3D打印載銀氧化石墨烯改性義齒基托復合涂層的性能

鄭少娜，葉領云，梁達穎，黃婉慧，廖文波,

1.東莞理工學院基礎化學實驗教學中心，廣東 東莞 523808

2.東莞理工學院化學工程與能源技術學院，廣東 東莞 523808

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有成本低、易加工、低吸水性、無毒、生物相容性良好等優點，被廣泛應用于牙科領域中最常用的義齒基托材料[1]。但是，長期佩戴義齒會影響口腔微生態平衡，沉積于義齒基托表面的菌斑及其毒素產物可導致齲病、牙周病、義齒性口炎等口腔疾病[2-3]。所以，解決PMMA的抗菌性能成為國內外學者研究的熱點。

納米銀(AgNPs)是一種抗菌譜廣、抗菌效能久、熱穩定性好、生物安全性高、無耐藥性的納米抗菌材料，負載于無機或有機載體后添加至義齒基托樹脂中，對多種細菌具有抑制作用[4-5]。但是，AgNPs由于納米尺寸效應，比表面能高和表面親水，在義齒基托樹脂中容易團聚，而且在賦予基托抗菌性能的同時會影響其機械性能。兼顧機械性能和抗菌性能是義齒基托材料需要解決的重要問題[5]。

氧化石墨烯(GO)具有優異的水溶性、殺菌活性、生物安全性等優點，其獨特的片層結構及邊緣富含的含氧親水官能團使其極易被其他基團修飾或負載[6-7]。作為石墨烯的氧化衍生物，在材料制備過程中僅需添加少量就能顯著改善材料的力學性能、電學性能和熱性能[8]。本研究利用GO片層結構的反應活性，通過靜電吸附作用和化學還原反應在GO片層原位負載AgNPs，再與義齒基托樹脂混合后通過3D打印機打印成型，得到義齒基托復合涂層。GO在提升義齒基托材料機械性能的同時發揮出其自身抗菌性，協同AgNPs增強了義齒基托材料的抗菌性能。

1 實驗

1.1 原料

氧化石墨烯(10 mg/mL，粒徑0.1 ~ 1.0 μm，工業品)：中國科學院山西煤炭化學研究所；義齒基托樹脂E-Denture(工業品)：EnvisionTEC公司；硝酸銀(分析純)：上海麥克林生化科技有限公司；氨水(分析純)：富宇精細化工有限責任公司；檸檬酸鈉(化學純)：天津市百世化工有限公司。

1.2 復合涂層的制備

將3.81 g的GO放入50 mL水中超聲分散0.5 h備用。通過緩慢滴加氨水到0.005 mol/L AgNO3溶液形成銀氨溶液，然后迅速加入到已經分散好的GO懸浮液中。將分散懸浮液置于四口燒瓶中，機械攪拌下用恒壓漏斗在30 min內勻速滴加30 mL的1.5 mol/L檸檬酸鈉水溶液，升溫至60 °C反應6.0 h。反應完畢后，通過高速離心得到灰色產物，置于真空干燥箱中60 °C干燥12 h，即得載銀氧化石墨烯(AgNPs-GO)。

稱取計量的AgNPs-GO和義齒基托樹脂(質量比為1∶100)，在高速分散機中分散1 h，然后用DLP 3D打印機打印成型。按《牙科學 基托聚合物 第1部分：義齒基托聚合物》(YY 0270.1–2011)將樣條打磨成長(64.0 ± 0.2) mm、寬(10.0 ± 0.2) mm、高(3.3 ± 0.2) mm和長(32.0 ± 0.2) mm、寬(4.0 ± 0.2) mm、高(8.0 ± 0.2) mm的標準形狀。

1.3 分析與測試

1.3.1 微觀形貌分析

采用日本電子株式會社的JEM-2100F型高分辨場發射透射電鏡(TEM)觀察AgNPs-GO顆粒的微觀形態，用去離子水將樣品稀釋至固含量為0.1%左右，超聲波振蕩分散0.5 h，在銅網碳膜上進行分析。

采用日本電子株式會社的JSM-6701型掃描電鏡(SEM)對AgNPs-GO及3D打印的義齒基托復合涂層的表面形貌進行表征，所有試樣需事先進行噴金處理。

1.3.2 表面元素分析

采用日本島津/KRATOS公司的Kratos Axis Ultra(DLD)多功能光電子能譜儀(XPS)對涂膜表面元素及其價態進行分析，掃描范圍為700 μm × 300 μm。

