文摘

测量材料的润湿性cytocompatibility的预测指标。本研究旨在评估暴露的影响;纤维和生物活性玻璃(袋)粒子在复合植入物的表面润湿性能的行为。研究了两个不同的组:(a)纤维增强复合材料(FRCs)与不同的纤维取向和(b)聚合物复合材料具有不同wt %袋粒子。Photopolymerized和热postpolymerized复合基质是由两组。表面润湿性、地形和粗糙度进行了分析。平衡使用液滴接触角测量方法。三种液体被用作探针表面自由能的计算技术。超临界流体从接触角度值计算获得在光滑的表面上。纤维的表面与横向分布显示更高( )极( )和总技术( (16.9和51.04 mJ / m)组件2、职责)比纤维的表面与平面分布(13.77和48.27 mJ / m2、职责)。袋的增加粒子wt。%增加极地( )值,而色散( )值下降。Postpolymerization通过热处理提高超临界流体组件在所有调查的表面( )。包含e玻璃纤维和复合包颗粒亲水性材料显示良好的润湿性特征。

1。介绍

植入物的表面性质及其修复基牙提供最重要的一个条件有关口腔植入程序的未来的成功1]。因为这些组件穿透牙龈组织和暴露在口腔,他们不仅在生物相容性也起着重要的作用在细菌粘附和停滞2]。

生物材料表面质量可以测量通过物理、化学和机械性能和表面结构(3]。人们普遍认为早期表面发生的事件迅速在植入生物材料在生物体液确定后续反应。这些涉及到生理液体润湿,紧随其后的是吸附的蛋白质和细胞生物材料表面4]。

细胞粘附等行为、形态变化、功能变更、和扩散深受表面性能,如亲水性、粗糙度、电荷,自由能,和形态(5- - - - - -7]。众所周知,表面化学、表面能和表面形貌控制一个植入材料的生物反应8]。Hallab et al。9]表明,表面自由能(医药)是一个更重要的比表面粗糙度的表面特性细胞粘附强度和扩散的技术组件测试的各种材料显示出与细胞粘附强度。Schakenraad et al。10)发现,尽管许多参数干扰细胞粘附和传播,坚实的技术显然是一个主导因素在细胞对聚合物表面依然如此,即使固体表面覆盖了一层蛋白质。据报道,粗糙度可能使细胞增殖(超临界流体之间的关系11]。然而,假定表面粗化的影响接触角消失,如果平均表面粗糙度( )< 0.1μ米(12]。

测量材料的润湿性,所表达的接触角( )在不同的液体,是一种预测cytocompatibility指数(1,13]。接触角的技术进化的方法在1805年第一次被年轻,像被Baier et al。14]。如果少量的液体沉积在固体表面,它不会扩散,形成下降。线的交叉角正切的液体和固体表面的接触接触角(图1)。这个角是系统中的物质的特征,因为表面张力的液体和固体的表面能,修改某些属性如粗糙度。说另一种方式,低接触角表示良好的润湿性,而高贫穷润湿接触角的结果[15]。因此,固液界面的相对润湿特征可以推断出接触角测量。


图1
说明液体液滴的液滴技术部分润湿固体基质: :平衡接触角; :固体和气体之间的界面张力; :固体和液体之间的界面张力; :液体和气体之间的界面张力。

超临界流体对润湿性(很重要14]。表面能是能量在固体的表面,它大于内部的能量。外层原子并不是同样的相互吸引的内层原子。最外层原子层上的能量是最大的,因为不饱和键生成表面能量(17]。超临界流体可以确定通过测量液体的接触角由一系列给定的表面,使用几个不同的方法(18]。当液体放在低能表面,接触角会更高,而高能量表面(14]。

纤维增强复合材料的使用(FRC)增加了许多牙科应用程序(19- - - - - -22]。最近,尝试了使用FRC在牙科植入物材料,整形,颅面外科手术23- - - - - -25]。虽然有数量有限的科学文献使用FRC材料作为外科手术设备,他们显示潜力用于外科手术,尤其是当结合生物活性修饰符,如生物活性玻璃(袋)。

