基于葡萄籽提取物绿色合成TiO2纳米颗粒增强牙科复合树脂的抗菌性能及分子对接机制研究

《Scientific Reports》：Antimicrobial mechanical and molecular docking analysis of dental composite resin incorporating green synthesized titanium dioxide nanoparticles from Vitis vinifera extract

本研究针对牙科复合树脂存在的继发龋、聚合收缩和机械性能不足等问题，开发了一种新型生态友好型改性策略。研究人员通过Vitis vinifera提取物绿色合成TiO2-NPs，并将其以10%和20%浓度整合至复合树脂中。结果表明，改性材料对口腔致病菌（尤其是S. mutans）的抗菌活性显著提升，同时展现出优异的机械性能（挠曲强度和显微硬度）和更低的聚合收缩率。分子对接分析首次揭示了TiO2-NPs与S. mutans葡糖基转移酶（GtfC）的相互作用机制，为开发长效抗菌牙科修复材料提供了新思路。

　　

当你走进牙科诊所接受补牙治疗时，医生通常会推荐使用牙科复合树脂材料。这种材料因其优异的美学效果和可塑性已成为现代修复牙科的主力军。然而，看似完美的修复材料背后却隐藏着三大临床难题：首先是聚合收缩问题，树脂在固化过程中体积收缩导致与牙体之间产生微间隙，成为细菌入侵的通道；其次是继发龋坏，这些微间隙容易积聚致龋菌群，导致修复体边缘再次发生龋齿；最后是机械性能不足，修复体在长期咀嚼力作用下可能出现断裂或磨损。据统计，这些因素导致牙科修复体的平均使用寿命仅为5-10年，不仅增加患者痛苦，也加重了医疗负担。

为突破这些技术瓶颈，国际口腔材料学界将目光投向了纳米技术。在众多纳米材料中，二氧化钛纳米颗粒（TiO₂-NPs）因其良好的生物相容性、光催化特性和抗菌活性而备受关注。但传统化学合成方法往往使用有毒试剂，存在环境隐患。为此，埃及坦塔大学等机构的研究团队独辟蹊径，开发出一种基于葡萄（Vitis vinifera）籽提取物的绿色合成方法，并将获得的TiO₂-NPs应用于牙科复合树脂的改性研究。这项创新性成果近期发表在《Scientific Reports》上，首次将分子对接分析引入牙科材料抗菌机制研究，为开发新一代功能性修复材料提供了重要依据。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过水热法利用葡萄籽提取物绿色合成TiO₂-NPs；使用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）等技术对纳米颗粒进行表征；通过琼脂扩散法评估材料对三种口腔致病菌（S. mutans、S. sanguinis和L. acidophilus）的抗菌活性；采用三点弯曲试验和维氏显微硬度测试机械性能；使用应变仪测量聚合收缩；运用分子对接技术分析TiO₂-NPs与S. mutans葡糖基转移酶（GtfC）的相互作用。所有实验均按照ISO标准进行，细菌菌株来源于VACSERA（埃及吉萨）。

表征分析结果

通过GC-MS分析发现，葡萄籽提取物中含有丰富的生物活性化合物，包括脂肪酸（如棕榈酸）、酚类化合物（如儿茶酚）和萜类化合物。这些成分在纳米颗粒合成过程中既作为还原剂又作为封端剂，确保了TiO₂-NPs的稳定形成。

XRD分析显示合成的TiO₂-NPs为锐钛矿相，平均晶粒尺寸为12.7纳米，结晶度为72%。FTIR光谱在541-465 cm^-1处显示了O-Ti-O伸缩振动特征峰，证实了TiO₂-NPs的成功合成。TEM图像显示纳米颗粒呈准球形，平均粒径为13.2纳米，分布均匀。

动态光散射（DLS）分析显示纳米颗粒流体动力学直径为320±7.8纳米，多分散指数为0.211±0.01。Zeta电位测定值为-20.14±1.2 mV，表明颗粒具有适度的胶体稳定性。扫描电镜（SEM）图像显示TiO₂-NPs在树脂基质中分布均匀，无明显团聚现象。

抗菌活性结果

改性复合树脂对三种口腔致病菌均表现出浓度依赖性的抗菌活性。未改性树脂（Group I）抑菌圈最小，含10% TiO₂-NPs的树脂（Group II）抑菌效果显著增强，而含20% TiO₂-NPs的树脂（Group III）抑菌效果最佳，对S. mutans的抑菌圈直径接近35±1.58毫米。

分子对接分析

分子对接研究表明，绿色合成的TiO₂-NPs与S. mutans葡糖基转移酶（GtfC）催化结构域的结合亲和力为-6.12 kcal/mol。纳米颗粒与关键催化残基Asp451、Asp562和Glu489形成三个强离子相互作用，并与Leu407产生π-阴离子相互作用。

这一发现表明TiO₂-NPs可能通过竞争性抑制GtfC活性，干扰葡聚糖合成，从而破坏细菌黏附和生物膜形成。

机械性能结果

维氏显微硬度测试显示，含20% TiO₂-NPs的树脂（Group III）硬度最高（97.23±0.67 HV），显著高于含10%纳米颗粒的树脂。所有实验组的硬度值均超过ISO 4049标准要求的最低值40 HV。

挠曲强度测试表明，含20% TiO₂-NPs的树脂（Group III）强度最高（106.97±2.88 MPa），显著优于含10%纳米颗粒的树脂。所有实验组的挠曲强度均超过80 MPa，符合ISO标准。

聚合收缩结果

聚合收缩测试显示，改性树脂的收缩率显著低于未改性树脂。含20% TiO₂-NPs的树脂（Group III）收缩率最低（27.60±1.14%），表明纳米颗粒的加入有效改善了材料的尺寸稳定性。

研究结论与意义

本研究成功开发了一种基于葡萄籽提取物绿色合成TiO₂-NPs的改性牙科复合树脂，该材料在抗菌活性、机械性能和聚合收缩控制方面均表现出显著优势。分子对接分析首次从分子层面揭示了TiO₂-NPs与致龋菌关键酶GtfC的相互作用机制，为理解其抗菌活性提供了理论依据。

这项研究的创新点在于：利用Vitis vinifera提取物独特的植物化学成分作为绿色合成介质；验证了生物源性TiO₂-NPs对实验性牙科复合材料的多方面性能提升；首次应用分子对接分析阐明TiO₂-NPs与细菌毒力酶的机制性相互作用，将物理化学性质与生物功能联系起来。

该策略为开发下一代生态友好型牙科修复材料提供了新思路，有望显著延长修复体使用寿命，减少继发龋发生，提高口腔健康水平。未来研究可重点关注材料在复杂口腔环境中的长期性能表现，以及通过多物种生物膜模型进一步验证其抗菌效能，推动这一创新技术向临床应用的转化。