新型亲水抗菌硅橡胶口腔印模材料的制备及性能研究

张雪娇 李健新 蒋凤 周传健 吴峻岭

1.山东大学齐鲁医学院口腔医学院口腔修复学教研所，山东省口腔组织再生重点实验室，山东省口腔生物材料与组织再生工程实验室，济南 250012；2.山东大学材料科学与工程学院高分子材料研究所，济南 250061

硅橡胶印模材料凭借其强度高、弹性好、精确度高、尺寸稳定、可塑性佳等优点成为目前临床中使用较理想的印模材料之一[1]。虽然其在牙科领域中应用广泛，但仍存在一些性能方面的不足：如表面润湿性较差，呈现一定的疏水性，影响印模材料对口腔软硬组织的细节再现性[2]；另外，现有硅橡胶材料本身无抗菌性这一缺点会使印模表面携带大量病原微生物，成为交叉感染的来源[3]，所以如何提高硅橡胶材料的亲水性及赋予其抗菌性是当前的研究热点[4]。

聚醚改性硅油是一类性能优良的非离子型表面活性剂，在其分子结构中，既存在亲水性的聚醚链段，又存在可以与有机硅材料实现良好共混的聚二甲基硅氧烷链段，已在工业、纺织等领域使用广泛[5]。本课题组前期成功制备出含长链烷基季铵盐的新型纳米抗菌无机填料，经偶联处理后将其添加至牙科树脂材料中，表现出优异的抗菌效果[6]；基于此，在综合分析已有文献报道并结合课题组前期工作的基础上，本研究首先确定了硅橡胶的基本配方，再结合使用亲水性聚醚改性硅油及新型纳米抗菌无机填料，制备出兼具亲水及抗菌性能的新型多功能硅橡胶口腔印模材料，探讨相关性能，为其在牙科领域的进一步应用提供实验依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料及设备

乙烯基硅油、含氢硅油、乙烯基MQ 硅树脂（山东大易化工有限公司），H2000 型气相白炭黑（Wacker公司，德国），高岭土（北京银河天虹化工有限公司），铂催化剂（山东大学材料学院有机硅课题组提供），1-乙炔基-1-环己醇、聚醚改性硅油、十八烷基二甲基（γ-三甲氧基硅丙基）氯化铵、碘化钾（上海麦克林生化科技有限公司），M5型纳米二氧化硅（Cabot公司，美国），硅烷偶联剂KH570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，广州中杰新材料有限公司），ATCC 25175变异链球菌（山东大学口腔组织再生重点实验室提供），BHI 培养基（青岛海博生物技术有限公司），CCK-8细胞计数试剂盒（Dojindo公司，日本）。UTM4203X型万能力学试验机（深圳三思纵横科技股份有限公司），547-321型测厚仪（三丰量具，日本），GS-709N型邵氏A 硬度计（广东高铁检测仪器有限公司），DSA100S 型接触角测量仪（Kruss 公司，德国），19JC 型万能工具显微镜（上海光学仪器厂），SPECTROstar Nano 型全波长光吸收酶标仪（BMG公司，德国），JSM-7800F型扫描电子显微镜（scan‐ning electron microscope，SEM）（JEOL公司，日本）。

1.2 亲水性双组分硅橡胶口腔印模材料的制备

根据前期实验[7]得到本研究硅橡胶口腔印模材料的基本配方，具体见表1。按照配方，将乙烯基硅油、气相白炭黑、高岭土及乙烯基MQ硅树脂初步混合均匀，再利用三辊研磨机进一步剪切研磨，使原料充分混合，得到细腻均匀的基胶，而后向基胶中加入6%聚醚改性硅油备用[7]。含6%聚醚改性硅油的基胶中加入交联剂含氢硅油、1-乙炔基-1-环己醇及颜料，混合均匀，作为基质组分；含6%聚醚改性硅油的基胶中加入铂催化剂，混合均匀，作为催化组分。将二者各自放入真空干燥箱中抽真空，排出胶料内部气泡，得到亲水性双组分中体硅橡胶口腔印模材料。

