納米Ag-TiO2涂層托槽的研制及其抗菌性能研究.pdf

1、在口腔正畸臨床領域，固定矯治器作為一種高效能矯治器得到廣泛應用，并取得良好療效。但其主體成分托槽結構復雜，導致菌斑附著增加并影響口腔微環(huán)境，從而引起牙釉質(zhì)脫礦及牙周損害。預防并控制菌斑附著是預防齲病及牙周炎癥的關鍵，如何對托槽材料進行改進，抑制口腔致病菌的黏附與增生是目前口腔正畸學領域研究的方向之一。隨著口腔材料學的發(fā)展，納米抗菌材料的出現(xiàn)為開發(fā)新型托槽材料提供了新選擇。
　　 絕大多數(shù)納米抗菌材料使用的是單一納米抗菌劑，如納米

2、TiO2、納米銀等，這些材料自身具有一定的缺陷，限制了它們的應用。以納米TiO2為載體的復合銀系無機抗菌劑成為新型抗菌材料研究的一個重要方向，具有獨特的力學性能、抗菌性能及生物學相容性，應用前景非常廣闊。
　　 目前國內(nèi)外尚無將納米Ag/TiO2材料與技術應用于口腔正畸托槽的報導，本研究擬在普通金屬托槽表面制備納米Ag/TiO2涂層，研制具有美觀、高強、耐磨及可見光催化甚至在黑暗環(huán)境中仍具有抑菌性能的納米Ag/TiO2涂層托槽，

3、通過理化性能、抗菌性能和生物相容性檢測，證實托槽具有納米材料獨特的力學及生物學性能，為解決托槽周邊牙釉質(zhì)齲和正畸治療引起的牙周損傷等正畸臨床常見棘手問題提供有效途徑，并推進納米技術在口腔正畸材料領域的廣泛應用。本研究包括以下三章內(nèi)容:
　　 第一章:納米Ag/TiO2涂層托槽的制備及理化性能檢測
　　 目的:
　　 制備納米Ag/TiO2涂層托槽，并對其理化性能進行檢測。
　　 方法:
　　 本研

4、究選擇臨床上常用的普通金屬托槽，拋光、超聲清洗、沖洗干燥后備用。使用溶膠-凝膠法制備TiO2凝膠，用旋轉(zhuǎn)涂敷法在普通金屬托槽表面涂敷TiO2薄膜，然后浸漬在AgNO3溶液中，獲得Ag/TiO2薄膜，經(jīng)過120℃熱處理后分別在120、200、300℃下退火，冷卻，制備出不同退火溫度下納米Ag/TiO2涂層托槽A、B、C組。
　　 在掃描電鏡下對普通金屬托槽、納米TiO2涂層托槽和納米Ag/TiO2涂層托槽的表面形貌、微觀結構及A組

5、納米Ag/TiO2涂層托槽的斷面形貌進行觀察。
　　 測量普通金屬托槽、納米TiO2涂層托槽及A、B、C組納米Ag/TiO2涂層托槽的表面粗糙度。
　　 采用劃痕實驗法檢測納米TiO2涂層和A、B、C組納米Ag/TiO2涂層與基體托槽的結合強度。
　　 用X射線衍射儀分析納米TiO2涂層托槽及A、B、C組納米Ag/TiO2涂層托槽表面涂層的晶體結構和物相。
　　 對納米TiO2涂層托槽及A組納米Ag/Ti

6、O2涂層托槽進行X射線光電子能譜分析。
　　 采用紫外—可見分光光度計測量石英玻璃片上納米TiO2涂層及A、B、C組納米Ag/TiO2涂層的透光率。
　　 結果:
　　 掃描電鏡圖片顯示金屬托槽表面雖經(jīng)拋光，但仍較粗糙，存在較大的溝壑狀和坑狀凹陷。納米TiO2涂層是由許多球形微小顆粒組成的顆粒膜，組成薄膜的TiO2顆粒粒徑為10-30nm。納米Ag/TiO2涂層也是由許多球形微小顆粒組成的顆粒膜，具有嚴整的組織結

