BCNC与MPC对树脂改性玻璃离子水门汀机械性能的影响及共掺补偿效应：一项体外研究

《Heliyon》：Effect of bacterial cellulose nanocrystal and 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine incorporation on the mechanical properties of resin-modified glass ionomer cement

　　

背景与目的：树脂改性玻璃离子水门汀（resin-modified glass ionomer cements, RMGICs）因具有氟释放、与牙体结构形成化学结合及良好生物相容性等能力，常被用作修复材料。然而，其相对较低的机械强度限制了其在高应力区域的应用。本研究旨在探讨添加细菌纤维素纳米晶（bacterial cellulose nanocrystals, BCNC）和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine, MPC）对RMGICs机械性能的影响。材料与方法：共制备192个样本，分为四组（每组n=48）：第1组，未改性RMGIC（对照组）；第2组，含1 wt% BCNC的RMGIC；第3组，含3 wt% MPC的RMGIC；第4组，含1 wt% BCNC和3 wt% MPC的RMGIC。每组评估弯曲强度（flexural strength, FS）、二轴抗张强度（diametral tensile strength, DTS）、表面粗糙度（surface roughness, SR）和微硬度（microhardness, MH）。数据采用SPSS version 25分析；p<0.05认为差异有统计学意义。结果：第1组（未改性RMGIC）和第2组（含BCNC的RMGIC）的DTS值显著高于第4组（含BCNC和MPC的RMGIC）。与第1、2、4组相比，第3组（含MPC的RMGIC）表现出较低的FS和较高的SR。所有实验组的MH与第1组相当，但第4组的MH显著低于第2组和第3组。结论：将BCNC掺入RMGIC未显著改变其机械性能。相反，MPC对FS、DTS和SR产生不利影响。同时含BCNC和MPC的RMGIC的FS、SR和MH与未改性RMGIC相当，但其DTS显著低于未改性RMGIC。

本研究围绕树脂改性玻璃离子水门汀（resin-modified glass ionomer cement, RMGIC）的机械性能改性展开。玻璃离子水门汀（glass ionomer cement, GIC）具有氟释放、生物相容性、适宜热膨胀系数、与牙体结构化学粘接及美观等优点，但存在脆性、溶解性、易折、边缘渗漏、机械性能较差和寿命较短等问题，使其在牙科永久牙列中的应用多局限于小型和中型II类修复。为克服机械缺陷，既往研究采用碳基材料、生物活性颗粒和金属颗粒等填料增强GIC；近年又将磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯、MPC等两性离子衍生物以及甲壳素纳米纤维、纤维素纳米纤维和TEMPO氧化纳米纤维素等纳米纤维用于生物医学领域。细菌纤维素纳米晶（bacterial cellulose nanocrystals, BCNC）具有吸水能力、高结晶度、湿态机械强度、低密度、生物相容性和可降解性，已被用于增强RMGIC。MPC为具有抗菌和持久蛋白排斥特性的两性离子聚甜菜碱，已用于硅酸钙水门汀、树脂基复合物和RMGIC，可控制口腔微生物群落、阻止牙菌斑成熟并抑制口腔病原体；但其对RMGIC机械性能影响的数据有限。因此，研究人员评估BCNC和MPC掺入对RMGIC的弯曲强度（flexural strength, FS）、二轴抗张强度（diametral tensile strength, DTS）、表面粗糙度（surface roughness, SR）和微硬度（microhardness, MH）的影响，零假设为BCNC或MPC掺入均不会显著影响RMGIC性能。研究共制备192个样本并分为四组（n=48/组）：未改性RMGIC、1 wt% BCNC、3 wt% MPC、1 wt% BCNC+3 wt% MPC。结论显示，BCNC单独掺入未显著改变所评估的机械性能；MPC显著降低FS和DTS并增加SR；BCNC与MPC共掺时，FS、SR和MH与未改性RMGIC相当，但DTS显著低于未改性RMGIC。该研究为RMGIC的纳米材料增强和生物活性改性提供了体外依据，提示BCNC有助于维持RMGIC机械稳定性，同时允许加入可能提供抗菌和蛋白排斥益处的MPC。

关键技术方法（不超过250字）：研究获Shiraz University of Medical Sciences伦理批准（IR.SUMS.DENTAL.REC.1402.019）。制备192个样本，分4组（n=48/组）：未改性RMGIC、1 wt% BCNC、3 wt% MPC、1 wt% BCNC+3 wt% MPC。依ISO 9917.2制备FS试件（2×2×25 mm）及DTS/SR/MH圆片（7 mm×2 mm），光固化强度1200 mW/cm²，水浸1周、抛光、超声清洗。FS行三点弯曲（跨距20 mm，0.5 mm/min）；DTS行万能试验机测试（0.5 mm/min）；SR用表面轮廓仪五点测量；MH用维氏硬度仪（300 gf，15 s，五点）。SPSS 25分析，Shapiro–Wilk检验正态性，FS/DTS用Kruskal–Wallis H及Mann–Whitney U检验（Bonferroni校正），SR/MH用单因素方差分析及Tukey/Games–Howell事后检验。

