光敏纳米氧化石墨烯增强的聚甲基丙烯酸甲酯：在正畸应用中的机械性能和抗生物膜特性

《Photodiagnosis and Photodynamic Therapy》：Photoactivated nano-graphene oxide enhanced polymethyl methacrylate: Mechanical and anti-biofilm properties for orthodontic applications

本研究评估了光激活纳米石墨氧化物（nGO）对正畸用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合材料的机械性能和抗生物膜效果的影响，发现1-2% nGO含量在保持ISO合规机械性能的同时提供显著的抗生物膜作用，而更高浓度导致机械性能崩溃。

　　白垩斑（White Spot Lesions, WSLs）是固定正畸治疗中最常见且对美观影响最显著的并发症之一。这些病变通常出现在正畸托槽周围，是由于牙釉质脱矿造成的。WSLs的发病率因诊断方法不同而有所差异，但总体上较高，这突显了在治疗过程中持续控制牙菌斑的重要性。因此，寻找能够有效抑制牙菌斑同时保持机械性能的新型正畸材料成为研究的重点。

在正畸治疗中，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其可加工性、成本效益和良好的生物相容性而被广泛使用。然而，传统的PMMA材料在机械性能上表现较弱，并且缺乏抗菌能力，这使得其在口腔环境中容易受到细菌污染和老化，进而导致材料开裂和使用寿命缩短。为了解决这一问题，研究人员探索了多种添加剂策略，例如生物杀菌剂或介孔载体，以赋予PMMA抗菌特性。然而，这些方法往往带来不利的权衡：抗菌效果的提升可能以牺牲机械性能为代价，甚至影响材料的表面完整性。

近年来，石墨烯氧化物（GO）及其纳米级衍生物（nGO）因其独特的物理化学性质而被视为有前景的多功能填料。nGO具有高比表面积、π共轭结构以及含氧官能团，这些特性使其能够通过界面增强和接触活性抗菌机制，同时改善聚合物的机械性能。在低至中等载荷下，一些研究指出nGO可以有效减少微生物附着，而不会显著影响材料的总体机械性能，甚至在某些情况下提升其刚度和强度。然而，当nGO的载荷超过一定阈值时，粒子聚集和应力集中可能会抵消这些优势，导致机械性能的下降。

此外，GO和nGO还展现出强烈的光学吸收能力，使其能够作为光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）的潜在载体。通过光激活，这些材料能够实现对牙菌斑的精准控制，同时降低所需填料浓度，从而在保持结构性能的同时提升抗菌效果。这种光响应特性使得nGO-PMMA复合材料成为一种“主动型”正畸材料的候选者，能够在常规使用中维持结构完整性，并在需要时通过光照增强其抗菌性能。

尽管nGO-PMMA复合材料展现出巨大的潜力，但在临床转化过程中仍存在几个关键挑战。首先，目前对于nGO载荷与PMMA材料机械性能（如弯曲强度、模量和硬度）及抗菌效果之间的剂量-反应关系研究尚不充分，尤其是在临床相关的浓度范围内。其次，光激活的参数（如波长、辐照度和暴露时间）尚未标准化，大多数研究仅单独探讨材料改性或光疗，而未能在正畸树脂基质中整合两者。第三，较少有研究在同一实验框架下同时评估这些终点，以更贴近正畸临床的应用场景。

为了解决这些问题，本研究系统地评估了不同nGO载荷（0%、1%、2%、5%和10%）的PMMA复合材料在特定光激活条件下的机械性能和抗菌效果。光激活参数设定为380-515 nm波长、约1500 mW/cm2辐照度以及5分钟的暴露时间，这一方案旨在利用GO的光动力和光热机制，同时保持与常规椅旁固化光源的兼容性。通过这种方式，研究团队希望找到一个能够平衡机械性能和抗菌效果的“最佳区间”，即nGO的载荷范围。

研究结果表明，1% nGO的复合材料在弯曲强度方面表现出最优性能（72.04 ± 18.85 MPa），与未添加nGO的对照组（70.90 ± 22.88 MPa）相比没有显著差异。然而，当nGO载荷增加至10%时，材料的机械性能急剧下降（18.81 ± 15.43 MPa），远低于ISO 20795-1标准对牙科聚合物的最低要求（50 MPa）。这表明，当nGO浓度超过一定范围时，材料的机械强度不再满足临床需求，尽管其抗菌效果显著增强。

