CN106691871A - 一种生物矿化层/光固化树脂复合材料以及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物矿化层/光固化树脂复合材料以及制备方法和应用，该生物矿化层/光固化树脂复合材料具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层、和形成于所述再矿化层表面的光固化树脂，所述再矿化层是由生物活性玻璃在酸性氨基酸作用下通过生物矿化而形成的。本发明利用生物矿化的基本原理，将氨基酸作为有机添加剂，将生物活性玻璃作为无机矿物质，通过生物矿化形成具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层，从而可以有效修复酸蚀牙釉质表面，同时再矿化层与光固化树脂复合进行力学增强，能够使形成的复合层具有良好的显微硬度。
Description
技术领域
本发明属于材料科学、仿生学、高分子科学技术以及医用生物材料领域，涉及一种生物矿化层/光固化树脂复合材料以及制备方法和应用。
背景技术
牙釉质内有序排列的釉柱结构对牙釉质的机械强度起决定性作用。作为牙体最外层，牙釉质容易受到细菌代谢或是酸性食品的腐蚀而损坏，在酸蚀牙釉质表面重建釉质样结构是牙齿修复领域的重要课题。与生物矿化相关的蛋白大多具有非常多的酸性氨基酸残基，如谷氨酸和天冬氨酸(Materials Science and Engineering C 54(2015)150–157)。介孔生物活性玻璃具有较高的比表面积和高的钙磷组成，在体液环境中可以发生离子交换，从而可以在材料表面很快发生矿化(Applied Surface Science 283(2013)833–842)。由于其良好的生物活性，已应用在牙科修复材料中。光固化复合树脂由于具有强度高，良好的可塑性及固化后可打磨抛光等优点，在牙科修复领域受到了广泛关注。
中国专利CN103919686A公开一种牙体修复用复合材料，其由纳米羟基磷灰石和树脂基体构成，中国专利CN101390813A公开了在酸蚀过的牙釉质或牙本质表面上填充含功能单体PMDM及改性羟基磷灰石的齿科修复树脂，但是这些现有技术中，羟基磷灰石不能与牙体很好地结合而起到表面修复作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于修复酸蚀牙釉质表面的生物矿化层/光固化树脂复合材料以及制备方法和应用。
一方面，本发明提供一种生物矿化层/光固化树脂复合材料，其具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层、和形成于所述再矿化层表面的光固化树脂，所述再矿化层是由生物活性玻璃在酸性氨基酸作用下通过生物矿化而形成的。
本发明利用生物矿化的基本原理，将氨基酸作为有机添加剂，将生物活性玻璃作为无机矿物质，通过生物矿化形成具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层，从而可以有效修复酸蚀牙釉质表面，同时再矿化层与光固化树脂复合进行力学增强，能够使形成的复合层具有良好的显微硬度。
较佳地，所述再矿化层是在酸蚀牙釉质表面原位形成的。本发明通过生物矿化在酸蚀牙釉质表面原位构建具有有序结构的羟基磷灰石再矿化层，再经过光固化树脂力学增强，形成具有类牙釉质结构的羟基磷灰石/树脂复合牙齿保护层，其呈现出良好的显微硬度，具有优良的保护牙齿的功能。原位修复牙釉质，具有更好的力学性能。
较佳地，所述再矿化层与所述光固化树脂的质量比为1:1～9:1。
较佳地，所述再矿化层的厚度为10纳米～1微米。
较佳地，所述生物活性玻璃为具有介孔结构的微米级粉体，呈蠕虫状，长1-8微米，直径100-300纳米，介孔孔径为5～10纳米，BET比表面积为200-600m2/g。
较佳地，所述酸性氨基酸为天门冬氨酸和/或谷氨酸。
