实验树脂复合材料在酸性和碱性环境中暴露的早期纳米尺度变化：超越微观尺度

《Polymers》：Beyond the Microscale: Early Nanoscale Changes in Experimental Resin Composites Exposed to Acidic and Alkaline Environments

　　

本研究探讨了酸性、中性和碱性环境对填料含量不同的实验性BisGMA/TEGDMA树脂复合材料微观和纳米尺度性能的影响。以BisGMA:TEGDMA为75:25 wt%并含三种二氧化硅玻璃填料含量（75、40和0 wt%）的实验性复合材料在37 °C下分别储存于磷酸盐缓冲液（PBS；pH 7.2）、柠檬酸（pH 3.8）或氢氧化钠（NaOH；pH 11）中长达28天。微观尺度变化通过吸附、维氏硬度（Vickers hardness）和扫描电子显微镜（SEM）评估，而原子力显微镜（AFM）用于评价纳米尺度表面粗糙度和杨氏模量（Young’s modulus）。储存介质对质量增加百分比（p = 0.092）或维氏硬度（p = 0.098）无显著影响。较高填料含量与较低质量增加（ρ = ?0.902，p < 0.001）和较高硬度（r = 0.660，p < 0.0001）相关。SEM显示表面降解，尤其是在NaOH暴露后的填料-基质界面处。纳米尺度表面粗糙度与填料含量呈负相关（ρ = ?0.368，p = 0.001），变化主要在28天后于无填料材料中观察到。AFM测量表明，仅在暴露于柠檬酸和NaOH一天后即出现杨氏模量值向较低值偏移，而PBS中的降低出现较晚。酸性和碱性暴露在传统微观尺度指标中产生有限变化，但在表面形貌和纳米尺度性能方面产生更多变化。这些探索性发现提示，AFM衍生的杨氏模量可能检测到酸性和碱性暴露后的早期软化，表明其相较于传统微观尺度测量在表征化学老化相关早期变化方面具有潜在效用。

研究背景：树脂基复合材料在口腔环境中持续暴露于唾液、水、膳食酸及其他化学因子等化学可变条件。液体渗入聚合物网络可诱导吸水、溶胀、塑化、水解及残余成分溶出，逐步改变材料的理化与力学性能。水解过程还可能破坏无机填料与有机树脂基质之间由硅烷介导的键合，从而导致界面降解和力学稳定性丧失。树脂复合材料的化学降解易感性受其组成强烈影响：树脂基质的化学性质与交联特征影响液体吸收和聚合物稳定性，而无机填料的含量与特性影响力学增强效果以及水敏性有机基质的相对比例。增加填料含量可能减少可用于液体吸收的树脂体积分数并改善抗软化能力。环境pH是控制材料降解的另一因素：酸性条件可能促进聚合物塑化、基质软化及树脂-填料界面降解，而碱性条件可对聚合物网络和硅烷介导界面提供加速水解挑战。然而，多数研究考察的是商品化复合材料，其中树脂化学、填料含量、填料尺寸与组成、硅烷化处理及其他专有成分的差异同时存在，这种组成复杂性难以确定哪些材料变量主导降解易感性。系统配制的实验性复合材料为分离这些效应提供了手段。此外，化学老化对树脂复合材料的影响主要采用宏观或微观尺度测量进行研究，尽管这些方法可提供整体材料行为的重要信息，但早期降解可能首先局部发生于聚合物基质内或填料-基质界面处，之后才在较大长度尺度上产生可轻易检测的变化。原子力显微镜（AFM）可提供高分辨率表面形貌，结合力映射技术可实现局部力学性能的空间分辨测量，因此纳米尺度力学表征可能为识别传统微观尺度测量未检测到的早期或局部材料变化提供敏感方法。据此，本研究旨在确定酸性、中性和碱性环境如何影响填料含量系统变化的实验性树脂复合材料的微观和纳米尺度性能，特别关注纳米尺度力学表征是否能检测传统微观尺度测量不明显的早期化学变化。研究假设：（1）暴露于酸性和碱性环境会改变实验性复合材料的微观和纳米尺度性能；（2）这些变化的幅度取决于填料含量；（3）纳米尺度力学评估可检测传统微观尺度测量不明显的早期变化。

