一种甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐及其制备方法和用途与流程

本发明属于医药技术领域，涉及可应用于牙科的兼具粘接、偶联和抗菌功能的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐。

背景技术：

目前各类树脂修复材料以及依靠树脂水门汀粘固的修复体应用日益广泛，满足了医患双方对美容修复的需求和生物安全性的要求。但大量临床调查及实验室研究均指出，修复体粘接强度不足和边缘牙体组织继发龋仍是目前导致口腔粘接修复失败的最主要的两个原因。

修复体表面处理技术是提高粘接强度的关键。作为无机物和有机物界面之间的“分子桥”的硅烷偶联剂可以将两种性质不同的材料联接在一起，从而有效地改善界面粘接强度，同时避免了一些机械性表面处理造成的修复体表面结构破坏、适合性(修复体与牙齿结合的精确度或密合度)降低等问题。因此，硅烷偶联剂处理是极具推广潜力的一种提高修复体粘接强度的表面处理方式。

细菌是龋病发生、发展的先决条件。由于目前口腔粘接修复所使用的树脂类材料尚不能彻底消除粘接界面上的微渗漏，细菌及其代谢产物到达粘接界面及底层牙体组织的途径也就持续存在，最终导致继发龋。牙科季铵盐单体分子一端的甲基丙烯酸酯基团能与其它牙科单体共聚形成高分子交联网络，另一端的阳离子季铵基团具有接触杀菌效果，且抗菌成分本身不会溶出损耗。添加季铵盐抗菌单体的牙科修复材料，能利用其有效抗菌成分持续杀灭存在于牙齿表面或进入粘接界面的细菌，是目前防治龋病最有效、最直接的途径。

尽管硅烷偶联剂和季铵盐抗菌修复材料的应用显著改善了粘接修复的效果，但在口腔粘接修复操作中两种不同材料是分步骤使用的，粘接修复相对繁琐和技术敏感性强的问题(操作难度高、容易操作失误)仍然困扰着许多临床医生。有机硅季铵盐分子同时具备硅氧烷基团和阳离子季铵基团这两种特征官能团，与牙科材料中使用的硅烷偶联剂和季铵盐抗菌单体分别有类似之处，但缺乏能与牙科树脂单体共聚的基团。

美国佐治亚健康科学大学franklinrtay教授课题组尝试了将有机硅季铵盐dc-5700、四乙氧基硅烷和γ-mps混合，采用溶胶凝胶法水解缩合反应获得了季铵基甲基丙烯酸基硅烷化合物，证实了该化合物够添加到多种牙科树脂类材料中并具有良好的接触抗菌效果[gongsq,niuln,kemplk,yiuck,ryouh,qiyp,blizzardjd,nikonovs,brackettmg,messerrl,wucd,maoj,bryanbristerl,rueggebergfa,aroladd,pashleydh,tayfr.quaternaryammoniumsilane-functionalized,methacrylateresincompositionwithantimicrobialactivitiesandself-repairpotential.actabiomater.2012；8:3270-3282.]。但这种化合物属于络合物，化学稳定性不足且溶解性差，容易从粘接剂中析出。为了提高溶解稳定性，franklinrtay等尝试用二甲基二乙氧基硅烷取代四乙氧基硅烷，继续合成新的化合物[zhangw,luoxj,niuln,liusy,zhuwc,epasinghej,chenl,ligh,huangc,maoj,pashleydh,tayfr.one-potsynthesisofantibacterialmonomerswithdualbiocidalmodes.jdent.2014；42:1078-1095]。但受制于水解缩合法反应自身的缺点，很难精确控制产物的结构，除目标化合物外还生成了4种副产物，目标化合物难以从不同化合物的混合物中分离、纯化，且目标化合物的骨架结构中含有可逆水解键，稳定性仍然不足。

中国专利cn105943406a公开了一种可聚合季铵盐单体，并与其他单体和引发剂一并用于制作3d打印修复体，但其可聚合季铵盐单体不具备硅氧烷基团，与低粘度单体及树脂单体/低聚物在固化成型后进一步聚合，从而提高聚合程度及防止析出。同时，该专利中多种引发剂及单体的使用，所引起的副作用难以评估。

目前未见用于牙科粘接及相关材料的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐单体的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐及其制备方法和用途。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐，该有机硅季铵盐包括如式i所示结构：

