牙科自修复微胶囊材料的研究进展

姚 烁，张晓冉，秦露丹，吴峻岭

树脂材料因其优异的美学性能，良好的可操作性在口腔临床应用广泛。但是，在复杂的口腔环境中，树脂内部将不可避免的产生细小的微裂纹，微裂纹逐渐扩展、融合，最终可能导致树脂材料破裂，影响使用寿命[1]。为有效克服牙科树脂材料在各种因素作用下产生的微裂纹，延长使用期限，基于微胶囊模型的外援型自修复材料成为了近年来研究的热点[2-3]。为此，本文对牙科自修复微胶囊材料的研究进展进行了总结、分析。

1 自修复微胶囊材料概述

自修复材料是一类能够自我感知微裂纹并自我修复的智能材料[4]，可分为本征型(intrinsic)和外援型(extrinsic)自修复材料两类[2，5-7]。其中基于微胶囊模型的外援型自修复材料制备简便且修复效率高，在牙科自修复材料中具有良好的应用前景[8-9]。微胶囊结构通常由内部的芯材和外部的壳材构成，呈典型的核-壳结构[4]，其制备方法涵盖了物理法、相分离法、聚合反应法等3类[9]。当微裂纹产生时，裂纹刺破树脂基质中的微胶囊，储存在微胶囊中的愈合液会通过毛细作用释放到靶区，与预埋在基质中的催化剂接触，引发聚合反应，从而将裂纹面黏合在一起，实现自我修复[10-13]。

2001年，White等[14]首次制备出了以双环戊二烯(dicyclopentadiene，DCPD)为芯材，以脲醛树脂(poly(urea-formaldehyde)，PUF)为壳材的自修复微胶囊，并将格拉布(Grubbs)催化剂与自修复微胶囊一同加入环氧树脂基体中，实现了良好的自修复效果。2010年，Wertzberger等[15]将White提出的自修复模型引入到牙科复合树脂中，自此，基于微胶囊模型的牙科自修复材料蓬勃发展。但PUF壳材的强度不够，Then 等[16]尝试用三聚氰胺对PUF进行改性，提高了囊壁强度并能与树脂基质产生更大的机械结合力。鉴于DCPD-Grubb体系的毒性和高成本，Ouyang 等[17]制备了以三乙二醇二甲基丙烯酸酯(trimethylene glycol dimethacrylate，TEGDMA)为芯材，以聚氨酯为壳材的纳米微胶囊。而后，Wu 等[3，18-19]研制出了以TEGDMA为芯材，以PUF为壳材的新型自修复微胶囊。受到玻璃离子水门汀材料粉-液调和固化模式的启发，Huyang 等[20]以玻璃离子水门汀的主要成分聚丙烯酸水溶液作为自修复液合成了一种新型二氧化硅自修复微胶囊，并将氟硅酸锶颗粒添加到树脂基质中，同样获得了自修复效果。上述研究均是利用微胶囊单一自修复特性为主的探索，鉴于口腔环境的复杂性，将自修复材料与多种改性材料联合应用，制备出具有多重功能的新型自修复牙科材料成为了研究的热点。

2 自修复微胶囊材料与其他改性材料的联合应用

复杂的口腔环境对自修复树脂材料提出了极高的要求，所以牙科自修复材料的多功能化对延长使用寿命具有重要意义。由于口腔环境中微生物的存在，继发龋的发生成为了影响牙科树脂使用寿命的另一大挑战。基于此，学者们尝试在牙科自修复树脂中引入抗菌剂。吴峻岭等[21]将PUF-TEGDMA微胶囊和新型纳米二氧化硅抗菌填料同时加入复合树脂中，合成出了兼具自修复及抗菌双重功效的牙科复合树脂。添加7.5%微胶囊，不会影响复合树脂材料的机械性能。此体系在牙科树脂水门汀中也表现出了良好的自修复及抗菌效果[22]。为了更好应对复合树脂继发龋的发生，Wu等[23]又尝试赋予牙科树脂再矿化功能，合成了一种含有PUF-TEGDMA微胶囊、季铵盐抗菌单体甲基丙烯酸十六烷基二甲铵以及无定形磷酸钙纳米颗粒的牙科复合树脂。这种材料能够实现自修复、抗菌和再矿化三重功效，可以很好应对树脂破裂及继发龋等影响树脂修复体使用寿命的临床问题；同时，此策略设计在牙科树脂粘接剂中也能发挥作用，具有广阔的应用前景[24]。Chen 等[25]将新型强蛋白趋避性聚合物二甲基丙烯酰氧乙基磷胆碱和PUF-TEGDMA微胶囊共同加入牙科复合树脂中。结果显示，这种新型复合材料能实现较好的自修复效果，且能够有效降低细菌在树脂表面的吸附。将自修复微胶囊材料与抗菌剂、再矿化剂、抗蛋白等物质联合应用可以有效提升自修复材料的抗菌性能，具有重要的应用价值。