表1 硅橡胶口腔印模材料基本配方Tab 1 Formula of silicone rubber impression materials

1.3 新型纳米抗菌无机填料的制备及其表面偶联化处理

具体制备方法详见前期报道[6]，简要过程如下：首先按照摩尔比1∶1.1 加入十八烷基二甲基（γ-三甲氧基硅基丙基）氯化铵与碘化钾，生成十八烷基二甲基（γ-三甲氧基硅基丙基）碘化铵，即碘代长链烷基季铵盐；再将碘代长链烷基季铵盐与纳米SiO2按照1 mol∶60 g 的比例反应生成季铵盐修饰的纳米SiO2，即新型纳米抗菌无机填料。最后按照质量比50∶1加入抗菌填料及硅烷偶联剂KH570，反应后得到表面偶联化处理的新型纳米抗菌无机填料。红外光谱分析显示，季铵盐与硅烷偶联剂均成功键合到纳米SiO2颗粒表面[7]。

1.4 新型亲水抗菌硅橡胶口腔印模材料的制备

向所制备的双组分亲水硅橡胶印模材料按照总质量分数的0%、1%、2%、3%、4%和5%加入表面偶联化处理的新型纳米抗菌无机填料。利用三辊研磨机使其充分混合均匀，得到新型亲水抗菌硅橡胶口腔印模材料。本实验还选取一款与本文研发产品类似的、商品化亲水单一相（Medium body，中体型） 硅橡胶印模材料Aquasil Ultra Monophase（Dentsply公司，美国）作为对照组。

1.5 测试和表征

1.5.1 力学性能测试 按比例1∶1称取硅橡胶基质组分与催化组分，将二者混合均匀后，置于涂有脱模剂的聚四氟乙烯模具中（90 mm×90 mm×2 mm），室温下加压聚合，待硅橡胶固化后脱模。利用裁样机将胶片裁切为哑铃状试样，用于拉伸性能测试；将胶片裁切为直角形试样，用于撕裂强度测试；裁切后的剩余胶片用于硬度测试。选择厚度为2.0 mm±0.2 mm，表面平整光滑、无任何缺陷的试样，每种材料各制备5个试样。对照组按照厂家操作要求，同样制备上述试样。

使用测厚仪测量各哑铃状试样的实际厚度；将试样对称夹在万能力学试验机的夹持器上，将拉伸速度设定为500 mm·min-1，参照GB/T 528-2009 标准，连续监测拉伸应力与试样长度的变化。根据公式TS=Fm/（W×T），计算试样的拉伸强度TS（MPa），其中Fm为最大拉伸应力（N），W 为试样狭窄部分的宽度（mm），T为试样长度部分的厚度（mm）。根据公式Eb=100（Lb-L0）/L0，计算试样的断裂伸长率Eb（%），其中Lb为断裂时的试样长度（mm），L0为初始的试样长度（mm）。

使用测厚仪在撕裂区域内测量各直角形试样的厚度；将试样对称地夹在万能力学试验机的夹持器上，对试样进行连续拉伸，直至试样撕断。夹持器的移动速度设定为500 mm·min-1，参照GB/T 529-2008标准，记录试样撕裂时力的最大值。根据公式TS=F/d，计算试样的撕裂强度TS（KN·m-1），其中F为试样撕裂时的最大应力（N），d为试样撕裂区域内的宽度（mm）。

使用邵氏A 硬度计，参照GB/T 531.1-2008 标准测量各试样的硬度。要求叠加后的试样厚度不小于6 mm，并在试样表面不同位置进行5次测量，不同测量位置两两相距至少6 mm，最后对测量结果取均值。

1.5.2 润湿性测试 按1∶1比例称取硅橡胶基质组分与催化组分，将二者混合均匀后，置于涂有脱模剂的聚四氟乙烯模具中（90 mm×90 mm×2 mm），室温下加压聚合，待硅橡胶固化后脱模。选择表面平整光滑、无任何缺陷的部分裁切为正方形试样（30 mm×30 mm×2 mm），每种材料制备3 个试样。对照组按照厂家操作要求，同样制备上述试样。用75%乙醇溶液将试样表面清洗干净，备用。