研究方法：研究人员制备了三种实验性树脂复合材料，将BisGMA:TEGDMA以75:25比例与三种填料含量（75、40和0 wt%）结合。BisGMA、TEGDMA、樟脑醌（CQ）和4-二甲氨基苯甲酸乙酯（EDAB）购自Sigma-Aldrich。硅烷化二氧化硅玻璃填料由0.7和2.5 μm颗粒以1:1混合组成。CQ和EDAB各以1%作为光引发剂和活化剂以1:1比例加入。采用三种pH储存介质：PBS（pH 7.2）、柠檬酸缓冲液（pH 3.8）和NaOH缓冲液（pH 11）。储存介质温度37 °C用以近似生理温度，暴露时间点1、7、14、21和28天用以评估早期和渐进性材料变化。微观测试用椭圆形圆盘试样（约10 × 9 mm，厚3 mm）使用定制分体式聚四氟乙烯模具制备，两面各光照30 s（LED固化装置，irradiance 1120 mW/cm²），随后储存24 h并水冷抛光。吸附与质量增加：试样在37 °C硅胶干燥器中干燥至恒重（m1），计算体积后各自浸入10 mL PBS、柠檬酸或NaOH中37 °C长达28天，于各时间点取出、吸干、空气干燥15 s后称重（m2），计算吸附量（S；μg/mm³）和质量增加百分比（MI%）。维氏硬度：每组5个试样测基线，其余分配至三种储存介质并在各时间点评估，每个条件5个独立试样，共225个储存后试样，每试样3次压痕。使用Zwick Z2.5万能试验机测定改良维氏硬度（HVT），载荷200 g持续20 s，压痕间距约2 mm。SEM：每种材料2个代表性试样在基线和各介质28天后检查，事先干燥48 h并喷镀约5–10 nm金，由对试样配方和储存条件设盲的评估者定性评价，×10,000–15,000放大观察孔隙、微裂纹、填料暴露或脱落及填料-基质界面降解。AFM与纳米力学分析：圆盘试样（直径约10 mm，厚3 mm）抛光后室温干燥储存24 h，基线时每种材料随机选3个试样、每试样3个位置分析；化学老化试样浸入10 mL各介质37 °C后于1和28天评估。使用NanoWizard 3系统在PBS中以定量成像（QI?）模式测量，硅氮化物（Si₃N₄）探针名义针尖半径20 nm，悬臂弹性常数0.35 N/m经热噪声法校准，试样从储存液取出后立即在PBS水合条件下测量。每试样随机选3个约间隔1 mm区域，每扫描15 × 5 μm²、分辨率256 × 85像素，从QI?图像获得三维算术平均表面粗糙度（Sa），杨氏模量由力-距离曲线接近段采用Hertz接触模型计算（假设二次锥形针尖几何），最大载荷1500 nN。杨氏模量分布以直方图描述性评价，考虑分布形状、离散度、向低或高模量值的偏移及高模量尾的存在与否；单条力曲线测量视为嵌套观察而非独立实验重复，未进行试样水平的杨氏模量推断统计比较。