一类季铵盐型抗菌单体在牙科抗菌修复材料的应用

摘要

本发明公开了一类季铵盐型抗菌单体在牙科抗菌修复材料的应用，是将一类季铵盐型抗菌单体键接至牙科树脂基材料中，赋予牙科树脂基材料以抗菌性能，其结构通式如右式，式中：R1＝CH2CH2，R2＝CH3，R4＝CH3该结构中一端为单体双酚A－甲基丙烯酸缩水甘油酯、氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯或稀释单体双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯分子结构中共同的聚合基团—甲基丙烯酸酯基团，另一端为具有抗菌作用的功能基团，包括荷正电的N+和位于侧链的苯环、间氯苯环或长链烷基。

说明书

技术领域

本发明涉及一类抗菌单体的应用，特别是一类季铵盐型抗菌单体用于牙科抗菌修复材料的应用。

背景技术

理想的牙科抗菌修复材料应在浸泡于水、油等介质中均无任何溶出物，而材料的表面又能有效杀灭有害细菌，同时具有安全性、高效性和广谱性，体系本身还需具有良好的生物相容性。三十多年来，尽管全世界学者对这一问题都给予了极大关注，但真正被广泛接受的技术到目前为止依然较少。这些技术概括起来，可以分为以下几个方面：

有机抗菌剂的直接添加：添加物包括天然有机物与化学合成有机物。

天然有机抗菌剂主要是从动植物中提取的天然有机物，包括壳聚糖、香精油、血根碱、蜂胶等。壳聚糖是从甲壳质中提取的一种天然的多聚糖，体外实验已经证实它对变形链球菌、伴放线放线杆菌和牙龈卟啉菌具有一定的抗菌活性。壳聚糖还被发现具有生物黏附性。

化学合成的有机抗菌剂包括季铵盐、酚类、醚类、双胍类、咪唑类、醇类等等。其中，洗必泰、三氯新、氯化十六烷基吡啶都常用于牙科领域，尤其常见于牙膏和含漱液的配方中。洗必泰为一种双胍类化合物，一直被视为化学性牙菌斑控制的金标准。洗必泰也对大多数口腔菌群发挥抑菌或杀菌作用。高浓度时，洗必泰表现出杀菌作用，可破坏菌体胞质膜，造成胞浆小分子量物质渗漏并可凝聚胞浆组分；它也可抑制主要的代谢酶，例如葡聚糖转移酶和磷酸烯醇丙酮酸盐磷酸转移酶，与F^-或其他金属离子如Zn²⁺联合作用还可增强防龋功能。当洗必泰从口腔粘膜表面洗脱维持低浓度时，它可发挥抑菌作用。由于洗必泰是一种阳离子化试剂，其分子可被吸附于釉质表面或唾液薄膜上，所以同时还可抑制细菌黏附。但洗必泰的副作用也不容忽视，包括可造成某些病人牙齿和软组织中、重度染色，龈上牙石过度沉积，年轻病人软组织损伤，变态反应和味觉异常

该方法研究的抗菌材料具有起效快、抗菌效能高、易于分散混合等优点，但普遍存在两个主要缺点：首先，其释药动力学表明，在最初的几天内，抗菌剂以“突释效应”的方式大量释放，难以达到抗菌成份的长期释放；其次，添加抗菌剂后材料的力学性能显著下降。有学者报道加入1％的葡糖基洗必泰后导致了材料拉伸强度以及压缩性能的降低。此外，该类抗菌剂尚存在耐热性差、易在溶剂环境中滤出、分解产物有毒、抗菌谱窄等不足。因此，此种技术已逐渐被淘汰。

包裹无机抗菌剂：即将具抗菌活性的无机物与其载体组成的无机抗菌剂，如银系抗菌剂、氧化锌晶须抗菌剂、光催化型抗菌剂等加入树脂基材料中。Tanagawa M等将经硅烷化处理后的三种载银无机抗菌剂添加到Bis-GMA/TEGDMA(3G)复合树脂中，获得了机械性能良好并能有效抑制变形链球菌生长的非溶出性抗菌复合树脂。此类抗菌材料具有抗菌谱广、毒性低、不产生耐药性、化学稳定性好等优点，但银易硫化或氧化、光稳定性差、易变色，不宜用于浅色材料，同时，无机抗菌材料的持久性也是尚未解决的难题之一。

