新型抗菌纳米复合粒子的制备及其在牙科修复树脂中的应用基础研究

发布时间：2020-07-10 19:46

【摘要】：牙科修复树脂材料在口腔长期使用,表面容易堆积菌斑形成生物膜,引发龋病。虽然新型抗菌剂不断应用于牙科树脂防治龋病,但研究的重点集中在提高材料的抗菌能力,而造成了机械性能和生物相容性的降低。此外,牙科抗菌材料在实际应用中会出现因抗菌组分过度使用造成口腔微环境的菌群失调,引发其他口腔疾病,甚至可能导致细菌耐药性产生。因此,赋予树脂材料创新性抗菌性能,减少龋病及其它感染发生,并提高材料的机械性能和生物安全性,成为当前树脂基牙科修复材料研究领域亟待解决的热点问题。纳米抗菌复合粒子凭借抗菌活性高、稳定性强、生物毒性低等特点受到科研工作者广泛关注,且呈现出比传统材料更优越的物理、化学、力学等性能。因此,在牙科修复树脂中引入特定功能的抗菌纳米复合粒子,一方面少量添加即可发挥优异的抗菌性能,降低对材料生物相容性的不利影响;另一方面对改性树脂起到增强和增韧作用,达到改善材料机械性能目的。基于此,本文设计了多种纳米抗菌复合粒子并对树脂基质改性,分别构建了单重抗菌模式、双重抗菌模式和酸响应抗菌模式的牙科修复树脂材料。主要研究内容和结果如下:利用不同烷基链长的阳离子聚合物NPVP对纳米金刚石进行功能化改性,以解决其严重团聚问题并赋予抗菌活性。为降低改性粒子的细胞毒性,并改善与树脂基质的相容性,在阳离子聚合物中引入亲水单元HEMA,考察其对解团聚和抗菌性能的影响规律。其中,制备的QND-H10解团聚效果最佳,粒径分布在10～100nm之间,对革兰氏阴性菌E.coli和革兰氏阳性菌S.aureus的MIC值为别可达100 μg/mL和50 μg/mL。对QND-H10抗菌机理探索发现,其与细菌细胞膜除了静电引力作用外,还可能通过氢键发生相互作用,通过内膜-外膜剥离机制破坏菌体。接着,在此基础上,设计并制备了可聚合抗菌纳米复合粒子QND,并与树脂基质Bis-GMA/TEGDMA通过光引发聚合,构建接触型抗菌牙科修复材料。纳米抗菌填料在固化树脂中分散良好,且大幅增强了改性树脂的机械性能,其中,0.6wt%改性树脂的维氏硬度、弯曲强度和模量分别增加了75.1%、46.5%和48.5%。通过对口腔主要致龋菌S.mutans 的抗菌性能研究发现,由于纳米粒子的加入,不仅赋予材料一定的抗菌能力,而且提高了亲水性,使其具备一定抗细菌粘附能力。CKK-8毒性分析表明,该材料对巨噬细胞RAW264.7的毒性较小。为进一步提高QND改性树脂的抗菌性能,避免材料表面季铵盐抗菌基团因“接触抑制”作用而影响抗菌活性,采用原位还原法在QND表面负载纳米银,制备出Ag/QND纳米复合粒子,与树脂基质共聚构建双重抗菌模式的牙科修复材料。负载纳米银后,Ag/QND仍保持良好的解团聚效果,抗菌性能大幅提高,在90min内即可完全杀灭菌液中E.coli。利用多种生物学手段对改性树脂的抗菌性能进行了考察,在阳离子聚合物的接触型杀菌和银纳米粒子释放型杀菌协同作用下,1.0 wt%Ag/QND改性组杀菌率达82.1%,有效阻止了菌斑生物膜的形成。且材料的维氏硬度、弯曲强度和模量分别增加了51.1%、33.7%、24.9%。但相对于QND改性树脂,由于该材料Ag+的“突释”,对巨噬细胞RAW264.7的毒性有所上升。由于Ag/QND改性树脂Ag+的“突释效应”,长效抗菌性能不佳,且Ag+的释放受制于环境氧含量。为解决上述问题,设计并制备了核壳结构纳米复合粒子AgBr/BHPVP,构建Ag+缓释型双重抗菌模式的牙科修复材料。该纳米复合粒子对E.coli和S.aureus的MIC值只有16μg/mL。由于壳层聚合物BHPVP的包裹作用,提高了AgBr的稳定性,使得Ag+得以“缓释”,且降低纳米粒子细胞毒性。改性树脂的机械性能研究结果表明,纳米抗菌填料的加入并未对材料力学性能影响产生不利影响。另外,通过抑菌圈实验、活/死染色实验、直接接触法综合评估了改性树脂对S.mutans的抗菌活性,由于Ag+的缓释,即使经过4个星期老化,仍具有优异的抗菌性能,杀菌率达到91.9%。细胞毒性研究表明,巨噬细胞RAW264.7在1.5wt%改性组表面温育7天存活率仍达80%以上。针对当前抗菌牙科修复材料无选择性杀菌,可能导致口腔微环境失衡以及细菌耐药性的问题,本研究依据致龋菌产酸导致龋病发生这一基本机制,利用阳离子单体ADMP、酸响应单元MAA和相容性改性单体HEMA的共聚物对纳米Si02功能化改性,制备出酸响应抗菌纳米复合粒子ASiO2,并与树脂基质共聚构建酸响应型抗菌牙科修复材料。对ASiO2抗菌性能研究结果表明,在中性或碱性环境中对细菌几乎不产生抑制作用,而在pH=5.5的弱酸环境表现出高效杀菌活性,对E.coli和S.aureus的MIC值只有16μg/mL,选择性(HC50/MIC)高达156,且对小鼠成纤维细胞NIH-3T3几乎不产生毒性。通过维氏硬度和三点弯曲试验对改性树脂的机械性能进行研究,由于纳米填料与树脂基质有良好的相容性,固化后可形成半互穿网络结构,提高了纳米粒子与树脂基体之间的界面结合力,各项力学性能大幅增加。对改性树脂的抗菌性能探究表明,材料在中性环境下呈两性离子状态发挥抗细菌粘附作用,而在细菌感染的酸性环境下切变为正电状态发挥高效抗菌作用,7.0wt%改性组对S.mutans的抗粘附率和杀菌率分别高达65.6%和94.9%。抗粘附和抗菌切变机理探索发现,主要通过材料表面纳米粒子聚合物层-COO-质子化和-COOH去质子化实现抗菌和抗粘附的可逆切变。CKK-8毒性评估表明,与空白树脂相比,该型抗菌牙科修复树脂有利于细胞增殖生长,未产生明显毒性。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;R318.08
【图文】：

