CN111484641A - 一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效抗菌隐形矫治器 - Google Patents

Abstract

本发明属于改性材料领域，尤其涉及一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效抗菌隐形矫治器。本发明提供的长效抗菌材料由表面为聚氨酯的基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。本发明通过对基材表面的聚氨酯(TPU)进行叔铵化和原位季铵化处理，使季铵盐抗菌基团接枝到了基材表面的分子结构中，从而使材料具备了稳定持久的抗菌效果。本发明提供的牙科膜片和隐形矫治器的材料均为上述长效抗菌材料，因此具有良好的生物安全性，抗菌效果稳定持久，能够有效防治龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。

Description

一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效 抗菌隐形矫治器

技术领域

本发明属于改性材料领域，尤其涉及一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效抗菌隐形矫治器。

背景技术

传统托槽矫治器存在美观性差，易刮伤口腔，导致牙龈出血，佩戴不适，口腔卫生不宜维护，甚至引发牙龈发炎，牙齿脱矿变色等一系列问题。无托槽隐形矫治器针对上述这些问题有明星改善，隐形矫治器极大的改善了佩戴美观问题，佩戴更为舒适便捷，结合数字化三维技术使得矫治疗效直观可预测，同时随着社会经济结构的变化，无托槽隐形矫治器逐渐渗透正畸市场，成为正畸行业趋势。

隐形矫治器的承载体无异就是矫治器膜片，从PET、PETG到TPU、复合膜片材料，矫治器膜片材料也不断升级以增加疗效和医患的各方面体验。但是佩戴隐形矫治器无可避免的改变口腔环境，难免会引发龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。目前，市场上现有的隐形矫治器并没有具有抗菌防治牙周疾病的效果，针对隐形矫治过程中引发的牙周疾病没有有效的防治方法。此外，目前主流的牙科抗菌材料均是将抗菌剂与基体材料共混临床通过释放抗菌剂实现抗菌疗效，但是抗菌参与代谢就使得该材料的生物安全性变得难以控制和预测，并且这种抗菌机制不存在稳定持久的抗菌性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效抗菌隐形矫治器，本发明提供的抗菌材料、牙科膜片和隐形矫治器具有稳定持久的抗菌效果。

本发明提供了一种长效抗菌材料，由表面为聚氨酯的基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。

本发明提供了一种长效抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

a)基材和环氧烷在溶剂中进行叔铵化反应，得到叔铵化材料；所述基材的表面为聚氨酯；

b)所述叔铵化材料与卤代烷烃在叔醇中进行季铵化反应，得到长效抗菌材料。

优选的，步骤a)中，所述环氧烷包括环氧丙烷、环氧丁烷和环氧戊烷中的一种或多种。

优选的，步骤a)中，所述叔铵化反应的温度为-5～5℃；所述叔铵化反应的时间为8～20h。

优选的，步骤b)中，所述卤代烷烃包括碘甲烷、碘乙烷和碘丙烷中的一种或多种。

优选的，步骤b)中，所述叔醇包括叔戊醇、叔丁醇和叔己醇中的一种或多种。

优选的，步骤b)中，所述季铵化反应的温度为40～60℃；所述季铵化反应的时间为8～20h。

优选的，所述环氧烷、卤代烷烃和聚氨酯中的亚氨基的摩尔比为(0.1～10)：(0.1～10)：1。

优选的，所述基材在进行叔铵化反应之前，先进行表面清洁，具体步骤包括：

将基材在有机溶剂中浸泡，之后进行水洗和干燥。

本发明提供了一种长效抗菌牙科膜片，所述长效抗菌牙科膜片的材料为上述技术方案所述的长效抗菌材料或上述技术方案所述制备方法制得的长效抗菌材料。

本发明提供了一种长效抗菌隐形矫治器，所述长效抗菌隐形矫治器的材料为上述技术方案所述的长效抗菌材料或上述技术方案所述制备方法制得的长效抗菌材料。

与现有技术相比，本发明提供了一种长效抗菌材料及其制备方法、长效抗菌牙科膜片和长效抗菌隐形矫治器。本发明提供的长效抗菌材料由表面为聚氨酯的基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。本发明通过对基材表面的聚氨酯(TPU)进行叔铵化和原位季铵化处理，使季铵盐抗菌基团接枝到了基材表面的分子结构中，从而使材料具备了稳定持久的抗菌效果。本发明提供的牙科膜片和隐形矫治器的材料均为上述长效抗菌材料，因此具有良好的生物安全性，抗菌效果稳定持久，能够有效防治龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例2提供的红外谱图；