在树脂材料中加入微胶囊将不可避免的会对树脂材料的机械性能产生影响，如何在不影响牙科树脂机械性能的前提下赋予其自修复功能也是一项挑战。纳米二氧化硅作为常用填料，被尝试添加到自修复牙科树脂材料中。有研究将自修复微胶囊和纳米二氧化硅填料同时加入到牙科树脂材料中，研究结果表明，在树脂基质中加入质量分数为20%的硅烷化处理的二氧化硅及质量分数10%以内的PUF-TEGDMA微胶囊，材料弯曲强度、透光率、硬度、转换率、弹性模量等参数均未受到影响[26]。Ahangaran等[27]采用溶剂挥发法制备了一种以TEGDMA为芯材，以聚甲基丙烯酸甲酯为壳材的自修复微胶囊，与一定量硅烷化处理后的纳米二氧化硅颗粒加入到自修复牙科树脂材料中，数据显示，微胶囊的引入并未影响树脂的机械性能，该材料的自修复效率能达到78%～121%，对变形链球菌也有较好的抑制性，且未表现出明显的细胞毒性。因此，通过加入纳米二氧化硅填料来增强自修复牙科树脂材料的机械性能具有重要的研究意义。

3 自修复微胶囊的硅烷化处理

硅烷化处理是指采用硅烷偶联剂为主要原料的新型表面处理技术，能够增强界面间结合力[28]。提高自修复微胶囊与树脂基质之间的界面结合力有利于提高自修复牙科复合树脂材料的机械性能和自修复效率，基于此，学者们开始尝试用偶联剂对微胶囊进行预处理。Li 等[29]用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂对PUF微胶囊进行了表面改性，结果显示，硅烷偶联剂中的Si—OH与PUF微胶囊中的羟基发生反应生成了化学键(Si—O—C)；另外，Si—OH与PUF微囊壁的羟基间有氢键作用，在界面上同时产生了化学吸附效应，显著改善了微胶囊与树脂之间的界面结合力。有学者又用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂对三聚氰胺-尿素-甲醛微胶囊进行了预处理，硅烷偶联剂改善了微胶囊与基质之间的界面结合力，并显著提高了微胶囊的机械性能[30]。另外，硅烷偶联剂的加入提高了微胶囊及自修复牙科复合树脂的耐热性能。其主要原因在于偶联剂在分解过程中生成了无机盐二氧化硅[30]。

Huyang 等[20]制备了以聚丙烯酸水溶液为芯材的二氧化硅微胶囊，硅烷化处理后加入到牙科树脂基质中，并对其表面形貌、机械性能和自修复效果进行了分析。结果显示，硅烷偶联剂可以帮助微胶囊在复合树脂基体内形成牢固的表面结合，对微胶囊的破裂和愈合液的释放具有积极作用。Sharma 等[31]将经过硅烷处理的微胶囊加入到牙科树脂材料中，该材料表现出了较好的机械性能。有报道将两组由不同硅烷偶联剂处理的微胶囊加入到牙科复合树脂中，一种用甲基丙烯酸酯硅烷(methacrylate silane，MA-silane)处理，另一组使用羟基硅烷(hydroxyl silane，OH-silane)处理，数据证实，含有5%的MA-silane处理的微胶囊实现了最佳的断裂韧性和自修复效率[32]。这种硅烷化的微囊在基质中的破裂速度可达未预处理微囊的5倍。所以，硅烷化处理对牙科自修复树脂材料实现良好的自修复效果具有重要意义。

4 自修复牙科树脂的动态力学、疲劳及老化研究

自修复牙科材料在临床应用中面临着极大的挑战。一方面是复杂的口腔环境，另一方面是修复材料本身需承受咬合所产生的咀嚼力。循环荷载、磨损、高湿度以及微生物等因素的存在都会对自修复牙科树脂材料的使用寿命产生一定影响。因此，对树脂材料的动态力学性能、疲劳及老化性能的研究对于自修复树脂材料的临床应用具有重要意义。

目前基于牙科材料的动态力学行为的研究文献较少。有学者研究了硅烷化处理的三聚氰胺-尿素-甲醛微胶囊的动态力学性能，结果显示，在较低的温度范围内，含硅烷化微胶囊树脂的储能模量高于含未硅烷化微胶囊树脂组，其tanδ曲线的宽度也较未改性组窄，微胶囊和基质之间相容性的提高增加了储能模量和阻尼性能[30]。Sharma等[31]也制备了硅烷化处理的自修复微胶囊，并研究了添加不同比例的微胶囊对牙科自修复复合材料动态力学行为的影响。当微胶囊含量从质量分数为0%增加到6%时，材料的储能模量、损耗模量和玻璃化转变温度随微囊添加量的增加而下降。但进一步增加微胶囊的添加量到9%时，树脂的储能模量、损耗模量和玻璃化转变温度又有所增加。Cole-Cole图显示了填充微胶囊的牙科复合树脂体系是非均相体系。当然，对自修复牙科树脂的动态力学行为的研究还需进一步深入，包括自修复微胶囊的加入如何影响牙科树脂动态力学性能、使自修复树脂材料动态及静态力学性能最佳化的微胶囊最适添加量的探索等。

