近年来研究
[1-2]发现:天然来源的交联剂可以增强胶原纤维之间的交联,改善混合层中深层脱矿胶原的耐酶解性和机械性能,促进脱矿牙本质基质的再矿化
[3-4]。根据交联剂的化学结构可将天然来源的牙本质交联剂分为天然多酚类、环烯醚萜类和大分子多糖类。多酚中的酚羟基(-OH)不仅能够与蛋白质形成氢键、离子键和共价键,还能与金属阳离子螯合
[5],上述作用为促进牙本质胶原再矿化提供了先决条件。天然多酚类物质因其具有抗菌、抗炎和低毒性等特性已被应用于口腔防治龋病
[6]。研究者使用多酚类物质[原花青素、表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate,EGCG)和儿茶素等]进行相关实验,研究
[7]表明:经原花青素处理后,不仅促进了胶原交联,还可作为再矿化的模板骨架加速矿物质沉积。EGCG作为底涂剂在再矿化中表现出积极作用
[8]。EGCG改性后的胶原膜能够促进新骨的形成
[9]。漆酚是一种来自植物(漆树)的多酚类物质,常用于生产清漆、油漆和其他涂料,其结构中的儿茶酚官能团和长的饱和或不饱和烷基链赋予其良好的疏水性
[10]。漆酚作为牙本质交联剂可增加脱矿牙本质胶原蛋白的交联数量,延缓基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的降解
[11]。本研究旨在探讨漆酚作为酸蚀-冲洗模式的底涂剂是否可以促进脱矿牙本质再矿化,改善牙本质基质的机械性能,从而实现提高树脂-牙本质粘接界面的粘接强度,并降低粘接过程中的技术敏感性,提升临床应用中树脂粘接的耐久性。
1 资料与方法
1.1 试剂和主要仪器
漆酚购自武汉清漆公司,第8代通用粘接剂Single Bond Universal(SBU)和光固化树脂Filtek Z350购自美国3M公司,丙酮购自国药集团;衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪(attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR)(型号:Nicolet750)购自美国赛默飞公司,低速金刚石钻头(型号:SYJ-160)购自沈阳科晶自动化设备有限公司,维氏硬度仪(型号:HMV-G21ST)和万能试验机(型号:AG-X plus)均购自日本岛津公司,扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)(型号:HITACHI4800)购自日本日立公司,数显千分尺(型号:TA025A)购自中国上工公司。
1.2 牙本质样本的制备
本研究经吉林大学口腔医院伦理委员会批准(伦理委员会编号:2023-004),收集吉林大学口腔医院18~40岁年龄段患者的无龋第三磨牙96颗,并将其保存于0.5%氯胺T溶液中。去除软组织后,在流水冷却下用低速金刚石钻头切除离体牙咬合面釉质,以获得2 mm的牙本质,使用600目碳化硅砂纸湿抛光试样1 min用以模拟标准玷污层。超声清洗后,使用37%磷酸凝胶酸蚀15 s,冲洗,备用。
1.3 底涂剂及再矿化溶液的制备
参照ZHAO等
[11]的研究将0.3%、0.7%、1.0%和1.5%质量分数的漆酚溶于丙酮溶剂中,制备不同浓度的底涂剂,作为0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组。未进行处理的作为空白对照组,使用丙酮溶剂作为阳性对照。根据CHEN等
[12]先前的研究,将含有钙离子和磷离子的溶液混合制备模拟体液(simulated body fluids,SBF),后加入700 mg·L
-1聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA),制备成改良SBF,将其置于4 ℃保存备用。
1.4 ATR-FTIR检测各组粘接剂的转化率(degree of conversion, DC)