在硬度方面，2% nGO的复合材料表现出最高的维氏硬度（20.08 ± 1.06 VHN），而对照组的硬度为17.03 ± 2.50 VHN。这一结果表明，2% nGO的载荷在提升材料表面硬度方面具有显著优势，有助于提高材料的耐磨性和长期耐用性。然而，当nGO载荷进一步增加至5%和10%时，硬度显著下降，特别是10% nGO组的硬度仅为3.53 ± 0.38 VHN，远低于对照组水平。这可能与高浓度nGO导致的粒子聚集和界面破坏有关，从而影响材料的整体性能。

抗菌效果方面，研究发现nGO的载荷与抗菌效果之间存在剂量依赖关系。随着nGO浓度的增加，对牙菌斑的抑制作用也逐渐增强。1% nGO组的细菌减少率为42.9%，而10% nGO组的减少率达到了90.1%。这种剂量依赖性表明，通过光激活，nGO能够有效发挥其抗菌特性，尤其是在较高浓度下。然而，这种增强的抗菌效果是以牺牲材料的机械性能为代价的，特别是当载荷超过5%时，材料的机械性能已无法满足正畸装置的基本要求。

图1展示了nGO浓度与牙菌斑存活率之间的三相剂量反应关系。在低浓度（0-1% nGO）下，存活率仅有约60%，表明抗菌效果较弱；在中等浓度（2-5% nGO）下，存活率显著下降，达到33%至21%，显示出较强的抗菌活性；而在高浓度（5-10% nGO）下，存活率进一步降低至约10%，表明材料的抗菌效果趋于饱和。这一结果表明，nGO的抗菌效果随着浓度的增加而增强，但这种增强是以机械性能的牺牲为代价的。

图2进一步揭示了nGO-PMMA复合材料在机械性能和抗菌活性之间的基本权衡。低浓度（1-2% nGO）的材料在保持弯曲强度（70-72 MPa）的同时，能够实现适度的抗菌效果（43-67%的细菌减少率），这代表了临床应用中的“最佳区间”。然而，当nGO浓度超过5%时，机械性能急剧下降，尤其是在10% nGO组，弯曲强度仅为18.81 MPa，远低于ISO标准。尽管抗菌效果显著提升，但这种性能下降使得高浓度nGO组不适合用于需要承受较大载荷的正畸装置。

研究还指出，nGO的抗菌机制主要依赖于光动力作用，即通过光激发产生单线态氧等活性氧物质（ROS），从而对细菌的细胞膜和代谢过程造成氧化损伤。在低浓度下，nGO的分布较为均匀，能够有效促进ROS的生成，而高浓度下则可能因粒子聚集而导致ROS的局部浓度过高，进而对材料结构造成破坏。此外，研究还发现，在光激活条件下，nGO的光热效应相对较小，表明其抗菌效果主要来源于光动力机制。

尽管nGO-PMMA复合材料在抗菌和机械性能之间表现出显著的权衡，但研究团队认为，在临床应用中，这种权衡可以通过精确控制nGO的载荷来实现。例如，对于需要机械强度的可拆卸正畸装置，推荐使用1-2% nGO的载荷，以确保材料的机械性能符合ISO标准，同时提供足够的抗菌保护。而对于载荷要求较低的正畸材料，如透明托槽或某些辅助装置，可以考虑使用更高浓度的nGO以实现更强的抗菌效果。

研究还指出了当前实验设计的局限性。例如，体外测试条件无法完全模拟临床环境中的复杂因素，如循环载荷、温度波动和水解降解等。因此，未来的研究应进一步探讨这些因素对nGO-PMMA复合材料性能的影响，并进行长期疲劳测试以评估材料的耐久性。此外，当前实验仅使用单一菌种（如S. mutans）构建生物膜模型，而实际临床环境中，正畸装置表面通常存在多种微生物组成的复杂生物膜，因此需要更全面的生态学研究来评估材料的抗菌效果。

此外，研究团队还强调了对nGO长期稳定性和生物安全性的评估的重要性。例如，nGO粒子是否会在口腔环境中发生释放，以及这种释放是否会带来潜在的生物毒性问题，都需要进一步研究。目前，本研究并未探讨nGO在模拟口腔条件下的长期稳定性，因此这一方面仍需深入探索。

总体而言，本研究为开发具有光响应特性的正畸材料提供了重要的理论和实验基础。通过合理控制nGO的载荷，可以实现材料在机械性能和抗菌效果之间的最佳平衡，从而有效降低白垩斑的发生率，提高正畸治疗的美观效果和患者满意度。未来的研究应进一步优化nGO的分散性和稳定性，并通过临床试验验证这些材料在实际应用中的效果。此外，还需关注材料的生物安全性和长期性能，以确保其在临床中的广泛应用。