统计分析使用SigmaPlot 13.0，Shapiro–Wilk和Brown–Forsythe检验分别评估正态性和方差齐性，数据以中位数和四分位距（IQR）表示；吸附数据用一般线性模型分析填料含量、储存介质和储存时间效应后行Tukey多重比较，MI%总体效应用一般线性模型评估并以Kruskal–Wallis检验作补充非参数比较，Spearman秩相关评估填料含量、储存时间、吸附与MI%间关联；维氏硬度同样用一般线性模型分析并行Tukey检验和Spearman相关；表面粗糙度（Sa）用三因素方差分析（ANOVA）分析填料含量和储存条件效应后行Tukey事后检验，参数假设不满足时用Kruskal–Wallis检验行溶液内比较，Spearman秩相关评估Sa与填料含量和储存时间关联；杨氏模量数据用直方图和95%分位数置信区间描述性分析。显著性水平α = 0.05。

研究结果：
3.1 吸附与质量增加：吸附数据呈非正态分布且方差不齐。储存介质对MI%无显著总体影响（p = 0.092），尽管PBS在所有填料含量下显示最高中位MI%，但柠檬酸和NaOH的相对值随填料含量而变化。填料含量与MI%呈强负相关（ρ = ?0.902，p < 0.001），高填料复合材料质量增加最低，无填料材料通常最高。
3.2 维氏硬度：填料复合材料在基线和化学老化后均显示高于无填料材料的维氏硬度，填料含量与维氏硬度呈中度正相关（ρ = 0.660，p < 0.0001）。储存介质对维氏硬度无显著总体影响（p = 0.098）。储存时间与维氏硬度呈极弱负相关（ρ = ?0.0713，p = 0.287），但该关联在试样水平分析中无统计学显著性。第1天测量显示75 wt%填料配方暴露于NaOH后中位维氏硬度从基线63 VHN降至24 h后27 VHN，随后第28天中位值升至48 VHN；PBS暴露的无填料试样也观察到早期降低（29至16 VHN），提示从干燥到水合条件的初始转变及相关水诱导塑化可能促成观察到的硬度变化。
3.3 SEM表面形貌：28天化学老化后表面形貌发生变化。填料复合材料显示微孔隙、基质微裂纹、填料暴露或脱落及填料-基质界面脱粘证据。各储存介质中，NaOH暴露对填料复合材料产生最显著形貌变化，尤其在填料-基质界面处，而柠檬酸和PBS暴露试样表面改变较少。无填料材料主要显示表面孔隙和基质微裂纹，无填料相关界面变化。
3.4 AFM表面形貌：基线AFM形貌图像显示表面总体光滑，偶有抛光划痕，40和75 wt%配方中可见可能与填料颗粒相关的表面特征。储存后定性检查未发现与基线相比的表面外观重大变化，但表面粗糙度和纳米力学性能的定量分析识别出定性评估不易察觉的变化。
3.5 纳米尺度表面粗糙度：基线中位Sa值约75.6至185.7 nm，三种配方间无显著差异（p = 1.00）。化学老化后，表面粗糙度变化在28天后于无填料材料中最明显，但Sa变化的幅度和方向随填料含量、储存介质和暴露时间而异。填料含量与表面粗糙度呈显著负相关（ρ = ?0.368，p = 0.001），表明填料含量增加粗糙度降低。第1天粗糙度值通常与基线相当。总体数据集中储存时间与表面粗糙度无显著相关（ρ = ?0.011，p = 0.921）。
3.6 AFM纳米力学性能：AFM衍生杨氏模量分布显示对储存介质的明显响应。暴露于柠檬酸和NaOH后，分布仅在一天后即向较低模量值偏移，该模式在28天仍明显。填料复合材料基线分布通常向高值偏斜并具高模量尾，在酸性或碱性介质中一天后该尾不再明显；无填料复合材料主要呈单峰分布，但在这些暴露后也向较低模量值偏移。PBS产生不同时间模式：分布通常在一天后向较高模量值偏移，随后在28天向较低值偏移。这些发现的解释基于总体直方图分布而非单一集中趋势度量，分布形状和离散度的变化，尤其填料复合材料中高模量尾的消失，为化学暴露后局部纳米力学响应提供了额外信息；该尾可能反映对力学较硬的富填料区域的AFM测量，其消失本身并不证明填料溶解或丢失。

