载药扩孔硅增强抗菌性的齿科复合树脂及其制备方法

1.本发明涉及一种口腔纳米抗菌树脂材料，属于纳米生物医学技术领域，具体地涉及一种载药扩孔硅增强抗菌性的齿科复合树脂及其制备方法。


背景技术：

2.龋病是一种具有极高发病率的口腔疾病，具体表现为牙齿中无机质的脱矿和有机质的分解，并最终形成龋洞的一种疾病。龋齿的治疗需采用适当的材料对其进行充填修补。自从20世纪60年代被发明以来，光固化树脂类齿科填充材料由于美观性好、安全无毒、使用方便等特性，发展非常迅速，已成为口腔牙体修复治疗中必不可少的重要材料之一。牙科修复用复合树脂通常由树脂基体和无机填料组成，无机填料不仅能增强树脂的力学强度，还能有效降低光固化过程中的树脂收缩率。使用时，将树脂单体、无机填料及光引发剂混合后，可见光照射下光引发单体聚合，形成树脂基体交联贯穿的复合块体。然而，据报道，临床使用的牙科复合树脂使用寿命有限，平均约7年，牙科复合树脂边缘微渗漏等原因产生的继发龋以及应力断裂是导致牙科修复用复合树脂失效的主要原因。因此，提高复合树脂的力学强度和抗菌性能是延长其服役寿命的关键。
3.研究显示，有机-无机界面结合强度是决定复合块体力学性能的关键因素。常用的优化界面结合的途径为采用硅烷偶联剂对无机填料进行表面处理，从而在树脂基体和无机填料表面形成共价结合的桥梁，但形成的共价键在口腔湿润环境中容易水解，从而导致长期稳定性不足。近年来，人们尝试采用介孔结构的无机填料，通过有机-无机界面物理嵌合可显著增强其力学强度，同时设法引入抗菌剂，获得高强抗菌的复合树脂。例如，专利cn106038322b采用介孔二氧化硅包覆的抗菌剂颗粒作为无机填料，然而由于包覆层的存在，使锌离子释放受阻，因此抗菌效果有限(对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率为42.3-88.7％)。专利cn109620739a借助高浓度盐酸等强酸处理将抗菌剂吸附在介孔二氧化硅表面，但是处理过程会引入毒性成分，降低复合树脂的安全性。而且，这些无机填料均需多步反应制得，制备过程复杂，不利于规模化生产。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明公开了一种载药扩孔硅增强抗菌性的齿科复合树脂及其制备方法。本发明设计的制备方法赋予了复合树脂材料良好的生物抗菌性，为临床应用提供了长远意义。
5.为实现上述技术目的，本发明公开了一种载药扩孔硅增强抗菌性的齿科复合树脂，它包括如下质量百分比的各原料组分：
6.树脂基体：90～98wt％；
7.载药扩孔硅：0～8wt％；
8.引发剂：0.2～2wt％；
9.其中，载药扩孔硅的含量不包括零；
10.其中，所述树脂基体由主单体双酚a-甲基丙烯酸缩水甘油酯和稀释剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯按质量比5:(1～5)组成；
11.所述引发剂由主引发剂樟脑醌和助引发剂n,n-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯按质量比1:(3～5)组成；
12.所述载药扩孔硅为负载抗菌剂的扩孔介孔硅，所述扩孔介孔硅表面还接枝长链烷基季铵盐，所述扩孔介孔硅的孔隙呈现放射状垂直于球体表面，所述扩孔介孔硅的孔径为30～80nm。
13.进一步地，所述载药扩孔硅中抗菌剂占比2.5wt～10wt％。
14.进一步地，所述抗菌剂的分子量小于扩孔介孔硅的孔径，所述抗菌剂为醋酸氯己定。
15.进一步地，所述载药扩孔硅颗粒粒径为90～110nm。
16.进一步地，所述扩孔介孔硅为介孔硅与扩孔试剂反应得到，所述扩孔试剂为体积比为1:1的水与四甲基联苯胺的混合液，所述介孔硅的孔径小于扩孔介孔硅。
17.进一步地，所述长链烷基季铵盐的碳原子数不大于20。
18.进一步地，所述复合树脂包括如下质量份数的各原料组分：
19.树脂基体：94wt％；
20.载药扩孔硅：5wt％；
21.引发剂：1wt％；
22.其中，所述树脂基体由主单体双酚a-甲基丙烯酸缩水甘油酯和稀释剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯按质量比5:3组成；