1.3.3 機械性能測試

按《牙科學 基托聚合物 第1部分：義齒基托聚合物》(YY 0270.1–2011)中的規定，用萬能試驗機按照GB/T 9341–2008《塑料 彎曲性能的測定》進行力學性能測試，不同AgNPs-GO含量的義齒基托樹脂試樣各5個。彎曲試驗前，將試樣貯存在(37 ± 1) °C的水中(50 ± 2) h。三點彎曲試驗時用恒定的(5 ± 1) mm/min加荷速率使加荷桿從零開始均勻加荷，直至試樣斷裂。斷裂韌性試驗前，將試樣貯存在(37 ± 1) °C的水中7 d ± 2 h，臨近試驗時再放到(23 ± 1) °C的水中(60 ± 15) min。試驗時，載荷壓頭以(1.0 ± 0.2) mm/min的恒定位移從零開始逐漸加力，直到經過最大壓力，缺口幾乎到達試條的對面，當載荷減少到最大負荷的5%時試驗結束。

1.3.4 抗菌性能測試

LB培養基的制備：稱取LB 2.5 g和瓊脂1.5 g，加入100 mL的超純水中溶解。隨后用高溫高壓滅菌鍋在121 °C加熱15 min，待溶液冷卻至40 ~ 50 °C，用電動移液器吸取15 mL培養基倒入一次性無菌平皿中。

細菌接種：用接種環挑取一定量的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，接種到培養基上，四區劃線，37 °C恒溫培養24 h。再從培養基中選取單克隆菌落，加LB培養基稀釋至細菌密度為1 × 106mL?1。取100 μL菌液加入到LB瓊脂培養基中混合均勻，在平板上涂抹均勻，37 °C恒溫培養24 h后取出拍照并測量抑菌圈大小。

2 結果與討論

2.1 AgNPs-GO的合成

GO經過氧化后，片層邊緣引入包括羥基、羧基、環氧基等在內的帶負電荷的含氧基團。加入銀氨溶液后，Ag+由于靜電吸附作用，吸附在片層的含氧基團表面。添加檸檬酸鈉還原劑后，部分Ag+被原位氧化成AgNPs顆粒，合成過程如圖1所示[5]。反應過程中，GO片層上的含氧活性基團提供AgNPs原位生長的“節點”，保證了AgNPs在GO表面的均勻分布[9]。

圖1 AgNPs-GO的合成流程示意圖Figure 1 Synthesis scheme of AgNPs-GO

2.2 AgNPs-GO的化學結構

從圖2給出的GO的FT-IR譜圖中可以看到，3 411 cm?1處有GO片層邊緣羥基的特征吸收峰，1 715 cm?1處的吸收峰應該屬于GO片層表面的羧基，1 634 cm?1和1 544 cm?1則是GO片層上苯環特征吸收峰所處的位置，而環氧基在1 204 cm?1和1 083 cm?1兩處出現吸收峰。在AgNPs-GO的FT-IR譜圖上，羥基特征吸收峰明顯變寬，這是GO片層表面存在AgNPs的緣故；在1 715 cm?1的羧基特征吸收峰消失，說明AgNPs優先在─COOH基團表面吸附和生成，這跟文獻報道相同[7]。

圖2 GO和AgNPs-GO的FT-IR譜圖Figure 2 FT-IR spectra of GO and AgNPs-GO

2.3 AgNPs-GO的微觀形貌

從圖3a中可以看到，GO呈片層分布，數層氧化石墨片重合、折疊，并且具有一定的透明度，其厚度已達納米級。片層上可以觀察到不同尺度范圍和不同形狀的AgNPs，顆粒的尺寸在10 ~ 50 nm之間。在圖3b中，GO表面的褶皺結構清晰可見，上面負載著白色的AgNPs顆粒，其形狀有的呈球形，有的呈四面體的晶體結構，AgNPs分散性較好，未出現團聚現象，顆粒尺寸與TEM觀察結果基本一致。TEM和SEM的結果證實AgNPs已經成功負載在GO片層表面。

圖3 AgNPs-GO的TEM(a)和SEM(b)圖像Figure 3 TEM (a) and SEM (b) images of AgNPs-GO

2.4 AgNPs-GO的表面元素分析

如圖4所示，結合能541.56 eV和294.06 eV分別屬于O 1s和C 1s，380.66 eV則是Ag 3d的結合能，說明AgNPs已經成功負載在GO片層表面。在AgNPs-GO的Ag 3d窄區掃描譜圖上，368.28 eV和374.33 eV處分別出現對應于Ag 3d5/2和Ag 3d3/2的特征峰，說明還原反應只是將部分吸附在GO片層含氧基團表面的Ag+還原為Ag[10]。