讨论部分总结：本研究主要发现是材料对化学老化的响应取决于所测性能和评估尺度。暴露于PBS、柠檬酸和NaOH在传统微观尺度测量中产生相对有限变化，储存介质对MI%（p = 0.092）或维氏硬度（p = 0.098）无显著总体影响；然而SEM显示28天后降解的形貌证据，AFM识别出表面粗糙度变化以及最显著的酸性和碱性暴露后杨氏模量早期降低。这些发现提示局部纳米力学改变可能在传统微观尺度测量可检测的实质性变化出现之前即已发生。关于微观尺度性能：MI%在三种介质间无显著差异提示28天实验期内储存介质pH并非总体液体吸收的主导决定因素，这与酸性介质对液体吸收的影响具有材料依赖性、受填料含量和聚合物基质化学等组成因素影响的证据一致；填料含量对质量增加有显著影响（ρ = ?0.902，p < 0.001），与增加无机填料含量减少可用于液体渗透的聚合物基质相对比例的研究一致，在本研究系统控制的配方中填料含量对液体吸收的影响似大于储存介质pH。维氏硬度也观察到类似组成效应，填料含量增加与较高硬度中度相关（ρ = 0.660，p < 0.0001），与无机相的增强贡献一致；储存介质对维氏硬度无显著总体影响（p = 0.098），储存时间与维氏硬度的极弱负相关（ρ = ?0.0713，p = 0.287）无统计学显著性，提示储存时间本身不能解释硬度的大部分变异。第1天测量显示75 wt%填料配方暴露于NaOH后中位维氏硬度从63 VHN降至24 h后27 VHN、第28天升至48 VHN，PBS暴露无填料试样也见早期降低（29至16 VHN），提示从干燥到水合条件的初始转变及相关水诱导塑化可能促成硬度变化；先前研究同样表明老化期间硬度变化不一定单调。NaOH对维氏硬度的有限效应与先前碱性降解后填料丢失、界面劣化、基质开裂和力学性能降低的报道形成对比，暴露严重程度差异可部分解释该差异：本研究使用pH 11和37 °C，而一些加速降解方案采用接近pH 13和约60 °C的更激进碱性条件，本研究相对温和的条件可能不足以在28天内产生明显的主体硬度变化。关于形貌和纳米尺度表面变化：MI%和维氏硬度的有限变化并不表明无结构降解，28天后SEM显示表面孔隙、基质微裂纹、填料暴露或脱落及填料-基质界面劣化证据，这些变化在NaOH暴露的填料复合材料中最明显，尤其填料-基质界面处，符合碱性水解硅烷介导界面的机制，因为羟基离子可促进硅氧烷键的水解断裂并损害无机填料与聚合物基质间的偶联；无填料配方缺乏该界面，主要显示孔隙和基质微裂纹；柠檬酸和PBS暴露试样形貌变化较轻。SEM观察说明局部结构降解与主体力学响应间的重要区别：形态学劣化证据可能存在，即使该过程不足以产生传统硬度可统计检测的变化。无填料配方较高的基线Sa可能反映表面制备和固有聚合物基质形貌差异而非填料相关效应，尽管基线差异无统计学显著性。AFM表面分析进一步表明对化学老化的响应取决于所考察参数：填料含量与纳米尺度表面粗糙度负相关（Sa；ρ = ?0.368，p = 0.001），最大粗糙度变化主要在无填料配方长期酸性或碱性暴露后发生，这些材料中暴露聚合物基质比例较大可能增加其对化学诱导表面改变的易感性，与组成影响化学暴露后表面降解的先前观察一致；然而表面粗糙度未提供早期降解的一致标志，第1天值通常与基线相当，储存时间与粗糙度无显著总体相关（ρ = ?0.011，p = 0.921），因此本研究结果并不表明纳米尺度测量本质上比传统测量更敏感，而对早期降解的敏感性取决于所评估的具体性能。