将待测硅橡胶试样平整放于水平样品台上，采用座滴法[8]测量各试样的静态接触角。将DSA100S 接触角测量仪的液滴体积设为2.0 μL，液滴出水速度设为2.67 μL·s-1。设液滴释放至试样表面与其接触的时刻为t=0，记录此时接触角大小，并在t=60 s、t=120 s时刻记录接触角大小，以观察静态接触角随时间的变化。为防止偶然误差，在每个试样的不同位置测量3次取均值。

1.5.3 细节再现性测试 利用ISO 4823-2015 标准的实验测试模具及环行模具配件进行测试。其中实验测试模具表面有a、b、c 三条竖凹槽线与d1、d2两条横凹槽线（图1）。a、b、c 三条标志线的宽度分别为50、20和75 μm。

将模具提前30 min 置于37 ℃恒温箱中模拟口腔环境。将硅橡胶充分调和均匀后置入模具，环行模具盖上聚乙烯薄膜覆盖的玻璃板，逐渐施压，排出过量材料。将整套装置放入37 ℃水浴锅中，待其固化完全后取出。试样上凸起的线即为实验测试模具表面标志线的阳模。用万能工具显微镜（20×）观察印模试样表面是否完整再现了模具表面上的a、b、c三条标志线。若三条线均能完整再现，则证明试样合格。每种材料制备5个试样。

1.5.4 尺寸稳定性测试 利用万能工具显微镜测量细节再现性测试金属模具表面d1线与d2线之间的垂直距离，测量3次，取其平均值记为L0；将细节再现性测试中制备的试样，在其完全固化脱模后的1 h、24 h、1周和1月测量表面d1线与d2线之间的垂直距离，每次测量3次，取其平均值记为Lx（x=1，2，3，4）。根据公式ΔL=（L0-Lx）/L0×100%，计算每个试样尺寸变化的百分数ΔL，结果精确至0.01%。

1.5.5 调和时间测试 按照比例1∶1称取硅橡胶基质组分与催化组分共15 mL，将二者混合均匀，记录从2 组分互相接触开始至成为均一混合物的时间。每种材料实验5次，结果以均值表示。

1.5.6 SEM观察 将硅橡胶基质组分与催化组分按1∶1 比例混合均匀后，置于涂有脱模剂的聚四氟乙烯模具中（90 mm×90 mm×2 mm），室温下加压聚合，待硅橡胶固化后脱模。将其在液氮中脆断，裁切为5 mm×5 mm×2 mm 大小，SEM 观察其断面形貌。

1.5.7 抗菌性测试 采用薄膜密着法检测含有不同质量分数抗菌填料硅橡胶试样的抗菌性能。制备大小为50 mm×50 mm×2 mm 的正方形试样，每组制备3个，环氧乙烷消毒后备用。将变异链球菌菌悬液浓度配置为1.0×108cfu·mL-1，吸取0.2 mL菌悬液分别滴加于各试样表面。将消毒后的聚乙烯薄膜分别覆盖于试样表面并铺平，使菌液与试样表面均匀接触，置于37 ℃恒温厌氧箱中培养24 h。24 h后分别加入20 mL PBS洗脱液，反复冲洗试样及聚乙烯薄膜，将得到的洗脱液充分摇匀并用10倍系列稀释法稀释为1×10-5，吸取1 mL液体接种于BHI固体培养基上，每样液平行接种2个培养皿，置于37 ℃恒温厌氧箱中培养24 h后，进行菌落计数。

将各平板的菌落数乘以稀释倍数，即为试样实际回收的菌落数目。抗菌率R（%）的计算公式为R=（A-B）/A×100%，其中A 为对照组试样的平均回收菌落数（cfu·mL-1），B为实验组试样的平均回收菌落数（cfu·mL-1）。

1.5.8 细胞毒性测试 采用CCK-8法检测新型亲水抗菌硅橡胶对人牙龈成纤维细胞（human gingival fibroblasts，HGFs） 的细胞毒性。制备大小为10 mm×10 mm×2 mm的正方形硅橡胶试样，每组制备3个，环氧乙烷消毒后分别放入24孔板中，每孔加入适量完全培养基（89%高糖型DMEM，10%胎牛血清，1%双抗），置于37 ℃培养箱中浸提24 h。

