一种超低收缩复合树脂及其制备方法与流程

本发明属于生物医用高分子材料技术领域，涉及一种超低收缩齿科复合树脂及其制备方法。

背景技术：

齿科复合树脂的聚合收缩问题多年来一直困扰人们。复合树脂在特定波长的可见光照射下发生聚合反应，分子间由范德华力交联成为共价键，使得原子间距离缩短，从原来的0.3~0.5nm变为0.154nm。另外，复合树脂在聚合反应过程中，其自由体积被压缩。这些现象在宏观上的表现就是聚合物的体积收缩。目前，临床上应用的齿科复合树脂的体积收缩率一般为3.0~3.5vol.%。

齿科复合树脂的聚合收缩在临床应用中会带来很多问题，比如：较大的体积收缩会引起牙本质与修复体间的内应力，从而产生微渗漏、引发继发龋，严重的还会使得修复体脱落，导致治疗失败。因此，人们一直致力于降低齿科复合树脂的聚合收缩，以改善微渗漏，从而预防继发龋。

复合树脂在口腔环境中的体积变化是个相当复杂的问题。有研究表明齿科聚合物具有吸湿性，水可以进入聚合物网格的孔隙及分子间，其吸水率与聚合物的化学成分及分子结构密切相关。通常，复合树脂吸湿体积膨胀率约为1.0vol%。这对于聚合收缩具有一定的补偿作用，但无法完全抵消，因此复合树脂的聚合体积收缩问题仍然存在。

硅酸钙是一种理想的人工骨替代材料，主要应用于组织再生、人工骨粘结剂、骨支架等，它具有良好的生物活性和生物相容性。硅酸钙近些年也开始用在一些齿科材料中，包括牙根管填充剂、盖髓术、牙根管封闭等。值得注意的是，硅酸钙遇水会迅速发生水化反应，并伴随体积膨胀，化学反应式如下：

（1）。

水化反应伴随的体积膨胀对于改善聚合体积收缩很有吸引力，但是，硅酸钙在水化反应的固化过程中，会生成水凝胶C–S–H和氢氧化钙，产生的氢氧根使得产物pH值明显升高（12~13），破坏了材料的生物活性和生物相容性。

加拿大英属哥伦比亚大学材料学院合成出一种新型的人工骨水泥—硅磷酸钙（calcium phosphate silicate cement，CPSC）。硅磷酸钙粉末由硅酸三钙（tricalcium silicate，C₃S）和过磷酸钙（calcium phosphate monobasic，CPM）组成。水化反应中过磷酸钙与生成的氢氧根继续反应，生成羟磷灰石（hydroxyapatite）。化学反应式如下：（2）。

这在很大程度上消除了产生的氢氧根，改善了材料的生物相容性和生物活性。更重要的是，产物羟磷灰石是人体牙齿和骨骼的主要成分，使得这种新型骨粘结剂还具有再矿化牙齿的潜在用途。

技术实现要素：

为改善齿科复合树脂的聚合收缩，降低牙齿填充治疗中体积收缩产生的内应力，避免牙齿继发龋的发生，本发明提供了一种超低收缩复合树脂及其制备方法，将人工骨水泥—硅磷酸钙应用于齿科复合树脂材料中，硅磷酸钙粉末水化反应后发生体积膨胀，可以有效地补偿复合树脂的聚合体积收缩，改善复合树脂的体积稳定性，同时其力学指标能够满足临床齿科材料的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超低收缩复合树脂，由15~40wt%的树脂基质和60~85wt%的无机填料复合而成，其中：

所述树脂基质包括可聚合的单体系统和引发剂系统，所述可聚合的单体系统包括树脂单体和稀释剂，二者质量比为40~80:20~60，优选质量比为50/50或70/30；所述引发剂系统（用于初始聚合反应）包括光引发剂和有机胺活化剂，二者在树脂基质中的含量均为0.2~0.8wt%，二者质量比为0.5~1.5:0.5~1.5，优选质量比为1:1；

所述无机填料包括80~99wt%的表面硅烷化处理过的无机填料和1~20wt%的硅磷酸钙粉末，所述硅磷酸钙粉末包括硅酸三钙和过磷酸钙（calcium phosphate monobasic，CPM）粉末，其中过磷酸钙在硅磷酸钙粉末中的含量为1~20wt%；硅磷酸钙粉末经过球磨，最后的粒径应小于5μm。

