6種光固化復合樹脂吸水性、溶解性和單體釋放量的比較

嚴 敏，馮 丹，高 平，魏茜茜，姜 雪，張曉萌，朱 松

(吉林大學口腔醫院修復科，吉林 長春 130021)

光固化復合樹脂因具有良好的美學性能、機械性能及操作簡便等優點被廣泛應用于臨床。目前70%以上的商品復合樹脂以雙酚A雙甲基丙烯酸縮水甘油酯(Bisphenol A diglycidyl methacrylate，Bis-GMA)為主要基質[1]，由于Bis-GMA的黏度很高，限制了無機填料的加入，所以通常要加入相對分子質量較小、黏度較低的稀釋劑如雙甲基丙烯酸二縮三乙二醇酯(triethylene glycol dimethacrylate，TEGDMA)。復合樹脂在光引發條件下發生聚合反應時，仍有部分單體未能聚合，成為殘余單體。殘余單體可在唾液的浸泡下進行釋放，已聚合的樹脂成分也會在口腔唾液、微生物、酶及咀嚼磨耗等的作用下發生降解，其中唾液衍生酯酶和非特異性酯酶能輕易降解復合樹脂的成分[2]。如果水或者其他溶劑進入樹脂聚合物內，將導致降解的低聚物和殘余單體釋放，Bis-GMA基質較為軟化，更容易被滲透，從而使聚合物網膨脹，最終導致殘余單體長期釋放[3]。研究[4-6]表明：復合樹脂釋放的成分具有致敏性、致突變性、遺傳毒性和雌激素樣作用等。Bis-GMA和TEGDMA對來源于人類牙髓、牙齦或牙周膜成纖維細胞的原代細胞系和永生細胞系均具有較高毒性[7]。

復合樹脂釋放成分的生物安全性已經引起越來越多的關注，近年研究者們也圍繞著復合樹脂釋放成分進行了較多研究，但是關于樹脂長期釋放的單體量研究尚少。本研究擬檢測目前具有代表性的6種商品光固化復合樹脂的吸水值、溶解值及單體釋放量，探討各檢測指標出現差異的原因，為臨床選擇和應用光固化復合樹脂提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

6種商品復合樹脂分別為FiltekTM Z250(Z250)、FiltekTM Z350XT(Z350)、Aelite LS Posterior(ALS)、Clearfil Majesty Posterior(CMP)、Neofil Nano(NN)和Tetric N-Ceram(TNC)，其中ALS和CMP是低收縮復合樹脂。具體資料見表1。

表1 6種復合樹脂的相關信息

1.2 主要試劑和儀器

Bis-GMA和TEGDMA(分析純，美國Sigma-aldrich公司)(表2)。高分辨液相色譜質譜儀(Agilent1290-micrOTOF Q Ⅱ，德國Bruke公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DGG-9070B，上海森信實驗儀器有限公司)；光固化燈(SLC-ⅧA,杭州四方醫療器械有限公司)，光強度為900 mW·cm-2，光強度由輻射儀(美國登士柏公司)進行監測；電子分析天平(MATTELER AE240，北京晨曦勇創科技有限公司)；保干器；電子游標卡尺(精度為0.001 mm)。

表2 實驗檢測單體的相關信息

1.3 6種復合樹脂吸水值和溶解值的檢測

按照ISO 4049-2009，將6種復合樹脂制作成直徑15 mm、厚1 mm的圓形試件，固化后放入裝有重新干燥過硅膠的保干器內支架上，將試件放入第一個保干器中22 h(37℃)后，再放入第2個保干器2 h(23℃)后稱質量，重復進行直至達到恒定質量(在24 h內，每個試件的質量減少量≤0.1 mg)，記為m1；用電子千分尺測量試件2個相互垂直的直徑以及中心和圓周四等分處的厚度，計算試件的體積，記為V。將恒定的試件浸泡于37℃的去離子水中7 d，取出稱質量，記為m2。按照上述方法將試件放入保干器中直至質量再次恒定，記為m3。吸水值(water sorption value,Wsp)和溶解值(water solubility value,Wsl)可由下列公式計算：Wsp(μg·mm-3)=(m2-m3)/V，Wsl(μg·mm-3)=(m1-m3)/V。m1為試件浸水前質量(μg)，m2為試件浸水后質量(μg)，m3為再恒定質量(μg)，V為試件的體積(mm3)。