其中，碳链长度n、m分别为1～10，r选自碳原子数为15～20的烷基(依据抗菌活性选择)。

优选的，所述改性有机硅季铵盐的阴离子选自能够与季铵离子成盐的阴离子。

优选的，所述改性有机硅季铵盐的阴离子选自cl^-、br^-、f^-、丁二酸(琥珀酸)、aco^-中的任意一种。

优选的，所述改性有机硅季铵盐选自如式i-1～i-9所示结构的化合物中的任意一种：

上述甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐的制备方法，包括以下步骤：

将碳原子数为15～20的一卤代烷与主碳链长度为m的氨基醇通过亲核加成反应，制得第一中间体；将第一中间体与甲基丙烯酸通过酯化反应，制得第二中间体；将第二中间体与主碳链长度为n的3-氯烷基三甲氧基硅烷通过季铵化反应，制得甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐(参见式i)。

所述甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐的制备方法具体包括以下步骤：

①以碳原子数为15～20的一卤代烷(例如，18烷基溴)和主碳链长度为m的氨基醇(例如，2-(甲氨基)乙醇、10-氨基-1-癸醇)作为起始原料，将所述一卤代烷加入到含有所述氨基醇的第一反应溶剂中，然后通过加热回流进行反应，反应后将反应体系依次进行冷却、浓缩、碱洗，然后经萃取、干燥有机相、过滤及浓缩，得第一中间体；

②在第二反应溶剂中加入第一中间体、缩合剂、催化剂及甲基丙烯酸后于25～30℃反应15～20h(例如，搅拌过夜)，反应后将反应体系过滤，将所得滤液经浓缩后进行柱层析，得第二中间体；

③在封管中加入第二中间体及主碳链长度为n的3-氯烷基三甲氧基硅烷(例如，3-氯丙基三甲氧基硅烷)，然后于40～80℃反应48～72h，将反应产物洗涤后减压干燥，得到目标化合物(例如，式i-1、i-9所示的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐)。

优选的，步骤①中，回流温度为50～70℃，回流时间为15～20h，第一反应溶剂可选择丙酮、甲醇或二氯甲烷等，碱洗中采用碳酸钾(k2co3)、碳酸钠(na2co3)、碳酸氢钠或碳酸铯(csco3)等的饱和溶液中和反应体系(除去反应生成的酸)，萃取溶剂可选择乙酸乙酯(ea)、二氯甲烷或乙醚等，干燥可选择无水na2so4或无水mgso4等干燥剂；碳原子数为15～20的一卤代烷与主碳链长度为m的氨基醇的摩尔比为1:1～1:1.5。

优选的，步骤②中，反应所用缩合剂可选择n,n′-二环己基碳二亚胺(dcc)、羰基二咪唑(cdi)、二异丙基碳二亚胺(dic)或1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edci)等，反应所用催化剂可选择4-二甲氨基吡啶(dmap)或1-羟基苯并三氮唑(hobt)等；第二反应溶剂可选择四氢呋喃、乙腈、苯、无水二氯甲烷(dcm)或n,n-二甲氨基等；第一中间体与甲基丙烯酸的摩尔比为1:1～1:2，催化剂的用量控制在第一中间体物质的量的1％～10％，第一中间体与缩合剂的摩尔比为1:1～1:2，柱层析采用梯度洗脱，洗脱剂为石油醚(pe)/乙酸乙酯混合液。

优选的，步骤③中，以四氢呋喃或乙醚为反应溶剂，第二中间体与主碳链长度为n的3-氯烷基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:1～1:1.5。

上述甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐在制备牙科偶联剂(例如，瓷偶联剂)中的应用。

上述甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐在牙科修复体粘接、龋齿填充中的应用。

上述甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐在抑制和杀灭口腔病原菌(例如，发挥接触杀菌效果)中的应用。

