纳米羟基磷灰石复合改性材料的制备及抗龋性能研究

摘要

龋病(dental caries)是人类最常见的细菌性疾病之一，变形链球菌等口腔致龋菌及其牙菌斑的产酸作用导致牙釉质脱矿，是产生龋病的根源。氟化物能促进酸蚀牙釉质再矿化，增强牙釉质硬度，抑制变形链球菌产酸，是当前最广泛采用的防龋药物。然而氟化物有毒副作用，过量使用将导致氟中毒，氟化物在牙膏等日常口腔保健产品中的使用倍受争议。因此，寻找安全而有效的防龋新材料，一直是口腔医学关注的焦点。羟基磷灰石(HAP)是人体骨骼和牙齿的主要无机成分，人工合成的纳米HAP(nano-HAP)与骨骼中HAP的晶形和结构非常相似，具有优良的生物活性、生物相容性和骨传导作用，被广泛用作骨组织修复材料，而用作牙釉质再矿化材料是当前口腔防龋材料研究的热点之一。然而nano-HAP抗菌性能较差、结晶性和结构稳定性较高，不利于发挥抗龋作用，在HAP中掺杂活性金属元素并进行表面改性是提高其性能的有效方法。 本文采用溶胶-凝胶-超临界CO<,2>(Sol-Gel-SCF-CO<,2>)萃取干燥法，制备了nano-HAP及其锶、锌、铈掺杂改性材料(nano-MCaHAP，M=Sr、Ce、Zn)；采用共混-原位沉析-SCF-CO<,2>萃取干燥法制备了nano-HAP及nano-MCaHAP与壳聚糖(CS)的复合材料。考察了工艺参数对产物的粒径和比表面积的影响，得到了较佳的制备工艺条件。通过元素分析、FT-IR、XRD、TEM、SEM：等分析手段，对nano-HAP及其改性材料进行了结构分析和表征。结果表明：与普通干燥法相比，Sol-Gel-SCF-CO<,2>萃取干燥法制备的nano-HAP粒径分布均匀，平均粒径更小、比表面积更大；在Ca/P反应物浓度比0.5/0.3(mol·L<'-1>)、pH值10、反应温度60℃、反应时间3 h、陈化时间8 h、干燥温度45℃、压力15 MPa、干燥时间4 h、超临界CO<,2>流量15L.h<'-1>较佳的工艺条件下，可制备高纯度、均匀分散、尺寸在30 nm～100nm、针状晶形的nano-HAP及其金属掺杂材料。按设定的原子比XM，Sr<'2+>、Ce<'3+>及Zn<'2+>(XZn≤0.15时)可以在HAP中定量掺杂并保持其六方晶体结构，形成具有确定化学计量比的置换式固溶体，随着xZn的增大，掺锌化合物不再保持HAP六方晶体结构。nano-MCaHAP与CS复合后，颗粒具有较好的分散性，形貌呈均匀的纤细梭状，表面具有多孔的网状结构，径向为20～50 nm、长度100 nm。 通过抑菌环、抑菌率、最低抑菌浓度等试验，研究了nano-HAP改性材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、变形链球菌及乳酸杆菌的抗菌性能。结果表明：nano-HAP掺杂Sr<'2+>、Zn<'2+>、Ce<'3+>及与CS复合改性后，抑菌性能都明显增强，且抑菌性能随XM的增大而增强。以变形链球菌为测试菌株，考察了nano-HAP复合改性材料对变形链球菌的粘附、产酸及合成胞外多糖等代谢活动能力的影响。发现nano-HAP改性材料，对变形链球菌的代谢活动能力具有较好的抑制作用。通过测定龋损牙釉质显微硬度值的变化和釉质表面的脱矿层厚度，研究了nano-HAP改性材料对龋损牙釉质的再矿化作用。实验发现nano-HAP掺杂锶、铈及与CS复合后，能增强釉质表面的显微硬度，减少釉质脱矿，具有更强的促进牙釉质再矿化的作用，且再矿化作用随掺锶、铈量增加而增强，但nano-HAP掺锌无明显更强的再矿化作用。 以吸附牛血清蛋白(BSA)进行实验，研究pH值不同、分别为6.8和4.5的条件下，纳米HAP复合改性材料的吸附性能。发现在pH值4.5条件下nano-HAP改性材料的吸附作用更强，nano-HAP中掺入锶、铈及与CS复合后对BSA的吸附作用增大，且随着X<,Sr>.X<,Ce>的增加吸附性能增强，但nano-HAP中掺锌不能提高对BSA的吸附作用，而nano-CeCaHAP/CS具有最强的吸附性能。 通过急毒性及蓄积毒性试验，对nano-CeCaHAP/CS的使用安全性能进行实验研究。结果发现：nano-CeCaHAP/CS对NIH小白鼠的急性经口毒性L,D<,50>>5000 mg·kg<'-1>，属实际无毒级；对NIH小白鼠的蓄积系数K=LD<,50>(n)/LD<,50>(1)>5，为弱蓄积性，具有较高的安全使用性能。将nano-CeCaHAP/CS复配于牙膏，并与含氟牙膏的进行防龋性能对比。结果表明：浓度为1％的nano-CeCaHAP/CS牙膏其抗致龋菌性能、抑制变形链球菌代谢活动性能、促进釉质再矿化性能均优于0.15％的NaF牙膏。