1.4 單體滲出量的檢測

1.4.1 樣品制備 將6種復合樹脂制備成直徑6 mm、厚度2 mm的樹脂片，制備過程中將不銹鋼模具放置在玻璃板上，用充填器將樹脂加壓充填入模具內，樹脂上下表面用聚酯薄膜覆蓋以抑制空氣中的氧對樹脂表面的阻聚作用，蓋玻片擠壓出多余樹脂，移去玻片，光固化燈光源距試件表面約1 mm，光照40 s。每種材料制備3個試件，然后浸入1 mL、37℃的75%乙醇溶液中，24 h后終止浸泡。重復上述步驟，分別在7 d、28 d和3個月終止浸泡，浸出液4℃密封保存備用。

1.4.2 色譜條件 色譜柱：Agilent SB-C18(2.1 mm×150 mm，1.8 μm),柱溫為(23±2)℃。流動相：A相為乙腈，B相為水；梯度洗脫條件：0.00 min，30%A-70%B；5.00 min，80%A-20%B。流速0.7 mL·min-1，進樣量5 μL。

1.4.3 質譜條件 電噴霧電離源(eletrospray ionization,ESI)，霧化氣壓力0.8 Bar，毛細管電壓4 500 V，干燥氣流速6.0 L·min-1，干燥氣溫度200℃。

1.4.4 標準曲線的繪制和線性回歸方程的建立 配制2.5、5.0、10.0、20.0和30.0 mg·L-1的Bis-GMA和TEGDMA標準溶液，在選定的色譜質譜條件下分析。以濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線(圖1)。Bis-GMA和TEGDMA的濃度在2.5～30.0 mg·L-1的范圍內呈線性，Bis-GMA的線性回歸方程為Y=21 977.523X-23 713.962，相關系數為0.997；TEGDMA的線性回歸方程為Y=2 043.858X+11 540.721，相關系數為0.998。

圖1 Bis-GMA(A)和TEGDMA(B)標準溶液的標準曲線

1.4.5 樣品檢測 所有樣品檢測前需用離心機4 000 r·min-1離心3 min。以標準溶液Bis-GMA和TEGDMA提取離子色譜圖(extracted ion chromatogramme, EIC)出現的主峰時間及峰面積為參照，選取被測樣品EIC相應時間段內的洗脫峰，測定峰面積，根據線性回歸方程計算樣品中Bis-GMA和TEGDMA的濃度。Bis-GMA和TEGDMA的EIC和質譜圖見圖2和3。

圖2 Bis-GMA的EIC(A)和質譜圖(B)

圖3 TEGDMA的EIC(A)和質譜圖(B)

1.5 統計學分析

2 結 果

2.1 各組樹脂吸水值和溶解值

6種復合樹脂的吸水值和溶解值見表3。其中ALS吸水值最小，Z350吸水值最大，由小到大依次為ALS0.05)，由小到大依次為Z350

表3 6種復合樹脂的吸水值和溶解值

2.2 各組樹脂單體釋放量

標準Bis-GMA樣品，分離主要成分即Bis-GMA峰保留時間3.5 min。標準TEGDMA樣品，主要分離成分即TEGDMA峰保留時間1.8 min。

6種復合樹脂的Bis-GMA和TEGDMA在75%乙醇溶液中24 h、7 d、1個月和3個月的單體滲出量見表4和表5。Bis-GMA的釋放量：隨著時間延長，ALS釋放量緩慢增加，與1個月時比較，3個月時ALS釋放量減少(P<0.05)；與1個月時比較，7 d 時CMP釋放量差異無統計學意義(P>0.05)，3個月時CMP釋放量減少(P<0.05)；與7 d時比較，24 h時Z350和NN釋放量差異無統計學意義(P>0.05)，1個月時 Z350和NN釋放量開始增加(P<0.05)；Z250的釋放量隨著時間的增加而增加，各時間點釋放量比較差異均有統計學意義(P<0.05)；與1個月時比較， 7 d 時TNC釋放量差異無統計學意義(P>0.05)，3個月時釋放量增加(P<0.05)。TEGDMA的釋放量：與7 d時比較，24 h時 ALS和CMP釋放量差異無統計學意義(P>0.05)，1個月時釋放量增加(P<0.05)，3個月時不再增加(P>0.05)；與1個月時比較，3個月時CMP釋放量減少(P<0.05)；與7 d時比較，24 h 時Z350和Z250釋放量差異無統計學意義(P>0.05)， 1個月時 Z350和Z250釋放量開始增加(P<0.05)；NN和TNC未檢出TEGDMA。