7、構;組成薄膜的TiO2顆粒粒徑均勻;Ag顆粒均勻分布在薄膜上，粒徑約為50-100nm，很少出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。A、B、C組托槽中納米Ag顆粒的直徑隨著退火溫度的升高逐漸增大且分布更密集。
　　 對納米Ag/TiO2涂層托槽的斷面形貌觀察顯示納米Ag/TiO2涂層托槽表面涂層的厚度約為120nm，厚度均勻，表面平整、光滑，表面光潔度高，并可見Ag顆粒沉積在涂層上。
　　 粗糙度測試結果顯示納米TiO2涂層托槽和納米Ag/TiO

8、2涂層托槽與普通商業(yè)用金屬托槽表面粗糙度差異無統(tǒng)計學意義。納米TiO2涂層與基體的結合強度為1.18kg，A、B、C組納米Ag/TiO2涂層的結合強度分別為1.16、1.12、1.26kg。
　　 XRD譜圖顯示納米TiO2和Ag/TiO2涂層的XRD曲線上均出現(xiàn)銳鈦礦型TiO2的衍射峰;納米Ag/TiO2涂層的XRD曲線上均出現(xiàn)Ag0的衍射峰，且隨著退火溫度的升高，Ag衍射峰的強度也增大。
　　 XPS全譜圖顯示納米T

9、iO2和Ag/TiO2涂層的主要成分分別為:Ti、O、C和Ag、Ti、O、C;TiO2中的Ti2p能級分解為2個能級:Ti2p1/2和Ti2p3/2，中心峰值分別為464.6ev和458.9ev;2者峰值差為5.7ev;加入Ag后，Ti2p的結合能峰值向較高能值漂移;Ag/TiO2中的Ag3d能級分解為2個能級:Ag3d5/2和Ag3d3/2，其中心峰值分別為368.1ev和374.1ev;2者峰值差為6ev。
　　 納米TiO

10、2涂層及A、B、C組納米Ag/TiO2涂層的透光率譜圖顯示TiO2涂層在波長＜350nm的紫外光區(qū)有完全吸收;Ag沉積后，吸收邊發(fā)生紅移，透光率下降，且隨著退火溫度的降低，透光率也逐漸下降。
　　 結論:
　　 1.本研究采用溶膠-凝膠法在普通金屬托槽表面成功地制備了納米Ag/TiO2薄膜涂層。
　　 2.該納米Ag/TiO2涂層分布均勻，厚度和納米Ag、TiO2顆粒均為納米尺度，保證了納米材料的特性;且表面光潔

11、度高，具有足夠的涂層基體結合強度，可以滿足口腔正畸臨床的需要。
　　 3.納米Ag/TiO2涂層中TiO2為銳鈦礦型，Ag以單質(zhì)形式存在，隨著退火溫度的升高，Ag顆粒的結晶度提高且顆粒長大。
　　 4.Ag的沉積增加了TiO2的光催化活性，并使其具有可見光催化性能。
　　 5.隨著Ag沉積顆粒粒徑的減小，TiO2在可見光激發(fā)條件下的光催化活性增強。
　　 6.退火溫度120℃較為合適，制成的納米Ag/Ti

12、O2涂層中Ag和TiO2顆粒粒徑較小，既具備足夠的結合強度又有較強的可見光催化活性。
　　 第二章:納米Ag/TiO2涂層托槽的抗菌性能研究
　　 目的:
　　 研究納米Ag/TiO2涂層托槽的抗菌性能，初步探討抗菌機制，為臨床應用提供理論依據(jù)。
　　 方法:
　　 制備A組納米Ag/TiO2涂層托槽，對照組為普通金屬托槽和同條件下納米TiO2涂層托槽，消毒后備用。使用同樣方法在不銹鋼17-4表面

13、涂敷納米TiO2薄膜涂層和Ag/TiO2薄膜涂層。復蘇變形鏈球菌、血鏈球菌、伴放線放線桿菌、具核梭桿菌、牙齦卟啉單胞菌和中間型普氏菌，培養(yǎng)并制備成菌懸液。使用貼膜法檢測納米Ag/TiO2涂層對上述口腔常見菌的抗菌活性，計算抗菌率并在不同時間點觀察滅菌效果。
　　 將普通金屬托槽、納米TiO2涂層托槽和納米Ag/TiO2涂層托槽浸泡于混合菌液中，培養(yǎng)48h后在掃描電鏡下觀察抗細菌黏附效果。
　　 將變形鏈球菌與納米Ag/T