本发明中，所述树脂单体多采用丙烯酸或甲基丙烯酸及其衍生化合物，常见的有双酚A甲基丙烯酸缩水甘油酯（Bis- GMA）、UDMA、氨基甲酸酯四甲基丙烯酸酯（UTMA）、乙氧基双酚A双甲基丙烯酸酯（Bis- EMA）和六亚甲基二异氰酸酯（HMDI）等。目前，由于Bis- GMA的双官能团特性并且相对分子质量较大，通过自由基聚合能够快速固化，绝大多数商业用可见光齿科修复材料都使用 Bis- GMA。由于单体分子间羟基之间氢键的相互作用，Bis- GMA的粘度非常大，难以搅动，通常需要加入一定比例的稀释单体。TEGDMA由于其粘度低并且能很好地共聚，通常作为Bis- GMA的稀释剂，其它的稀释剂有二乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、环六亚甲基甘醇二甲基丙烯酸酯或苄基甲基丙烯酸酯等。

本发明中，所述光引发剂可以吸收可见光产生自由基引发聚合反应，常用的光引发剂主要有樟脑醌（CQ）、苯偶酰、4, 4′-二甲氧基苯偶酰、α-二酮及苯丙烷、三甲基苯甲酰、二苯基氧化磷、2, 4-二甲基噻酮以及感光色素类（四溴荧光素/胺、核黄素、花香色素）等。用于齿科修复最常见的商业化可见光引发剂是樟脑醌CQ。由于光引发剂CQ容易受空气中氧气的阻聚作用，需同时加入一些活化剂，一般采用各种叔胺类化合物，以捕获自由基的氧，和CQ在可见光区450~480nm范围内产生良好的光响应能力和光源匹配性。常用的有机胺活化剂主要有甲基丙烯酸N, N-二甲氨基乙酯（DMAEMA）、甲基丙烯酸N, N-二甲氨基新戊二醇酯（DMANPA）、甲基丙烯酸N, N-二甲氨基苯甲酰乙酯（DMABEMA）、对N, N-二甲氨基苯甲酸乙酯（EDB）和N, N-二甲基对甲基苯胺（DMT）等，用于齿科修复多采用EDB、DMAEMA和DMT。

本发明中，常用的无机填料有石英、玻璃粉、硅酸铝锂、瓷粉等。无机填料在树脂基质中的分散性的好坏直接影响复合树脂的各项性能，因此可将无机填料用适当的偶联剂进行表面硅烷化处理，使其在树脂基质中的分散性大大改善。齿科复合树脂属于光固化树脂，树脂溶液在波长为450~480nm的可见光照射下，经引发剂系统可引发自由基聚合反应，形成固体，其中单体基质通过自由基聚合反应逐步形成三维网状结构，填料颗粒分布其中。

本发明在确定了复合树脂的组分，并进行适当配比后，还新添加了新型的硅磷酸钙（calcium phosphate silicate cement，CPSC）粉末部分代替无机填料。硅磷酸钙是近几年才合成出的一种新型人工骨水泥材料，主要成分是硅酸三钙（即著名的波特兰水泥的主要成分）和过磷酸钙粉末。硅酸三钙遇水后，会迅速发生水化反应，并伴随明显的体积膨胀。但是，水化反应过程会产生大量的氢氧根，导致溶液pH值升高（12~13），从而降低材料的生物活性和生物相容性。为解决这一问题，新型的硅磷酸钙骨水泥中，除了硅酸钙还加入了过磷酸钙粉末。磷酸根可以与氢氧根反应，生成羟磷灰石，平衡溶液的pH值水平，改善材料的生物活性和生物相容性。另外，生成的羟磷灰石是人体骨骼和牙齿的主要成分。因此，硅磷酸钙还具有再矿化功能，令骨头和牙齿得到自我修复。

一种上述超低收缩复合树脂的制备方法，包括如下步骤：

一、先将树脂单体和稀释剂混合均匀，接着加入光引发剂和有机胺活化剂，充分搅拌均匀，得到粘稠的树脂胶液；

二、将表面硅烷化处理过的无机填料与硅磷酸钙粉末混合均匀；

三、将混匀的填料粉末分次添加到粘稠的树脂胶液中，在真空搅拌机中充分搅拌均匀，消除气泡，即得到复合树脂糊剂。

本发明合成的复合树脂溶液必须在真空搅拌机中混合，原因是复合树脂的粘性较大，若在空气中搅拌会产生大量气泡，且不易被排出。这种存在大量气泡的复合树脂，各方面性能均会大幅下降，所以选择在真空环境下进行搅拌，同时注意到由于树脂粘性较大，磁力搅拌已无法满足要求，需采用电动搅拌装置将复合树脂溶液搅拌均匀。