将第四代处于对数生长期的HGFs 按每孔5 000 个接种于96 孔板，置于37 ℃、含5%CO2的细胞培养箱中培养24 h。24 h后实验组每孔中加入硅橡胶试样浸提液100 μL，阳性对照组每孔加入含5%二甲基亚砜溶液的完全培养基100 μL，阴性对照组每孔加入完全培养基100 μL，每组设置3个复孔。额外设置3个复孔用于空白对照，即每孔只加入完全培养基100 μL，孔内无HGFs。将96 孔板置于37 ℃、含5%CO2细胞培养箱中继续培养24、48和72 h。在细胞分别培养24、48与72 h后，取出96孔板，在倒置相差显微镜下观察细胞生长状态。弃掉原培养基，每孔加入100 μL 新鲜完全培养基和10 μL CCK-8试剂，继续放入细胞培养箱中培养2 h后，利用光吸收酶标仪在450 nm波长处测定各孔的光密度（optical density，OD）值，结果取均值。根据公式计算各实验组的相对增殖率（relative growth rate，RGR）（%）∶RGR=（A-A0）/（B-A0）×100%。其中A 为实验组的OD 值，A0为空白对照组的OD值，B为阴性对照组的OD值。根据RGR大小，将细胞毒性反应分为0～4共5个等级，其对应的RGR分别为≥100、80～99、50～79、30～49、0～29。

1.6 统计学分析

采用SPSS 26.0 软件对数据进行分析，采用方差齐性检验证实数据的方差齐性。其中，对于方差齐的数据，采用单因素方差分析（One-Way ANO‐VA），两两比较采用Turkey法；对于方差不齐的数据，采用Kruskal-WallisH检验进行组间多重比较与组间两两比较，检验水准设为单侧α=0.05。

2 结果

2.1 力学性能测试结果

各组力学性能测试结果见图2。当抗菌填料添加量为0～4%时，硅橡胶的拉伸强度、断裂伸长率及撕裂强度没有明显下降（P＞0.05），当抗菌填料添加量进一步增加至5%时出现明显下降（P＜0.05）；而各组硅橡胶的硬度差异均无统计学意义。

2.2 润湿性测试结果

各组静态接触角测试结果见图3。在相同时间节点下，各组接触角之间差异无统计学意义（P＞0.05）；而在不同时间节点，同一组别的接触角随时间延长逐渐减小，均在0～60 s 内有明显下降（P＜0.05），但在60～120 s 内无明显下降（P＞0.05）。

2.3 细节再现性测试结果

对照组及所有实验组全部试样均能完整连续的复制a、b、c三条标志线，结果证明均具有良好的细节再现能力。

2.4 尺寸稳定性测试结果

各组尺寸稳定性测试结果见图4。在相同时间节点，各组间线性尺寸变化差异均无统计学意义（P＞0.05）；而在不同时间节点，同一组别在1 h 及24 h 时线性尺寸差异无统计学意义（P＞0.05），但在1周及1月时差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.5 调和时间测试结果

对照组以及添加0%～5%抗菌填料的实验组调和时间分别为（18.12±1.34）、（15.90±1.89）、（16.22±2.31）、（16.89±1.27）、（17.38±1.74）、（18.53±1.80）、（19.07±2.13）s，随着抗菌填料含量的不断增加，硅橡胶的调和时间逐渐延长。但与对照组相比，各组调和时间差异均无统计学意义（F=1.68，P＞0.05）。

2.6 SEM观察结果

未添加抗菌填料和添加4%抗菌填料的实验组硅橡胶试样断面SEM 观察结果见图5。通过SEM观察显示所有填料与硅橡胶基体的相容性良好，在基体内部分布较均匀；填料与硅橡胶基体的界面模糊，二者之间形成了较好的界面结合。由于抗菌填料与硅橡胶基胶中无机填料的大小、形貌相似，因此难以区分。

2.7 抗菌性测试结果

各组抗菌性能测试结果见表2。当抗菌填料添加量为1%～5%时，菌落数目与对照组相比显著减少（P＜0.05），当抗菌填料质量分数为4%和5%时，抗菌率可达95.26%和98.30%，展示出了良好的抗菌性能。