图2为本发明实施例3提供的抗菌测试结果对照图；

图3是本发明实施例4提供的抗菌率曲线图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种长效抗菌材料，由表面为聚氨酯的基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。

本发明还提供了一种上述长效抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

a)基材和环氧烷在溶剂中进行叔铵化反应，得到叔铵化材料；所述基材的表面为聚氨酯；

b)所述叔铵化材料与卤代烷烃在叔醇中进行季铵化反应，得到长效抗菌材料。

在本发明提供的制备方法中，首先将基材和环氧烷在溶剂中混合反应。其中，所述基材的表面为聚氨酯(TPU)，所述基材可以是纯TPU材料，也可以是表面为TPU的复合材料；所述环氧烷优选包括环氧丙烷、环氧丁烷和环氧戊烷中的一种或多种；所述基材中的聚氨酯中的亚氨基和所述环氧烷的摩尔比优选为1:(0.1～10)，具体可为1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5或1:10；所述溶剂优选为水；所述混合反应的温度优选为-5～5℃，具体可为-5℃、-4.5℃、-4℃、-3.5℃、-3℃、-2.5℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃、0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃；所述混合反应的时间优选为8～20h，具体可为8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h、11.5h、12h、12.5h、13h、13.5h、14h、14.5h、15h、15.5h、16h、16.5h、17h、17.5h、18h、18.5h、19h、19.5h或20h。在本发明中，所述混合反应的具体过程优选为：先将基材浸泡在溶剂中，之后将基材和溶剂组成的混合体系的温度控制在要求的反应温度区间内并向其中滴加环氧烷，搅拌反应。混合反应结束后，对反应产物进行清洗，得到叔铵化材料。

在本发明提供的制备方法中，所述基材在进行混合反应之前，优选先进行表面清洁，具体步骤包括：将基材在有机溶剂中浸泡，之后进行水洗和干燥。其中，所述有机溶剂包括但不限于二氯甲烷、乙醇、丙酮和乙醚中的一种或多种；所述浸泡的时间优选为1～5h，具体可为1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h；所述水洗的次数优选为2～5次，具体可为2次、3次、4次或5次；所述干燥的温度优选为30～60℃，具体可为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃或60℃。

在本发明提供的制备方法中，得到叔铵化材料后，将所述叔铵化材料与卤代烷烃在叔醇中混合反应。其中，所述卤代烷烃优选为碘烷，包括但不限于碘甲烷、碘乙烷和碘丙烷中的一种或多种；制备所述叔铵化材料的原料物(即，所述基材)中的聚氨酯中的亚氨基和所述卤代烷烃的摩尔比优选为1:(0.1～10)，具体可为1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5或1:10；所述叔醇包括但不限于叔戊醇、叔丁醇和叔己醇中的一种或多种；所述混合反应的温度优选为40～60℃，具体可为40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃；所述混合反应的时间优选为8～20h，具体可为8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h、11.5h、12h、12.5h、13h、13.5h、14h、14.5h、15h、15.5h、16h、16.5h、17h、17.5h、18h、18.5h、19h、19.5h或20h。在本发明中，所述混合反应的具体过程优选为：先将叔铵化材料浸泡在叔醇中，之后将叔铵化材料和叔醇组成的混合体系的温度控制在要求的反应温度区间内并向其中滴加卤代烷烃，搅拌反应。混合反应结束后，对反应产物进行清洗和干燥，得到长效抗菌材料。

本发明通过对基材表面的聚氨酯(TPU)进行叔铵化和原位季铵化处理，使季铵盐抗菌基团接枝到了基材表面的分子结构中，从而使材料具备了稳定持久的抗菌效果。本发明提供的长效抗菌材料非常适合应用于牙科材料领域，采用该材料的牙科材料具有良好的生物安全性，抗菌效果稳定持久，能够有效防治龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。