圖4 AgNPs-GO的XPS全譜圖(a)和Ag 3d窄區掃描譜圖(b)Figure 4 XPS survey (a) and high-resolution spectrum of Ag 3d region (b) for AgNPs-GO

2.5 義齒基托復合涂層的表面形貌

從圖5中可知，GO片層嵌入到PMMA基體樹脂內部，兩者之間沒有明確的邊界，說明GO在PMMA基體樹脂中的分散性良好。AgNPs在義齒基托復合涂層表面分散均勻，沒有觀察到明顯的團聚現象，這是因為AgNPs與GO片層上的含氧基團通過靜電吸附原位生長，GO對AgNPs起到了穩定和保護作用，避免了AgNPs的團聚。

圖5 義齒基托復合涂層的表面SEM圖像Figure 5 SEM image of the surface of denture base composite material

2.6 義齒基托復合涂層的機械性能

有研究報道，GO片層表面和邊緣富含大量的含氧基團，使其在水溶液及有機溶劑中的溶解度增大，更易于與聚合物復合。但是，高濃度GO的分散性會變差，在復合涂層表面團聚，反而對機械性能產生負面影響。由圖6可知，添加1.0% AgNPs-GO后，義齒基托復合涂層的彎曲模量(Ef)從(687.81 ± 28.26) MPa增大到(746.42 ± 20.45) MPa，彎曲強度(σfM)從(24.52 ± 1.95) MPa增大到(30.06 ± 1.58) MPa，說明AgNPs-GO在復合涂層中的分散性尚好，對復合涂層機械性能的提升有正面影響。

圖6 含與不含AgNPs-GO的義齒基托涂層的機械性能Figure 6 Mechanical properties of denture base composite materials with and without AgNPs-GO

2.7 義齒基托復合涂層的殺菌性能及機理

為了研究GO和AgNPs的協同殺菌效果，考察了PMMA、添加了GO的義齒基托復合涂層(GO/PMMA)和AgNPs-GO義齒基托復合涂層(AgNPs-GO/PMMA)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能，結果見圖7和圖8。無論采用大腸桿菌還是金黃色葡萄球菌進行實驗，PMMA周圍都沒有出現抑菌圈，說明PMMA本身不具備抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的性能。添加了GO的義齒基托復合涂層試樣中有部分出現較為微弱的抑菌圈，說明GO賦予了義齒基托涂層一定的殺菌能力。而添加了AgNPs-GO的義齒基托復合涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的平均抑菌圈直徑分別為2 mm和3 mm，其抗菌活性明顯高于PMMA和GO/PMMA，且對金黃色葡萄球菌的抑菌效果要優于對大腸桿菌的抑菌效果。

圖7 不同義齒基托涂層對大腸桿菌的抗菌效果Figure 7 Antibacterial effect of different denture base materials on Escherichia coli

圖8 不同義齒基托涂層對金黃色葡萄球菌的抗菌效果Figure 8 Antibacterial effect of different denture base materials on Staphylococcus aureus

GO和AgNPs協同殺菌的可能機理如圖9所示：一方面，分散在復合涂層表面的GO利用其銳利的邊緣直接接觸粘附在涂層表面的菌體，對菌膜造成物理切割損傷，從而起到殺菌的作用[2]；另一方面，AgNPs具有穩定的緩釋作用，在O2和質子(H+)的協同作用下所釋放的Ag+進入細胞內，將細菌殺死[11-13]。

圖9 GO與AgNPs協同殺菌的機理Figure 9 Synergistic germicidal mechanism of GO and AgNPs

3 結論

通過靜電吸附和化學還原反應，在褶皺的GO片層表面原位生長負載尺寸為10 ~ 50 nm的AgNPs，再與義齒基托樹脂混合后通過3D打印得到義齒基托復合涂層。AgNPs在義齒基托復合涂層表面均勻分布，義齒基托復合涂層的彎曲模量和彎曲強度因此而增大。GO和AgNPs協同作用可以賦予義齒基托復合涂層抑菌性能，且對金黃色葡萄球菌的抑菌效果優于對大腸桿菌的抑菌效果。