另一方面，本发明提供上述生物矿化层/光固化树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将基底材料、优选为酸蚀牙釉质置于酸性氨基酸水溶液或生物活性玻璃浆体中浸泡一段时间后，取出并清洗表面，然后置于生物活性玻璃浆体或酸性氨基酸水溶液中浸泡一段时间后，取出并清洗表面，再置于模拟口腔溶液浸泡一段时间，从而在基底材料表面形成具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层；
在所得的再矿化层表面滴加含有引发剂的光固化树脂单体溶液，光照聚合，即得到所述生物矿化层/光固化树脂复合材料。
本发明通过氨基酸调控的生物矿化在酸蚀牙釉质表面构建再矿化层，以及再矿化层与光固化复合树脂复合以提高牙釉质表面显微硬度，从而可用于牙釉质表面修复。本发明的制备方法原料廉价易得，过程简单可控。
较佳地，所述酸性氨基酸水溶液的浓度为0.1wt％-1wt％，在酸性氨基酸水溶液中的浸泡时间为12小时～48小时。
较佳地，所述生物活性玻璃浆体的浓度为0.1wt％-10wt％，在生物活性玻璃浆体中的浸泡时间为10分钟～60分钟。
较佳地，在模拟口腔溶液中的浸泡时间为1天～7天。
较佳地，所述光固化树脂单体溶液包括一种或几种带有双甲基丙烯酸酯基官能团的主单体、以及一种或几种双甲基丙烯酸酯基稀释单体，所述光引发剂包括樟脑醌，1-苯基-1,2-丙二酮，2,3-丁二酮中的至少一种，光照聚合时间为1～5分钟。
再一方面，本发明还提供上述生物矿化层/光固化树脂复合材料在制备牙釉质表面修复材料中的应用。
附图说明
图1为原始牙釉质表面的扫描电镜照片；
图2为酸蚀牙釉质表面的扫描电镜照片；
图3为再矿化处理之后的牙釉质表面的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明一方面提供了一种生物矿化层/光固化树脂复合材料，包括：具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层、和形成于所述再矿化层表面的光固化树脂。
所述再矿化层是由生物活性玻璃在酸性氨基酸作用下通过生物矿化而形成的。优选地，所述再矿化层是由生物活性玻璃在酸性氨基酸作用下通过生物矿化在酸蚀牙釉质表面原位形成的。即、通过氨基酸调控的生物矿化在酸蚀牙釉质表面构建再矿化层，以及与光固化树脂复合以提高牙釉质表面显微硬度，从而用于牙釉质表面修复。
所述生物活性玻璃可以是多组分的组成可调的非晶材料。主要为SiO2-CaO类和SiO2-CaO-P2O5类生物活性玻璃，采用的SiO2：CaO：P2O5摩尔比为1:0.42～3:0～0.1。
另外，所述生物活性玻璃可以是具有介孔结构的微米级粉体，呈蠕虫状，长1～8微米，直径100～300纳米，介孔孔径为5～10纳米，BET比表面积为200～600m2/g。
所述酸性氨基酸优选为必需氨基酸，更优选为谷氨酸和/或天冬氨酸。
所述再矿化层的厚度可为10纳米～1微米。所述再矿化层的成分包括羟基磷灰石。而且所述再矿化层具有类牙釉质有序棒状结构。因此，可以很好地修复酸蚀牙釉质表面。
光固化树脂可以是通过光固化树脂单体在引发剂和光照作用下形成。作为光固化树脂单体，例如可以是由一种或几种带有双甲基丙烯酸酯基(DMA)官能团的主单体、一种或几种DMA稀释单体组成。光引发剂包括但不限于樟脑醌，1-苯基-1,2-丙二酮，2,3-丁二酮等。也可以采用其它口腔临床医学应用的光固化树脂单体及引发剂。
所述再矿化层与所述光固化树脂的质量比可为1:1～9:1。再矿化层与光固化树脂复合进行力学增强，能够使形成的复合层具有良好的显微硬度。
本发明的生物矿化层/光固化树脂复合材料可以以酸蚀牙釉质表面为基底进行制备。即、以酸蚀牙釉质表面为基底，以氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸等酸性氨基酸)为有机添加剂，在加有无机矿物质(生物活性玻璃等)的体系中，通过生物矿化的方法在酸蚀牙釉质表面原位构建具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层，再经过光固化树脂复合后，形成具有类牙釉质结构的羟基磷灰石/树脂复合牙齿保护层，形成的类牙釉质表面呈现出良好的显微硬度，具有优良的保护牙齿的功能。
在一个示例中，本发明的生物矿化层/光固化树脂复合材料通过如下方法制备。