关于早期纳米力学变化：最独特的响应见于AFM衍生杨氏模量，暴露于柠檬酸和NaOH与仅一天后向较低杨氏模量值的明显偏移相关，且该降低在28天后仍明显；PBS显示不同时间模式，模量值一天后通常升高、28天向较低值偏移；这种对酸性和碱性暴露的早期响应与储存介质对维氏硬度无显著总体效应形成对比。杨氏模量降低可能反映聚合物网络的塑化和水解改变，BisGMA/TEGDMA基聚合物的水吸收可影响分子间相互作用并增加聚合物链活动性，导致力学性能降低；酸性环境也与聚合物网络溶胀和塑化相关，而碱性环境可促进聚合物相和硅烷介导填料-基质界面的水解降解，这些机制为观察到的纳米力学响应提供可能解释，尽管本研究未直接测量。分布水平分析提供了实验性复合材料异质局部力学响应的补充信息：由于这些材料含力学上不同的树脂相和填料相，单一汇总值可能不足以捕捉分布形状变化或高模量尾的存在；基线时填料复合材料呈右偏分布并具高模量尾，与力学上不同的富填料区域存在一致；暴露于柠檬酸和NaOH后分布向较低模量值偏移、高模量尾变得不明显，而PBS暴露一天后这些特征仍可检测、长期储存后向较低模量值偏移更明显。重要的是高模量尾的消失不应解释为填料溶解、丢失或软化的直接证据，一种可能解释是化学暴露诱导周围聚合物基质变化（包括软化或溶胀），改变了AFM探针检测的局部力学响应，这类变化可能降低力学较硬富填料区域与周围基质间的区别，促成观察到的模量分布变化；但该解释仍属假设，因为直方图未确立潜在降解机制；此外鉴于AFM测量的局部性和缺乏试样水平杨氏模量推断统计检验，这些分布变化应解释为描述性而非统计确认的效应；长期暴露后基质和界面劣化的SEM证据与该解释一致，但仅凭本研究测量无法确立潜在机制。关于微观硬度与纳米模量的关系：维氏硬度和AFM衍生杨氏模量的对比响应是本研究解释的核心。维氏压痕评估较大体积异质材料的响应，因而反映聚合物基质、填料颗粒和填料-基质界面的综合贡献，主要影响聚合物基质或界面区域的局部早期降解可能对总体硬度测量影响有限；相比之下AFM力映射在更小空间尺度探查力学行为，可分辨异质材料区域的局部变异，聚合物基质或局部填料-基质环境顺应性变化因此可能在足以改变传统硬度之前即变得明显。本研究中该区别体现为仅24 h柠檬酸或NaOH暴露后AFM衍生杨氏模量降低，而储存介质对维氏硬度无显著总体效应。重要的是该发现应具体归因于AFM衍生杨氏模量而非一般纳米尺度表征，表面粗糙度未显示相同早期一致响应，因此在本实验条件下杨氏模量可能提供早期pH相关力学改变更敏感的纳米尺度指标。综合微观和纳米尺度发现：储存介质对质量增加或维氏硬度无统计学显著总体效应，但SEM显示形貌改变尤其碱性暴露后填料-基质界面处；AFM衍生杨氏模量显示酸性和碱性暴露后更早变化，提示局部纳米力学改变可能在传统微观尺度测量出现实质性变化之前即可检测；这些发现共同强调跨不同结构尺度评估化学降解的互补价值。关于临床相关性、局限性和未来方向：本研究提示树脂复合材料降解早期阶段可能未被传统主体测量充分反映，尽管储存介质对质量增加或维氏硬度无显著总体效应，化学老化后检测到形貌劣化和局部杨氏模量降低，纳米力学变化在酸性或碱性暴露后早至24 h即发生；临床上修复复合材料反复暴露于膳食摄入等引起的口腔pH波动，此类条件下早期局部软化的检测提示修复体可能在传统主体性能可测劣化之前经历亚临床材料变化，反复或长期暴露下这些局部改变可能促成渐进性基质和填料-基质界面降解，因此评估树脂基修复材料长期性能时除初始主体力学性能外还应考虑抗化学老化能力。