生物活性材料,如袋与体液交互,以及随后形成磷酸钙丰富(Ca-P)层紧密结合表面允许他们硬和软结缔组织(26- - - - - -28]。附件与发展相关机制是carbonate-containing羟磷灰石层表面的材料,它提供了一个强大和稳定的生活与组织(26- - - - - -29日]。袋被选为它促进细胞附着的软组织表面植入物(29日)和诱导牙周组织附件(28]。

从BisGMA-TEGDMA残余单体聚合物的释放可能会影响聚合物植入物的生物相容性30.]。因此,复合植入应该有一个最佳程度的单体转化率(DC = %)。这可以通过延长光聚合时间结合postpolymerization增加温度(31日]。

本研究的目的是评估表面平均粗糙度( )、地形和润湿性由不同e玻璃纤维取向和袋颗粒百分比通过使用接触角测量仪和共焦显微镜相结合。这项研究是基于e玻璃纤维和包的工作假设除了粒子复合矩阵影响表面的润湿行为调查。

2。材料和方法

2.1。研究设计

两组不同的基质进行了在目前的研究( 每组)。第一组是由不同纤维方向的单向FRCs(横向和平面方向)(图2)。第二组是由聚合物复合材料随着袋颗粒百分比(25%,50%,75%,和100%的重量,职责)。纯聚合物和普通包底物被用作正面和负面的控制。为两组,两组不同准备了不同的固化方法(photopolymerized和postpolymerized温度)的增加。


图2
示意图和简化FRC标本的照片显示纤维在不同方向的飞机:(一)纤维横向运行;(B)纤维运行平面(垂直的);(C)纤维运行平面(平行)。

最后衬底切削过程暴露了玻璃纤维和粒子在衬底表面。不同的表面是通过表面粗糙度特征( )决定、接触角测量和超临界流体计算。

2.2。样品制备

使用的材料制造的标本在表列出了本研究1。e玻璃纤维和粒子袋与丙烯酸酯混合,扔进模具(10×10×2毫米),和photopolymerized 60秒(3 m Espe Elipar S10,德国)。辐照度是950 mW /厘米2衡量养护辐射计。随后,优化直流%,一组标本在烤箱postpolymerized 24小时在120°C。的单向silane-sized e玻璃纤维粗纱是树脂浸渍light-polymerizable BisGMA-TEGDMA(50 - 50%)树脂在孵化器和孵化37°C 48小时(06062 D, 600年上一次Memmert GmbH +有限公司公斤,德国)。e玻璃纤维的成分按重量SiO 55%2,15%的2O3曹,22%,6%2O3,分别以0.5%和> 1.0%铁+ Na + k .重量是SiO包的组成粒子253%,Na2曹O 23%, 20%, P2O54%。

表1
材料使用的调查。

使用湿标本的表面地面碳化硅磨纸(FEPA # 4000)和抛光布,0.1μm AP-D暂停使用磨床(LaboPol-21, Struers a / S,丹麦)。这个抛光过程确保平均表面粗糙度( )低于0.1μ米,消除接触角测量表面粗糙度的影响。每个抛光步骤后,标本在蒸馏水超声清洗10分钟去除可能嵌入磨料。标本留存后接触角测量和每个抛光步骤 的决心。标本的条件在室温下2天前测试。

2.3。粗糙度和成像特性

一个旋转的磁盘共焦显微镜光源(COM, NanoFocus呈白色μ冲浪、德国)是用来确定3 d表面参数。平均3 d表面粗糙度值( 根据DIN EN ISO 4287)为100 x放大。在100 x放大,镜头的垂直分辨率是2 nm和数值孔径0.8 - -0.95测量面积160 - 158μ测量完成了100 m。x镜头,80年的截止波长μ使用m。六阅读每个标本都是在不同的随机选择的位置。平均值计算,定量地表示为一个数值(微米)和一个图表的概要文件。

