一种含哑铃状氟磷灰石填料的齿科复合树脂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种含哑铃状氟磷灰石填料的齿科复合树脂及其制备方法 (Dental composite resin containing dumbbell-shaped fluorapatite filler and preparation method thereof ) 是由 张青红 李楠 王宏志 李耀刚 侯成义 朱美芳 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种含哑铃状氟磷灰石填料的齿科复合树脂及其制备方法,原料组分包括：有机树脂基材、SiO-2微球,纳米棒构筑的哑铃状氟磷灰石。本发明制备工艺简单,条件温和,适合于工业批量生产,在齿科修复复合材料领域具有广阔的应用前景。(The invention relates to a dental composite resin containing dumbbell-shaped fluorapatite filler and a preparation method thereof, and the dental composite resin comprises the following raw material components: organic resin base material and SiO 2 The dumbbell-shaped fluorapatite is constructed by the microspheres and the nanorods. The invention has simple preparation process and mild conditions, is suitable for industrial batch production, and has wide application prospect in the field of dental repair composite materials.)
技术领域
本发明属于齿科复合树脂及其制备领域，特别涉及一种含哑铃状氟磷灰石填料的齿科复合树脂及其制备方法。
背景技术
牙齿修复性复合树脂通常由有机基质、引发剂、无机填料(如SiO2，玻璃粉，SiC晶须，无机纤维等)等组成。其中使用最为广泛的有机基质是单体双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA)及稀释剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)体系。由于兼具美观性、临床操作便捷和成本优势，目前复合树脂已成为最受欢迎的齿科修复材料。
经过不断的研发，复合树脂的各组分及固化方式均有了很大的改进，但仍需克服力学性能较低、聚合收缩率较高等缺点。正是这些缺点造成了其服役期只有银汞合金寿命的30％～40％，因此提高其力学性能十分必要。而无机填料的种类和结构对复合树脂力学性能的影响最为显著。#
人牙釉质和牙本质的主要无机成分为羟基磷灰石(HAp)，但其中含有一定程度的氟离子，以氟磷灰石或氟碳羟基磷灰石的形式存在。这是因为氟离子是电负性最强的元素，易于取代OH-、Cl-、CO3 2-等其他离子以达到较高的对称性，因此氟磷灰石具有比羟基磷灰石更好的化学稳定性(体液环境中更难溶解)。同时，氟磷灰石在较低的pH环境下能够释放F-从而具备一定程度的抗菌防龋的作用。目前，有颗粒状、晶须状等形貌的氟磷灰石应用到齿科修复树脂中，但这些一维的填料由于表面较为光滑、比表面积较小，故增强作用不甚明显(Taheri M.M.,et al.,Materials&Design,2015,82,119-125)。因此，有必要探索出一种三维立体仿生结构的氟磷灰石用于提高齿科修复树脂力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含哑铃状氟磷灰石填料的齿科复合树脂及其制备方法，克服现有技术中增强作用差的技术曲线。
本发明的一种齿科复合树脂，其特征在于，按质量百分比，原料组分包括：
有机树脂基体和引发剂 20-30％，
