热凝树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)是口腔临床上广泛应用于义齿修复的材料,一般用做活动义齿、全口义齿的基托材料。热凝树脂因其性能稳定、价格便宜等优点而广泛用于临床,但是热凝树脂表面亲水性能不佳,导致固位差,真菌易附着。
Monsenego等研究发现,义齿表面的润湿作用对义齿的固位起重要作用。义齿表面润湿性的增加,可以增加义齿基托的组织面与口腔黏膜之间的吸附能力,有效增加义齿固位力。Minagi等研究发现,白色念珠菌的附着数量与树脂表面的疏水性有近似线性的正相关关系。义齿表面润湿性的增加意味着表面亲水性能的改善,可以减少白色念珠菌的附着,降低义齿性口炎的发生机率。因此,改善热凝树脂的表面润湿性对临床上义齿基托的使用意义重大。
本研究使用大气压低温等离子体对热凝树脂表面进行改性。等离子体是自然界中除了气体、液体和固体之外新的物质聚焦态,即是物质的第四态,由带电离子、单原子氧、电子和中性粒子等组成,一般由气体放电产生。随着等离子体物理的发展,大气压低温等离子体广泛用于生物医学研究。等离子体可以用于杀菌、牙齿美白、凝血、诱导肿瘤细胞凋亡等方面。近年来低温等离子体开始应用于材料表面改性领域。Duske等用等离子体处理钛板表面,发现可以显著促进成骨细胞MG-63在钛板表面的黏附。Nishigawa等使用等离子体技术处理热凝树脂表面,以增加热凝树脂和自凝树脂的黏接性能。本研究使用直流电大气压低温等离子体对热凝基托树脂表面进行处理,观察其对这种义齿基托材料表面亲水性能的影响并探究相关机理。
1、材料和方法
1.1实验材料和仪器
聚甲基丙烯酸甲酯(Vertex,荷兰),粗糙度测量仪SJ-400(Mitutoyo,日本),接触角测量仪OCA-20(Dataphysics,德国),X射线光电子能谱仪AxisUltra(Kratos,英国),多通道光谱测量仪(AvaSpec-2048-8-USB2,Avantes,Eerbeek,TheNether-104lands)。
1.2实验方法
1.2.1样本制备
参照临床上常用的义齿加工工艺,使用聚甲基丙烯酸甲酯制作实验用热凝基托树脂样本,严格按照说明书标准流程操作。制作A类样本216个,规格:直径12mm,厚度1mm;B类样本5个,规格:3mm×3mm×1mm。样本制成后,用600目水砂纸进行打磨,然后使用粗糙度测量仪测试样本表面的粗糙度,约为0.50±0.04μm,以保证样本表面的粗糙度基本一致。样本制作完成后,放置于37?C去离子水中48小时,释放残余的单体。
1.2.2等离子体处理
本研究使用实验室自制的直流电等离子体激发设备,如图1所示。等离子体装置的电极是两个同轴的铜管,介质层的厚度大约为0.5mm,等离子体射流出口端直径约为0.8mm,工作气体从内部介质层通过。在发生装置末端,工作气体被击穿,产生的等离子体流从装置末端的小孔被吹出。装置使用的电源为直流稳压电源MatsusadaAU5R120,支持发生等离子体的电压为400~600V,电流为30mA,气体的流速为5L/min,等离子体射流的末端温度约为38°C。
本研究使用4种不同气体激发等离子体装置,分别为99.99%Ar,98%Ar+2%O2,88%Ar+2%O2+10%N2和98%He+2%O2。A类样本随机分成24组,每组有9个样本,处理时样本表面干燥,放置于24孔板中,分别使用4种气体激发等离子体对样本表面进行处理,处理距离为1cm,每种气体分别处理1,2,4,6,8和10分钟。
1.2.3测量接触角
使用接触角测量仪测量样本的表面静态水接触角,测试条件:温度约为25°C,湿度约为50%~70%。使用微量滴定器抽取超纯水作为测试液体,每次2μL滴在样本表面,即刻使用高分辨率1/2′′CCD相机采集液滴的图像信息,采用SCA-20软件处理接触角的图像,得到接触角的数值。所有样本在等离子体处理前后分别进行接触角测量。等离子体处理前的接触角所有数值取平均值作为样本接触角的初始值。
1.2.4X射线光电子能谱(XPS)的测量
XPS由X射线光电子能谱仪测得。XPS能谱仪使用带单色器的铝靶X射线源,功率225W(工作电压15kV,发射电流15mA),最小能量分辨率为0.48eV,最小XPS分析面积15μm。B类样本用于XPS的测量。对处理前和经过Ar,Ar/O2,Ar/O2/N2和He/O2等离子体处理2分钟后的样本,分别进行检测。使用CasaXPS(Ver.2.3.15)软件进行数据处理。
1.2.5光谱(OES)的测量
本研究中使用多通道光谱测量仪来测定等离子体中的活性成分。光谱仪的输出功率为24W,工作温度为60°C。测量的波长为250~800nm。测量时,光谱测量仪的信号采集端与等离子体装置末端的距离为1cm。
