纳米材料改良义齿基托力学性能及抗菌性能的研究进展
曾越1, 夏海斌2, 王敏2
1.武汉大学口腔医学院 武汉 430079
2.武汉大学口腔医院种植科 武汉 430079
[通信作者] 王敏,副主任医师,博士,Email:83wangmin@whu.edu.cn

[作者简介] 曾越,学士,Email:2013302220066@whu.edu.cn

摘要

目前,义齿基托仍存在着力学性能上的缺陷,容易发生折断;同时,由于细菌黏附聚集于基托会形成菌斑,也易导致黏膜炎或龋病等口腔疾病。因此,提高树脂基托的力学性能和抗菌性能具有重要的临床意义。本文对纳米材料改良义齿基托的力学性能及抗菌性能进行综述。

关键词: 义齿基托; 纳米材料; 力学性能; 抗菌性能
中图分类号:R783.1    文献标志码:A      
Research progress on the mechanical and antibacterial properties of nanomaterial-modified denture base
Zeng Yue1, Xia Haibin2, Wang Min2
1. School of Stomatology, Wuhan University, Wuhan 430079, China
2. Dept. of Implantology, Hospital of Stomatology, Wuhan University, Wuhan 430079, China
Abstract

The mechanical properties and antibacterial properties of the resin denture base should be improved given that the denture base is prone to fracture and bacterial adhesion may lead to mucositis and caries. In this paper, the mechanical properties and antibacterial properties of denture bases modified with nanomaterials were reviewed.

Keyword: denture base; nanomaterial; mechanical property; antibacterial property

纳米复合材料通常定义为至少有一种固相处于纳米尺度范围内的多元复合组成材料。其中, 采用的纳米单元成分可以是金属、陶瓷或高聚物等。纳米粒子与聚合物之间通过发生强烈的相互作用, 在微米范围内结合, 从而使界面间存在较强的结合力; 同时, 又由于纳米颗粒相有较大的比表面积, 使纳米复合材料的性能优于相同组分的常规复合材料。因此, 制备纳米复合材料是当前获得综合高性能材料的一种有效方法。

1 纳米材料增强义齿基托的力学性能

复合材料中无机相赋予材料高强度、高模量等特性, 有机相赋予材料低密度、良好的柔韧性等特性, 使其具有单一材料无法比拟的优异性能。因此, 复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等性质, 而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和有机物的韧性、加工性结合在一起。

从刚性粒子增韧理论的角度分析, 聚合物无机刚性粒子复合材料的冲击韧性与两方面因素有关, 即树脂基体对冲击能量的分散能力和无机刚性粒子表面对冲击能量的吸收能力。在后一种因素中, 当无机粒子粒径过大时, 其将成为材料的应力集中点, 使材料的冲击强度下降。然而, 当粒径细到比裂纹还要小, 即粒径小于临界粒径时, 粒子就可起到分散应力, 阻止裂纹扩散的作用。因此, 在纳米复合材料中, 纳米无机粒子水平均匀地分散在聚合物中, 能够阻止裂纹扩散, 增强力学性能。目前, 用于增强义齿基托力学性能的纳米材料有纳米氧化锆(ZrO2)、纳米二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(carbon nanotube)等。

1.1 纳米氧化锆

氧化锆因具有良好的力学性能和生物相容性, 在口腔材料中的应用越来越广泛。氧化锆外观呈白色, 与义齿基托聚合后生成粉红色的复合材料, 对义齿基托色泽影响较小, 且可以通过着色剂对最终色泽进行调整。

有学者[1, 2, 3, 4, 5, 6]指出:纳米氧化锆作为义齿基托的填料可以提高基托的耐磨性和强度, 有着良好的应用前景。Yu等[4]将氧化锆以纳米管和纳米粒子的形式加入义齿基托中, 结果发现:2种形式均能增强义齿基托的弯曲强度。也有实验证明:向树脂中加入氧化锆纳米粒子能够提高其横向强度。Kul等[1]在研究中发现:加入10% 5 μ m的氧化锆微粒时, 其弯曲强度发生了降低, 这就说明氧化锆只有在纳米范围内才能对义齿基托的力学性能起到增强作用。

1.2 纳米二氧化硅

纳米二氧化硅分子的结构呈三维链状, 且其中有大量的不饱和残键和不同键合状态的羟基。这种结构使其能与树脂的某些基团发生键合作用, 从而大大改善基托材料的硬度和强度; 同时, 由于纳米二氧化硅颗粒尺寸小, 当采用适当的方式将其分布于高分子键的空隙中, 并使其具有较高的流动性时, 可以使得由此形成的二氧化硅/聚合物纳米复合材料在强度、韧性、延展性上均得到较大的提高。

目前的研究[7, 8]显示:二氧化硅纳米微粒能有效增强义齿树脂材料的力学性能。Atai等[7]将纳米二氧化硅热烧结制成纳米孔过滤颗粒后加入双酚A-双甲基丙烯酸缩水甘油酯/双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯(bis-phenlo A diglycidyl methacrylate/triethylene glycol dimethacrylate, Bis-GMA/TEGDMA)基质中, 结果发现:材料的弹性模量和断裂韧性均得到了明显的提高。Balos等[8]发现:当二氧化硅纳米微粒在义齿基托中的体积比为0.023%时, 义齿基托材料显示出最强的显微硬度以及断裂韧度。

