基于METAC与愈合单体共封装的自修复抗菌微胶囊用于牙科复合树脂

《International Journal of Molecular Sciences》：Tiny Carriers, Big Impact: How Tannerella forsythia Extracellular Vesicles Drive Oral Diseases, and Beyond

　　

摘要 背景：当前用于牙科复合材料的自修复微胶囊已向多功能特性方向发展。抗菌微胶囊通常在其表面负载抗菌剂。然而，微胶囊在复合树脂中的掺入受限，限制了其抗菌性能。针对复杂的口腔环境，仍需进一步增强微胶囊的抗菌性能。方法：本研究旨在通过原位聚合制备共封装未聚合的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（METAC）与愈合单体的微胶囊。对微胶囊的形貌、粒径分布、化学组成、热稳定性和抗菌活性进行了表征。制备了含该微胶囊的实验性牙科树脂，并评价了其弯曲性能、抗菌活性、自修复效率和细胞毒性。结果：在所考察范围内选定6 wt% METAC负载量和10 wt%微胶囊掺入比例。在该配方下，表面划伤的牙科树脂相对于无METAC对照对变形链球菌（S. mutans）表现出61.82%的抗菌效率，且经28天老化后活性无显著下降。其还实现了25.7%的自修复效率，并在所测试的体外条件下未显示出明显细胞毒性。结论：所制备的微胶囊实现了抗菌和自修复性能，且负载METAC组与无METAC组之间未检测到自修复增益的统计学显著差异。将这些微胶囊掺入牙科树脂有望增强其抗菌潜力。

一、研究背景与问题

牙科复合树脂是修复牙体缺损的常用材料，但长期临床服役中出现的断裂与继发龋是修复失败的主要原因。赋予复合树脂自修复性能有望延长其使用寿命：当树脂内部形成微裂纹时，材料可自行修复，从而阻止裂纹进一步扩展导致断裂。Wertzberger等最早探究了自修复微胶囊在牙科复合树脂中的应用并证实其自修复潜力；随后Wu以牙科甲基丙烯酸酯单体为主要愈合材料并配合氧化还原固化体系，显著提升了复合树脂的修复效果，为自修复微胶囊的发展奠定基础。

此后研究集中于微胶囊性能优化：Rajasekaran采用三聚氰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺组合以平衡脲醛微胶囊壁的刚性与弹性；Huynh用硅烷偶联剂处理微胶囊表面，通过表面功能化强化微胶囊与复合树脂基体的界面结合并提升自修复效能；Khan提出新一代牙科材料不应局限于单一修复功能，而应将自修复与多种功能机制结合以提供辅助特性；Zhang将可膨胀单体与7.5 wt%微胶囊结合制备新型复合树脂，显示出最小聚合收缩和令人满意的自修复效率；Taut制备了负载羟基磷灰石（HAP）的自修复微胶囊，HAP有助于维持囊壳结构完整性并赋予复合树脂再矿化能力；Qiu合成了聚集诱导发光微胶囊，可在复合树脂出现裂纹后提供警示信号。

将抗菌功能整合以降低继发龋发生率，已成为多功能牙科复合树脂研发的主流方向。牙科产品常采用可聚合季铵盐单体（QAMs）作为抗菌剂，每个QAM分子含可聚合甲基丙烯酸酯基团，固化后共价连接于树脂网络，通过接触杀灭机制对致龋菌发挥杀菌作用。在合适剂量范围内，QAMs并不总是损害复合树脂的整体性能。Wu将二甲基氨基十六烷基甲基丙烯酸酯、无定形磷酸钙纳米颗粒与微胶囊引入牙本质粘接剂，使改性粘接剂同时具备长期抗菌、再矿化和自修复性能。为赋予复合树脂稳定抗菌性，其他研究者将抗菌组分接枝于无机填料并置于微胶囊表面，但此类体系的抗菌效能高度依赖微胶囊分散均匀性；同时微胶囊掺入常损害复合树脂力学性能，因而其负载量受限，最终导致抗菌活性有限。此外，树脂损伤可能增加修复体—牙界面继发龋风险。因此亟需更有效的抗菌策略。