表2 各组抗菌性能测试结果Tab 2 Results of antibacterial property test in each group

2.8 细胞毒性测试结果

24、48、72 h 时各组的细胞增殖情况见图6。CCK-8测试结果显示，同一组别在不同时间节点均存在显著差异（P＜0.05）。阴性对照组与抗菌填料添加量为0～5%的6 组实验组的细胞数量均随时间延长而逐渐增加，曲线呈上升趋势，而阳性对照组的曲线则先升高后降低；对于相同时间节点不同组别来说，除阳性对照组与阴性对照组相比有显著差异外（P＜0.05），抗菌填料添加量为0～5%的6组实验组均与阴性对照组间差异无统计学意义。抗菌亲水硅橡胶的细胞毒性分级均为0 或1 级，无明显的细胞毒性；阳性对照组在48、72 h时的细胞毒性达到3、4级，表现出明显的细胞毒性。

3 讨论

硅橡胶印模材料按其反应类型可分为缩合型和加成型两种，本实验所制备的是加成型中体硅橡胶。经过前期预实验，确定使用乙烯基硅油（即乙烯基聚二甲基硅氧烷）作为基聚物，含氢硅油为交联剂，铂为催化剂，气相白炭黑及高岭土为无机填料，乙烯基MQ 硅树脂为补强剂，1-乙炔基-1-环己醇为抑制剂的基本配方，制备出力学性能优良的硅橡胶印模材料，可以满足印模制取基本要求。但是，硅橡胶属于疏水性印模材料，其表面润湿性较差，这主要由于其网状结构骨架为饱和硅氧键，且支链为非极性的烷基或烷氧基所致。这不仅会在取模时影响印模材料对预备体、牙龈等软硬组织的细节再现性，还会使灌注的石膏模型上产生孔隙、气泡，影响最终修复体的精确度与准确性。为了克服这一问题，通常采用表面改性或本体改性的方法对硅橡胶进行润湿性改善。表面改性主要包括等离子体表面处理、表面接枝改性及表面涂层改性等[9]，但由于其需要特殊设备及额外工序处理，并且不能解决在取模时印模材料与牙体组织之间的润湿问题，因此本体改性的方式更加受到广泛关注。本体改性即通过共混法向材料中加入某些亲水物质，使材料本身具有一定的亲水性[4]。聚醚改性硅油是一类性能优良的非离子型表面活性剂，在其分子结构中，既存在亲水性的聚醚链段，又存在可以与有机硅材料实现良好共混的聚二甲基硅氧烷链段[10]。经过前期实验[7]，确定加入6%的聚醚改性硅油可在不影响硅橡胶力学性能的同时，获得良好的亲水性，而且润湿性测试结果也与本研究使用的商品化亲水硅橡胶无显著差异。本研究还发现，在不同时间节点，各组的接触角随时间延长而逐渐减小，均在0～60 s 内有明显下降（P＜0.05），这主要是由于硅橡胶材料中的亲水性表面活性成分逐渐析出所致。