抗菌高分子材料的接枝与共聚：即将具有抗菌活性的功能基团组装键接至树脂基质的高分子链上(如图1所示)。此类抗菌剂具有杀菌速度快、抗菌效能持久、分散均匀、色泽良好等优点，同时因其是将抗菌功能基团通过化学键的形式牢固键接在树脂基质中，因此克服了普通有机抗菌剂热稳定性差、容易分解溶出、分解产物有毒等缺点。国际上到目前为止唯一成功报道的是Imazato S等人合成的抗菌单体(如图2所示)：甲基丙烯酰氧十二烷基溴吡啶(MDPB)，并将其加入到自酸蚀处理剂中，合成了具有抗菌功能的自酸蚀处理剂。其原理是通过季铵和丙烯酰基团先结合，得到可聚合抗菌单体MDPB，再与其它牙科单体共聚交联固化，树脂固化后抗菌单体MDPB与其他单体形成高分子交联网络，抗菌剂通过共价键链接到高分子材料中。

而在国内，尚无牙科抗菌高分子材料的研究报道。在上述三种研究思路中，获得理想牙科抗菌材料的最可能途径是抗菌高分子材料的接枝与共聚。尝试利用高分子化学手段合成抗菌单体，并继而将其接枝或键合于牙科材料基质，是研发牙科抗菌修复材料的另一思路。

发明内容

本发明的目的在于，提供一类季铵盐型抗菌单体用于牙科抗菌修复材料的应用。

本发明的技术思路是将一类季铵盐型抗菌单体键接至牙科树脂基材料中，赋予牙科树脂基材料以抗菌性能。

牙科树脂基材料为窝沟封闭剂、树脂基粘结剂、复合树脂等。

本发明将所述的季铵盐型抗菌单体键接至牙科树脂基材料中，赋予牙科树脂基材料以抗菌性能，其结构通式如下：

式中：

R₁＝CH₂CH₂，R₂＝CH₃，

R₃＝(CH₁)₁₃CH₃，

R₀＝CH₃

该结构中一端为牙科常用基质单体双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯、氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯或稀释单体双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯分子结构中共同的聚合基团-甲基丙烯酸酯基团，另一端为具有抗菌作用的功能基团，包括荷正电的N⁺和位于侧链的苯环、间氯苯环或长链烷基。

附图说明

图1是抗菌高分子材料结构示意图；

图2是MDPB分子结构式；

图3、图4、图5分别是本发明所使用的三种季铵盐抗菌单体的分子结构；

图6是抗菌粘结剂固化后对变形链球菌的抗菌动力学曲线；

图7是检测C＝C双键波数(wavenumbers)的确定；

图8是抗菌单体对粘结剂的粘结性能的影响图；

图9是抗菌单体对树脂机械性能的影响图。

以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明将一类季铵盐型抗菌单体键接在至牙科树脂基材料中，赋予牙科树脂基材料以抗菌性能，形成牙科抗菌修复材料，单体结构通式如下：

式中： R₁＝CH₂CH₂，R₂＝CH₃，

       R₃＝(CH₁)₁₃CH₃，

       R₀＝CH₃

上述结构中一端为牙科常用单体双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA)、氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯(UDMA)或常用稀释单体双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯【TEGDMA(3G)】分子结构中共同的聚合基团-甲基丙烯酸酯基团，另一端为可具有抗菌作用的功能基团，包括荷正电的N⁺和位于侧链的苯环、间氯苯环或长链烷基。

本发明所使用的一类季铵盐抗菌单体有三种，其分子结构如图3、图4、图5所示，化学名分别为：甲基丙烯酰氧乙基-苄基-二甲基氯化铵(DMAE-BC)，甲基丙烯酰氧乙基-正十六烷基-二甲基氯化铵(DMAE-CB)，甲基丙烯酰氧乙基-间氯苄基-二甲基氯化铵(DMAE-m-CBC)。