基于此，研究人员提出假设：将抗菌剂封装于微胶囊内，可在损伤部位与时机触发抗菌活性，同时保持可接受的力学与生物学性能。为此，将愈合性甲基丙烯酸酯单体与未聚合QAMs按特定比例共封装于微胶囊中，微裂纹破裂时两种关键功能组分同时释放，实现裂纹修复与良好抗菌活性；同时释放的QAMs预期不影响自修复过程，完整囊壳可防止芯材泄漏从而维持封装QAMs的抗菌活性，该封装策略还可能减少口腔环境对抗菌剂的不必要长期暴露。

二、研究方法概述

研究人员采用原位聚合法制备以脲醛（UF）树脂为壳、以甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）与三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）按1:2质量比为核心单体并梯度负载METAC的微胶囊；通过光学显微镜（OM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、激光粒度分析（LPSA）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）表征微胶囊；以变形链球菌（S. mutans）进行双因素抗菌实验与28天人工唾液老化实验；制备含微胶囊的Bis-GMA/TEGDMA树脂试件，开展三点弯曲试验、LIVE/DEAD细菌染色、菌落计数、CCK-8细胞毒性实验及基于断裂韧性的自修复效率评价，并采用单因素、双因素方差分析及Tukey、?ídák事后检验进行统计。

三、研究结果

3.1 微胶囊表征：通过OM观察到乳化后芯材形成稳定微球、原位聚合过程中微胶囊分散良好无团聚，干燥后囊壳完整，压碎后芯材释放，初步提示核壳结构；FE-SEM证实微胶囊呈球形、壳面光滑，破裂处可见断裂与褶皱；LPSA测得Dv(10)=17.9±1.0 μm、Dv(50)=37.2±2.4 μm、Dv(90)=67.9±5.3 μm，Span值为1.34±0.08，粒径分布窄；FT-IR显示微胶囊谱保留壳材与芯材特征峰，证实芯材成功封装；TGA显示纯芯材外推起始分解温度为203 °C而完整微胶囊升至264 °C，DTG显示芯材单一分解峰（258 °C）而微胶囊呈双峰（324 °C与416 °C），表明UF壳显著提升芯材热稳定性。

3.2 微胶囊抗菌活性：通过24 h生长曲线确认S. mutans对数生长期并于10 h取用菌液；菌落计数显示各实验组CFU均低于对照组，同一METAC负载下压碎组在2 wt%至8 wt%范围内CFU低于完整组，证实METAC的作用；压碎组在0 wt%至6 wt%范围内差异显著，6 wt%至8 wt%无显著差异，抗菌效率分别为18.45%、64.04%、79.23%、88.75%和90.95%；老化实验显示完整组28天后CFU升高，而压碎组无显著差异，提示老化期间芯材泄漏有限。

3.3 弯曲性能：通过三点弯曲试验发现随微胶囊含量从0 wt%增至20 wt%，弯曲强度与弹性模量逐渐下降；QM₀至QM₂₀弯曲强度分别为82.0±3.8、77.1±5.8、75.1±6.0、52.4±8.1和36.4±2.4 MPa，弹性模量分别为1162.0±193.3、1064.0±140.3、998.1±107.4、678.2±144.9和191.8±8.8 MPa；≤10 wt%负载对力学性能影响较小，QM₀与QM₁₀间无统计学显著差异，而QM₀优于QM₁₅与QM₂₀。

3.4 树脂试件抗菌活性：通过LIVE/DEAD染色显示M₁₀-S与QM₁₀组以绿色荧光为主，QM₁₀-S与QM₁₀-AS组绿色减弱、红色增强；半定量分析显示QM₁₀-S组存活率较M₁₀-S显著降低，QM₁₀-S与QM₁₀-AS间无显著差异；菌落计数显示QM₁₀-S组CFU少于M₁₀-S组，相对抗菌效率为61.82%，且QM₁₀-S少于QM₁₀组，QM₁₀-S与QM₁₀-AS间无显著差异，与荧光结果一致。

3.5 树脂试件细胞毒性：通过HaCaT细胞形态观察与CCK-8检测显示，各稀释倍数下0 h时各组相对细胞活力无差异；24 h时M₁₀、QM₁₀与阴性对照组间无显著差异，阳性对照组活力低于其余各组，表明在所测试条件下无明显细胞毒性。