14、iO2涂層托槽共同培養(yǎng)6h、18h、24h、48h，提取GTF粗酶，采用Somogyi-Nelson法測定上清液中還原糖含量，計算GTF活性單位，分析不同時間點納米Ag/TiO2涂層托槽對變形鏈球菌GTF活性的影響。
　　 向納米Ag/TiO2涂層上滴加牙齦卟啉單胞菌菌懸液，分不同抗菌時間測量胞內(nèi)外牙齦素的活性單位與蛋白含量，計算牙齦素比活，分析納米Ag/TiO2涂層托槽對胞內(nèi)外牙齦素比活的影響。
　　 結果:
　

15、　 抗菌實驗結果顯示納米Ag/TiO2涂層在黑暗環(huán)境下對所有實驗菌均有抗菌活性，20min后抗菌率達到了80.2％以上。黑暗環(huán)境下納米Ag/TiO2涂層作用30-60min后即可完全殺死菌液中的口腔常見細菌，而納米TiO2涂層作用240min后也未顯示出抗菌活性。納米Ag/TiO2涂層對不同菌種的殺菌時間存在差異，對變形鏈球菌、血鏈球菌及牙齦卟啉單胞菌的殺滅時間最短，為20-30min;對伴放線放線桿菌、具核梭桿菌及中間型普氏菌的殺滅

16、時間延長為30-60min。
　　 掃描電鏡照片顯示納米Ag/TiO2涂層托槽表面黏附的細菌數(shù)量明顯少于普通金屬托槽及納米TiO2涂層托槽。普通金屬托槽表面有大量的細菌黏附，呈致密片狀分布，形成多層菌膜;納米TiO2涂層托槽表面也見大量的細菌黏附，呈顆粒狀，但未見多層菌膜形成;而納米Ag/TiO2涂層托槽表面黏附的細菌明顯少于前2者，呈散在分布。
　　 在各時間點，普通托槽組、納米TiO2涂層托槽組和納米Ag/TiO2涂

17、層托槽組GTF活性依次下降;納米Ag/TiO2涂層托槽組GTF活性比其余3組明顯降低;除48h時間點外，TiO2托槽組GTF活性比空白對照組下降，差異有統(tǒng)計學意義;普通托槽組GTF活性與空白對照組差異無統(tǒng)計學意義。Ag/TiO2托槽對GTF活性的抑制作用強弱順序為:18h＞24h＞6h＞48h，除18與24h時間點外，其余時間點兩兩比較Ag/TiO2托槽對GTF活性的抑制作用差異均有統(tǒng)計學意義。
　　 在納米Ag/TiO2涂層作

18、用下，牙齦卟啉單胞菌胞內(nèi)外牙齦素比活隨抗菌時間推移均呈下降趨勢，10min內(nèi)細菌胞內(nèi)牙齦素比活明顯大于胞外，10min后兩者無明顯差異;胞外牙齦素比活水平在20min內(nèi)基本持平，之后隨時間延長呈緩慢下降趨勢;胞內(nèi)牙齦素比活20min內(nèi)出現(xiàn)明顯下降，之后下降趨勢減慢。
　　 結論:
　　 1.納米Ag/TiO2涂層托槽在黑暗環(huán)境下對口腔常見細菌有較強的抗菌作用。
　　 2.納米Ag/TiO2涂層托槽對口腔常見細菌有

19、較好的抗黏附作用。
　　 3.納米Ag/TiO2涂層托槽能有效抑制變形鏈球菌葡糖基轉(zhuǎn)移酶的活性，從而對變形鏈球菌有良好抗黏附作用。
　　 4.納米Ag/TiO2涂層托槽在殺死牙齦卟啉單胞菌的同時還可降解細菌胞內(nèi)外的牙齦素，顯著抑制其活性。
　　 第三章納米Ag/TiO2涂層托槽的生物相容性評價
　　 目的:
　　 對納米Ag/TiO2涂層托槽進行生物相容性測試，為其在臨床的安全使用提供實驗依據(jù)。<