目录

文摘

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论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2龋病病因理论

1.3防龋材料及其技术进展

1.3.1氟化物防龋

1.3.2免疫防龋

1.3.3天然药物防龋

1.3.4纳米羟基磷灰石防龋

1.4 nano-HAP复合改性的理论基础

1.4.1纳米复合材料

1.4.2 nano-HAP防龋材料的改性设计

1.5 nano-HAP复合改性方法

1.5.1表面活性剂对nano-HAP的表面改性

1.5.2微胶囊化对nano-HAP的包覆改性

1.5.3高分子聚合物对nano-HAP的复合改性

1.5.4 nano-HAP金属离子的掺杂改性

1.6 nano-HAP及其金属离子掺杂改性的制备方法

1.6.1化学沉淀法(Chemical Deposition)

1.6.2水热反应法(Hydrothermal)

1.6.3溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

1.6.4微乳液法(Microemulsion)

1.6.5酸碱反应法(Acid-base reaction)

1.6.6离子置换法(Ion replacement)

1.6.7高温固相合成法(Solid state reaction with high temperature)

1.6.8超临界流体干燥法(Supercritical Fluid Drying，SCFD)

1.7超临界流体干燥在nano-HAP及其改性制备中的应用

1.7.1超临界流体干燥原理和特点

1.7.2超临界流体干燥在nano-HAP制备及其金属掺杂材料中的应用

1.8本论文的研究背景、主要研究内容和创新性

1.8.1本论文的研究背景及研究意义

1.8.2本论文研究的主要内容

1.8.3本论文的创新与特色

第二章纳米羟基磷灰石溶胶-凝胶-超临界CO2萃取干燥法制备、结构表征及萃取干燥动力学研究

2.1实验材料

2.1.1实验试剂及原料

2.1.2实验仪器及设备

2.2实验步骤

2.2.1 nano-HAP的Sol-Gel-SCF-CO2萃取干燥法制备

2.2.2 Sol-Gel反应过程及SCF-CO2干燥过程工艺参数对产物的影响

2.2.3 nano-HAP的结构分析及表征

2.2.4 nano-HAP醇凝胶的SCF-CO2干燥传质过程及动力学分析

2.3结果与讨论

2.3.1制备过程工艺参数对nano-HAP的影响

2.3.2结构分析和表征

2.3.3 nano-HAP晶粒的形成机理分析

2.3.4 nano-HAP醇凝胶SCF-CO2干燥过程传质及动力学分析

2.4本章小结

第三章纳米羟基磷灰石金属离子掺杂及壳聚糖复合改性制备与表征

3.1实验材料

3.2实验步骤

3.2.1纳米掺锶HAP(nano-SrCaHAP)的制备

3.2.2纳米掺锌、铈HAP(nano-ZnCaHAP、nano-CeCaHAP)的制备

3.2.3 nano-HAP、nano-MCaHAP与CS的复合改性(M=Sr,Zn,Ce)