用压片机压制溴化钾片,涂底涂剂并轻轻吹气5 s,按照制造商的说明书方法涂粘接剂SBU,记录光谱及各官能团的吸光度(A)值。光固化20 s后立即记录固化后的光谱,重复上述过程(n=3)。以苯环的信号峰A (1 608 cm-1)作为内标计算转化率。根据以下公式计算DC,DC=[1-(A1636/A1608)固化/(A1636/A1608)未固化]×100%。将各组样本进行再矿化处理,即将牙本质试样在SBF中分别矿化14和28 d,放置于37 ℃烘箱中,每隔2 d更换SBF,再矿化处理结束后取出样品,干燥后进行下列测试。
1.5 ATR-FTIR检测各组牙本质小管内矿物的相对质量
每组随机选取1个脱牙本质试样,对各组样本进行红外光谱采集,采集范围为1 000~400 cm
-1,分辨率为1 cm
-1,32次扫描,每个样品在3个不同的位置采集,
峰对应矿物质,1 650 cm
-1峰对应牙本质胶原纤维的酰胺Ⅰ带。对光谱进行平滑处理和基线校正
[13]。计算矿物的相对质量:矿物的相对质量=
峰面积/酰胺Ⅰ带峰面积。
1.6 SEM和X射线能谱仪(energy dispersive spectroscopy, EDS)检测各组样本牙本质小管内物质及钙磷离子比值
每组随机选取3个试样,将其固定在2.5%戊二醛溶液中12 h,随后分别使用上升浓度梯度(25%、50%、75%、90%和100%)的无水乙醇脱水20 min。在喷金后,使用SEM对样品进行观察,放大倍数为5 000和20 000倍。使用EDS对各组试样牙本质小管内的物质进行元素定性和半定量分析,计算钙磷离子比值(钙磷离子比值=钙离子含量/磷离子含量),放大倍数为3 000倍。
1.7 X-射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)检测各组样本牙本质小管内物质成分
每组随机选取1个牙本质样本,使用XRD对牙本质表面进行扫描。工作电压:40 000 V,电流:200 mA,扫描范围为2θ=10°~60°。
1.8 显微维氏硬度检测各组样本牙本质表面显微硬度
从各组中随机选取1个样品进行硬度试验。使用维氏硬度仪检测各组样本牙本质表面硬度,金刚石压头以4.9 N为载荷,停留时间为10 s,在目镜中观察到清晰的对角线,记录2条对角线长度得到对应的维氏硬度值,每个样品在相对平坦的牙本质表面上测试5次,每个压痕间隔为100 μm,测试单位为维氏硬度(HV)。
1.9 微拉伸强度测试(microtensile bond strength, μTBS)检测各组样本粘接强度
从各组中随机选取3颗新鲜无龋的离体牙并切除冠部牙釉质,使中部的牙本质得以显露,使用37%的磷酸酸蚀后,用流动水冲洗20 s;空白对照组不进行处理;阳性对照组样本涂布丙酮1 min,实验组:在牙本质表面涂底涂剂1 min;轻吹10 s,再根据说明书涂粘接剂SBU,空白对照组直接涂SBU,然后轻吹15 s以去除多余的溶剂,在溶剂蒸发后,使用光固化灯对每个粘接试样进行20 s的光固化。4 mm厚度的Filtek Z350堆积于牙本质上,并分别光照聚合20 s。各组样本分别浸入改良SBF中,每2 d换液一次。将试样随机分配为2组:在不同的时间点(14和28 d)选择牙本质样品,先平行牙体长轴的方向将其切成厚度约为1 mm的牙本质圆片,再以垂直于牙本质圆片的方向进行切割,使其横截面积约为1.0 mm2。每颗牙至少8个试件。使用万能试验机以1 mm·min-1的速度进行测试,直至断裂。测试结束后使用数字千分尺测量样品断裂处的横截面积,精确度为0.01 mm。μTBS的计算方法是将每个试件断裂时所承受的最大载荷除以横截面积,以得到断裂时的应力(MPa)。
1.10 统计学分析
采用SPSS 25.0统计软件对数据进行统计学分析。各组样本DC、矿化后牙本质中矿物的相对质量和显微硬度数据符合正态分布,以x±s表示。各组样本DC比较采用单因素方差分析,组间样本均数的两两比较采用Tukey检验。各组样本矿化后牙本质中矿物的相对质量、显微硬度和μTBS比较采用双因素方差分析,组间样本均数的两两比较采用Tukey检验。显著水准为α=0.05。