表4 6種復合樹脂浸泡在75%乙醇溶液中不同時間段Bis-GMA釋放量

*P<0.05 compared with 1 month;△P<0.05 compared with 7 d.

表5 6種復合樹脂浸泡在75%乙醇溶液中不同時間段TEGDMA釋放量

*P<0.05 compared with 7 d;△P<0.05 compared with 1 month.“-”:No data.

3 討 論

光固化復合樹脂的吸水是一個擴散-控制的過程，理論上有2種途徑：一種是自由體積途徑，水分子聚集在樹脂-填料界面、微孔隙和形態缺陷處，沒有與極性基團發生反應；另一種是相互作用途徑，水分子與一些親水基團形成氫鍵[8]。復合樹脂的吸水性取決于有機基質(單體種類、聚合轉化率和極性相互作用)、無機填料(組分、類型、形態、粒徑和在基質中的分布情況)、樹脂-填料界面的性質、催化劑和引發劑的濃度、溶劑性質及樹脂暴露在溶劑中的表面積，其中基質發揮著主要作用[8-9]。樹脂浸泡在水中，吸水和溶解過程會同時發生。初期水分子進入材料使其質量迅速增加并使材料發生化學降解，部分降解產物從材料中釋放，同時水分子擴散致殘余單體浸出，無機填料也發生降解，材料質量相應減少，導致材料的綜合性能下降。樹脂的溶解性與吸水性密切相關，因為溶劑進入材料后殘余單體和其他可溶解成分才能釋放，且與樹脂的轉化率和交聯密度也有關[10]。影響溶解性的因素包括可浸出物質的種類、數量、大小、極性、浸泡溶劑、浸泡時間和溫度[8]。

Z350的吸水值最高，這可能與其有機基質含量較高及單體中含親水性基團有關。Z350的填料含量為質量的78.5%，是除了NN之外填料含量最低的，Z350含有Bis-GMA和TEGDMA，Bis-GMA中存在親水的羥基，TEGDMA中含有親水的醚鍵，這些親水基團的存在有助于材料吸收水。雖然Z350的吸水值最高但溶解值卻是最低的，這與材料內部網絡密度有關[11]。TNC和Z250的吸水值相近，與其樹脂基質構成比相近有關。ALS吸水值最小，原因是由于其填料構成比高且含有疏水性單體Bis-EMA，Bis-EMA是Bis-GMA的非羥基化相似物，可減少樹脂的吸水性，近年已經開始部分替代Bis-GMA。CMP吸水值僅次于ALS，其基質中含有疏水性芳香族二甲基丙烯酸酯且填料構成比高。

復合樹脂的浸出成分不僅與樹脂的物理和機械性能有密切關聯，也是評價材料生物安全性的決定因素[12-13]。許多單體如TEGDMA是引起接觸性皮炎、扁平苔蘚、牙齦炎和潰瘍等各種過敏反應的致敏劑[14]。影響單體釋放的三個重要因素包括樹脂單體的聚合轉化率、可釋放成分(如有機基質和填料)的大小及化學性質、溶劑的種類[7]。另外，光強度、光照距離和光照時間也可對單體釋放量產生影響。