23.所述引发剂由主引发剂樟脑醌和助引发剂n,n-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯按质量比1:4组成。
24.本发明的目的之二是公开一种载药扩孔硅增强抗菌性的齿科复合树脂的制备方法，它包括如下步骤：
25.1)制备载药扩孔硅：
26.1.1)合成扩孔介孔硅；采用溶胶凝胶法制备介孔硅的乙醇溶液，然后加入体积比为1:1的水与四甲基联苯胺的混合液，混匀后放入水热合反应釜中，然后于140℃的烘箱中进行扩孔反应，反应完全后，充分冷却，继续经离心分离、溶剂清洗，再置于体积比为1:10的浓盐酸与无水乙醇的混合液中冷凝回流，干燥后制得扩孔介孔硅；
27.1.2)长链烷基季铵盐改性扩孔介孔硅：取步骤1)制备的扩孔介孔硅分散于去离子水与乙醇的混合液中，加入长链烷基季铵盐后室温密封条件下搅拌至少24h，过滤、去离子水洗涤后干燥储存；其中硅烷偶联剂的体积为扩孔介孔硅质量的0.03～0.08％；
28.1.3)负载抗菌剂：取抗菌剂溶解至无水乙醇中，加入步骤2)制备的改性扩孔介孔硅，避光密封下混匀，然后常温下搅拌48h以上，待负载完全后，离心、去除上层清液、去离子水洗涤，先置于-80℃冰箱冷冻20h，后续采用冷冻干燥机干燥即制得载药扩孔硅颗粒；其中，所述载药扩孔硅中抗菌剂占比2.5wt～10wt％；
29.2)合成复合树脂：将载药扩孔硅颗粒均匀分散至异丙醇中，加入配方比的树脂基体，50～100℃处理8h以上，待降至室温后继续搅拌48h使溶剂异丙醇完全挥发，然后加入配方比的樟脑醌和n,n-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯，反应完全制得复合树脂。
30.进一步地，步骤2)中，60～80℃处理8h以上。
31.进一步地，所述长链烷基季铵盐为3-(三甲氧基甲硅烷基)-丙基二甲基十八烷基氯化铵。
32.本发明的目的之三是上述复合树脂在齿科材料中的应用，如修补材料或种植牙材料等。
33.有益效果：
34.本发明设计的复合树脂在保证基体树脂其它性能前提下，还具备一定的抗菌性，且该抗菌性持久，为临床应用提供了长远意义。
附图说明
35.图1为各介孔硅的透射电镜图，其中，图1a为未扩孔的msn，图1b和图1c为扩孔后的lmsn，图1d为qlmsn@chx的透射电镜图；
36.图2为各介孔硅的傅里叶红外光谱分析图谱；
37.图3为qlmsn的x射线光电子能谱分析图谱；
38.图4为一定浓度chx的beer吸光度曲线；
39.图5为qlmsn@chx在一定周期内释药趋势；
40.图6为qlmsn@chx在24h内抑菌环图片；
41.图7为各试验组的生物膜的树脂盘在不同时间段3d生物膜的抗菌性扫描显微镜图示；
42.图8为图7中生物膜的树脂盘的场发扫描电镜图；
43.图9和图10为复合树脂的力学性能测试图。
具体实施方式
44.实施例1
45.本实施例公开了载药扩孔硅的详细制备过程，包括如下步骤：
46.它包括如下步骤：
47.1)制备载药扩孔硅：
48.1.1)合成扩孔介孔硅lmsn；首先将水和甲醇按照体积比4:6混匀，加入氢氧化钠溶液调整ph＝13得体积为1l溶液，加入4g ctab，常温剧烈搅拌，溶解完全后，3.8ml toes溶液加入烧杯中，密封搅拌8小时，放置在温度为80℃的烘箱内陈化，待冷却至室温后，用高速离心机离心提纯，并使用无水乙醇和去离子水配合离心机以3000rpm的转速，反复交替清洗，以确保充分去除多余的ctab及甲醇，此时获得的白色沉淀即为没有扩大孔径的和未去除模板剂ctab的介孔硅msn，将制备好的msn放入乙醇溶剂中，超声分散30分钟备用；然后加入体积比为1:1的水与四甲基联苯胺的混合液，混匀后放入水热合反应釜中，然后于140℃的烘箱中进行扩孔反应，反应完全后，充分冷却，继续经离心分离，配合离心机以4400rmp，弃掉废液，再无水乙醇及水交替清洗去除四甲基联苯胺及乙醇溶剂，再置于体积比为1:10的浓盐酸与无水乙醇的混合液中冷凝回流24h，再用无水乙醇充分清洗3遍，在烘箱中干燥，干燥后制得扩孔介孔硅；
49.1.2)长链烷基季铵盐改性扩孔介孔硅qlmsn：取步骤1)制备的200mg扩孔介孔硅分
