納米氧化鋁復合樹脂口腔材料的性能研究*

張海龍，陳 雪，王 敬，陳喜波，霍 峰

（承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院 口腔內(nèi)科，河北 承德 067000）

引言

口腔材料所使用的復合樹脂具有極佳的生物相容性與可塑性，美觀性也更好，在物理性能方面與真實牙齒更加接近，較為容易實現(xiàn)拋光，所以被廣泛應用于牙齒修復與缺損治療。最初復合樹脂只是使用在前牙修復之中，隨著技術的進步，后牙修復也逐漸采用了這種復合樹脂[1～3]。后牙承受大量咬合工作，使用復合樹脂修復后牙之后，復合樹脂會出現(xiàn)明顯磨損。通過大量實踐應用發(fā)現(xiàn)，基礎復合樹脂材料表現(xiàn)出強度低高聚合收縮的特性，導致修復后的牙齒性能并不好，造成修復效果不能達到預期目標的問題，所以需要研究一種能夠提升復合樹脂材料綜合性能的填料。

無機填料通常會被選擇用來完善口腔材料的性能，這類填料能夠在一定程度上將復合樹脂的收縮率降低，提升口腔修復所用材料的耐磨性與其他力學相關性能，填料的粒徑、硬度等因素都會改變復合樹脂的性能[4,5]。納米氧化鋁已經(jīng)被廣泛應用于陶瓷成分的牙齒材料之中，其具有較高的表面活性和較小的粒徑，便于牙齒基材與復合樹脂之間的結合，提升復合樹脂的力學性能與耐磨性，降低固化過程中復合樹脂的收縮情況[6～8]。

在上述研究背景下，本文研究了納米氧化鋁復合樹脂口腔材料的力學性能、耐磨性能等。

1 材料方法

1.1 材料與儀器設備

（1）材料

丙酮：分析純，淄博市博安化學有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：分析純，鶴山市金潤納新型材料有限公司；納米氧化鋁：分析純，揚州市中天立新材料股份有限公司；雙酚A 雙甲基丙烯酸縮水甘油酯（BIS-GMA）：分析純，湖北九豐隆化工有限公司；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA，分子式C6H10O3）：分析純，山東長榮化工科技有限公司。

（2）儀器設備

YZ-500 機械攪拌機：南皮縣中冶機械設備有限公司；SCBSHA-C 超聲振蕩儀：韶關市潔盟超聲科技有限公司；45T-LCD8 掃描電子鏡顯微鏡：蘇州貝特嘉光電科技有限公司；RX300-100 固化箱：廣州藝輝鑄造科技有限公司；HZ-104 電子天平：蘇州金珠稱重設備系統(tǒng)開發(fā)有限公司；CT-C 干燥箱：常州市匯德干燥設備有限公司；MH-III 磨耗試驗機：滄州精弘工程儀器設備有限公司；JA-5 超聲清洗機：濟寧可卡電子設備有限公司。

1.2 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料制備

1.2.1 納米氧化鋁的表面處理

使用丙酮稀釋硅烷偶聯(lián)劑，該偶聯(lián)劑的用量是納米氧化鋁質(zhì)量的0.5%[9]，稀釋完成后，將納米氧化鋁添加進去，利用機械攪拌機充分攪拌溶液，攪拌完成后將溶液置于超聲振蕩儀中，充分振蕩25min，在110℃下將溶液烘干，準備制備納米氧化鋁復合樹脂口腔材料[10,11]。

1.2.2 制備納米氧化鋁復合樹脂口腔材料

將BIS-GMA 作為復合樹脂的基礎材料，按照質(zhì)量比3∶2 的比例混合BIS-GMA 與HEMA，利用攪拌機充分攪拌均勻，獲得復合樹脂基礎材料。HEMA 作為促進劑，制備使用量為1%質(zhì)量比，樟腦醌作為光引發(fā)劑[6]，質(zhì)量比依舊為1%，將這兩種試劑分別添加到復合樹脂基礎材料中，混合材料。參考復合樹脂基礎材料的質(zhì)量比，將處理后的納米氧化鋁按照復合樹脂基礎材料的1%、3%、5%、7%、9%質(zhì)量比添加到上文制備的混合材料中[12]，分別充分混合后得到納米氧化鋁復合樹脂預聚物，為形成納米氧化鋁復合樹脂口腔材料需要先使用紫外光對材料進行固化處理，最終得到本文所需材料，按照納米氧化鋁用量的區(qū)別，將不同用量納米氧化鋁復合樹脂口腔材料確定為試件A、試件B、試件C、試件D、試件E。

