口腔自修复复合树脂的研究进展

2018-1-22 14:01 来源:中华口腔医学杂志
作者:颜惠宜 杨宏业 黄翠阅读量:2642

    现有的口腔复合树脂材料仍不够完善,咀嚼负荷或口腔温度变化可引起树脂老化,使内部和表面产生微裂纹,若不及时处理,则微裂纹将扩展最终导致树脂完全破裂,缩短修复体临床使用寿命,是口腔修复治疗失败的主要原因。近年,学者将材料学领域的基于微胶囊模型的自修复体系引入复合树脂,以实现微裂纹的早期修复,有望解决复合树脂的老化问题,以提高口腔修复体的长期耐久性。现综述自修复材料的概念及分类,以及现阶段其应用于口腔复合树脂的研究进展,探讨口腔自修复复合树脂的发展方向。

    1.自修复材料的概念及分类

    自修复材料是一种具有微裂纹自我识别、自动修复功能的智能材料,其通过模仿生物体自身修复损伤的原理,在受到外界温度及机械损害后,能自动检测、识别材料损伤区域,并通过特定机制重新填补微裂纹,实现仿生自愈合。目前,自修复材料的分类方法较多,按照是否使用修复剂可分为本征型(intrinsic)和外援型(extrinsic)两大类。

    (1)本征型自修复体系:

    本征型自修复体系主要利用材料内部能进行可逆性化学反应的分子结构,在复合材料断裂后提供能量,引发一系列可逆性反应,使断裂面的分子重新结合,启动自修复过程。这些可逆性化学反应包括共价键合和非共价键合。由于修复过程可逆,因此在一段时间内甚至材料整个服役期间均可实现自修复,且该过程无需加入其他物质,因而亦不会影响材料本身的力学性能。

    (2)外援型自修复体系:

    外援型自修复体系通过在材料内部埋植功能型载体实现自修复。通常外援型自修复体系的修复效率高于本征型。另外,由于本征型自修复体系常需高温或高压等特殊条件引发自修复过程,而外援型可通过微裂纹扩展等机械因素在常温下引发自修复过程,因而外援型自修复体系有更广泛的适用性。目前外援型自修复体系主要使用中空纤维结构和微胶囊包载修复剂。

    1)中空纤维结构:

    也即微脉管网络,由Hamilton等根据人类皮肤创伤的自修复原理构建,主要采用中空玻璃纤维作为载体,氰基丙烯酸酯或环氧树脂等作为芯材。该自修复体系利用微脉管网络向材料内部微裂纹处转运修复剂,以实现微裂纹的自修复。但由于结构限制,中空纤维结构自修复体系多用于大体积的材料或薄层涂料。

    2)微胶囊:

    是一种利用成膜材料包覆具有分散性的固体、液滴或气体而形成的具有核-壳结构的微小粒子,通常将成膜材料形成的包覆膜称为壁材或囊壁,包覆的物质称为芯材或囊芯。2001年White等在Nature上开创性地提出微胶囊型自修复体系,首次制备以双环戊二烯(dicyclopentadiene,DCPD)单体为芯材、脲醛树脂为壁材的微胶囊,并将其与粉末状的格拉布(Grubbs)催化剂(烯烃复分解反应中的催化剂)同时加入环氧树脂基质。当微裂纹扩展引发微胶囊破裂时,DCPD释放至微裂纹表面,与基质中的催化剂接触,引发开环易位聚合反应,将裂纹面重新粘合,发挥自修复功能。微胶囊的优点在于形成微胶囊后,正常情况下芯材性质保持稳定,只有在外力作用下壁材破裂才能释放芯材,并与基质中的催化剂或交联剂发生聚合反应实现自修复过程。因此,基于微胶囊的外援型自修复模型在口腔复合树脂改性中受到学者青睐。

    2.口腔自修复复合树脂材料的研发

    临床研究显示,复合树脂的破裂和牙体组织的继发龋是导致修复治疗失败的主要因素。自修复体系能显著提高材料的抗折裂性能,主要原理即是在特定引发条件下实现微裂纹自修复,同时微裂纹自修复后可降低致龋菌侵入材料内部的风险,进而减少界面牙体组织的继发龋。

    (1)自修复复合树脂的研发:

    自修复微胶囊模型应用于环氧树脂成功后,Wertzberger等基于催化剂催化单体聚合的反应机制,将包裹DCPD单体的脲醛树脂微胶囊与Grubbs催化剂的自修复微胶囊模型引入牙科丙烯酸树脂基质。结果显示,改良复合树脂的平均修复效率(修复后与修复前断裂强度的比值)可达57%;而实验组与对照组的初始断裂强度差异不显著。预示添加自修复微胶囊的复合树脂能在不影响力学性能下实现一定程度的自修复。

    此外,Huyang等基于玻璃离子水门汀(glass ionomer cement,GIC)的酸碱反应机制,构建新型自修复复合树脂。该体系以双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸羟乙酯为树脂基质,将GIC的液相主要成分——聚丙烯酸水溶液作为修复液,包裹于二氧化硅微胶囊中,以GIC的粉剂主要成分——含锶的氟铝硅酸盐玻璃颗粒作为自修复体系的修复粉末,将包裹修复液的微胶囊与修复粉末作为填料同时添加至树脂基质中。结果显示,树脂材料内部微裂纹扩展可使微胶囊破裂,释放的修复液与基质中的修复粉末发生酸碱反应,生成稳定的固体GIC修复微裂纹,从而达到自修复效果。同时,该课题组对微胶囊囊壁表面进行硅烷化改性,使其与树脂基质间有更强的界面结合力,将微胶囊因裂纹扩展引发的破裂概率从15%大幅提高到72%,保证足够多的修复剂参与自修复反应。该基于酸碱反应机制的微胶囊自修复体系所采用的成分均是临床已常规使用的物质,保证了其生物安全性。

