纳米填料改性复合树脂的生物化学性能评价及研究进展①

卢成辉，顾远平

(桂林医学院附属口腔医院/口腔医学院，广西 桂林 541004)

龋病是导致牙体缺损最常见的牙体疾病之一，而修复牙体缺损最常用的材料主要是复合树脂。与银汞合金相比，复合树脂具有色泽与牙体组织相近、固位性能良好和高生物安全性等优点，现已成为临床上应用最广泛的牙体缺损修复材料之一。复合树脂也存在一些不足，临床上现阶段使用的复合树脂几乎没有抗菌成分，细菌黏附聚集在修复材料及周围牙体组织后，易导致边缘继发龋的发生，继发龋的发生是影响修复体寿命甚至导致树脂修复失败的重要原因。为此，许多研究致力于研发具有良好抗菌性能的新型纳米复合树脂，以期为延长修复体寿命、提升成功率提供依据。

1 复合树脂中纳米填料的作用

复合树脂主要由有机树脂基质、无机填料和引发体系、稀释剂、偶联剂、着色剂等组成。有机树脂基质，如Bis-GMA、TEGDMA、UDMA和HEMA等，主要赋予树脂材料可塑性和固化特性，并使树脂成形且具有一定强度。引发体系、稀释剂、偶联剂及着色剂等，则主要起辅助加成聚合反应、赋予材料仿真的色泽等作用。无机填料在复合树脂组分中占据重要地位(70 wt.%～80 wt.%)，主要作为分散相和增强组分，其粒径对树脂的性能也起着关键作用。纳米填料是指结构单元尺寸为0.1～100 nm的超细颗粒，与传统无机填料相比，其尺寸小、比表面积大，吸附能力强且化学性质活泼，可与有机单体充分结合，若将其添加到树脂基质中达到纳米水平分散，制成的复合树脂的综合性能将大为提升。其中，主要以提升复合树脂生物化学性能为主，如抗菌防龋性能、释氟再矿化性能。具有释氟再矿化性能的纳米填料有：纳米银(AgNPS)、纳米氧化锌(Nano-ZnO)、纳米氧化镁(Nano-MgO)、季铵盐如甲基丙烯酰氧十二烷基溴吡啶(MDPB)、季铵盐聚乙烯亚胺(QAS-PEI)、季铵二甲基丙烯酸(QADM)、纳米氟化钙(NCaF2)、纳米磷酸钙(NACP)、纳米生物活性玻璃(BGN)等，以上填料主要赋予复合树脂抑制菌斑生物膜形成及细菌代谢、调节脱矿及再矿化平衡等作用。

2 生物化学性能

2.1 抗菌防龋性能

为赋予树脂良好的抗菌防龋性能，国内外学者进行了大量研究，如直接对树脂基质进行抗菌改性，共混有机、无机类抗菌成分，或在树脂基质结构上键合抗菌官能团，或掺杂、负载或接枝抗菌成分，直接或间接改善树脂抗菌性能。随着纳米技术的进展，纳米颗粒的小尺寸效应和界面效应使得抗菌离子得以高水平释放，进一步提升抗菌性能。

2.1.1 纳米银(AgNPS) AgNPS具有广谱抗菌性、高效杀菌性，少量即可产生强抗菌性，能对变形链球菌生物膜产生明显的抑制效果，而与MDBP联用在较少添加量的情况下即能有效抑菌；与抗生素联用具有优异的协同抗革兰阴性菌性能；与双甲基丙烯酸酯季铵盐单体联用的抗菌体系优于其单一抗菌体系[1]；与TiO2联合亦可减少复合树脂表面变形链球菌生物膜的形成[2]。许多研究已经证实，AgNPS对革兰阴性菌具有良好的抗菌作用，尤其是直径1～10 nm的AgNPS具有直接接触杀菌作用[3]。0～0.175 wt.%的AgNPS改性复合树脂可显著降低生物膜生长及代谢活性，且抗菌作用随着AgNPS质量分数的增加而增强；在0～0.088 wt.%时，复合树脂的挠曲强度和弹性模量与商品化复合树脂相比无明显差异；0.042 wt.%的AgNPS既可保持其抗菌性能，亦可获得良好的机械强度及美学性能；但其达到0.175 wt.%时，复合树脂的挠曲强度出现了显著降低情况[4]。因此，赋予树脂抗菌活性且不影响甚至提升其机械性能是研究重点，于是研究人员尝试通过制备载银抗菌填料以达到这一目的，如：纳米载银SiO2、纳米载银羟基磷灰石、纳米载银ZrO2、载银纳米金刚石(Ag/QNDs)、载银埃洛石纳米管(HNT/Ag)[5]等，适量共混可在改善复合树脂机械性能的同时保留高效的抗菌活性。

2.1.2 纳米氧化锌(Nano-ZnO) Nano-ZnO抗菌谱亦广，可通过释放Zn2+、活性氧等或基于纳米颗粒的量子尺寸效应发挥抗菌功效。相比于微米氧化锌，其具有更高的表面势能，可释放出更多的Zn2+抗菌，或可激活光催化抗菌机制，产生大量自由基杀菌，随着质量分数(1 wt.%～ 5 wt.%)增加，变形链球菌数显著减少，但24 h后无抗微生物作用的表达[6]。为延长Nano-ZnO的抗菌作用时间，梁蓓蕾等[7-8]研究Nano-ZnO(1 wt.%，5 wt.%，10 wt.%)中的Zn2+释放规律及浸泡1个月后的抗菌活性，发现10 wt.%的Nano-ZnO改性树脂可在一定时间内保持较高的Zn2+释放水平，从而发挥长效性抗菌作用，且添加量不超过10 wt.%不会对复合树脂的机械性能造成负面影响。也有研究显示，将AgNPS、Nano-Cu、Nano-Ti和Nano-ZnO等纳米颗粒共混添加至复合树脂中，发现其对口腔常见细菌(如变形链球菌、乳酸杆菌)有一定的抗菌效果，且随着纳米颗粒表面积/体积比的增加，抗菌性逐渐增强[9]。