本发明还提供了一种长效抗菌牙科膜片，所述长效抗菌牙科膜片的材料为上述技术方案所述的长效抗菌材料或上述技术方案所述制备方法制得的长效抗菌材料。

本发明提供的长效抗菌牙科膜片的材料为所述长效抗菌材料，该长效抗菌牙科膜片可由表面为聚氨酯的牙科膜片基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。其中，所述牙科膜片基材可以为单层TPU膜片，可以为表面为TPU的多层复合膜片。在本发明中，所述长效抗菌牙科膜片的具体制备方法可参考上文介绍的长效抗菌材料的制备方法，在此不再赘述。

本发明提供的牙科膜片的材料为本发明提供的长效抗菌材料，因此该牙科膜片具有良好的生物安全性，抗菌效果稳定持久，采用该牙科膜片制备的矫治器能够有效防治龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。

本发明还提供了一种长效抗菌隐形矫治器，所述长效抗菌隐形矫治器的材料为上述技术方案所述的长效抗菌材料或上述技术方案所述制备方法制得的长效抗菌材料。

本发明提供的长效抗菌隐形矫治器的材料为所述长效抗菌材料，该长效抗菌隐形矫治器可由表面为聚氨酯的隐形矫治器基材经过叔铵化和原位季铵化后制成，还可以由上述技术方案所述的长效抗菌牙科膜片热压制成。在本发明中，所述隐形矫治器基材可以是纯TPU材料，也可以是表面为TPU的复合材料。在本发明中，采用第一种方式制备长效抗菌隐形矫治器的具体方法可参考上文介绍的长效抗菌材料的制备方法，在此不再赘述。

本发明提供的隐形矫治器的材料为本发明提供的长效抗菌材料，因此该隐形矫治器具有良好的生物安全性，抗菌效果稳定持久，能够有效防治龋齿、牙周病、牙髓病等口腔疾病。更具体来说，本发明提供的隐形矫治器至少具有如下优点：

1)本发明提供的隐形矫治器具有抗菌效果，防治了因为矫治器改变口腔环境引发的口腔疾病的发生；

2)本发明提供的隐形矫治器的抗菌基团接枝在矫治器表面的分子结构中，可以使抗菌效果达到长效性，从而使矫治器对口腔疾病的防治效果更加稳定；

3)相比于现有将抗菌剂与原材料共混制备的抗菌材料，本发明提供的隐形矫治器不会释放抗菌剂进入人体代谢，生物安全性更优。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

1)长效抗菌牙科膜片的制备：

1.1)牙科TPU膜片预处理(清洁表面)：将牙科膜片(厂家：美国Bay Materials LLC公司，型号：Zendura A 37mm MM)裁剪为5×5cm的大小，浸泡在去离子水中三小时，以去除其表面的杂质，之后再用去离子水清洗三次，在50℃的真空烘箱中烘至恒重，放在干燥器里待用。

1.2)叔铵化：将牙科膜片浸泡500mL的去离子水中，超声10min，置于冰浴装置中。随后按照环氧丙烷与牙科膜片亚氨基的摩尔比1:1，缓慢滴加环氧丙烷，反应温度保持在3℃，恒温磁力搅反应12h。经过乙醇和水超声清洗，获得叔铵化的牙科TPU膜片。

1.3)原位季铵化：将叔铵化的牙科膜片浸泡于25mL的叔戊醇中，在水浴中升温至60℃。按照碘甲烷与未叔铵化的牙科膜片亚氨基的摩尔比1:1缓慢滴加碘甲烷，保持60℃恒温磁力搅拌反应12h。分别用乙醇和无水乙醇多次超声清洗，真空干燥后获得碘甲烷季铵化的膜片，即为本实施例制备的长效抗菌牙科膜片。