    (2)自修复树脂粘接剂的研发:

    目前,树脂基粘接剂即刻粘接效果优异,但长期耐久性仍显不足,其中,多种因素引起的粘接界面老化及其产生的微裂纹是重要原因。将自修复体系引入树脂粘接剂中,有望实现粘接界面的微裂纹修补,从而延缓界面老化,延长修复体使用寿命。

    Ouyang等首次用聚氨酯包裹活性单体双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯制备纳米微胶囊,并添加至成品口腔粘接剂中;结果显示,质量分数为9%的自修复微胶囊改性粘接剂的粘接强度显著高于对照组。

    (3)自修复复合树脂的强度优化:

    复合树脂应具有优良的力学性能以行使功能。因此,对于自修复微胶囊模型改性的复合树脂,理想的微胶囊囊壁应既能保证其在混入树脂基质的过程中不因外界作用力而破损,又能与基质材料有较高的界面结合力,以确保微裂纹在树脂内部扩展过程中使囊壁破裂,修复剂溢出,从而发挥修复微裂纹的功能。White等合成的脲醛树脂微胶囊的主要缺陷是强度不够,在混入基质材料时易提前破裂,从而影响后期的自修复效果。鉴于此,Then等利用尿素、蜜胺、甲醛三者良好的交联性能,采用蜜胺改性的脲醛树脂作为囊壁构建自修复体系,并加入甲基丙烯酸牙科树脂中,以期提高囊壁的强度。结果显示,相比于传统脲醛树脂微胶囊,密胺改性后微胶囊囊壁在强度提高的同时,还可与树脂基质产生更大的机械结合力,且改性后树脂断裂强度、维氏硬度等力学性能亦不受影响,展现良好的力学性能与临床应用前景。

    (4)自修复复合树脂的多功能化:

    除微裂纹外,牙本质脱矿与继发龋等也可造成复合树脂修复失败。因此,学者在开发各种自修复体系改良复合树脂的同时,尝试在树脂基质中添加其他特殊功能物质,希望能赋予口腔复合树脂多功能性和长期耐久性。Wu等成功构建以聚脲醛树脂为囊壁,稀释单体双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯和叔胺促进剂氮-氮双乙基对甲苯胺共同作为修复剂的自修复微胶囊模型。在此基础上,又将该自修复微胶囊模型与活性抗菌物质(如含长链烷基季铵盐新型纳米二氧化硅抗菌填料、二甲基十六烷基甲基丙烯酸酯等)和有再矿化功能的无定型磷酸钙纳米颗粒等物质按比例混合,共同组成新型多功能口腔复合树脂,旨在赋予复合树脂自修复性能的同时兼具抗菌功效与再矿化能力,综合提升复合树脂的耐久性。结果显示,该复合树脂能在潮湿环境下启动自修复过程,保持较高的修复效率,并表现一定的抗菌性能;尽管含无定型磷酸钙纳米颗粒的口腔复合树脂的再矿化性能证据不够充分,但这些创新性工作为学者构建多效合一的新型多功能自修复复合树脂提供了新思路。

    3.口腔自修复复合树脂研究的不足

    目前,以微胶囊为主的口腔自修复复合树脂的研究已取得欣喜的成果,但也暴露一定的局限性。例如,含DCPD修复剂的微胶囊可增加材料的毒性,Grubbs催化剂较高的价格也一定程度阻碍口腔自修复复合树脂的临床推广。将基于催化剂催化单体聚合反应机制的自修复微胶囊模型引入口腔复合树脂可获得高达50%以上的自修复效率,而采用酸碱反应模式的自修复微胶囊模型改良树脂的自修复效率(25%)并不可观,原因可能为后者的反应物——修复液和修复粉末的接触面积、时间和空间均有较大的局限性,不能充分反应形成强度较高、质地均一的反应产物。另外,用于改性牙本质粘接剂的自修复微胶囊模型由于缺乏促进单体聚合的催化剂或交联剂,微胶囊内活性单体释放后发生聚合反应的效率不高,仍需进一步优化。同时,口腔自修复复合树脂能否长期保持优异的自修复效果并有效提高材料的耐久性仍待进一步研究。

    由于目前用于改良口腔复合树脂的自修复体系均为外援型微胶囊模型,后者通常只在局部发生单次的囊壁破裂,自修复能力有限,或可将其他自修复模式(如可逆的本征型自修复体系)与之结合,从而实现复合树脂的多次自修复。开发兼具自修复微裂纹、抗菌和再矿化等能力的多功能口腔复合树脂仍是目前的研发方向。另外,目前尚无研究将自修复体系用于自粘接型口腔复合树脂,有较高强度囊壁的自修复微胶囊模型或可充当填料以改善自粘接型口腔复合树脂机械强度不佳的缺点,又可利用自修复功能提高树脂的耐久性。

    综上,开发具有生物相容性好、细胞毒性低、机械强度高、价格低廉等优势的口腔自修复复合树脂具有重要的研究价值并有望被应用于口腔临床。

编辑: 陆美凤

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