pte Ltd, 1993: 47.

[26] Peitl O, Zanotto E D, Hench L L. Highly bioactive P₂O₅-Na₂O-CaO-SiO₂ glass-ceramics[J]. Journal of Non- Crystalline Solids, 2001, 292(1/3): 115-126.

收稿日期：2008-07-02；修回日期：2008-10-12

基金项目：国家“十五”科技攻关项目(2003BA310A31)

通信作者：郑  治(1966-)，男，湖南常德人，博士研究生，研究员，从事医用生物材料的制备与应用研究；电话：0731-8618663；E-mail: zheng0813@163.com