2.4。接触角测量

平衡接触角( )采用悬滴法测定(详细描述其他地方(32])和接触角测量仪(KSVCAM100 KSV,仪器有限公司、芬兰)。沉积在表面和成像20秒钟通过收集每2秒一个图像。接触角的确定是基于Young-Laplace方程,产生液滴的接触角两边及其平均值。三个液体用作探针技术计算(表2)。结果是平均每个标本上至少10滴。对于包含e玻璃纤维的标本,接触角测量两个方向对纤维取向(平行和垂直于相机的轴)。共有5700个测量。

表2
测试液体表面张力及其组件。
2.5。表面自由能的计算

超临界流体计算使用两个理论模型,Owens-Wendt(噢)和Van-Oss (VO)方法。雪模型方法给出了远程色散(Lifshitz-van范德华)( )和短程极地(氢键)( (中)组件33),和签证官方法带来色散( )和极地酸碱( )组件,后者分为两个部分,酸性( 和基本的 )[34)根据以下方程: 在哪里 超临界流体表面的, 液体的超临界流体, 。

对这两种方法,传播的压力是不考虑。这种压力会导致超临界流体和必须考虑如果超临界流体高于60 mJ / m2(35]。在目前的工作,超临界流体压力值低于这一限制,传播可以无视。

2.6。统计分析

使用SPSS统计分析v.14.0软件包(SPSS Inc .)。方差分析(方差分析)其次是图基其事后测试被用来分析差异几个意思。差异在95%的置信水平被认为是重要的。自变量是接触角,和依赖变量的数量和纤维取向在复合袋,和聚合的类型。

3所示。结果

3.1。粗糙度和成像特性

平均表面粗糙度( )通过共焦显微镜测量提出了表3。所有表面调查显示 的值小于0.1μm。研究标本的共焦分析器3 d图像平滑抛光后如图所示3。

表3
平均值和标准偏差(SD)标本的表面粗糙度记录共焦图像分析器。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
图3
共焦分析器的3 d图像样本调查:(a) 100%的聚合物;(b)与平面定向纤维聚合物;(c)与面向横向纤维聚合物;聚合物+ 25 wt (d) 75%。% BAG-particles分数;聚合物+ 50 wt (e) 50%。% BAG-particles分数;聚合物+ 75 wt (f) 25%。% BAG-particles分数;袋(g) 100%。
3.2。接触角测量

e玻璃纤维和BAG-particle复合材料亲水性材料显示良好的润湿性特征。表4给出了平衡接触角值通过液滴法在不同的表面机械抛光后调查达到最低粗糙度(即。粗糙度没有可衡量的作用,接触角决定)。接触角测量不同表面上相同的FRC根据e玻璃纤维排列(图4)。

表4
平均值和标准偏差(SD)的接触角测量。

图4
(一)水运行的相机与纤维接触角测量平面(垂直)相机轴;(b)水运行的相机与纤维接触角测量平面(并行)相机轴。
3.3。表面自由能的计算

英国财务报告理事会材料(图5)、纤维的表面与横向分布(即, )显示高( )极( )和总技术( )比平面分布的表面纤维组件(例如, )。超临界流体计算也不同在同一FRC表面根据e玻璃纤维排列(图6)。


图5
色散( )、极地( ),总( )组件的表面自由能计算技术使用Owens-Wendt方法:(A)纤维的平面分布;(B)纤维的横向分布。

图6
色散( )、极地( ),总( )组件的表面自由能(FRC)计算使用Owens-Wendt方法:(A)纤维运行平面(垂直的)摄像头轴;(B)纤维平面(并行)相机轴运行。

袋复合材料(图7),增量增加袋粒子wt %导致增加。( )值。相比之下,色散( )值降低,而总技术( )值的所有表面相同的数量级。


图7
色散( )、极地( ),总( )组件的表面自由能、不同包的聚合物复合材料技术粒子wt。%(0%、25%、50%、75%和100%,分别地)使用Owens-Wendt方法计算。