研究结果：
弯曲强度（FS）：Kruskal–Wallis分析显示四组FS差异显著（p<0.001）。第2组（含BCNC）和第3组（含MPC）分别呈现最高和最低FS；第3组FS显著低于其他实验组，第1、2、4组FS值相似。
二轴抗张强度（DTS）：Kruskal–Wallis检验显示组间DTS差异显著（p<0.001）。Mann–Whitney U检验显示第1组DTS高于第3组和第4组；第2组DTS显著高于第4组；第2组与对照组相比BCNC掺入未影响DTS；第3组和第4组DTS相似。
表面粗糙度（SR）：单因素方差分析显示组间SR差异显著（p<0.001）。第3组（含MPC）SR最大，显著高于第1、2、4组；第1、2、4组SR无显著差异。
微硬度（MH）：单因素方差分析显示组间MH差异显著（p<0.001）。Games–Howell事后检验显示，第2、3、4组添加颗粒未改变对照组的MH；第2组和第3组MH无显著差异；第4组共掺颗粒后MH显著低于第2组和第3组。

讨论部分总结：BCNC单独掺入未显著改变FS、DTS、SR和MH，且第2组平均FS最高；三点弯曲试验被认为是测定GIC强度较 validated 的方法。BCNC可能通过形成网络结构、改善应力分布、与玻璃颗粒羟基及聚丙烯酸羧基形成氢键，并以随机分布和互联的长纤维网 subtly 增强基质；Moradian's study 通过场发射扫描电子显微镜（field emission scanning electron microscopy, FESEM）观察到BCNC随机取向和网络结构，既往研究还显示BCNC负载RMGI表面较对照更光滑，纳米颗粒易分布于树脂基质并影响颗粒间界面结合。MPC显著降低FS和DTS并增加SR，可能与其高度亲水和两性离子特性促进吸水、破坏聚合物基质内聚、干扰聚丙烯酸与氟铝硅酸盐玻璃离子交换并削弱交联结构有关；MPC水化聚合物含大量自由水而无结合水，既往研究显示MPC可降低某些复合物弹性模量和FS，MPC含量可影响牙科复合物吸水，Jo et al. 报道2.2 wt% MPC的SR低于3.3 wt% MPC，且MPC聚合物浓度增加可浓度依赖性地降低白念珠菌黏附。研究中MPC组样本制备时表面形成胶状黏稠物质，水浸后持续并进一步MPC浸出，可能与MPC和玻璃离子间弱键、MPC与甲基丙烯酸2-羟乙酯（2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA）亲水吸水浸出或二者化学反应导致RMGI不完全固化有关。MPC组MH与对照相当，提示MPC影响主要局限于表面形貌而非整体机械内聚，未变MH可能表示MPC未显著影响微观填料-基质表面相互作用，但亲水性可能损害填料分散并导致不规则表面形貌而增加SR。BCNC与MPC共掺部分补偿MPC对FS和SR的负效应，可能因BCNC在RMGIC基质中形成增强网络、稳定结构并限制MPC相关不利影响；但共掺组DTS仍显著低于对照，可能与拉伸测试对内部缺陷和裂纹扩展敏感有关，MPC增强吸水及塑化效应仍可能损害内部基质完整性。Fonseca et al. 认为粉液比下降显著降低RMGI的DTS，掺入颗粒浓度增加可阻碍正常基质发育，因此需采用最佳颗粒浓度以避免干扰基质成熟并优化RMGIC性能。研究局限包括体外设计不能完全复制口腔生物、化学和机械条件，热循环、pH变化、唾液酶活性和长期老化可能影响改性RMGIC性能；抗菌效能、生物膜黏附和细胞相容性等生物学方面需进一步检查；仅测试单一浓度BCNC和MPC，未来需探索更宽添加剂水平并使用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）分析改性材料微结构。

研究结论翻译：考虑本体外研究的局限性，BCNC掺入维持了RMGIC的机械完整性，支持其作为增强组分的适用性。相反，MPC掺入对包括FS、DTS和SR在内的若干机械属性产生负面影响。然而，当BCNC与MPC联合使用时，不利影响部分降低，FS、SR和MH值与对照材料相似，但DTS仍较低。这些结果表明，BCNC增强有助于保持RMGIC的机械稳定性，同时允许添加MPC，后者可能提供抗菌和蛋白排斥益处。