2.1.3 纳米氧化镁(Nano-MgO) Nano-MgO被认为是一种安全无毒的抗菌剂[10]，主要依赖粒子表面氧空位及缺陷的存在导致脂质氧化和活性氧生成而发挥抗菌作用。其抗菌谱广，对革兰氏阳性及阴性菌均有较强的抗菌作用，尤其对变形链球菌具有强抗菌作用。随着Nano-MgO抗菌成分的增加，树脂的抗菌性能逐渐增强。当Nano-MgO含量超过6 wt.%时可降低树脂表面的润湿性，40 mass%时抗菌率高达99.13%，8 wt.%时具有最强的抗菌作用抗菌率可达99.4%[11]。Nano-MgO的加入赋予了树脂基复合材料良好的抗菌性能和耐磨性，但维氏硬度略低，且随着Nano-MgO含量的增加，抗压强度呈下降趋势。

2.1.4 季铵盐 季铵盐是一种高活性阳离子剂，具有广谱抗菌性，对真菌、病毒亦有一定的抑制作用，尤其是对变形链球菌。Imazato等[12]首次合成MDPB，此后多种不同结构的可聚合季铵盐抗菌剂相继出现，如QAS-PEI、QADM等。有研究显示[10]，将10 wt.%～20 wt.%MDPB加入复合树脂后，发现其能有效抑制变形链球菌的附着和生长，浸泡处理90 d后树脂仍保持良好的抗菌性能。另有研究表明，2.83 wt.%MDPB加入树脂可抑制龋损的进展，并与黏结剂是否含MDPB无关[13]。此后，Beyth等[14]又在复合树脂中加入1 wt.%PEI，发现PEI可赋予树脂对变形链球菌和牙菌斑生物膜显著的抑制作用，同时PEI能稳定存在于复合树脂中发挥长效抑菌作用，且1 wt.%PEI不会显著降低复合树脂的机械性能。另外，Bryth等还制备了的QAS-PEI，并证实1 wt.%QAS-PEI便能有效抑制变形链球菌菌斑生物膜的形成，且1个月的老化处理，仍未检测到抗菌组分的析出，同时亦保持了材料原有的机械性能和抗菌活性。而Yudovin等[15]则在复合树脂中加入1 wt.%QAS-PEI，3个月的老化处理后其抗菌活性同样存在，且聚乙烯亚胺烃基链长对抗菌作用有着重要影响。另有研究显示，1.0 wt.%季铵盐包裹AgBr纳米复合物改性树脂基质在体外对变形链球菌具有持续、稳定、长效的抗菌活性，老化处理前后均表现出良好的抗菌活性，且对材料的挠曲强度及维氏显微硬度无显著影响[16]。此外，季铵盐与其他纳米增强分子、抗菌分子或功能单体的共混亦是研究热点之一。吴峻岭等[17-18]将长链烷基季铵盐与纳米SiO2共混，培养法定性检测结果证实其可有效实现抗菌防龋目的，且大鼠动物实验证实其具有明显的抗菌防龋功能。另有研究表明，将AgNPS和季铵盐分别与抗黏附单体MPC联合后发现，经抗黏附和抗菌改性的复合树脂面黏附的细菌菌落数大幅下降，但添加MPC对树脂的抗菌性能无提高作用[19]。

2.2 释氟与再矿化性能

氟化物(如CaF2)现被广泛应用于龋病防治中，因其可在抑制牙体硬组织脱矿的同时促进再矿化，还可抑制菌斑微生物的生长与代谢，相比传统氟化物，纳米氟化钙(NCaF2)在保持材料良好生物学性能和氟释放浓度长效性具有突出特色。Melo等[21]将AgNPS、QADM和钙化剂(NCaF2)共混至复合树脂中，发现通过AgNPS、季铵盐杀菌及钙化剂促进再矿化，三者协同发挥作用可抑制菌斑生物膜的形成。Weir等[22]将NCaF2加入复合树脂中，发现其可通过释放F-发挥防龋作用，从而抑制继发龋的发生。另外，其还具有较高的挠曲强度，热循环后挠曲强度将近树脂改良型玻璃离子的5倍，老化处理2年后挠曲强度仍高3～6倍，但其美学性能仍有待改进。

3 总结和展望

大量的基础研究表明，应用不同的纳米填料或共混纳米填料改性复合树脂被证实可在一定程度上抑制菌斑生物膜形成和调节脱矿及再矿化平衡等。但同时也存在一些不足尚需解决：①纳米填料的团聚现象，以及获得抗菌性能的同时是否同样具有满意的机械力学性能；②抗菌改性复合树脂可获得短期抗菌性能，但仅维持几个月后抗菌效能便显著降低，其长效抗菌能力尚有待于进一步提高；③纳米填料改性复合树脂的细胞毒性和纳米粒子溢出问题仍有待进一步研究，以确保其具有与人体良好的生物相容性与生物安全性；④许多研究仍处于基础研究阶段，需进一步开展临床研究。