Postpolymerization通过改进超临界流体热组件的标本( )。治疗方法的效果在不同的组件显示在图中8。


图8
色散( )、极地( ),总( )组件的表面自由能、纯聚合物标本的技术不同的聚合方法使用Owens-Wendt方法计算。

根据签证官中不同组件方法没有显示。但是,超临界流体的极性分量( )由嗷的方法总是大于acidic-basic组件( 签证官)计算的方法。

4所示。讨论

超临界流体固体表面的给出一个直接测量接口和有很强的分子间相互作用的影响润湿、吸附、和粘附行为(36]。超临界流体和润湿性的材料可以由测量液体的接触角由一系列在给定的表面,使用几种不同的方法(18]。生物材料发展的焦点已经转移到控制材料表面润湿性的改善组织植入物表面的附件。

有正在进行的研究发现替代植入材料,可以提供更好的生物力学属性匹配的生活比钛提供组织[23,37- - - - - -40]。FRC-BAG复合材料显示一些有趣的结果(23];然而,对暴露的影响;纤维和包粒子在聚合物的表面润湿性能的行为。一些动物实验与植入物及其暴露纤维表明,玻璃纤维表面的一个移植骨形成有积极的影响23,24,这可能与表面润湿性能。本研究旨在评估是否玻璃纤维取向或添加BAG-particles可能会影响复合材料的表面性质。

4.1。粗糙度表征

使用共焦成像分析器是一个有效的方法来分析不同生物材料的表面形貌。平均表面粗糙度可以定性地确定并转换为一个数字阅读的表面形貌41]。最常用的是牙科植体粗糙度参数 “算术平均值的偏差粗糙度轮廓与中间线。“表面粗化的效应产生的液滴的接触角反映了技术也已经有了很广泛的研究(9,11,12]。表面粗糙度可能会占到粗糙表面的接触角滞后( μ米),其余滞后在光滑的表面( pm)将由表面化学异质性(12]。在目前的研究中,所有调查显示表面光滑的表面特征( 小于0.1μ米);因此,表面粗糙度的影响可以被认为是微不足道的。此外,它已经清楚地表明,表面粗糙度不影响观察接触角如果平衡接触角光滑聚合物表面( 小于0.1μ60°、86°(m)之间12]。在我们的研究中,大多数的调查显示表面接触角值在给定的范围内。

4.2。在光滑的表面接触角测量

接触角的测量在solid-air-liquid会议点是一种广为人知的技术用来研究固体表面的润湿性42]。获得的值取决于液体的表面张力,表面形貌,清洁,和能源的固体基质(42,43]。因此,固液界面的相对润湿特征可以推断出接触角测量。

在这项研究中,超临界流体的计算是基于液体的接触角数据来自三种类型:纯粹的非极性(甲酰胺),极地(二碘甲烷)和氢保税(水)(44]。水接触角保持50°- 65°范围内的所有表面一般表明良好的附着力和显示良好的细胞增殖(45]。

有趣的是,如图4可以看出,接触角是影响e玻璃纤维的取向(即。,无论是纤维轴平行或垂直于相机)。我们发现,当镜头的轴线垂直于纤维(垂直视图),水接触角值似乎低于获得当相机的轴平行于纤维(平行视图)。这可以解释通过表面粗糙度的作用或超临界流体固体基质的功能,但它是前面提到的表面粗糙度的影响可以忽略不计( 小于0.1μ米);因此,这种现象可以归因于超临界流体的影响的暴露e玻璃纤维衬底表面。以前,它已经表明,FRCs的几个特征,如机械、热、和光学性质,相关纤维的方向(46- - - - - -48]。目前的研究表明表面润湿性能也与纤维的方向有关。FRC的anisotropicity等许多人造和天然纤维结构的典型的木材和骨头。Anisotropicity FRC的润湿性是一个重要的观察和制造过程中应考虑的设备。