本研究6種實驗樹脂中ALS和CMP是用于后牙的低收縮復合樹脂，其余4種均為目前臨床常用的前后牙通用型樹脂。實驗常用的溶液主要分為兩大類：第一類是水溶液，包括人工唾液或人的唾液、蒸餾水和細胞培養液等；第二類是有機溶液，包括乙醇和丙酮溶液等[15]。根據美國食品藥物管理局(Food and Drug Administration，FDA)的規定，75%乙醇溶液可作為食物/口腔的模擬液且與臨床相關，其模擬某些飲料(包括含酒精的)、蔬菜和水果等食物[16]。本實驗采用此溶液是為了模擬口腔的極端環境，這對復合樹脂的性能穩定提出了較高的要求。目前大多數樹脂單體釋放實驗為短期實驗，檢測的時間點一般有1 h、3 h、24 h、7 d、28 d和1個月。很多研究[15，17]表明：樹脂聚合后的24 h內殘余單體釋放量較多，隨后釋放量呈緩慢上升趨勢。極少數研究者進行了長期實驗[18]。本實驗選取大多數研究者選用的時間點24 h、7 d、1個月和3個月,其中3個月的時間較長，這對于深入了解單體釋放的規律具有重要意義。液相色譜法特別適用于分離多組分的試樣，而且分離效率高、分析速度快；質譜法通過將被測物質離子化并按質荷比大小進行分離從而提供分子質量信息，根據質譜圖可以進行定性定量分析，質譜法鑒別能力強、靈敏度高，通常將質譜法和液相色譜法聯合應用，液相色譜質譜聯用既可以發揮色譜法的高分離能力，又可利用質譜法的高鑒別能力，有利于對復雜混合物成分進行檢測及分析[19]。

殘余單體或其他成分從樹脂聚合物網絡浸出的2個必要條件是擴散和膨脹[13]。當浸泡溶液的溶解度參數與聚合物成分的溶解度參數相匹配時易發生擴散。水溶性溶劑易被親水結構吸引，而有機溶劑更容易擴散到疏水結構中。溶劑擴散入聚合物網絡可導致已存在空隙的膨脹和開放，膨脹程度取決于聚合物網絡的剛性和交聯密度，殘余單體在聚合物內的擴散狀況取決于其相對分子質量和分子結構的柔韌性。與具有剛性結構的大分子Bis-GMA相比，TEGDMA相對分子質量小且含有環氧乙烷長鏈，使得該單體易發生化學降解反應、易移動且相對容易從基質中洗脫出來[13，15]。本研究中Bis-GMA檢測量普遍大于TEGDMA，這是由于基質中的Bis-GMA構成比大于TEGDMA，且75%乙醇溶液與Bis-GMA有相似的溶解度參數，乙醇溶液能輕易滲透進入樹脂基質并使聚合物網絡膨脹引起殘余單體釋放。Polydorou等[18]研究發現：無論聚合時間、存儲時間和樹脂種類如何，Bis-GMA在75%乙醇溶液中的釋放量一直是最高的，而且長期保持在較高水平。本研究中，復合樹脂聚合后24 h內可在浸泡液中檢測出殘余單體且釋放量較高，隨后釋放量呈緩慢升高趨勢。3個月時ALS和CMP的Bis-GMA釋放量及CMP的TEGDMA釋放量減少的原因是單體釋放量不再增加，但溶液中單體發生了化學降解，化學降解的主要原因之一是單體內包含較多易水解的基團，如羥基、酯鍵和聚氨酯鍵等。NN和TNC的Bis-GMA釋放量較高而TEGDMA未檢出，可能由于其TEGDMA構成比低，且釋放量少，導致儀器檢測不出,其他的研究也出現過類似結果[13]。

本文作者比較6種復合樹脂的吸水值及單體釋放量發現：兩者之間不存在線性相關，原因是單體釋放量的多少與聚合后材料的吸水性和溶解性、殘余單體量、化學降解作用及材料表面狀態等多種因素有關。但降低樹脂的吸水值、溶解值及單體釋放量，可以提高材料的綜合性能和使用壽命，減少對患者的危害。

綜上所述，本研究中6種復合樹脂浸泡不同的時間有不同的單體釋放量，ALS和CMP 2種低收縮樹脂優于其余4種樹脂。Z350和NN的吸水值及NN的Bis-GMA釋放量很高，可能會影響材料充填后的長期使用效果。在今后的臨床工作中要根據臨床需要及復合樹脂的綜合性能選擇相應的光固化復合樹脂。

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