在以裂纹形式出现的修复体破坏中，由于疲劳造成的损伤占主导地位。之前对自修复牙科复合树脂自愈合效率的评估主要集中在断裂韧性的研究上，虽然修复体的整体破坏是由快速断裂引起的，但微裂纹只有达到一定长度才能够造成修复体断裂，因此，修复体的使用寿命与其抗疲劳裂纹扩展能力有关[32]。而疲劳试验是表征牙科复合材料中裂纹扩展的适宜方法，能够较好预测材料的使用寿命。研究证实[33]，在环氧树脂基质中加入微胶囊能够降低疲劳裂纹的生长速率；由于微胶囊的加入改变了断裂面的形貌，使其获得了一定增韧效果，从而起到了抗裂纹生长的作用。Kafagy等[34]系统研究了自修复材料修复阻止裂纹扩展的能力。自修复微胶囊的加入增强了复合材料体系的韧性，实现了疲劳裂纹增长的延迟，与先前的研究结果[33]相同。Yahyazadehfar等[32]根据微胶囊在单调荷载和循环荷载作用下的断裂韧性、自修复效率以及其抗疲劳裂纹扩展能力对牙科自修复复合材料结构的耐久性进行了评价。研究结果显示，微胶囊含量为5%时，表现出了最好的断裂韧性和自修复效率。微胶囊的加入可以显著增强复合物基体的抗疲劳能力，其疲劳裂纹扩展阻力显著增加，疲劳寿命提高(580±15)%。疲劳裂纹扩展的延缓可能与复合树脂材料体系韧性的提高和自修复机制的作用有关，具体的临床应用效果仍然需要进一步探索。

目前对自修复牙科复合树脂抗老化能力的研究，除了上述模拟咀嚼循环法常用的疲劳循环试验外，还有介质浸泡法，常采用蒸馏水作为浸泡介质。Wu等[35]研究了含PUF-TEGDMA微胶囊的牙科复合树脂的抗老化性能，研究结果显示，此种复合材料具有良好的时效性，在水中浸泡6个月后树脂材料仍具有良好的自修复效果且对复合材料的原始机械性能没有不良影响。而对于含有PUF-TEGDMA微胶囊以及含长链烷基季铵盐修饰的纳米抗菌二氧化硅填料的新型自修复抗菌牙科复合树脂，水老化明显影响了自修复抗菌复合树脂的机械性能，但其自修复性能和抗菌性能均未受到影响。浸泡270 d后，仍然可以获得64%的自修复效率[36]。作为系列研究，Wu等[18]又研究了水老化12个月对自修复抗菌牙科树脂粘接剂的影响。结果表明，老化12个月后，粘接剂的粘接强度、抗菌性能、自修复效率均未降低，表现出了良好的耐久性。新型多功能树脂材料在实际口腔环境下的老化特性应是未来研究的重点方向。

5 牙科自修复微胶囊材料展望

近年来，牙科自修复微胶囊材料得到了极大的发展，研究人员研发并优化了不同的自修复体系，与多种材料协同应用，制备出了多种极具临床应用前景的牙科自修复材料，丰富了牙科自修复高分子材料的基础理论。

尽管牙科自修复微胶囊材料具有良好的性能，仍然存在着制约其发展的因素。一是如何实现稳定的自修复效果。自修复效果与多重因素有关，例如微胶囊的大小及质量、微胶囊与树脂基质的连接及微胶囊的破裂率等都会影响自修复效率。较大的微胶囊能够容纳较多的愈合液，且与基质的结合更加紧密，有利于提高自修复效率。而较小的微胶囊由于表面积小，达不到理想的机械互锁作用，不利于微胶囊的破裂，从而影响了自修复效率。所以调控微胶囊的适宜粒径、提升微胶囊的质量及强化微胶囊与树脂基质的结合十分有必要。此外，还可以研发更优的自修复体系，选用反应性高的愈合液，进一步提高自修复效率。二是自修复微胶囊的加入，不可避免的会对树脂基复合材料的性能产生影响。因此，在实现最佳自修复效果，又不影响树脂材料本身的性能的前提下，探讨微胶囊的最适添加量具有重要意义。三是目前来说，微胶囊仅能实现单次自修复效果，当树脂材料内的微胶囊行使单次自修复功能后，存在于树脂中的微胶囊即变成了树脂中的薄弱点。赋予微胶囊除自修复效果之外的功能，以使其能够持续发挥作用也是今后应用的挑战。最后，目前对于牙科自修复微胶囊材料的研究多为体外研究，而口腔环境较为复杂，具体的应用效果，仍需在实际口腔环境中进行探索[37]。