2 结 果
2.1 各组样本底涂剂对粘接剂DC
与空白对照组(61.95%±1.69%)比较,阳性对照组底涂剂对粘接剂的DC(60.52%±1.73%)差异无统计学意义(P>0.05);各浓度的漆酚底涂剂转化率比较差异有统计学意义(P<0.05),0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组底涂剂对粘接剂DC(64.79%±0.49%、70.95%±1.60%、68.96%± 0.52%和66.29%±0.95%)比较差异无统计学意义(P>0.05),0.7%漆酚组底涂剂对粘接剂的DC最高。
2.2 漆酚与脱矿牙本质胶原化学结合作用的ATR-FTIR光谱
脱矿牙本质胶原纤维的酰胺A、酰胺B、酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带分别对应的峰位为3 292.18、3 091.62、1 642.90、1 553.31及1 229.37 cm
-1。其中酰胺A代表C=O伸缩振动,酰胺B代表N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动,酰胺Ⅰ带代表C=O伸缩振动,酰胺Ⅱ带代表N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动,酰胺Ⅲ带代表CH2剪式振动。磷酸盐
对应的峰位为1 017.57 cm
-1。经再矿化处理后的ATR-FTIR检测结果显示:经14 d再矿化处理后,在除空白对照组和阳性对照组外,0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组样本中牙本质表面的
峰信号强度明显增强,经28 d的再矿化处理后酰胺Ⅰ带的峰信号相对增加。见
图1。矿物的相对质量(
/酰胺Ⅰ)如
表1所示,再矿化14 d后,与空白对照组比较,阳性对照组样本的
/酰胺Ⅰ比值未见明显差异,而0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组样本牙本质表面的
峰信号强度升高(
P<0.05),明显提高了矿物的相对质量,提示在牙本质小管近表面2 µm区域内形成了矿物沉积。再矿化28 d后空白对照组和阳性对照组矿物的相对质量较14 d时略有降低,而在0.7%和1.0%漆酚组经28 d再矿化处理后的矿物的相对质量较14 d明显提升(
P<0.05)。
2.3 各组样本牙本质小管内物质和钙磷离子比值
再矿化14和28 d后的空白对照组样本牙本质小管可明显观察到管内呈现出完全开放的状态,并观察到胶原纤维间的缝隙;阳性对照组样本牙本质小管内纤维被少量的膜状有机物包裹,但管腔内仍开放明显;经不同浓度漆酚底涂剂处理后,再矿化14 d后0.3%漆酚组样本的牙本质小管堵塞率较低;0.7%漆酚组样本中牙本质小管内有较多带有孔隙的松散矿物颗粒沉积在小管口;1.0%漆酚组的样本可见小块不连续的矿物沉淀在小管口;而在1.5%漆酚组样本牙本质小管的矿物沉淀较少,小管较空。再矿化28 d后可在牙本质小管的管腔内及管侧壁观察到晶体矿物质沉积,经28 d矿化后可见经漆酚处理后的牙本质再矿化效果优于14 d,0.7%漆酚组样本脱矿纤维空间几乎完全封闭,矿物形态连续,并充满牙本质小管,其他浓度的底涂剂形成的矿物晶体不连续,但仍可对牙本质小管进行有效的封堵。而在再矿化28 d后空白对照组和阳性对照组样本的管内侧壁的胶原纤维暴露清晰可见,小管开放较为明显。见
图2。
在对脱矿牙本质进行再矿化处理14和28 d后,除空白对照组和阳性对照组样本钙磷离子比值明显降低,其余各实验组样本牙本质小管内矿物质沉积物钙磷离子比值均呈现不同程度的上升,尤其在经28 d的再矿化处理后,0.7%和1.0%漆酚组样本牙本质的小管内矿物质沉积物钙磷离子比值与羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)的钙磷离子比值相接近,提示矿物质为HA晶体。见