在口腔印模的制取过程中，表面会吸附大量的病原微生物，成为交叉感染的来源。因此，有必要对口腔印模进行消毒处理，可通过浸泡或喷雾等化学消毒方式进行[11]。浸泡消毒能使印模表面与消毒液充分接触，但它不适用于亲水性较好的印模材料，因为消毒剂可能会对其尺寸稳定性产生不良影响[12]；而喷雾消毒则限制了印模在消毒液中的暴露时间，且由于消毒液的分布不均匀，可能会在一定程度上影响消毒效果[11]。因此，迫切需要一种具有自身抗菌作用的硅橡胶印模材料来避免上述问题。本实验将课题组前期合成的碘代长链烷基季铵盐修饰的纳米SiO2颗粒[6]，添加到亲水硅橡胶印模材料中，以期赋予其抗菌性。其抗菌机理为季铵盐分子表面的正电荷会与带有负电荷的细菌细胞膜表面在库仑力的作用下相互吸引结合，使细胞膜的完整性遭到破坏，DNA、RNA等维持细菌生命活动所必需的大分子物质从胞内释放，进而导致菌体死亡[13]。本实验选用口腔中最常见的变异链球菌为研究对象，根据QB/T 2591-2003 标准，当抗菌率大于90%时表明材料具有抗菌性，大于99%时表明材料具有强抗菌性。本研究结果显示，当抗菌填料的质量分数为4%和5%时，硅橡胶的抗菌率可达95.26%和98.30%，表现出了良好的抗菌性能。此外，本研究还对纳米抗菌无机填料进行了表面偶联处理，以进一步提高其在硅橡胶中的分散性与相容性[14]。硅烷偶联剂是一类分子中具有两种化学性质不同基团的有机硅化合物，这两种基团在有机相与无机相之间起到了类似桥梁的作用，提高了两相界面间的结合力[15]。本实验使用的硅烷偶联剂KH570，其一端的甲氧基水解后可以与抗菌纳米SiO2表面预留的羟基反应形成化学键，而另一端的丙烯酰氧基可以与硅橡胶基体形成化学交联，从而增加纳米抗菌无机填料在硅橡胶中的分散性，提高二者之间的结合力。通过SEM 观察发现，经过表面处理的抗菌填料与硅橡胶基体的相容性良好，二者结合紧密，未产生分离相，可持续发挥抗菌作用。

在将抗菌填料加入亲水性硅橡胶赋予其抗菌性能的同时，也不应破坏其本身的性能，因此探索一个适宜的添加量具有重要意义。对于材料的润湿性及调和时间而言，加入0～5%的抗菌填料并未对其产生显著影响。对于材料的细节再现性和尺寸稳定性而言，在抗菌填料质量分数为0～5%时，硅橡胶均能完整复制标准模具表面20、50 和75 μm宽的三条标志线。在印模制取后的1 h、24 h及1 周时各组的线性尺寸变化率均小于ISO标准中的1.5%；而在取模1 月后的线性尺寸变化率均大于1.5%，但与对照组相比，差异均无统计学意义，这主要是由于聚醚改性硅油赋予了硅橡胶良好的亲水性，导致其在长时间放置后会吸收空气中的水分，尺寸发生变化。因此建议印模制取后应尽快灌注模型。对于材料的力学性能而言，当抗菌填料质量分数为0～4%时，硅橡胶的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度及硬度无明显下降，但当其质量分数为5%时，硅橡胶的拉伸强度、断裂伸长率及撕裂强度出现显著下降（P＜0.05），推测可能是由于加入过多的抗菌填料会使其在硅橡胶基体内的分散性变差，出现团聚现象，在硅橡胶内部形成薄弱部分，因此导致材料拉伸强度及断裂伸长率的降低，这需要进一步的实验验证。

细胞毒性测试是评价材料生物安全性较常用的方法。CCK-8 法由于操作简便、灵敏度高、重复性好，目前使用广泛。实验结果显示，在共培养24、48、72 h 后所有亲水抗菌硅橡胶材料的OD值均与阴性对照组无明显差异，其细胞毒性反应分级为0 或1 级，说明没有明显的细胞毒性，进一步证实了本实验制备的亲水抗菌硅橡胶印模材料具有良好的生物安全性。

硅橡胶印模材料在牙科领域中应用广泛，种类繁多且性能各异，但同时兼具亲水与抗菌性能的商品化硅橡胶印模材料还尚未存在。本研究将自行合成的新型纳米抗菌无机填料按不同比例添加至含6%聚醚改性硅油的亲水硅橡胶中，制备出兼具亲水及抗菌作用的新型硅橡胶口腔印模材料。结果表明，当抗菌填料添加量为4%时，硅橡胶可获得良好的抗菌性，并且不会对其本身性能产生显著影响且无明显细胞毒性，初步满足临床应用要求。与已有的类似研究[16]相比，本研究进一步拓宽了抗菌硅橡胶的研发思路；但是，关于本硅橡胶印模材料的工作时间、与石膏配伍性、弹性回复率等操作性能测试，对其他口腔常见病原微生物的杀灭作用，抗菌性能的时效性及实际临床应用效果等，仍需在后续研究中进一步完善。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。