SiO2微球 10-70％，
改性的纳米棒构筑的哑铃状氟磷灰石 10-70％。
所述有机树脂基体为双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯Bis-GMA、三乙二醇二甲基丙烯酸酯TEGDMA；引发剂为对二甲氨基苯甲酸乙酯4-EDMAB、樟脑醌CQ；其中Bis-GMA、TEGDMA、4-EDMAB和CQ的质量比为49.5:(40～50):(0.5～1):(0.1～1)；所述SiO2微球为改性SiO2微球，粒径为400～450nm。
所述改性SiO2微球由下列方法制备：
将环己烷、SiO2微球、γ-MPS和正丙胺在室温下磁力高速搅拌30-40min混合均匀，随后升温进行反应，离心洗涤、烘干，得到改性后的SiO2微球；其中，SiO2微球的质量范围为5～10g，环己烷、γ-MPS、正丙胺的浓度分别为700～800g/L、10～20g/L、3～5g/L。
所述改性的纳米棒构筑的哑铃状氟磷灰石由下列方法制备：
将乙二胺四乙酸二钠盐Na2EDTA、柠檬酸CA、硝酸钙Ca(NO3)2、磷酸氢二铵(NH4)2HPO4加入到去离子水中，调节pH后加入氟化钠NaF进行水热反应，离心洗涤、烘干，得到哑铃状氟磷灰石；其中离心洗涤为：用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤3～4次；烘干具体为：先在普通烘箱中烘干至没有明显水分，再在60～80℃真空烘箱中干燥10～24h；
将环己烷、哑铃状氟磷灰石、γ-MPS和正丙胺在室温下磁力高速搅拌30～40min至混合均匀，随后升高温度反应，离心洗涤、烘干，得到改性的纳米棒构筑的哑铃状氟磷灰石；其中，哑铃状氟磷灰石的质量范围为5～10g，环己烷、γ-MPS、正丙胺的浓度分别为700～800g/L、10～20g/L、3～5g/L。其中离心洗涤为：用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤3～4次；烘干具体为：先在普通烘箱中烘干至没有明显水分，再在60～80℃真空烘箱中干燥10～24h。
所述乙二胺四乙酸二钠盐Na2EDTA、柠檬酸CA、硝酸钙Ca(NO3)2、磷酸氢二铵(NH4)2HPO4及氟化钠NaF的水溶液浓度分别为12～13g/L、20～22g/L、10～15g/L、1～5g/L及0.1～0.2g/L；所述溶液的pH范围为4～6；所述水热反应工艺条件为120～150℃下水热反应8～10h。
所述环己烷、γ-MPS、正丙胺的浓度均分别为700～800g/L、10～20g/L、3～5g/L；所述升温反应的温度为60～65℃、反应时间为0.5～1h。
本发明的一种齿科复合树脂的制备方法，包括：
按所述称取原料，将改性后的SiO2微球、哑铃状氟磷灰石及有机树脂基体混合均匀，光固化成型，即得硅基齿科复合树脂。
所述光固化成型为采用光源480nm的LED蓝光进行固化成型。
本发明的一种所述齿科复合树脂的应用。
本发明水热法合成哑铃状氟磷灰石；以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)为改性剂，改性哑铃状氟磷灰石；将有机树脂基体、哑铃状氟磷灰石、SiO2微球及光引发剂按照一定比例混合成均匀的糊状浆料，填充到模具中并进行光固化后得到复合树脂。
本发明采用改性后哑铃状氟磷灰石为无机填料的一部分，按照一定比例复配SiO2微球添加至有机树脂基体中，光固化制得齿科复合树脂。哑铃状氟磷灰石具有较大的比表面积、抗菌性，且具有良好的生物相容性，与SiO2微球混合后增强了齿科复合树脂的机械性能。
本发明中，哑铃状氟磷灰石的结构与牙釉质内有序排列的无机成分(羟基磷灰石、氟磷灰石等结晶体)十分相似，经BET比表面积测得其比表面积为76.4m2/g，因此具有比表面积大、不易团聚的特点。其与SiO2微球共同作为无机填料能分散均匀并紧密填充在有机树脂基体中，有效提高了复合树脂的力学性能。该复合树脂力学性能好，其弯曲强度远超过了用于咬合区域的齿科修复材料的国际标准强度数值(80MPa)。
有益效果
(1)本发明实验方法简单、易于制备，在齿科修复复合材料领域具有广阔的应用前景；