20、br>　　 方法:
　　 在不銹鋼17-4圓片表面涂敷納米TiO2薄膜涂層和Ag/TiO2薄膜涂層，加入DMEM培養(yǎng)液制取浸提液，取復蘇后的L929細胞與其共同培養(yǎng)，在倒置相差顯微鏡下觀察細胞形態(tài);使用MTT法計算細胞增殖度并進行材料毒性程度分級;用碘化丙啶染色細胞后熒光顯微鏡下觀測細胞死亡情況;用流式細胞儀檢測分析細胞周期，進行細胞毒性試驗。
　　 將納米TiO2薄膜涂層和Ag/TiO2薄膜涂層試樣用生理鹽水浸泡提取

21、浸提液，加入新鮮稀釋抗凝兔血，測量吸光度值，計算材料溶血率，進行溶血試驗。
　　 將納米TiO2薄膜涂層和Ag/TiO2薄膜涂層試樣用生理鹽水浸泡提取浸提液，對小鼠灌胃，觀察動物行為是否有毒性體征出現(xiàn);對試驗前后體重進行測量，觀察體重變化;處死動物，進行病理解剖，肉眼觀察動物重要臟器有無病理變化;在顯微鏡下觀察小鼠心、肺、脾、肺、腎有無病理改變，進行短期全身毒性試驗。
　　 取涂敷納米Ag/TiO2薄膜涂層的不銹鋼17-

22、4圓片和同樣規(guī)格的口腔用牙膠圓片，縫合固定到金黃色倉地鼠的頰囊黏膜上，觀察動物的活動情況，有無全身不良反應;觀察試件與口腔內(nèi)黏膜接觸處的局部黏膜反應;處死動物，對頰囊部全層組織進行病理組織學觀察，并進行病理反應分級，進行口腔黏膜刺激試驗。
　　 結果:
　　 細胞毒性試驗形態(tài)學觀察結果顯示試驗組細胞形態(tài)數(shù)量與對照組無明顯區(qū)別，可見大量分裂細胞;熒光顯微鏡下見只有極少量細胞被PI染成紅色，可能為正常凋亡細胞，各組未見明顯差

23、異;MTT試驗結果顯示各組細胞增殖度較為接近，毒性等級均為0-1級;細胞周期分析未見異常，各組之間無明顯差異。
　　 溶血試驗中試驗組的吸光度值明顯低于陽性對照組，TiO2組和Ag/TiO2組的溶血率分別為0.255％、0.637％，均小于5％，即均不會引起急性溶血。
　　 短期全身毒性試驗中試驗組和對照組60只小鼠無一例死亡，臨床毒性體征分級都是無癥狀;試驗組小鼠體重增長與對照組比較差異均無統(tǒng)計學意義;病理解剖肉眼觀察

24、動物重要臟器未見充血、出血、水腫等明顯病理變化;顯微鏡下觀察小鼠心、肺、脾、肺、腎未出現(xiàn)變性、萎縮、壞死等病理變化。
　　 口腔黏膜刺激試驗中動物活動正常，飲食正常;與試驗材料和對照材料接觸的頰囊黏膜表面及其周圍未見充血、水腫、糜爛及潰瘍等反應;試驗組與陰性對照組接觸處頰囊黏膜組織切片基本相同，未見異常變化，病理反應評分除1側(cè)為輕度外，其余均為0級。
　　 結論:
　　 1.納米Ag/TiO2涂層托槽對細胞不產(chǎn)生

25、明顯毒性。
　　 2.納米Ag/TiO2涂層托槽不會引起急性溶血反應。
　　 3.納米Ag/TiO2涂層托槽浸提液對小鼠產(chǎn)生的影響與生理鹽水無差異，沒有短期全身毒性。
　　 4.納米Ag/TiO2涂層托槽對倉地鼠口腔黏膜沒有刺激性，具有良好的生物安全性。
　　 綜上所述，本研究成功研制出納米Ag/TiO2涂層托槽，具有良好的機械性能;對口腔常見細菌具有優(yōu)異的抗菌性能和抗黏附作用;對機體無毒性，生物相容性良