3.6 树脂自修复效率：通过FE-SEM观察断口形貌，QM₀组呈河流状断裂台阶而无微胶囊结构，QM₁₀组断口可见边界清晰的圆形凹坑且河流状台阶延伸至凹坑边缘而不穿越；断裂韧性测试显示QM₁₀愈合亚组显著高于未愈合亚组（2.71±0.16 vs 2.15±0.08 MPa·m^1/2），M₁₀亦如此（2.43±0.17 vs 1.90±0.09 MPa·m^1/2），QM₀两组间无显著差异；QM₁₀与M₁₀自修复效率分别为25.7%与27.4%，QM₀接近0%（0.8%），且QM₁₀与M₁₀愈合后断裂韧性增量无显著差异。

四、讨论与结论

讨论部分指出：微胶囊粒径分布窄、分散良好，有利于维持牙科树脂力学稳定性；FT-IR与TGA结果表明UF壳成功封装芯材并提升热稳定性，微胶囊或可耐受树脂光固化而避免过早泄漏与芯材降解。METAC为单官能度可聚合季铵盐单体，含一个甲基丙烯酰氧基与一个季铵阳离子基团，可与Bis-GMA和TEGDMA共聚且不影响双键转化率，聚合后对S. mutans具强杀菌作用；梯度实验显示抗菌活性随METAC负载增加而升高并在6 wt%趋于平台，更高负载可能因单官能度损害聚合物网络力学性能，故选定6 wt%。压碎微胶囊抗菌活性显著高于完整者，而无METAC组两者无差异，说明增强源于METAC释放；老化后完整微胶囊抗菌活性轻微下降可能与表面吸附游离METAC洗脱有关，而压碎者无明显下降，提示芯材泄漏极少。微胶囊负载超过10 wt%时力学指标明显下降，可能与高负载下颗粒团聚增加断裂风险、破坏基体结构连续性有关，故10 wt%被视为实际可行负载量；但QM₀与QM₁₀无统计学差异并不必然代表力学等效。自修复效率受测试策略与评价模型影响，本研究的η值为特定缺口与愈合方案下的实验测定值而非固有修复性能；QM₀孵育后断裂韧性不变排除了继续固化或储存效应；METAC含甲基丙烯酸酯基团，可融入甲基丙烯酸酯单体共混体系而不影响聚合过程，且低负载对交联网络干扰小，故未损害自修复。抗菌功能化方面，本研究构建了微裂纹触发的抗菌体系，抗菌剂在树脂结构完整时被封存，微裂纹扩展致微胶囊破裂时释放；荧光染色与菌落计数共同支持该方法可行性，但划痕亦可能改变表面粗糙度、暴露面积与细菌黏附，故差异不能完全归因于METAC释放。生物安全性方面，实验组细胞黏附与增殖良好，与阴性对照无显著差异，可能与完整微胶囊中芯材未广泛释放及METAC短烷基链季铵盐结构细胞毒性较低有关。研究局限性包括：实验树脂仅含树脂基体与微胶囊而未加常规无机填料，力学结果不能直接外推至商品化修复复合材料；未直接定量分析METAC封装效率、释放与转化度；抗菌评价仅针对单一致龋菌种，未纳入多菌种生物膜、唾液获得膜、动态营养暴露、pH循环、机械磨损或重复细菌挑战等因素；老化期仅28天，长期稳定性待验证；自修复在干燥条件与单次损伤下评估；细胞毒性评估限于24 h暴露与单一细胞系。

结论译文：综上，研究人员通过将METAC/TEGDMA/HEMA封装于UF树脂壳内制备了双功能微胶囊。微胶囊形貌规整、粒径分布均匀且热稳定性高。在本实验条件下，6 wt% METAC负载量与10 wt%微胶囊掺入比例在所评价的力学、抗菌与自修复结果间提供了最有利的平衡。所得实验性牙科树脂表现出良好的自修复效率与抗菌性能，且无明显细胞毒性。由于该实验性牙科树脂仅含树脂基体与微胶囊，本研究结果不能直接外推至商品化修复复合材料。研究结果提供了概念验证性证据，表明负载METAC的微胶囊可在实验性甲基丙烯酸酯树脂中于机械破坏后兼具自修复行为与增强的抗菌活性。在确立该体系的临床潜力之前，尚需开展包含直接释放测量、聚合分析、更长且更具临床代表性的老化、循环疲劳、多菌种生物膜及更广泛生物相容性测试的进一步研究。