1.3统计学分析
使用SPSS18.0进行实验数据分析,配对t检验(pairedt-test)来比较每组处理前后的接触角变化。组间数据分析采用Kruscal-WallisANOVE法进行分析处理,p<0.05为差异有统计学意义。
2、结果
2.1接触角的测量结果
等离子体处理后,热凝树脂表面的接触角改变如图2所示。4个气体组接触角均下降,并且在1分钟内下降趋势最明显;在处理1分钟时,4种气体接触角的数值与初始值相比显著减小(p<0.001)。处理1分钟以后,除了He/O2等离子体组外,其余3个气体处理组的变化趋于平缓,在2,4,6,8和10分钟的处理时间,接触角没有显著性差异(p>0.05)。对He/O2等离子体组,在处理4~8分钟时,接触角有显著性的下降(p<0.01)。在处理2分钟后,4个气体组的接触角均达到40°左右。总体而言,等离子体处理热凝树脂后,接触角明显减小,水润湿性增加。
2.2XPS的结果对空白对照组以及4种气体等离子体处理2分钟的各个实验组进行XPS分析(图3)。与对照组(图3(a))相比,等离子体处理后(图3(b),(c),(d)和(e))的C元素和O元素比例明显减小,由4.32分别变成3.21,2.31,1.86和1.38。根据接触角的结果显示,在处理时间为2分钟时,Ar/O2/N2处理后的样本接触角的数值最小。
进一步对空白样本的峰图(图3(a))和Ar/O2/N2等离子体处理后的峰图(图3(d))中的C元素进行谱峰拟合分析(图4)。从图4(a)可以看出,C元素有3个波峰值,分别为284.8,286.1和288.7eV,对应的C元素的价键为C-C-H,O-CH3和O-C=O,与图5中热凝树脂的分子式组成相吻合。根据图4(b)所示,在286.5eV的位置出现一个新的峰值,此峰值对应的键为C-OH,而在原来的热凝树脂聚合物(图5)中没有C-OH这个键。图4还显示,经过等离子体处理后,C-C-H键的峰值明显下降,由79.0%降至62.4%。
2.3光谱结果Ar/O2/N2等离子体中活性成分如图6所示,等离子体中含有多种活性物质,其中包括羟自由基·OH(309nm),N2(372nm),激发态氧原子O(777.2nm)等。
3、讨论
在临床活动义齿修复治疗中,热凝树脂的应用仍然普遍,为了减少它的不利影响,人们尝试使用各种方法改善树脂表面润湿性,如磷酸盐离子注入法、纳米二氧化硅涂层法等。磷酸盐注入到热凝树脂表面,可以有效改善表面亲水性,但同时可能会改变表面的色泽,影响美观。本研究中使用大气压低温等离子体处理热凝树脂表面,可以有效增加表面润湿性。等离子体温度约为38°C,避免了材料表面过热而导致材料性能改变。
接触角是反映材料表面润湿性的重要指标,本研究结果显示不同气体激发产生的等离子体在较短时间内均可以使热凝树脂表面接触角显著性减小,有效改善热凝树脂表面的亲水性。Ar,Ar/O2,Ar/O2/N2和He/O24种气体激发产生的等离子体处理样本表面1分钟时,都显著地降低了接触角,随着处理时间延长,减小的趋势变缓,继而接触角数值趋于稳定,这可能与出现饱和现象有关。
等离子体对材料表面改性的可能原因是等离子体流中的电子对材料表面撞击,使材料表面的化学键发生了断裂和重组。等离子体流与材料表面撞击时会将自身的能量传递给材料表面的分子和原子,产生一系列物理、化学过程。一些粒子还会注入材料表面引起碰撞、激发、重排、晶化及非晶化,从而改变材料的表面性能。本研究通过XPS分析发现,不同气源的等离子体处理树脂后,C元素与O元素的比例显著减小。选择Ar/O2/N2组对C元素进行峰值分析后发现,C-C-H键的峰值显著减小,并且出现新的化学键C-OH键。从相应等离子体的光谱图上来看,等离子体中含有电子、激发态氧原子、羟自由基等活性物质,推测等离子体处理材料表面时,等离子体中的激发态氧原子O注入到材料表面,导致O的比率上升。等离子体中的电子轰击热凝树脂表面时,样本中的C-C和C-H键可能会因为电子的轰击而断裂,而活性物质中含有大量的羟自由基·OH,处理过程中·OH接枝在断裂的C上,形成新的化学键C-OH。有研究证实材料表面有新的基团C-OH形成时,材料表面的亲水性能改善。因此,使用等离子体处理热凝树脂表面后接触角变小,可能与表面新的亲水性基团C-OH产生有关。与此同时,材料表面改性后对其强度和硬度的影响有待进一步研究。
使用低温等离子体对热凝树脂表面改性,较短处理时间就可以有效改善表面的润湿性能,从而可以增加义齿的固位以及减少疏水性真菌的附着,为临床上处理义齿基托提供新的思路。
致谢：感谢北京大学口腔医院技工中心陈鹏铭老师在样本制作过程中给予的帮助;感谢北京大学前沿交叉学科研究院谢芹老师在实验期间给予的帮助;感谢北京大学分析测试中心谢景林老师在XPS测量分析过程中给予的技术和理论指导。