步骤1、表面光洁的牙釉质表面经酸蚀处理，用去离子水反复清洗待用；
步骤2、将用氨基酸溶液和无机矿物质对步骤1中酸蚀牙釉质表面进行原位矿化：将酸蚀牙釉质放入一定浓度的酸性氨基酸(优选天门冬氨酸和谷氨酸)水溶液中浸泡一段时间；取出酸蚀牙釉质用去离子水清洗表面，置于生物活性玻璃浆体中浸泡一段时间；之后取出酸蚀牙釉质用去离子水清洗表面，然后置于模拟口腔溶液浸泡一段时间；
步骤3、将步骤2中矿化后牙釉质表面滴加一定浓度的加有引发剂的光固化树脂单体溶液，光照聚合。
所述步骤1中，酸蚀处理可为浓磷酸溶液，柠檬酸溶液，乳酸溶液等。
所述步骤2中，酸性氨基酸水溶液的浓度可为0.1wt％-1wt％。在酸性氨基酸水溶液中的浸泡时间为10分钟～60分钟。浸泡温度可为室温。
所述步骤2中，生物活性玻璃可为具有介孔结构的微米级粉体，呈蠕虫状，长1-8微米，直径100-300纳米，介孔孔径为5～10纳米，BET比表面积为200-600m2/g。参照中国发明专利申请号200510030787.7方法合成。
所述步骤2中，生物活性玻璃浆体的浓度可为0.1wt％-10wt％。在生物活性玻璃浆体中的浸泡时间可为10分钟～60分钟。上述示例示出先于酸性氨基酸水溶液中浸泡，再于生物活性玻璃浆体中浸泡，但应理解，浸泡顺序不限于此，也可以是先于生物活性玻璃浆体中浸泡，再于酸性氨基酸水溶液中浸泡。
所述步骤2中，模拟口腔溶液可为钙磷盐的饱和溶液，配制方法参照Journal ofdentistry,42s1(2014):s30–s38的方法。在模拟口腔溶液中的浸泡时间可为1天～7天。在模拟口腔溶液中，介孔生物活性玻璃在酸性氨基酸的作用下，很快发生生物矿化而形成再矿化层。
所述步骤3中，光固化树脂单体包括一种以上的主单体和一种以上的稀释单体。主单体可以带有双甲基丙烯酸酯基(DMA)官能团，例如可为双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯。稀释单体可以带有双甲基丙烯酸酯基(DMA)官能团，例如可为三乙二醇二甲基丙烯酸酯。光引发剂包括但不限于樟脑醌，1-苯基-1,2-丙二酮，2,3-丁二酮等。也可以采用其它口腔临床医学应用的光固化树脂单体及引发剂。在光固化树脂单体溶液中，主单体和稀释单体的摩尔比可为1:1～7:3。引发剂与主单体的摩尔比可为1:70～1:50。
所述步骤3中光照聚合时间可为1-5分钟。制得的树脂与牙釉质表面再矿化层复合物具有良好的显微硬度。
本发明还提供一种酸蚀牙釉质表面的修复方法。具体为氨基酸调控的生物矿化在酸蚀牙釉质表面构建再矿化层，以及在矿化层与光固化复合树脂复合以提高牙釉质表面显微硬度，从而用于牙釉质表面修复。
本发明利用生物矿化的基本原理，将氨基酸作为有机添加剂，将生物活性玻璃作为无机矿物质，在酸蚀牙釉质表面进行原位矿化，发展了一种简单有效的酸蚀牙釉质表面结构重建的方法。同时再矿化层与光固化树脂复合进行力学增强，能够使形成的复合层具有良好的显微硬度。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
1)牙釉质准备及酸蚀
牛前门牙使用前清洗干净并浸泡在生理盐水中后于4℃冰箱中冷藏。采用金刚石切割机切割牛牙，切掉牙根后将釉质切成约5mm×5mm的小片，之后依次采用400、800、1500和2500的砂纸打磨抛光，得到光滑的釉质表面。抛光完后，采用去离子水超声清洗样品表面的残余物。之后将牙釉质小片在37％的浓磷酸水溶液中浸泡1分钟酸蚀。
2)氨基酸溶液和生物活性玻璃浆体的配制：
氨基酸溶液的配制：称取0.4g天冬氨酸粉体溶解于100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为0.4％天冬氨酸水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
生物活性玻璃浆体的配制：称取1g生物活性玻璃粉体(参照中国发明专利申请号200510030787.7方法合成)加入9毫升水制成浓度为10％的生物活性玻璃浆体，超声振荡均匀备用。
3)再矿化步骤：