表2。
2.4 XRD对各组样本牙本质小管内沉积物晶体的定性检测结果
各组样本的XRD检测结果如
图3所示,参照HA标准谱(PDF 09-0432),再矿化处理28 d后在所有组中均可见2θ(degree)=25.82°(002)、 2θ(degree)=31.84° (211)和2θ (degree)= 32.13°(112),可观察到HA的典型衍射峰,确认了牙本质小管内矿化晶体的成分为HA晶体。从官能度梯度的方向分析,与其他浓度的漆酚底涂剂比较,0.7%漆酚组样本牙本质小管内沉物可观察到2θ(degree)=32.92°(300)和2θ(degree)=45.24°(203)2个峰,证实形成的颗粒晶型种类更多,表明其形成的晶体具有更多的各向性。
2.5 经再矿化处理14和28 d后的各组样本牙本质的显微硬度
经再矿化处理14和28 d后,经漆酚底涂剂处理后的脱矿牙本质的显微硬度明显提高,与空白对照组和阳性对照组比较,0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组样本牙本质显微硬度升高(
P<0.05),与0.3%漆酚组比较,0.7%漆酚组样本牙本质显微硬度升高(
P<0.05)。表明在脱矿层内存在矿物质的沉积。再矿化28 d后,空白对照组和阳性对照组样本牙本质的硬度略有降低,随时间推移不同浓度的漆酚底涂剂组的样本牙本质显微硬度明显升高(
P<0.05),经 0.7%漆酚和1.0%漆酚处理后的脱矿牙本质在28 d后的硬度升高最为明显。见
表3。
2.6 再矿化14和28 d各组样本粘接强度
如
表4所示,双因素方差分析结果显示2种因素在2个粘接体系(底涂剂浓度和矿化时间)中的主效应显著(
P<0.05)。经14 d矿化处理后,空白对照组样本的μTBS值最低,与阳性对照组之间比较差异无统计学意义(
P>0.05),而与各浓度的漆酚底涂剂μTBS值比较差异均有统计学意义(
P<0.05)。0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚组不同程度地提高了μTBS值,但各实验组间比较差异无统计学意义(
P>0.05),其中1.0%漆酚组的粘接强度最强。而经28 d再矿化处理后,只有0.7%漆酚组的μTBS值最高,表明该组粘接强度最优,再矿化效果最佳。
3 讨 论
在牙本质的有机基质中,Ⅰ型胶原占90%,其余10%主要包括糖蛋白和非胶原蛋白(non-collagenous protein,NCP)。NCPs中的牙本质磷蛋白(dentinphosphoprotein,DPP)对于纤维内和管间牙本质的矿化起到促进作用,同时也促进矿物晶体的初始形成和成熟
[14]。牙本质基质蛋白1(dentin matrix protein-1,DMP-1)通过与钙的高亲和力和结合能力,不仅调节晶体的成核和生长,并且促进矿物的形成
[15]。尽管NCPs可诱导脱矿牙本质再矿化,但从牙本质中提取和纯化NCPs仍面临挑战。因此,研究者提出使用NCPs类似物促进仿生矿化的方法,即聚合物诱导液体前驱体(polymer-induced liquid precursor,PILP)
[16-17]。截至2024年,已经研究出多种NCPs类似物,如PAA、三聚磷酸钠和聚乙烯基膦酸等
[18]。PAA是最常见的NCP类似物,其不仅可以模拟DMP-1的无定形磷酸钙(amorphous calcium phosphate,ACP)纳米颗粒结合位点,还能有效促进流体ACP颗粒在胶原纤维间隙中的沉积。低相对分子质量的PAA还能稳定ACP
[19]。因此,本研究通过PILP的方法探究含有PAA的SBF作为矿化介质是否可以增强胶原纤维矿化能力,从而促进其仿生再矿化,改善树脂-牙本质粘接强度。
丙酮溶剂具有高偶极矩和低介电常数共存的特性,使其能够同时溶解极性化合物和非极性化合物。因此,丙酮在口腔潮湿环境中具有广泛应用。尽管与水或乙醇等含有羟基的溶剂比较,其羰基(C=O)所形成的氢键相对较弱,但其高偶极矩和优良的蒸发性能可有效降低粘接体系中的水分含量