研究结果应在受控体外老化模型背景下解释：持续暴露于固定pH溶液不能复制动态口腔环境，后者pH波动且材料同时暴露于唾液、温度变化、膳食成分、口腔卫生产品和力学负荷；简化的实验性BisGMA/TEGDMA配方旨在分离填料含量效应，不代表当代商品化复合材料的组成复杂性；观察到的填料含量与表面粗糙度关联可能部分反映配方间基线表面特征差异，不应解释为老化诱导粗糙度变化的直接测量。AFM检查试样数量有限（每组n = 3）且缺乏时间匹配的干燥对照，限制了观察到的纳米力学变化的解释。AFM测量高度局部化且对表面特征和探针-样品相互作用敏感，测得的模量分布代表局部表面纳米力学行为而非主体弹性性能；意外低的基线模量值也可能反映悬臂校准、探针特征和接触模型假设相关的不确定性，限制其绝对准确性信心。SEM分析限于基线和28天暴露后的定性观察，表面劣化的时间进程和程度无法量化；中间时间点额外SEM评估、定量图像分析和补充能量色散X射线光谱（EDS）将提供形貌进展和局部元素组成潜在变化的进一步见解；SEM检查前干燥48 h可能诱导或加重形态学伪影，包括基质收缩、微裂纹和界面间隙，因此不能排除干燥相关伪影对观察到的表面改变的潜在贡献。AFM衍生杨氏模量的早期变化提示局部纳米力学测量可检测传统主体测量不易察觉的材料响应，但这些变化不能完全归因于化学降解，因为测得模量也可能受水合、表面形貌、局部材料异质性、探针几何和接触条件影响；尽管各实验组探针类型一致，更换单个探针可能引入测量变异；此外相对较高的接触载荷（1500 nN）可能影响局部力学响应，且缺乏独立压痕后表面评估无法排除测量诱导变形。缺乏直接化学表征时潜在机制仍不确定；杨氏模量采用嵌套力映射测量的描述性分布评估而无试样水平推断检验，观察到的分布偏移应解释为探索性而非统计确认的储存条件效应。本研究未评估转化程度，因此不能排除与填料含量和试样厚度相关的聚合差异。进一步研究应确定此处识别的早期纳米力学变化是否在更接近临床服务的条件下转化为渐进性劣化，应包括人工或人唾液、热循环及更长时期的化学-力学联合老化；评估具有不同树脂化学、填料系统和偶联技术的当代商品化复合材料将确立观察到的响应是否超出简化BisGMA/TEGDMA配方；结合AFM力映射与传统力学测试及补充化学表征（如FTIR或拉曼光谱和降解释放产物分析）的纵向研究将有助于探究早期杨氏模量降低的潜在机制，并确定这些纳米尺度变化能否预测后续主体降解或临床相关材料劣化。

研究结论翻译：在本实验研究的局限性内，化学老化的效应取决于材料组成和评估尺度。储存环境对质量增加百分比或维氏硬度无显著总体效应，而填料含量强烈影响液体吸收、硬度和纳米尺度表面粗糙度。SEM仍显示形态学降解，尤其在NaOH暴露后填料-基质界面处。最显著的是，AFM衍生杨氏模量显示柠檬酸和NaOH暴露后早期降低，而传统微观尺度测量不明显。这些发现部分支持第一假设，并支持第二假设提出的填料含量影响。AFM衍生杨氏模量分布提示酸性和碱性暴露后早期局部纳米力学改变，这些描述性发现为第三假设提供初步支持，但仍需试样水平统计分析确认。总体而言，AFM衍生杨氏模量可能为实验性树脂复合材料化学老化相关早期变化提供敏感指标，并可能补充传统方法评估材料稳定性；这些AFM衍生模量发现属探索性，需进一步验证后方可得出更广泛结论。