酸蚀的牙釉质小片表面朝上浸泡于0.4％天冬氨酸水溶液中1天，之后取出，10毫升去离子水清洗一次，然后置于10％生物活性玻璃浆体中30分钟，之后取出，用10毫升去离子水清洗一次。之后，采用以上方法处理的牙釉质小片浸泡于模拟口腔溶液中2天。
4)与光固化树脂复合
配制质量比为双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯：三乙二醇二甲基丙烯酸酯：樟脑醌：4-二甲氨基苯甲酸乙酯＝49.5:49.5:0.2:0.8的溶液，滴加到再矿化处理后的牙釉质小片上，之后紫外光照固化3分钟。
图1、2、3分别示出原始牙釉质、酸蚀牙釉质及再矿化处理之后的牙釉质表面的扫描电镜照片，从这些图中可以看出，再矿化层具有类牙釉质的棒状结构。
Claims (12)
1.一种生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，包括：具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层、和形成于所述再矿化层表面的光固化树脂，所述再矿化层是由生物活性玻璃在酸性氨基酸作用下通过生物矿化而形成的。
2.根据权利要求1所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，所述再矿化层是在酸蚀牙釉质表面原位形成的。
3.根据权利要求1或2所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，所述再矿化层与所述光固化树脂的质量比为1：1～9：1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，所述再矿化层具有类牙釉质的棒状结构，其厚度为10纳米～1微米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，所述生物活性玻璃为具有介孔结构的微米级粉体，呈蠕虫状，长1～8微米，直径100～300纳米，介孔孔径为5～10纳米，BET比表面积为200～600m2/g。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料，其特征在于，所述酸性氨基酸为天门冬氨酸和/或谷氨酸。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将基底材料、优选为酸蚀牙釉质置于酸性氨基酸水溶液或生物活性玻璃浆体中浸泡一段时间后，取出并清洗表面，然后置于生物活性玻璃浆体或酸性氨基酸水溶液中浸泡一段时间后，取出并清洗表面，再置于模拟口腔溶液浸泡一段时间，从而在基底材料表面形成具有类牙釉质有序结构的羟基磷灰石再矿化层；
在所得的再矿化层表面滴加含有引发剂的光固化树脂单体溶液，光照聚合，即得到所述生物矿化层/光固化树脂复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述酸性氨基酸水溶液的浓度为0.1wt%～1wt%，在酸性氨基酸水溶液中的浸泡时间为12小时～48小时。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述生物活性玻璃浆体的浓度为0.1wt%～10wt%，在生物活性玻璃浆体中的浸泡时间为10分钟～60分钟。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的制备方法，在模拟口腔溶液中的浸泡时间为1天～7天。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述光固化树脂单体溶液包括一种或几种带有双甲基丙烯酸酯基官能团的主单体、以及一种或几种带有双甲基丙烯酸酯基官能团的稀释单体，所述光引发剂包括樟脑醌，1-苯基-1,2-丙二酮，2,3-丁二酮中的至少一种，光照聚合时间为1～5分钟。
12.一种权利要求1至6中任一项所述的生物矿化层/光固化树脂复合材料在制备牙釉质表面修复材料中的应用。
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