本发明的有益效果体现在：

本发明提出的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐是一类结构稳定的多功能单体，该类单体的化合物结构特征是同时具备硅氧烷基团、阳离子季铵基团和甲基丙烯酸酯基团，这类化合物的分子兼备硅烷、季铵盐单体和传统有机硅季铵盐的结构，将其添加到牙科粘接剂中，可同时发挥偶联剂、抗菌剂和粘接单体三种功能。实验表明：本发明所述的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐不仅能够行使硅烷偶联剂的功能，提高修复体粘接强度及耐久性，还能通过阳离子季铵基团赋予粘接界面抗菌功能，有效避免继发龋的发生，从而显著改善粘接修复的长期治疗效果。将本发明所述的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐应用于牙科粘接时，利用其兼具偶联剂、抗菌剂和粘接单体三种功能的特点，可以简化口腔粘接修复的临床操作步骤，降低操作失误的概率。

本发明的制备方法的关键步骤在于以四氢呋喃或乙醚为反应溶剂，利用第二中间体与3-氯烷基三甲氧基硅烷合成目标化合物。该步骤在相对较低的温度下反应，未反应的原料可以用溶剂清洗掉，然后用真空干燥的方法得到甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐，分离、纯化过程简单、容易实现。

本发明的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐溶于乙醇或丙酮后，可以涂抹在牙科硅酸盐陶瓷、贱金属或树脂修复体表面，作为偶联剂，si-o-ch3基团与修复体表面的羟基结合，另一端的甲基丙烯酸酯基团与牙科常用树脂材料结合，显著提高界面粘接强度和密合度。

本发明的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐作为牙科材料抗菌添加剂，能够通过甲基丙烯酸酯基团与牙科常用粘接剂及树脂发生聚合反应，不影响粘接剂、树脂等材料用于充填龋损或粘固修复体等功能，同时赋予这些材料季铵盐基团，利用阳离子固定原理杀灭所接触的细菌，有效防止继发龋。

本发明的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐作为抗菌涂料，可以直接涂抹在患者口腔内已有的贱金属、陶瓷或树脂义齿表面，通过si-o-ch3基团与修复体表面的羟基牢固结合，利用季铵盐基团的接触杀菌效果，减少修复体表面的菌斑附着，从而减少牙结石的堆积和接触性黏膜炎症的产生。

附图说明

图1为本发明提出的兼具粘接、偶联和抗菌功能的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐分子结构设计示意图。

图2为目标化合物(nmoac)制备实例中化合物2的合成路线。

图3为目标化合物(nmoac)制备实例中化合物3的合成路线。

图4为目标化合物(nmoac)制备实例中化合物4的合成路线。

图5为化合物2的鉴定图谱(¹hnmr)。

图6为化合物3的鉴定图谱(¹hnmr)。

图7为化合物3的鉴定图谱(¹³cnmr)。

图8为化合物4的鉴定图谱(ms)。

图9为甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐对瓷和树脂剪切粘接强度影响结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的保护范围。

(一)甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐功能基团设计

参见图1，本发明在前期研究工作的基础上，在有机硅季铵盐分子结构中引入甲基丙烯酸酯基团，依据口腔粘接修复的特点，设计并合成了一类牙科专用的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐，其结构如下(n、m分别为1～10，r可以为-c18h37)：

以上甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐是具有硅氧烷基团、阳离子季铵基团和甲基丙烯酸酯基团的多功能分子，这种多功能分子既能通过硅氧烷基团与多种陶瓷、金属等富含羟基的修复体或玻璃填料表面形成化学结合，又能通过甲基丙烯酸酯基团与树脂单体发生聚合反应(这个反应是指甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐作为单体与牙科常用甲基丙烯酸酯类树脂单体间的双键交联反应。反应的目的包括形成粘接剂并完成粘接的过程，特点在于与树脂类材料形成化学结合同时不对原有材料的理化性能产生明显影响，并通过化学结合，能够使两种材料完全结合在一起，形成为一个化合物)，同时分子中的阳离子季铵基团还具有抗菌功能。这种多功能分子兼备牙科硅烷、季铵盐单体和传统有机硅季铵盐的结构，将其添加到牙科粘接剂中，可同时行使偶联、抗菌和粘接三种功能，可以使得口腔粘接修复临床操作的步骤得到明显简化，操作失误的概率也将随之显著降低。以上甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐的设计思路符合目前通用合成分子材料学高性能、多功能、低成本的发展趋势，不仅毒副作用小(改性采用的修饰基团为甲基丙烯酸酯基团，在牙科材料中应用广泛，被修饰的有机硅季铵盐分子结构经过小鼠毒性实验，符合牙科应用的安全性要求)，而且化学稳定性(单一化合物)明显优于结构复杂的络合物。