(2)本发明中由SiO2微球和哑铃状氟磷灰石制备得到的齿科复合树脂，具有较高的机械性能，表现为相比于单一SiO2微球的填料，复合树脂的压缩强度、弯曲强度、弯曲模量均提高了10％及以上；
(3)本发明方法制备得到的哑铃状氟磷灰石具有比表面积大，有序排列的结构与牙釉质类似的特点，对硅基复合树脂力学性能的增强作用较高，且具有一定的抗菌性。
附图说明
图1为本发明中哑铃状氟磷灰石填料增强齿科复合树脂的制备流程图；
图2为本发明中实施例1中制备的哑铃状氟磷灰石的扫描电镜照片；其中，图(A)是放大倍数为9K时哑铃状氟磷灰石的扫描电镜照片；图(B)是放大倍数为30K倍时哑铃状氟磷灰石的扫描电镜照片。
图3为实施例1制备的复合树脂断面的扫描电镜照片；其中，图(A)是放大倍数为5K时复合树脂的扫描电镜照片；图(B)是放大倍数为25K时复合树脂的扫描电镜照片。
图4为实施例1及对比例1制备的复合树脂抗菌性能的数码照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
(1)弯曲强度和弯曲模量
用不锈钢刮刀将制备好的复合树脂填充至25mm×25mm×2mm的硅胶模具中，用玻璃片压平表面后，使用蓝光光固化灯将上下两面分别固化60s。将样条取出，每组制备6个样品。将制备的样条放置在干燥室温下2-3天，测试前用砂纸打磨表面。进行弯曲强度、弯曲模量测试，记录数值。
(2)压缩强度
用不锈钢刮刀将制备好的复合树脂填充至Φ4mm×6mm的的硅胶模具中，用玻璃片压平表面后，使用蓝光光固化灯将上下两面分别固化60s。将样条取出，每组制备6个样品。将制备的样条放置在干燥室温下2-3天，测试前用砂纸打磨表面。进行压缩强度测试，记录数值。
(3)抗菌性能
用不锈钢刮刀将制备好的复合树脂填充至Φ20mm×1mm的圆柱型硅胶模具中，用玻璃片压平上表面。使用蓝光光固化灯将上下两面分别固化60s。将样品取出，每组制备6个样品。将制备的样条放置在干燥室温下2～3天，测试前用砂纸打磨表面。参照ASTME2180-07(2017)标准方法对树脂样品进行抗菌(变形链球菌)测试，并依据下列公式计算细胞活性：R％＝((a-b)×100)/a。其中R代表细胞活性，a、b分别代表空白组及实验组细菌培养24h后洗脱操作余下的菌落数。
原料来源及规格参数
注：实施例2及对比例1-2采用的改性后的SiO2微球、改性后的哑铃状氟磷灰石的具体制备均同实施例1。
实施例1
(1)称取0.93g EDTA·2Na、1.68g CA·H2O，1.18g Ca(NO3)2·4H2O及0.4g(NH4)2HPO4先后加入到水浴预热(40℃)的80mL去离子水中搅拌均匀，随后，用氢氧化钠水溶液及硝酸水溶液调节混合液pH至5.2，再添加0.01g NaF，搅拌20min后转移至100mL反应釜中，在150℃下水热反应8h。将反应得到的沉淀用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4次，80℃真空烘箱中干燥12h。
(2)称取10g SiO2微球、1.1mLγ-MPS、200mL环己烷和0.51mL正丙胺在室温下混合搅拌30min；然后升温至60℃搅拌反应30min。去离子水和环己烷分别离心洗涤4次，80℃真空烘箱中干燥12h。即可得到改性后的SiO2微球粉体。
(3)称取10g哑铃状氟磷灰石、1.1mLγ-MPS、200mL环己烷和0.51mL正丙胺在室温下混合搅拌30min；然后升温至60℃搅拌反应30min。用去离子水和环己烷分别离心洗涤4次；先在普通烘箱中烘干至没有明显水分，再在60-80℃真空烘箱中干燥12h。即可得到改性后的哑铃状氟磷灰石。
(4)将3g改性后的SiO2微球、0.5g改性后的哑铃状氟磷灰石、1.5g有机树脂基体(其中Bis-GMA:TEGDMA:4-EDMAB:CQ＝49.5:49.5:0.8:1)通过双中心混合分散机进行预混，再使用三辊研磨机进一步混合树脂，最后经光固化制得复合树脂。
按照测试评价方法，分别制备好不同尺寸样式的试样，随后进行机械性能测试(弯曲强度、弯曲模量、压缩强度)及抗菌性能测试，测试结果见表1。
如图2所示，水热法制备的哑铃型氟磷灰石的尺寸为长约2μm，哑铃状连接处长度约为500nm。其结构与牙釉质内有序排列的无机物质(羟基磷灰石、氟磷灰石等结晶体)十分相似，且具有比表面积大但不易团聚的特点。