这一事实越来越wt。%的袋子粒子在聚合物矩阵改善润湿性可能与表面接触玻璃粒子动力学。从这个角度来看,使用包颗粒复合植入表面似乎是有利的。

4.3。表面光滑的表面自由能的计算

粗糙度强烈修改润湿性,如果想要描述一个衬底表面的表面能,必须使用表面光滑,因为不是一个医药测量地形表面的形态,但表明固体表面的表面张力(11]。因此,超临界流体计算不能使用粗糙表面进行测量。因此,在目前的研究中,基质是抛光为了达到比较光滑的表面纹理。表面能量的和表面张力的极性和色散组件。提出了许多理论和方法技术的决心。然而,制定的表面和界面自由能,至于它的组件,仍然是一个有争议的问题。在这项研究中,两种理论模型(Owens-Wendt和Van-Oss)。

Owens-Wendt计算(图6)表明,纤维取向代表,事实上,一个关键问题,设计时必须考虑FRC电器生活组织。

有趣的是,袋子复合材料显示,极地组件(线性增加 ),但减少色散组件( )wt %。袋颗粒增加。这使超临界流体的总组件( )在同一数量级的所有包的表面。最高的技术组件与平原袋标本被发现,这可能是由缺乏解释聚合物复合矩阵中倾向于减少衬底表面的能量。然而,使用普通袋材料重建手术(即。,oral implant abutments) is not applicable, whereby the material does not exhibit sufficient mechanical strength under loading conditions.

作者此前的研究显示,FRC植入物的力学性能相媲美的钛植入体,可以定制来满足需求的几个临床应用(49]。为了研究纤维密度的影响FRC植入物的表面润湿性能的行为,标本不同纤维卷。%(50%、55%和60%,分别地。)进行了分析。增加e玻璃纤维卷。%对表面能有类似的影响,也越来越wt %袋粒子(图9)。


图9
色散( )、极地( ),总( )组件的表面自由能与不同的卷(医药)标本。% e玻璃纤维使用Owens-Wendt方法计算。

在这两种情况下,即e玻璃纤维和袋子,暴露了无机玻璃表面覆盖的羟基。Hydroxyl-covered衬底或部分的组合是最可能的原因的增加复合材料的表面润湿性能。羟化玻璃表面也在坚持使用玻璃纤维聚合物基质的硅烷偶联剂(21]。

我们发现postpolymerization热处理表面亲水性(即改善。,较小的接触角值)与先前的报告是在协议(50]。MacDougall et al。30.]发现从BisGMA-TEGDMA残余单体聚合物的释放可能会影响聚合物植入物的生物相容性。因此,复合植入应该有一个最佳程度的单体转化率。Ballo et al。50]表明,大约90%的聚合物的单体转化程度可以通过在真空中光聚合和后固化24小时在120°C。这个温度是接近玻璃化转变温度( BisGMA-TEGDMA共聚物。进一步储存水,残余单体淋溶的复合材料,可以改善聚合物的生物相容性。postpolymerizing热,聚合物矩阵似乎更少的地面的抛光过程中,这是最有可能由于更高的交联密度,即直流%高于得到的光聚合。图10展示了地形的变化,可以通过优化聚合过程。







图10
共焦分析器的3 d图像与袋颗粒聚合物光固化和oven-cured标本显示地形差异。

潜在的生物的好处FRC-BAG材料的润湿性好,作为高需要探索细胞培养条件和实验动物模型在任何明确的结论的重要性纤维取向或添加包放在组织集成可以得出。

5。结论

基于这一研究获得的结果,可以得出以下。(1)e玻璃纤维和袋颗粒复合材料亲水性材料显示良好的润湿性特征对水。(2)FRC的各向异性性质证明的润湿性和超临界流体。(3)优化直流%提高聚合物的技术。

确认

作者要感谢博士明娜Piispanen(过程化学中心,Abo血型学会大学,芬兰)为她熟练的技术援助。本研究属于BioCity图尔库生物材料研究项目。