(二)甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐制备实例

实例1

1.化合物nmoac的结构如下所示(n＝3；m＝2)：

2.化合物nmoac的制备

①第一中间体的合成

参见图2，在室温下，在250ml单口瓶中加入18烷基溴(化合物1，5g，15.06mmol，1eq)、2-(甲氨基)乙醇(nmea，11.3g，15.06mmol，1eq)及丙酮(25ml)，然后60℃回流反应16h；冷却到室温后减压浓缩(旋转蒸发除去溶剂)后，加入饱和碳酸氢钠水溶液(100ml)，ea萃取(100ml/次，3次)，合并有机相，无水na2so4干燥，用布氏漏斗过滤(除去na2so4)，减压浓缩(蒸除溶剂)，得4.8g第一中间体(本例为化合物2)。参见图5，¹hnmr(400mhz,cdcl3),δ,ppm(hz):0.88(3h,t)；1.29(30h,m)；1.46(2h,t)；1.94(3h,s)；2.30(3h,s)；2.39(2h,t)；2.68(2h,m)；4.25(2h,t)；5.55(1h,s)；6.10(1h,s)。

②第二中间体的合成

参见图3，在100ml单口瓶中加入化合物2(2g，1eq)、dcm(10ml)、dcc(3.53g，1.5eq)、dmap(0.35g，0.1eq)，及甲基丙烯酸(2.7g，1.1eq)，室温搅拌过夜(约15～20小时)后用布氏漏斗过滤(除去未反应完的缩合剂和固体副产物)，滤液减压浓缩(35℃)后柱层析(采用pe:ea＝100:1到3:1的梯度洗脱条件)，得1.8g第二中间体(本例为化合物3)。参见图6、图7，¹hnmr(600mhz,cdcl3),δ,ppm(hz):0.87(3h,t)；1.29(30h,m)；1.46(2h,t)；2.18(3h,s)；2.39(2h,t)；2.52(2h,m)；3.57(2h,m)。¹³hnmr(125mhz,cdcl3),δ,ppm(hz):14.10；18.31；22.68；27.31；27.43；29.35；29.60；29.63；29.65；29.67；29.69；31,92；42.77；55.50；58.11；62.77；125.45；136.32；167.40。

③目标化合物的合成

参见图4，以无水乙醚为反应溶剂，在8ml封管中加入化合物3(0.1g，0.25mmol，1eq)，及3-氯丙基三甲氧基硅烷(50mg，0.25mmol，1eq)，70℃反应3d，反应生成的季铵盐用无水乙醚洗涤，除去未反应的原料，然后在真空干燥器中减压干燥得到目标化合物(nmoac，即图4中化合物4)。参见图8，ms,found,m/z:558.55[m]⁺.c31h64no5si.calculated,m/z:558.46。

只需要将起始原料(2-(甲氨基)乙醇)替换为其它具有不同主碳链长度(m)的氨基醇，即可合成具有相应碳链长度(m)的其它目标化合物。例如，参见实例2。

实例2

结构如下所示的化合物的合成：只需要将起始原料2-(甲氨基)乙醇替换为10-氨基-1-癸醇即可，其他步骤与实例1相同。¹³cnmr(125mhz,cdcl3)δ167.15,137.72,124.72,66.85,61.85,61.38,50.78,48.53,31.73,29.32,29.15,29.04,27.89,26.58,23.59,23.16,19.10,18.28,14.00.ms,found,m/z:670.53[m]⁺.c39h80no5si.calculated,m/z:670.58.

(三)甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐的功效实验

1.化合物nmoac对铸瓷粘接强度影响的测试

将nmoac、前期研制的甲基丙烯酰氧基十一烷基甲基二乙氧基硅烷(王迎捷,张翔,王辰,李锋,陈吉华.长链硅烷偶联剂对瓷和树脂粘接强度影响的实验研究.临床口腔医学杂志.2013,29(11):667-669.)溶解入99％乙醇中，加入少量去离子蒸馏水和乙酸，调节ph值为4，分别配制成质量浓度为2％的硅烷溶液(作为偶联剂)；选取成品porcelainprimer(bisco,usa)瓷偶联剂作为标准对照。根据不同偶联剂分为3个测试组，每组20个样本。