如图3所示，哑铃状氟磷灰石与有机树脂基体的相容性较好，且复合树脂断面有明显的台阶，说明10wt％哑铃状氟磷灰石加入后起到较大的增强作用。
如图4所示，合适的填充量赋予复合树脂以抗菌性能，说明本发明制备的树脂有望应用于齿科临床修复材料领域中。
实施例2
将2.5g改性后的SiO2微球、1g改性后的哑铃状氟磷灰石、1.5g有机树脂基体(其中Bis-GMA:TEGDMA:4-EDMAB:CQ＝49.5:49.5:0.8:1)通过双中心混合分散机进行预混，再使用三辊研磨机进一步混合树脂，最后经光固化制得复合树脂。
按照测试评价方法，分别制备好不同尺寸样式的试样，随后进行机械性能测试(弯曲强度、弯曲模量、压缩强度)及抗菌性能测试，测试结果见表1。其他步骤同实施例1。
由表1可知当哑铃状氟磷灰石取代SiO2的量增加到20wt％时，其机械性能有所下降。说明合适的填充比例能赋予复合树脂较高的机械性能。
对比例1
将3.5g改性后的SiO2微球、1.5g有机树脂基体(其中Bis-GMA:TEGDMA:4-EDMAB:CQ＝49.5:49.5:0.8:1)通过双中心混合分散机进行预混，再使用三辊研磨机进一步混合树脂，最后经光固化制得复合树脂。
按照测试评价方法，分别制备好不同尺寸样式的试样，随后进行机械性能测试(弯曲强度、弯曲模量、压缩强度)及抗菌性能测试，测试结果见表1。其他步骤同实施例1。
由表1可知当单纯填充70wt％的SiO2微球时(即对比例1)，其性能相比某一组分混合填料的树脂要低，说明当填充比例合适的SiO2微球和哑铃状氟磷灰石时(即实施例1)，复合树脂的机械性能更好。
对比例2
将3.5g改性后的哑铃状氟磷灰石、1.5g有机树脂基体(其中Bis-GMA:TEGDMA:4-EDMAB:CQ＝49.5:49.5:0.8:1)通过双中心混合分散机进行预混，再使用三辊研磨机进一步混合树脂，最后经光固化制得复合树脂。
按照测试评价方法，分别制备好不同尺寸样式的试样，随后进行机械性能测试(弯曲强度、弯曲模量、压缩强度)及抗菌性能测试，测试结果见表1。其他步骤同实施例1。
由表1可知当填充量为70wt％哑铃状氟磷灰石时，其性能相比混合填料的树脂要低，说明单一填充SiO2微球或者哑铃状氟磷灰石时树脂性能差。当加入两种不同的填料且填充比例合适时，复合树脂的机械性能更好。
表1为实施例1～2及对比例1～2的组分含量、机械性能(压缩强度、弯曲强度、弯曲强度)及抗菌性能的数值。
将SiO2微球及哑铃状氟磷灰石的总填料量控制在70wt％。对比例分别为单纯填充70wt％的SiO2微球(对比例1)和单纯填充70wt％的哑铃状氟磷灰石(对比例2)。由表1可知，当SiO2被哑铃状氟磷灰石部分取代时(即实施例1、2)，复合树脂的力学性能较对比例均有较大的提升。当取代量为10wt％时，力学性能最优，其压缩强度达到了357MPa。但此配方的复合树脂含氟磷灰石的量较少，抗菌性能较弱。将哑铃状氟磷灰石的含量提升至70wt％时，复合树脂的抗菌性能可达到99.9％以上。Taheri等制作的以氟磷灰石纳米棒(具有六边形截面)为填充材料的Bis-GMA\TEGDMA基复合树脂，当力学性能最好时其氟磷灰石填充量为0.2wt％，弯曲强度约为100MPa，弯曲模量约为2.5GPa(M.M.Taheri,et al.Fluoridatedhydroxyapatite nanorods as novel fillers for improving mechanical propertiesof dental composite:Synthesis and application,Materials&Design,2015,82,119-125)
本发明方法制备得到的哑铃状氟磷灰石具有比表面积大、有序排列的结构与牙釉质类似的特点，对硅基复合树脂力学性能的增强作用较高，且具有一定的抗菌性。本专利以二氧化硅与哑铃状氟磷灰石为复合原料，对比不难得到：相比于单一SiO2微球的填料，复合树脂的压缩强度、弯曲强度、弯曲模量均提高了10％及以上；相比于单一棒状氟磷灰石结构，复合填充材料有效提高了树脂中的空间利用率，使得弯曲强度、模量有较大提高，具有预料不到的技术效果。