在本实施例中，步骤1.2)～1.3)涉及的化学反应方程式如下：

其中，R、R'表示取代基，n表示聚合度。

2)长效抗菌隐形矫治器的制备：

将步骤1)制备的长效抗菌牙科膜片擦拭干净，在牙齿模型上喷洒一些分离剂；然后依次将牙齿模型、膜片放入热压成型设备中，热压成型，制得长效抗菌隐形矫治器。

实施例2

长效抗菌隐形矫治器的制备：

1)TPU隐形矫治器预处理(清洁表面)：将隐形矫治器(深圳牙领科技有限公司生产的smilalign型号隐形矫治器)浸泡在去离子水中三小时，以去除其表面的杂质，之后再用去离子水清洗三次，在50℃的真空烘箱中烘至恒重，放在干燥器里待用。

2)叔铵化：将隐形矫治器浸泡500mL的去离子水中，超声10min均匀，置于冰浴装置中。随后按照环氧丙烷与隐形矫治器亚氨基的以摩尔比1:1，缓慢滴加环氧丙烷，反应温度保持在3℃，恒温磁力搅反应12h。经过乙醇和水超声清洗，获得叔铵化的隐形矫治器。

3)原位季铵化：将叔铵化的隐形矫治器浸泡于25mL的叔戊醇中，在水浴中升温至60℃。按照碘甲烷与未叔铵化的隐形矫治器亚氨基的以摩尔比1：1缓慢滴加碘甲烷，保持60℃恒温磁力搅拌反应12h。分别用乙醇和无水乙醇多次超声清洗，真空干燥后获得碘甲烷季铵化的抗菌隐形矫治器，即为本实施例制备的长效抗菌隐形矫治器。

红外表征：将本实施例制备的长效抗菌隐形矫治器和未改性的隐形矫治器分别用无水乙醇处理，进行红外表征，表征结果如图1所示，图1是本发明实施例2提供的红外谱图。

通过红外分析可知，对照组隐形矫治器未接枝改性时位于1719cm^-1为羧基－C＝O的伸缩振动峰，－C＝C的伸缩振动峰则在1453和1316cm^-1处，且在1267cm^-1处存在C－N伸缩振动峰。文献中报道，聚氨酯的原始特征峰，位于1540cm^-1N-H的弯曲振动，位于3423cm^-1的峰为N-H伸缩振动峰，本谱图结果和文献报道一致。

在原位接枝季较盐后的隐形矫治器红外图谱中，碳碳双键－C＝C的伸缩振动峰(1639cm^-1)消失，与碳碳双键相连的羧基－C＝O的伸缩振动峰偏移到高波数1729cm^-1处，初步判断由接枝抗菌剂中的碳碳双键引起自由基聚合反应。并且在1267cm^-1处存在C－N伸缩振动峰，说明季较盐成功接枝到隐形矫治器表面。

实施例3

对实施例2制备的长效抗菌隐形矫治器进行抗菌测试：

1)材料准备、接菌

a.接种第八代金黄色葡萄球菌至斜面，放入37.8℃的培养箱培养24h。

b.准备培养皿(30个):每十个培养皿用报纸包在一起，留5个0时刻计数的培养皿单独包装，准备灭菌处理。

c.准备琼脂(600mL)：琼脂的量为每个培养皿20mL左右，直接将19.8g琼脂溶于600mL的去离子水中，电炉加热溶解，搅拌至澄清透明，倒入两锥形瓶中待用。

d.移液玻璃管(小移液玻璃管1mL)：20支，其他的移液管用报纸包在一起，准备灭菌处理。

e.准备小试管(10mL)每个小试管添加4.5mL 0.85％的生理盐水，用于稀释菌悬液。

g.准备小锥形瓶(50mL)：在小锥形瓶中添加玻璃珠(分散细菌的)，在小锥形瓶一般是放20mL生理盐水。

f.准备小锥形瓶(50mL×4)：在小锥形瓶中加20mL生理盐水，以备振荡时使用。

以上2-7准备好的东西要放在灭菌锅中灭菌处理，等四十分钟之后将有液体的材料放入外面。无液体者放入50℃的真空烘箱烘干，待用。

2)准备菌悬液

a.配菌悬液。从培养箱拿出提前培养好的细菌，用针挑出一定量的细菌，放入带有玻璃珠的小锥形瓶中，摇匀(一般菌悬液浓度为10⁵-10⁷cfu/ml比较好)。

b.取0.1mL的菌悬液加入到小锥形瓶中(4组)，依次加入隐形矫治器。

c.将四个小锥形瓶固定于摇床中，设置摇床温度25℃及摇速180dmin，使其振荡24h。

3)计数

a.0时刻计数：用移液管吸取带有玻璃珠的小锥形瓶中0.1mL的菌悬液至第一个培养皿中，然后稀释10倍，用小试管稀释，稀释后再取0.1mL至第二个培养皿中，依次稀释直至第四个培养皿。