本发明的超低收缩复合树脂在临床上的使用方法与传统的复合树脂完全相同，即用光固化灯机照射20~60s即可完全固化，操作简单易行。这种有机—无机复合材料中无机相赋予材料高强度、高模量、高耐划痕、耐腐蚀等特性；有机相赋予材料低密度、良好的柔韧性等特性。改变参与反应的有机、无机组分含量，实现材料的性能裁剪，从而制得所需性能的材料，本发明将带动牙体缺损的充填，根管充填，冠、桥、嵌体的粘固等修复材料和技术的更新。

总之，由于新型的硅磷酸钙填料独特的水解膨胀特性，使其在口腔环境中可以补偿复合树脂在聚合固化过程中产生的体积收缩，得到具有超低收缩特性的齿科复合树脂。另外，硅磷酸钙填料水化反应生成的羟磷灰石，是人体骨骼和牙齿的主要成分。因此本发明中将其用于齿科复合树脂填料，可令齿科修复材料具有再矿化能力，牙齿得到进一步的自修复功能。此外，其制备工艺简单，成本较低，具有重要的推广和应用价值。这些特性使得硅磷酸钙填料在口腔修复领域（包括牙齿的填充材料、齿科粘接材料、义齿材料、植入材料、垫底材料、颌面修复材料、包埋材料、封闭材料、磨平抛光材料以及其它近似的齿科材料领域）有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为含有20% CPSC的复合树脂 XRD图谱，浸水天数分别为：（a）0天，（b）15天，（c）75天；

图2为复合树脂试样浸在去离子水中的质量变化；

图3为复合树脂试样浸在去离子水中的体积变化；

图4为含CPSC的复合树脂试样的挠曲强度和挠曲模量；

图5为不同含量CPSC的复合树脂试样浸水前和浸水180天后的硬度；

图6为不同含量CPSC的复合树脂试样浸水前和浸水180天后的弹性模量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种超低收缩复合树脂及其制备方法，具体技术方案如下：

一、新型超低收缩复合树脂的合成和微观结构表征

超低收缩复合树脂由30wt%的树脂基质和70wt%的无机填料复合而成，其中：所述树脂基质中含有49.5wt%的Bis- GMA、49.5wt%的TEGDMA、0.5wt%的CQ、0.5wt%的DMAEMA；所述无机填料为表面硅烷化的钡玻璃粉（均径0.8μm），将硅磷酸钙粉末（硅酸钙与过磷酸钙的质量比为9:1）分别以0wt%、10wt%、20wt%部分代替复合树脂的无机填料，加入复合树脂中混合均匀。材料的具体配比见表1。

表1 合成的复合树脂组分及配比

上述超低收缩复合树脂的制备步骤如下：

1、将树脂单体Bis- GMA放在70℃恒温烘干箱中，静置40分钟，使粘性大大降低，满足混合需要；

2、将树脂单体Bis- GMA和稀释剂TEGDMA放入避光容器中室温磁力搅拌30分钟；

3、加入光引发剂CQ和有机胺活化剂DMAEMA，避光室温磁力搅拌2个小时；

4、将合成的硅磷酸钙（CPSC）粉末加入表面已经过偶联剂硅烷化处理的钡玻璃粉末（BG）中，混合均匀，制成混合好的无机填料粉末，钡玻璃粉的均径为0.8μm；

5、将已制成的无机填料粉末少量多次地缓慢加入树脂溶液中，边加边进行初步的搅拌，使无机填料粉末与树脂溶液充分润湿；

6、将复合树脂溶液放入真空搅拌机中，避光室温搅拌2个小时，消除气泡，得到复合树脂糊剂。

对含20wt% CPSC填料的复合树脂在去离子水中浸泡不同天数后的试样进行了XRD测试，研究试样在经过不同浸水时间后微观结构的变化。从图1及表2中可知，含有20wt% CPSC填料的复合树脂试样，其XRD衍射图谱中的C-S-H特征峰（2θ=29.3°）的相对强度分别为39%（浸水0天），47.9% （浸水15天）及54.3%（浸水75天）。