采用经过打磨抛光的直径6mm、厚2mm的圆盘状铸瓷片(ipse.maxpress)与直径15mm、厚4mm的铸瓷基底，将以上铸瓷片和铸瓷基底通过树脂水门汀粘接制备成粘接试件。具体步骤如下：取聚乙烯薄膜(厚约50μm)粘贴于所有铸瓷基底表面，并用打孔机按分组分别在薄膜上制备2mm的圆孔以控制粘接面积与粘接剂厚度。将3种偶联剂分别涂抹在相应测试组铸瓷片和铸瓷基底的粘接面，静置30秒后气枪吹干10秒。将biscem树脂水门汀(bisco,usa)调拌后，涂抹于铸瓷基底表面的聚乙烯薄膜圆孔中，而后以50克砝码将铸瓷片加压粘接至铸瓷基底上。小毛刷去除溢出的树脂水门汀，从各方向光照固化40秒。

剔除粘接时发生相对位移的试件，各测试组随机选取16个粘接样本，37℃恒温水浴24小时，一半进行即刻剪切粘接强度测试(探头速度设定为0.5mm/min)；另一半采用5℃、55℃去离子水冷热循环5000次(1min/循环)后进行老化粘接强度测试。

2.化合物nmoac对常见口腔致病菌的体外敏感实验

口腔致病菌由第四军医大学口腔医院检验科提供：变形链球菌atcc25175、粘性放线菌atcc15987、金黄色葡萄球菌atcc29213。

以液体稀释法测定nmoac对以上三种常见口腔致病菌的抗菌活性，根据前期研究结果，以bhi液体培养基为溶剂，nmoac的初始浓度分别确定为100mg/ml、100mg/ml、5mg/ml，连续倍比稀释备用。

实验菌株隔夜培养后调整菌液浓度至1×10⁷cfu/ml。每个试管中加入抗菌药物(具体指nmoac)溶液1ml、菌液100μl。培养变形链球菌、粘性放线菌的试管置于37℃、5％co2、5％n2培养箱中培养24～48h。培养金黄色葡萄球菌的试管置于37℃空气培养箱中培养18～24h。以能够使试管内液体清亮的抗菌药物最低浓度为该抗菌药物的最小抑菌浓度(mic)。接种环挑取清亮试管中的培养物，划线接种于bhi琼脂平板上，孵育48h，无细菌生长的最低抗菌药物浓度为该抗菌药物的最低杀菌浓度(mbc)。实验重复3次，同时设立阴性对照(未加入nmoac的bhi液体培养基)、阳性对照(前期研制的季铵盐单体mae-hb和dmae-cb)。

3.化合物nmoac的测试及实验结果

参见图9，对粘接试件的剪切粘接强度测试结果表明，利用本发明试制的改性有机硅季铵盐(具体指nmoac)处理的试件，即刻粘接强度与porcelainprimer处理组、前期研制的长链增韧硅烷(甲基丙烯酰氧基十一烷基甲基二乙氧基硅烷)处理组之间无显著差异(p>0.05)；经老化处理后，nmoac和长链增韧硅烷处理组的粘接强度均显著高于porcelainprimer处理组(p<0.05)。

参见图9，nmoac处理组的即刻粘接强度与老化粘接强度值均稍低于长链增韧硅烷处理组，但两组之间没有统计学差异(p>0.05)。

本发明实例1、实例2试制的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐(例如，化合物nmoac)是一类具有牙科偶联剂功能的化合物单体，能显著提高瓷粘接强度，并且在粘接耐久性方面有着比市售瓷偶联剂更好的表现。

参见表1，实验结果显示：本发明试制的改性有机硅季铵盐(具体指nmoac)对三种口腔致病菌的mic值介于6.1～24.4μg/ml之间，nmoac与前期研制的两种季铵盐单体(mae-hb和dmae-cb)的mic值之间没有显著性差异(p>0.05)。

表1.不同季铵盐对常见口腔病原菌的mic/mbc值

实验结果表明，本发明试制的甲基丙烯酸酯改性有机硅季铵盐(例如，化合物nmoac)能够对常见口腔病原菌发挥抑制和杀灭作用，抗菌作用(mic/mbc)与前期研制的季铵盐基本相当。