图１．１牙科修复材料的发展逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｄｅｎｔａｌ邋ｒｅｓｔｏｒａｔｉｖｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑Ｂｉｓ－ＧＭＡ的分子结构如图１．２所示，在引发体系作用下，甲基丙烯酸酯既可进行单体逡逑分子间的均聚反应，也可以与其他甲基丙烯酸酯单体共聚，从而得到致密的高交联网状逡逑结构，具有较强的机械性能。然而其含有的羟基基团易造成分子间形成氢键，使其在常逡逑温下的黏度过高，在临床使用中，常添加一定比例低粘度的稀释单体双甲基丙烯酸二缩逡逑三乙二醇酯（ＴＥＧＤＭＡ），与Ｂｉｓ－ＧＭＡ共同组成树脂基质（图１．２）。另一种常用甲基丙烯酸逡逑酯基质单体为氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯树脂单体（ＵＤＭＡ），相比于Ｂｉｓ－ＧＭＡ，其粘度逡逑低且韧性好，但折射指数低，添加填料之后可能降低体系的固化深度。因此，ＵＤＭＡ大逡逑多数情况下与Ｂｉｓ－ＧＭＡ配合使用。随着材料学的不断发展，牙科复合树脂经历了从化学逡逑固化型到光固化型、从大颗粒填料至纳米混合型填料的变化过程

—１＿壚逡逑缺损邋－１邋银汞合金填充邋１胃复合树脂填充ｆ逡逑图１．１牙科修复材料的发展逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｄｅｎｔａｌ邋ｒｅｓｔｏｒａｔｉｖｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑Ｂｉｓ－ＧＭＡ的分子结构如图１．２所示，在引发体系作用下，甲基丙烯酸酯既可进行单体逡逑分子间的均聚反应，也可以与其他甲基丙烯酸酯单体共聚，从而得到致密的高交联网状逡逑结构，具有较强的机械性能。然而其含有的羟基基团易造成分子间形成氢键，使其在常逡逑温下的黏度过高，在临床使用中，常添加一定比例低粘度的稀释单体双甲基丙烯酸二缩逡逑三乙二醇酯（ＴＥＧＤＭＡ），与Ｂｉｓ－ＧＭＡ共同组成树脂基质（图１．２）。另一种常用甲基丙烯酸逡逑酯基质单体为氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯树脂单体（ＵＤＭＡ），相比于Ｂｉｓ－ＧＭＡ，其粘度逡逑低且韧性好，但折射指数低，添加填料之后可能降低体系的固化深度。因此，ＵＤＭＡ大逡逑多数情况下与Ｂｉｓ－ＧＭＡ配合使用。随着材料学的不断发展

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本文编号：2749371