散于20ml体积比为1:1的去离子水与乙醇的混合液中，加入长链烷基季铵盐后室温密封条件下搅拌至少24h，过滤、去离子水洗涤后干燥储存；其中硅烷偶联剂的体积为扩孔介孔硅质量的0.03～0.08％；
50.1.3)负载抗菌剂qlmsn@chx：取10mg抗菌剂醋酸氯己定溶解至15ml无水乙醇中，加入步骤2)制备的10mg改性扩孔介孔硅，避光密封下超声分散10min以上，然后常温下，控制搅拌速度为500rpm搅拌48h以上，待负载完全后，离心、去除上层清液、去离子水洗涤，先置于-80℃冰箱冷冻20h，后续采用冷冻干燥机干燥即制得载药扩孔硅颗粒；其中，所述载药扩孔硅中抗菌剂占比2.5wt～10wt％；
51.2)合成复合树脂：将载药扩孔硅颗粒均匀分散至异丙醇中，加入配方比的树脂基体，高温处理8h以上，待降至室温后继续搅拌48h使溶剂异丙醇完全挥发，然后加入配方比的樟脑醌和n,n-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯，反应完全制得复合树脂。
52.结合图1a可知，未扩大孔径前的球体呈现为密度较高的球形，结合图1b可知，介孔硅的分散性良好，结合图1c可知，在扩大孔径后，孔隙呈现放射状垂直于球体表面，且所述扩孔介孔硅的孔径为30～80nm，整个扩孔介孔硅的直径约为100nm左右，结合图1d可知，qlmsn具有较大的比表面积及丰富而有序的孔隙排列，使得其具有良好的负载chx功能。
53.结合图2可知，所有未改性的lmsn和季铵功能化的qlmsn以及载药qlmsn@chx的样品，均具在1087cm-1
和803cm-1
处两个强烈的峰，分别代表si-o-si基团的非对称和对称拉伸振动。此外，在3600～3100cm-1
处出观察到一个宽的峰值，这是由于lpmsn表面的与硅醇基团伸缩振动模式有关的吸附带。在qlmsn的红外吸收光谱中，2855cm-1
和2926cm-1
的两个大峰归属于季铵化合物的拉伸振动。虽然这些脂肪族乙酰胆碱峰，对于qlmsn来说并不是特异性的，但是它们在lmsn中没有被检测到，可表明qlmsn的qas功能化。与未改性的lmsn相比，qlmsn的光谱中si-oh伸缩振动明显减弱。另外1650cm-1
处的吸收峰为qlmsn分子中来源于甲基丙烯酰氧基中的c＝c双键。同时1650cm-1
和1460cm-1
的峰值，分别对应于-ch的拉伸和弯曲振动。负载chx后的qlmsn在1677cm-1
到1405cm-1
处可见不规则指纹峰，说明成功负载了醋酸氯己定。
54.结合图3可知，在qlmsn中有si、o、c、n、cl几种元素，主要构成为si、o、c。qlmsn的xps分析表明，其表面原子组成为c 69.4％，n 1.2％，o 18.0％,si 10.04％。所有这些结果都表明qas的锚定是成功的。
55.应用例1
56.qlmsn@chx颗粒的释放动力学研究及抗菌性验证：
57.首先探究一定浓度醋酸氯己定的吸光度，具体为精密称量5mg醋酸氯己定于烧杯中，加适量的蒸馏水，溶解后转移到50ml的容量瓶中，用去离子水定容。配成浓度为(1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0)μg/ml的溶液，分光光度计测定374nm处的吸光度(od)，分析chx的30天内的释放趋势，得到图4，结合图4可知，用醋酸氯己定浓度c(μg/ml)对吸光度进行线性回归得回归方程：y＝0.2472x-0.1667，r2＝0.9924。醋酸氯己定在该浓度范围内是符合beer定律的，且吸光度与醋酸氯己定的浓度呈良好的线性关系。
58.进一步采用变形链球菌作为研究对象，bhi培养基37℃厌氧培养24h的，来检验不同分组(control、lmsn、lmsn@chx、qlmsn、qlmsn@chx)纳米颗粒的抗菌性能的差异及不同浓度的qlmsn@chx负载chx后其释放抗菌的性能。其中，control为空白试验组，得到图5、图6；