[20],从而减少水分对粘接系统的不利影响。先前的研究
[21]显示:与其他有机溶剂比较,丙酮作为EDC的溶剂具有更高的胶原交联潜力,可改善单体在脱矿牙本质胶原纤维内的扩散,并通过蒸发促进水分去除,与漆酚的疏水性相互协同。因此,本研究选用丙酮作为底涂剂的溶剂。
漆酚是一种从植物生漆中提取的天然单体,成分为邻苯二酚基团和线性的不饱和侧链
[22],在抗菌和抗氧化方面性能优异
[23],还具备良好的耐腐蚀性和耐水性
[24]。本实验选择0.3%、0.7%、1.0%和1.5%漆酚浓度作为实验浓度,在0.7%浓度下能够提高牙本质胶原的交联程度,从而增强其生物稳定性。漆酚结构中的酚羟基基团可以吸引SBF中的钙和磷离子,经过PAA稳定的ACP渗透到胶原纤维间隙,加速矿物晶体的成核和生长,使混合层裸露的牙本质胶原纤维在短时间内被矿物质包裹,保持胶原支架结构的完整性,为再矿化提供了先决条件。
本研究结果显示:丙酮组的双键转化率较低,可能是由于丙酮相对浓度过高,阻碍了粘接剂单体的流动性,从而影响C=C键的转化
[25]。含漆酚实验组的转化率随漆酚浓度的升高而降低,这与先前的研究结果
[11]一致,表明高浓度的漆酚具有一定的阻聚作用。
本研究ATR-FTIR的检测结果显示:经过漆酚底涂剂处理后的牙本质在
峰处有显著的提升,表明经矿化后的脱矿牙本质小管内存在矿物晶体的生成,改良SBF中的PAA可稳定ACP;协同Ⅰ型胶原作为模板吸引ACP的聚集和生长,促进矿化物的形成和沉积。经漆酚底涂剂处理后,
/酰胺Ⅰ比值明显提升,表明14 d后所有预处理组均有再矿化效果。SEM检测结果显示:含漆酚实验组的脱矿牙本质小管中可观察到较多的矿物质沉积,而在阳性对照组和空白对照组样本中牙本质小管开放十分明显;EDS检测结果表明:经28 d再矿化处理后,0.7%和1.0%漆酚组样本的牙本质小管内矿化物的钙磷离子比值与HA钙磷离子的比值相近
[26];XRD检测结果提示矿化后的特征峰与HA的标准谱相同,且再矿化28 d后,0.7%漆酚组的图谱中可见峰更多,表明生成的矿物晶体各向性更高,上述结果表明牙本质小管内的矿化物为HA,表明漆酚有促进脱矿牙本质再矿化的作用。
本研究显微硬度测试结果表明:经漆酚改性后牙本质表面硬度随再矿化处理的时间增长而显著提高。经14 d再矿化处理后,实验组的表面硬度均有不同程度的改善。μTBS测试中,再矿化14 d后,与空白对照组比较,阳性对照组μTBS值差异无统计学意义,但不同浓度的漆酚组之间差异有统计学意义。再矿化28 d后,除0.7%漆酚组外,其余实验组的μTBS值与14 d相比虽有降低,但仍显著高于空白对照组和阳性对照组,表明漆酚实验组不仅不会影响粘接强度,还能提高树脂-牙本质界面的粘接强度,随再矿化时间的延长,0.7%漆酚组表现出优异的粘接强度。漆酚能提高粘接强度的原因是漆酚中大量的酚羟基可与胶原蛋白的氨基和羧基相结合,形成氢键取代胶原纤维表面的游离水和结合水
[27],同时经过底涂剂改性后的胶原纤维中亲水性氨基基团随之减少,漆酚本身的疏水性可降低水的渗入,进而维持混合层的稳定性。因此,通过PILP方法,在含有PAA作为NCPs类似物的介导下,经漆酚底涂剂再矿化处理后产生的矿化物可通过保护混合层裸露胶原纤维,进而改善修复体树脂-牙本质粘接的耐久性。
研究
[28]表明:类似于漆酚的多酚类物质(杨梅素)也能促脱矿牙本质再矿化。然而,在杨梅素再矿化处理后,牙本质小管内的矿物质沉积程度较低,导致堵塞牙本质小管的管腔面积较狭窄。本研究结果表明:漆酚作为底涂剂,在一定的矿化时间内不仅可以促进脱矿牙本质的再矿化,还能有效提高树脂-牙本质粘接界面的粘接稳定性。在未来仿生矿化的研究中,需要进行更多的体内矿化实验,并将其转化为可在临床实践中应用的方法。
综上所述,本研究结果表明漆酚底涂剂能促进脱矿牙本质再矿化;0.7%漆酚底涂剂可显著提高混合层的稳定性,使树脂-牙本质粘接界面的粘接性能得到改善,是较为理想的浓度。