为了验证季铵盐单体键接在至牙科树脂基材料中所形成牙科抗菌修复材料，以下以液体稀释法测定给出上述三种季铵盐单体对四种常见口腔致病菌的抗菌活性实验及其结果。

1.三种季铵盐单体对四种常见口腔致病菌的抗菌活性实验

以BHI液体培养基为溶剂，DMAE-BC，DMAE-mCBC和DMAE-CB原液的初始浓度分别确定为100mg/mL、100mg/mL、5mg/mL，连续倍比稀释备用。实验菌株隔夜培养后调整菌液浓度至1×10⁷ CFU/mL。每个试管中加入抗菌单体溶液1mL、菌液100μL。变形链球菌、粘性放线菌培养管置于37℃、5％CO₂、5％N₂培养箱中培养24～48h。白色念珠菌和金黄色葡萄球菌培养管置于37℃空气培养箱中培养18～24h。试管内液体清亮的抗菌单体最低浓度为该抗菌单体的最低抑菌浓度(MIC)。接种环挑取清亮试管中的培养物，划线接种于BHI琼脂平板上，孵育48h，无细菌生长的最低抗菌单体浓度为该抗菌单体的最低杀菌浓度(MBC)。以上步骤重复3次。

各抗菌单体对四种口腔致病菌的MIC/MBC值见表1。在三种抗菌单体中，DMAE-CB表现出最强的抗菌活性，对四种口腔致病菌的MIC值介于1.2-4.8μg/mL，而DMAE-BC与DMAE-m-CBC两者的MIC值之间没有显著性差异(P＞0.05)，两者的MIC值显著大于DMAE-CB的MIC值(P＜0.05)。

表1.三种季铵盐抗菌单体对口腔病原菌的MIC/MBC值

 实验菌株                          MC^*and MBC(μg/mL) DMAE-BCDMAE-mCBC    DMAE-CB变形链球菌ATCC 25175 1562.5^a(6250.0)1562.5^a(3125.0)    2.4^b(4.8)粘性放线菌ATCC 15987 3125.0^a(3125.0)1562.5^a(1562.5)    4.8^b(9.6)金黄色葡萄球菌ATCC 29213 1562.5^a(6250.0)1562.5^a(3125.0)    1.2^b(2.4)乳酸杆菌ATCC 393 1562.5^a(1562.5)3125.0^a(3125.0)    2.4^b(9.6)

^*含相同小写字母的组间无显著性差异(P＞0.05)，括号内为MBC值

2.含不同浓度抗菌单体粘结剂固化前后粘结样本制备

固化前样本制备：在暗室中将称取好的抗菌单体DMAE-CB按0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、5.0％、10.0％、15.0％(w/w)加入一定量粘结剂Adaper^TM Single bond 2中，轻摇以使单体充分溶解，分别以P-0％组、P-0.5％组、P-1.0％……P-15.0％组表示。锡箔纸包裹，封口胶密封备用。

固化后样本制备：用微量加样器吸取上述各浓度含抗菌单体的粘结剂50μL于24孔板(Nunclon，Nunc，Denmark)的孔底，每组5孔，轻轻吹匀，光固化(Spectrum^TM 800 curing unit，Dentsply，USA)60s后立刻浸入无菌蒸馏水中，室温放置1h以洗脱未聚合的成分，自然干燥备用。

3.抗菌粘结剂固化后对变形链球菌的抗菌动力学实验

在培养板的上述各孔中加入BHI液体培养基1.8mL，实验菌液0.2mL，培养孔中菌液的初始浓度约为1～2×10⁶CFU/mL。充分混合后于37℃厌氧条件下培养，于1，10，30，60，120，360，720，1440min后取样并稀释，平板计数法计其活菌数，绘出各组的菌数-时间曲线如图6所示。并设立阳性与阴性对照。

4.抗菌单体与牙科常用单体的共聚研究

4.1抗菌单体的添加对材料固化特性的影响

将5μL不含或含有各浓度组抗菌单体的粘结剂Adaper^TM Singlebond 2涂于自行压制的KBr晶片之间(直径1cm、厚度恒定)。应用PerkinElmerSpectrum One傅立叶变化红外光谱仪(Beaconsfield，英国)测试固化前的红外光谱图。然后将样本光固化20s，同前进行红外测试。再次进行两次20s固化，分别检测累计光照固化40s和60s后材料的红外光谱图。

通过计算固化前后样本中C＝C(峰值位于1638.6cm^-1)和C...C(峰值位于1609.4cm^-1)(见图7)吸收强度的比例可以计算得到未反应的C＝C双键的百分比，再从100％中减去即为双键转化率，见公式(4)和公式(5)。

双键转化率(％)＝1-％C＝C).......................(5)