1.3 試驗方法

1.3.1 微觀形貌分析

將各個試件分別切開，切口位置采用噴金方式做處理。運用掃描電子鏡顯微鏡觀察分析各個試件切開后的斷面微觀形貌。

1.3.2 彎曲強度試驗

選取一個30mm×3mm×3mm 的聚四氟乙烯模具，將各個試件分別置于該模具之中，將各模具中的試件置于固化箱之中，將固化時間設置為2min，記錄各個試件的寬度b 與厚度h。使用萬能試驗機測試各個試件的彎曲強度，以l 表示加載臺支點的距離，試驗過程中，各個試件在試驗機上的加載速度為1.5mm/s，當試件發(fā)生斷裂或者加載到達屈服點時可以停止加載，將該時刻的極限荷載記錄下來，使用p 表示。為使試驗結果更加精準，重復該試驗過程。通過式（1）計算各個試件的彎曲強度O。

1.3.3 拉伸強度試驗

同樣將各個試件置于模具之中，利用萬能試驗機對各個試件開展拉伸試驗，加載速度仍舊為1.5mm/s，試驗過程參考GB2568-1981[13]。

1.3.4 剪切強度試驗

仍舊使用上文規(guī)格試件，以GB7124-1986 標準為依據(jù)，在萬能試驗機上測試各個試件的剪切強度，加載速度保持在1.5mm/s，對試驗結果作出統(tǒng)計。

1.3.5 固化性能試驗

測試運用口腔材料的常見方法，同時參考我國醫(yī)藥標準YY1042：2018 以及ISO4049:2019[14]，檢測本文所制備各個試件的固化程度，依舊在固化箱中靜置2min，取出后置于常溫環(huán)境下繼續(xù)固化1d，完成后使用電子天平稱重，確定各個試件的初始質(zhì)量G1。在容器中倒入15mL 無水乙醇，將各個試件重新置于其中浸泡24h，完成后取出置于干燥箱之中，確定質(zhì)量不再發(fā)生變化時取出各個試件，此時稱出的質(zhì)量為G2，運用式（2）計算各個試件的固化程度H。

1.3.6 耐磨損性能試驗

使用磨耗試驗機處理各個試件，磨耗原料以及各個磨耗條件均一致，平均每個試件磨損800 次，將各個磨耗處理后的試件取下后用超聲清洗機洗滌，將試件表面的材料粉末消除，干燥處理洗滌后的各個試件，并且使用電子天平對各個試件稱重，將稱重結果記錄為W1，以GB4472-2011 標準作為依據(jù)，測定各個試件的密度，通過這些測量結果計算各個試件的體積損失。

2 結果與討論

2.1 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料微觀形貌

使用掃描電子鏡顯微鏡獲得本文制備材料的斷口微觀形貌，結果見圖1。

從圖1 中能夠看出，制備的納米氧化鋁復合樹脂口腔材料中，隨著納米氧化鋁的用量不斷增加，材料中的納米粒子數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢，納米氧化鋁的添加量為3%時，材料出現(xiàn)少量納米粒子，添加量為5%時，已經(jīng)能夠明顯看出材料表面出現(xiàn)大量納米粒子，且分布較為均勻；添加量為7%時，材料表面出現(xiàn)大量納米粒子團聚，納米氧化鋁的效果不能發(fā)揮出來；當添加量為9%時，材料中的納米氧化鋁出現(xiàn)減少現(xiàn)象。綜合分析圖1 后確定，納米氧化鋁添加量為5%時，材料的結構性能最佳，表現(xiàn)出良好的結構狀態(tài)。