3.2.4 nano-MCaHAP及nano-MCaHAP/CS复合材料的结构分析与表征

3.3结果与讨论

3.3.1 nano-MCaHAP粉体的结构分析

3.3.2 nano-HAP/CS与nano-MCaHAP/CS复合材料的结构分析

3.4本章小结

第四章纳米羟基磷灰石复合改性材料对抗菌性能及变形链球菌代谢作用的影响

4.1实验材料

4.1.1试验菌种

4.1.2试验器材

4.1.3试验样品

4.2试验方法及步骤

4.2.1抑菌环试验

4.2.2抑菌率试验(振荡烧瓶法)

4.2.3最小抑菌浓度试验(MIC)

4.2.4 nano-HAP复合改性材料对变形链球菌的抗菌动力学测定

4.2.5试验材料对变形链球菌抑制粘附的影响

4.2.6 nano-HAP改性材料对变形链球菌抑制产酸的影响

4.2.7 nano-HAP改性材料对变形链球菌抑制合成胞外多糖的影响

4.2.8实验数据统计分析

4.3实验结果与讨论

4.3.1试验粉体对受试菌的抑菌环测试分析

4.3.2试验粉体对受试菌的抑菌率测试分析

4.3.3试验粉体对受试菌的最低抑菌浓度(MIC)测试分析

4.3.4对变形链球菌的抗菌动力学测试及抗菌机理分析

4.3.5 nano-HAP改性材料对变形链球菌抑制粘附的影响分析

4.3.6 nano-HAP改性材料对变形链球菌抑制产酸的影响分析

4.3.7 nano-HAP改性材料对变形链球菌合成胞外多糖的影响分析

4.4本章小结

第五章纳米羟基磷灰石复合改性材料对脱矿牙釉质再矿化的影响

5.1实验材料

5.1.1主要试剂

5.1.2主要仪器

5.1.3试样材料

5.2实验方法及步骤

5.2.1离体牙样本的选择和制备

5.2.2人工龋牙样本的制备

5.2.3人工龋牙的再矿化

5.2.4再矿化实验数据的测量

5.2.5实验数据统计学处理

5.3实验结果与讨论

5.3.1表面显微硬度测量结果

5.3.2偏光显微镜测试结果

5.4本章小结

第六章纳米羟基磷灰石复合改性材料对吸附性能的影响

6.1实验材料

6.1.1主要实验试剂

6.1.2主要实验仪器

6.1.3试验材料

6.2实验方法及步骤

6.2.1对牛血清蛋白(BSA)的吸附标准曲线测定

6.2.2测试样品对BSA吸附量的测定

6.3实验结果与讨论

6.3.1标准曲线方程

6.3.2测试样品对BSA吸附量的测定

6.3.3吸附动力学曲线的测定

6.4 nano-HAP金属掺杂及CS复合改性材料对BSA吸附机理的探讨

6.4.1静电吸附机理

6.4.2极性基团的氢键吸附机理

6.4.3表面活性吸附机理

6.5本章小结

第七章纳米羟基磷灰石掺铈与壳聚糖复合材料的安全性能及应用研究

7.1实验材料

7.1.1实验试剂及仪器设备

7.1.2试验材料

7.2实验方法及步骤

7.2.1 nano-HAP及nano-CeCaHAP/CS复合材料的毒理学试验

7.2.2含nano-HAP及nano-CeCaHAP/CS牙膏的抗龋性能测试

7.2.3实验数据统计学处理

7.3实验结果与讨论

7.3.1 nano-HAP及其改性材料的毒理学试验结果

7.3.2含nano-CeCaHAP/CS牙膏的抗龋性能测试结果

7.4本章小结

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢

评定意见