结合图5可知，随着qlmsn@chx中的醋酸氯己定的比例增加，chx释放量越高，在10天内释放缓慢，10天后趋于平稳到达平台期。从5％qlmsn@chx和10％qlmsn@chx的树脂盘开始，在4天内有明显的抑制生物膜趋势，但抗菌组分比例高的10％qlmsn@chx抑菌效果最佳，而5％qlmsn@chx抗菌效率在第5天开始与10％qlmsn@chx的趋势性对接近，说明5％qlmsn@chx的比分掺入可视为开始有杀菌效果的分组，即最小杀菌浓度；2.5％为最小抗菌浓度，这与下述图6所示的抑菌环实验的结果相互印证。结合图6可知，其中6a为空白组，6b为2.5％qlmsn@chx，6c为5％qlmsn@chx，6d为10％qlmsn@chx，在24h以内，随着醋酸氯己定的浓度增加，抑菌环的直径逐渐增加，抗菌效果越来越明显。
59.应用例2
60.复合树脂对细菌生物膜的抗菌性检测：
61.将制备好的树脂盘试件(control、lmsn、lmsn@chx、qlmsn、qlmsn@chx)按既定好的时间节点24h、48h、72h取出，细菌染色后，活细菌被meilungreen染色后为绿色荧光，死细菌被碘化丙啶(pi)染色产生红色荧光。放在共聚焦显微镜双通道扫描模式观察：488nm激发波长绿色通道，观察细胞膜完整的活细菌；543nm激发波长红色通道，观察细胞膜破坏的死细菌。每个样本随机选取3个视野，沿z轴以2μm的厚度进行3d扫描，软件进行图像重建，image j软件来量化生物膜的活菌死菌比例。结合图7可知，共聚焦激光扫描显微镜评估沿z堆各层的总细菌、活细菌和死细菌的相应细菌生物膜的分布。在分别培养了12h、48h和、72h后，变异链球菌生物膜在5个试件为一组的树脂片上生长状况。空白组与lmsn组在12h、48h、72h的荧光染色图像中无明显差异，均以活菌为主和少量正常代谢的红色细菌细胞；(红色代表死亡的细菌荧光，绿色代表成活的细菌荧光。图层间隔2.92μm(计算机根据生物膜层厚推算最佳厚度)；扫描深度＝30μm)。lmsn@chx在12h内由于醋酸氯己定的释放的影响有部分细菌抑制，随着时间的延长死亡细菌的量增加，而到了72h可能由于醋酸氯己定的释放完全，抗菌性降低。qlmsn在12h内呈现一个较好的抗菌性，在生物膜的顶层变形链球菌几乎都被抑制，而随着生物膜厚度的增加，下层出生活的绿色荧光，这说明了只有接触了季铵盐分子的生物膜的生长被抑制，因此接触抗菌仅在表层起抗菌效果，而随着时间的延长树脂片qlmsn@chx在生物膜的全层都呈现了一个最佳的抗菌效果。
62.扫描电镜的样本制备：带有生物膜的树脂盘在的戊二醛固定液固定后，用pbs缓冲液洗涤。不同浓度的乙醇进行梯度脱水、干燥、喷金后，场发射扫描电子显微镜(sem)在5kv工作电压下，观察不同样品表面细菌形态及树脂表面的细菌黏附情况，得到图8，结合图8可知，树脂盘在培养了24h后，扫描电镜中各组的细菌粘附情况如(图8所示：不含抗菌成分的树脂盘细菌的粘附量较多，且细菌生长状况旺盛，体态较长。而增加了qlmsn@chx抗菌颗粒的树脂表面的细菌粘附明显减少，并且可以肉眼观测到细胞明显的皱缩及破裂情况，细菌颗粒体积较小。
63.应用例3
64.复合树脂的力学性能
65.探讨不同掺杂浓度的树脂的应力应变测试图及弹性模量与弯曲模量之间示意图，得图9、图10。根据附图可知介孔硅的掺入会影响树脂弹性形变的能力，而10wt％qlmsn@chx的弯曲强度增强，但弹性形变力下降，脆性相应增加。5wt％qlmsn@chx的弯曲强度，即柔韧性和形变程度均与3m树脂粘接剂(对照组)接近。随着(qlmsn@chx)的比例增加到10wt％后，
改性树脂的弯曲模量增加，弹性形变减小，脆性增强。本质上，脆性材料，如复合材料，呈现出不同大小、几何形状和取向的总体规律。当载荷超过最大且最有利方向的裂纹扩展的临界值时，就会发生断裂。这些缺陷是由材料结构的内在缺陷、加工或机械研磨和抛光引起的，并可能潜在地降低材料的强度。因此，综合考虑到这些物理性能后，并结合抗菌实验，我们选择以(5wt％)的(qlmsn@chx)作为相应的验证材料。树脂剪切力结果显示，是否添加qlmsn@chx对树脂的粘接强度，差异无统计学意义(p》0.05)。
66.综上可知，qlmsn@chx的增加会影响树脂性能及美观，因此综上所述，本技术将5wt％qlmsn@chx视为最适抑菌组分。
67.综上所述，本发明设计的复合树脂在保证基体树脂其它性能前提下，还具备一定的抗菌性，且该抗菌性持久，为临床应用提供了长远意义。
68.以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。