2.2 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料彎曲強度試驗結果

通過萬能試驗機測試出各個試件的彎曲強度，試驗結果匯總于表1 之中。

由表1 中的結果可知，隨著納米氧化鋁用量的增加，各個試件的彎曲強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明納米氧化鋁的用量達到一定值后，繼續(xù)增加用量，將會導致試件彎曲強度降低，由此證明，納米氧化鋁的用量為5%時，試件的彎曲強度最好，納米氧化鋁復合樹脂口腔材料能夠具有較為良好的性能效果。按照國際上對于口腔樹脂材料彎曲強度不能低于80MPa 的要求，本文所制備的各個試件基本符合國際口腔樹脂材料的要求。

通過萬能試驗機，獲得試驗過程中各個試件的彎曲撓度，試驗結果見圖2。

從圖2 中能夠看出，各個試件彎曲撓度變化趨勢與表1 中的數(shù)據(jù)內(nèi)容基本一致，彎曲撓度也呈現(xiàn)先升高后降低的變化，這說明試件撓度也受到納米氧化鋁用量的影響，納米氧化鋁的用量越高，試件的彎曲撓度越大，但是納米氧化鋁的用量達到7%以后，彎曲撓度降低，說明材料強度降低，不適合作為口腔修復材料。

2.3 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料拉伸性能試驗結果

通過萬能試驗機，驗證各個試件的拉伸性能，試驗結果見圖3。

從圖3 中拉伸性能分析試驗結果可以看出，隨著納米氧化鋁用量的增加，試件的拉伸強度與伸長率均呈現(xiàn)先上升后降低的變化規(guī)律，同時納米氧化鋁的用量為5%（試件C）時拉伸強度與伸長率最高，這種變化規(guī)律與上文的試驗結果基本一致，說明納米氧化鋁復合樹脂口腔材料中納米氧化鋁用量為5%時，材料的拉伸性能最佳。

2.4 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料剪切強度試驗結果

設置不同試驗溫度環(huán)境，測試各個試件的剪切強度變化情況，結果見表2。

由表2 可知，即使試驗溫度不同，各個試件仍舊呈現(xiàn)出剪切強度先升高后降低的變化規(guī)律，而且溫度較高情況下，試件的剪切強度反而更低，說明本文制備的各個試件并不適于在高溫條件下工作，常溫環(huán)境以及人體環(huán)境之中，試件能夠發(fā)揮更高的耐剪切性。該試驗同樣證明試件C 中納米氧化鋁用量能夠獲得更好的口腔材料性能。

2.5 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料固化性能試驗結果

本文所制備的各個試件固化性能試驗結果見圖4。

由圖4 可以看出，使用納米氧化鋁改性樹脂的固化程度始終保持在97%以上，其中試件C 的固化程度接近100%，由此可以證明，納米氧化鋁的使用能夠有效提升樹脂的固化性能。

2.6 納米氧化鋁復合樹脂口腔材料耐磨損性能試驗結果

通過磨損試驗，獲得各個試件耐磨損性能測試結果如圖5 所示。

從圖5 中能夠看出，各個試件的耐磨損性能差距并不大，其中，以試件C 的體積損失量最少，說明適當添加納米氧化鋁能夠有效提升樹脂的耐磨損性能。

各個試件磨損后在掃描電鏡顯微鏡之下的微觀圖像見圖6。

由圖6 可知，經(jīng)磨損后，試件A 已經(jīng)出現(xiàn)局部納米氧化鋁脫落；試件B 出現(xiàn)少量納米氧化鋁脫落后形成了凹陷坑；試件C 沒有出現(xiàn)明顯脫落；試件D 與試件E 均出現(xiàn)少量脫落。綜合這些圖像確定，試件C 的耐磨損性能最好。

3 結論

本文研究使用納米氧化鋁改變復合樹脂口腔材料的性能，提升口腔材料的力學性能與耐磨性，以期延長口腔材料的使用壽命。通過本文研究發(fā)現(xiàn)，在納米氧化鋁使用量為5%時，口腔材料具有良好的力學性能以及耐磨損性能。顯微圖像反映出納米氧化鋁使用量為5%的試件的耐磨損性能最好，這也與本文所研究口腔材料的其他性能結果一致。添加納米氧化鋁可以在一定程度上改善口腔材料的使用效果，為今后口腔材料的轉型提供了研究方向。