每组测试4个样本，所得数据进行方差分析，并应用Turkey HSD法进行组间两两比较。

结果：FTIR的实验结果如表2所示。统计分析证实各实验组间双键转化率无显著差异(P＞0.05)。说明单体的添加量在0.5-15％之间时对粘结系统的固化性能无显著影响。

表2.不同固化时间的双键转化率(％，)

  时间  P-0％  P-0.5％  P-1.0％  P-1.5％  P-2.0％  P-2.5％  P-5.0％  P-10.0％  P-15.0％  20s  54.6±2.7  52.2±3.3  53.1±1.8  53.6±1.9  51.4±1.6  53.3±2.3  51.7±3.5  53.4±3.3  52.1±1.6  40s  60.9±2.1  58.4±4.5  62.5±2.5  57.5±2.5  57.1±2.3  57.0±2.2  58.2±2.4  61.4±2.6  63.1±2.2  60s  63.6±2.4  61.5±4.4  63.9±2.3  61.9±2.3  61.7±2.4  62.4±2.5  62.9±4.0  63.1±3.1  65.6±2.1

4.2抗菌单体的添加对材料理化性能的影响

在暗室中将称取好的抗菌单体DMAE-CB按0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、5％、10％、15％比例，分别加入一定量粘结剂Adaper^TM Single bond2中，轻摇以使单体充分溶解。锡箔纸包裹，封口胶密封备用。

将人第三磨牙切去咬合面牙釉质，暴露牙本质并经水砂纸充分磨光，35％磷酸凝胶酸蚀30s，流水冲洗后压缩空气轻吹，使牙本质面保持适当湿润。将经过处理的45个牙本质试件分为9组(每组5个)，1组涂抹未添加DMAE-CB单体的Single bond 2粘结剂(作为对照)，其余8组分别涂抹添加不同比例DMAE-CB单体的粘结剂，20s后压缩空气吹匀，光照20s固化。将Z100 A2光固化复合树脂加压堆塑在牙面上，形成2mm后的树脂层，光照40s固化。采用低速切割机将粘结完成的试件切割成横截面积为1mm²的棒状标准试件(一端为树脂，另一端为牙体组织)。再将棒状试件固定在Triax拉力实验机上，以0.5mm/min速度加载进行拉伸，直至试件破坏，计算微拉伸强度。

结果如图8所示：DMAE-CB单体的添加比例在0.5-10％的各组粘结强度与对照组无显著差异(P＞0.05)；添加15％DMAE-CB单体组粘结强度明显低于对照组(P＜0.05)。

4.3添加抗菌单体对树脂机械性能的影响

在暗室中将称取好的抗菌单体DMAE-CB按0、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、5％、10％、15％质量比，分别加入EAM树脂基质中，再与EDMA、二氧化硅填料、BPO及CQ等成分充分混合，制成双固化树脂材料(基质与填料、引发剂添加配方由第四军医大学口腔医学院材料教研室提供)，避光保存。

4.3.1挠曲强度：

分别以9种树脂材料，在不锈钢模具中制备规格为25mm×2mm×2mm的9组试件(n＝7)，分别为可见光固化40s，37℃水浴24h，精确测量每个试件的横截面边长B和高度H(mm)在万能实验机上进行挠曲强度实验，跨距L＝20mm、加荷速度0.5mm/min，记录断裂载荷F(N)，按照FS＝3FL/2B·H²公式计算挠曲强度(MPa)。

4.3.2压缩强度：

分别以9种树脂材料，在聚四氟乙烯模具制作尺寸为高8mm、直径4mm的9组试件(n＝7)，可见光照射40s，37℃水浴24h，精确测量每个试件直径d(mm)万能试验机上进行压缩强度实验，速度0.5mm/min，记录破坏载荷F(N)，按照CS＝F/πr²公式计算压缩强度(MPa)。

4.3.3径向拉伸强度：

分别以9种树脂材料，在聚四氟乙烯模具中制作尺寸为直径6mm、高3mm的五组试件(n＝7)，可见光照射40s，37℃水浴24h，精确测量每个试件直径d和高l(mm)，计算断裂载荷F(N)，按照DTS＝2F/πdl公式计算径向拉伸强度(MPa)。

结果如图9所示：DMAE-CB单体的添加比例在0.5-15％的各组挠曲强度、压缩强度及径向拉伸强度均与对照组无显著差异(P＞0.05)。