1.3 碳纳米管

碳纳米管是一种由单层或多层石墨片卷曲形成的、呈无缝纳米管状壳层结构的新型材料。首先, 碳纳米管具有较优良的力学性能, 其强度和韧性均较高, 且密度较小, 仅为钢的1/7; 其次, 碳纳米管耐强酸、强碱, 具有优良的化学稳定性; 同时, 碳纳米管具有的高弹性有利于其在高聚物中的载荷传递。以上特性使其组成的纳米复合材料不仅具有高强度、稳定的化学性能, 又具有良好的韧性。

研究[9]表明:向义齿基托基质中加入碳纳米管, 当碳纳米管质量分数为2%时, 其拉伸强度和弹性都得到了明显提高。Harb等[10]的研究结果显示:加入碳纳米管的义齿基托的耐擦伤性得到了提高。刘东菲等[11]向义齿基托树脂中加入经硝酸纯化的多壁碳纳米管, 结果显示:加入了碳纳米管的基托树脂, 其拉伸强度、延伸率均高于对照组。以上的实验研究说明:碳纳米管有望在提高义齿基托的力学性能, 延长义齿使用寿命等方面发挥作用。

2 纳米材料改善义齿基托的抗菌性能

在改善基托抗菌性能方面, 主要采用本身具有抗菌性能的材料, 将其制作成纳米规格, 使其充分分布于义齿基托树脂中来发挥抗菌性能。目前, 改善义齿基托材料抗菌性能的纳米材料有纳米银(silver nanoparticles)、纳米二氧化钛(TiO2)、纳米氧化锌(ZnO)等。

2.1 纳米银

纳米银粒子具有表面积比较大, 表面键态和电子态与内部不同, 表面原子配位不全等特点, 使其表面活性位置增加; 同时, 纳米粒径使其具有特别的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应, 进而具有较强的穿透力, 能充分接触并攻击病原体, 发挥较强的生物效应[12]。因此, 纳米银粒子具有抗菌范围广[13]、安全性高、杀菌时间持续等优点。目前, 有许多研究发现:纳米银能有效增强基托材料的抗菌性能。一些研究[14, 15, 16]显示:向义齿树脂基质中加入纳米银能有效阻止白假丝酵母菌的附着和生长。曹江南等[17]发现:义齿基托中加入纳米银能阻止白假丝酵母菌和变异链球菌的附着。Suganya等[18]也发现:该材料的加入能有效减少菌落形成单位。

2.2 纳米二氧化钛

纳米二氧化钛是一种光催化型抗菌剂, 在光照条件下产生的羟基自由基(· OH)具有强氧化性, 能将微生物体内的各种有机物氧化分解为CO2和H2O, 从而起到抗菌作用。Zane等[19]将纳米氧化钛粒子加入义齿树脂中, 结果显示:蓝光照射下的纳米二氧化钛能抑制变异链球菌的形成, 从而发挥抗菌作用。Totu等[20]向义齿基托中加入纳米二氧化钛粒子, 结果发现:其对假丝酵母菌类有明显的抗菌作用。

2.3 纳米氧化锌

关于纳米氧化锌的抗菌作用, 一般认为有以下两方面原理:一是光催化原理, 即纳米氧化锌抗菌剂在有水分和空气存在的体系中受阳光照射时, 能自行分解并释放出自由电子, 留下带正电的空穴, 其生成的带羟基自由基和超氧化物阴离子自由基(· O2)具有很强的化学活泼性, 能与细菌内的有机物及其分泌的毒素发生反应, 从而杀灭微生物; 二是锌离子溶出原理, 复合材料中的锌离子会在材料的使用过程中逐渐游离出来, 当其与细菌菌体相接触时, 可以通过与细菌体内的活性蛋白酶相结合, 从而使细菌失去活性, 最终杀灭微生物。目前, 已有研究表明:纳米氧化锌对细菌和真菌都有一定的抑制作用。牛丽娜等[21]向复合树脂中加入纳米氧化锌, 用薄膜覆盖法(membrane covering method)分别观察3个月前后的情况, 结果发现:纳米氧化锌对变异链球菌有明显抗菌作用。Tavassoli Hojati等[22]的实验结果也显示:向树脂基质中加入纳米氧化锌, 能在有效抑制变异链球菌生长的同时较少地影响其力学性能, 是一种较为理想的抗菌材料。Cierech等[23]的研究显示:纳米氧化锌的添加能抑制白色假丝酵母菌对于聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl metha-crylate, PMMA)的附着。

3 纳米材料的应用存在的不足

以上的研究均表明:纳米材料在提高义齿基托材料力学性能和抗菌性能上有很大的优势, 但是, 目前纳米材料的应用仍存在需要改进的问题。

部分研究显示:一些纳米抗菌材料的加入可能对树脂的力学性能产生影响。姜龙等[24]发现:随着纳米银、纳米二氧化钛抗菌剂添加剂量的增加, 抗菌基托的弯曲强度呈现先升后降的趋势。因此, 在使用纳米材料进行基托性能改良的过程中, 选取一个能兼顾力学性能和抗菌性能的合理剂量将成为一个需要考虑的问题。此外, 目前使用的纳米材料大部分为无机填料, 添加在有机高分子树脂基质中, 能够提高树脂基托的硬度, 而硬度的提高会伴随抛光难度加大的问题。除了力学性能和抗菌性能, 树脂基托的吸水性、溶解性、热稳定性能和对口腔内组织的致敏性等均能对其临床的使用效果有着重要的影响。因此, 在树脂基托中添加纳米材料, 对其整个综合性能的评估, 尚有待进一步的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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