b.取出摇床中的小锥形瓶，用移液管吸取洗涤液0.1mL至第一个培养皿中，然后稀释10倍，用小试管稀释，稀释后再取0.1mL至第二个培养皿中，依次稀释直至第四个培养皿。其他组依次重复。

c.抗菌率计算公式

式中：R-抗菌率(％)；B-对照样品平均回收菌落数(CFU/mL)；C-改性样品平均回收菌落数(CFU/mL)。

重复以上操作，计算其抗菌率。

4)结果

检测结果如图2所示，图2为本发明实施例3提供的抗菌测试结果对照图。具体说明如下：

图中a1～d1为没有接枝改性的对照样隐形矫治器，a2～d2为接枝抗菌剂的改性样隐形矫治器，进行金黄色葡萄球菌抗菌测试，实验结果表明，当稀释到第三个培养皿之后，原位季铵化接枝改性的隐形矫治器不再有细菌的生长，而对照组未接枝改性隐形矫治器仍有较多的细菌生长，而依据抗菌率计算公式计算得，原位季铵化接枝改性的隐形矫治器在第三个培养皿之后抗菌率在99.99％以上，说明在合适浓度菌液下具有99.99％的抗菌率性能。

实施例4

对实施例2制备的长效抗菌隐形矫治器进行长效性抗菌验证：

取35个实施例2制备的长效抗菌隐形矫治器和未进行接枝改性的隐形矫治器浸泡在人工唾液中，将浸泡液放置在37℃恒温箱中，分别在2h、24h、48h、72h、120h、148h、240h时间节点，依次分别从两组矫治器中取出5个样品，按照2中的抗菌率测试方法，以稀释到第三个培养皿为准，测定抗菌率取平均值，绘制抗菌率曲线。结果如图3所示，图3是本发明实施例4提供的抗菌率曲线图。

从实验结果可看出，表面改性接枝抗菌剂的隐形矫治器在模拟口腔环境中，前两天一直保持99.99％的抗菌率，到第10天抗菌才略有下降，还保持着97.89％的抗菌率，而未进行抗菌剂接枝的矫治器，一开始的抗菌率即只有76.34％，到最后几乎没有抗菌性能，证明表面改性接枝抗菌剂的隐形矫治器具有优异的长效抗菌性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长效抗菌材料，由表面为聚氨酯的基材经过叔铵化和原位季铵化后制成。

2.一种长效抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

a)基材和环氧烷在溶剂中进行叔铵化反应，得到叔铵化材料；所述基材的表面为聚氨酯；

b)所述叔铵化材料与卤代烷烃在叔醇中进行季铵化反应，得到长效抗菌材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述环氧烷包括环氧丙烷、环氧丁烷和环氧戊烷中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述叔铵化反应的温度为-5～5℃；所述叔铵化反应的时间为8～20h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述卤代烷烃包括碘甲烷、碘乙烷和碘丙烷中的一种或多种；

所述叔醇包括叔戊醇、叔丁醇和叔己醇中的一种或多种。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述季铵化反应的温度为40～60℃；所述季铵化反应的时间为8～20h。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述环氧烷、卤代烷烃和聚氨酯中的亚氨基的摩尔比为(0.1～10)：(0.1～10)：1。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基材在进行叔铵化反应之前，先进行表面清洁，具体步骤包括：

将基材在有机溶剂中浸泡，之后进行水洗和干燥。

9.一种长效抗菌牙科膜片，其特征在于，所述长效抗菌牙科膜片的材料为权利要求1所述的长效抗菌材料或权利要求2～8任一项所述制备方法制得的长效抗菌材料。

10.一种长效抗菌隐形矫治器，其特征在于，所述长效抗菌隐形矫治器的材料为权利要求1所述的长效抗菌材料或权利要求2～8任一项所述制备方法制得的长效抗菌材料。

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