另外，在浸水75天后的试样中还发现少量的Ca(OH)₂（2θ=28.8°or 18.1°）和HAP（2θ=26°or 32°）出现。这些都表明，复合树脂浸在水中后吸入水，复合树脂中的硅酸钙与吸附的水分子发生了水化反应，生成C-S-H及氢氧化钙，氢氧根进一步和磷酸钙反应，生成羟磷灰石沉淀HAP。

表2 XRD图谱中树脂浸水后不同组分的相对特征峰值

二、含有硅磷酸钙填料的复合树脂吸水后质量和体积的变化

将不同硅磷酸钙含量的复合树脂试样浸在去离子水中，持续观察记录180天。图2显示的是试样的质量变化，可以看到复合树脂具有吸水性。含有硅磷酸钙（CPSC）的复合树脂，其吸水性均高于不含硅磷酸钙的复合树脂试样。

图3为试样浸水不同天数的体积变化，结果表明由于硅酸钙水化反应伴随体积膨胀，使得含有CPSC填料的复合树脂的吸湿体积膨胀要明显大于不含CPSC的复合树脂。10wt% CPSC的树脂浸水180天后，吸水体积膨胀可达到2.79vol%，而一般的齿科复合树脂的聚合体积收缩率为3.0~3.5vol%。因此，含有CPSC填料的复合树脂在浸水后可以有效地抵消其体积收缩，改善复合树脂的体积稳定性，从而降低牙齿修复后发生继发龋的几率。

三、挠曲强度和挠曲模量

采用三点弯曲试验方法（ISO4049:2000）测挠曲强度FS和挠曲模量E_f。试样为25mm2mm2mm长方体，加载速度0.5mm/min，下加载台为两个中心距20mm彼此平行的圆柱（直径2mm），压头为直径2mm的圆柱。计算公式为：（3）

（4）

式中：P为载荷，L为两支点距离（20mm），W为试样宽度，T为试样厚度，K为载荷—挠度曲线初始阶段斜率，d为试样在载荷P作用下的挠度。图4的实验结果显示，加入CPSC的复合树脂，其挠曲强度开始下降，挠曲弹性模量没有明显影响。其中含10wt% CPSC的复合树脂的挠曲强度为103MPa，满足临床的使用要求（100~180MPa）。

四、纳米压痕实验测硬度

通过先进的纳米压痕实验，可以准确测得复合树脂的硬度。测试的最大载荷为100mN，每次试验测试5个循环。纳米压痕实验测试了不同含量CPSC的复合树脂试样浸水前和浸水180天后的硬度，结果如图5所示。实验结果表明，浸水前的试样当硅磷酸钙（CPSC）含量小于10wt%时，硬度值影响很小，基本接近。当CPSC含量达到20wt%时，硬度明显下降。试样浸水后的硬度普遍低于浸水前的硬度。

五、纳米压痕实验测弹性模量

纳米压痕实验还可以通过加载和卸载曲线，准确地测量计算出材料的弹性模量（即杨氏模量）。试验方法同四，实验结果见图6。结果表明，浸水前的试样，当硅磷酸钙（CPSC）含量小于10wt%时，弹性模量值略有下降。当CPSC含量达到20wt%时，弹性模量明显下降。浸水后试样的弹性模量普遍低于浸水前的试样。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是：超低收缩复合树脂由50wt%的树脂基质和50wt%的无机填料复合而成，其中：所述树脂单体为UTMA，稀释剂为EGDMA，二者质量比为70/30；所述光引发剂为苯偶酰，有机胺活化剂为EDB，二者在树脂基质中的含量均为0.3wt%；所述无机填料为表面硅烷化的石英粉，将硅磷酸钙粉末分别以0wt%、10wt%、20wt%部分代替无机填料。

实施例3：

本实施例与实施例1不同的是：所述树脂单体为Bis- EMA和Bis- GMA，二者质量比为1:1，稀释剂为环六亚甲基甘醇二甲基丙烯酸酯，树脂单体和稀释剂的质量比为60/40；所述光引发剂为三甲基苯甲酰，有机胺活化剂为DMT，二者在树脂基质中的含量均为0.7wt%；所述无机填料为表面硅烷化的瓷粉，将硅磷酸钙粉末分别以0wt%、10wt%、20wt%部分代替无机填料。