引用本文
董颖韬, 田福聪, 贾斌, 祖斌, 王晓燕. 凝固时间对生物活性盖髓材料表面粘接强度的影响. 北京大学学报(医学版), 2018,50(1): 58-62.
DONG Ying-tao, TIAN Fu-cong, JIA Bin, ZU Bin, WANG Xiao-yan. Influence of setting time on bond strength of different bioactive pulp capping mate-rials with dental adhesive. Journal of Peking University(Health Sciences), 2018,50(1): 58-62.  
Doi: 10.3969/j.issn.1671-167X.2018.01.010
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凝固时间对生物活性盖髓材料表面粘接强度的影响
董颖韬1, 田福聪2,△, 贾斌1, 祖斌1, 王晓燕2
1. 北京市崇文口腔医院特需科, 北京 100062
2. 北京大学口腔医学院·口腔医院,牙体牙髓科 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 口腔数字医学北京重点实验室, 北京 100081;
收稿日期: 2017-10-11
基金资助: 北京大学口腔医院临床新技术新疗法项目(PKUSSNCT-14B15)资助
摘要

目的 观察不同生物活性盖髓材料在初始凝固及完全凝固后,与自酸蚀或酸蚀冲洗粘接系统之间的粘接强度。方法 制备三氧化矿物凝聚体(mineral trioxide aggregate,MTA)、iRoot BP Plus(BP)及iRoot FS(FS)试件各60个,分成三组,分别在材料初始凝固时间(MTA 4 h,BP 2 h,FS 20 min)、24 h、7 d三个时间点对材料表面进行粘接处理,将各材料组随机分为两组,分别用通用粘接剂(Single Bond Universal,SBU)自酸蚀模式或酸蚀冲洗模式进行粘接( n=10),限制粘接面积为直径3 mm圆形,上方制作复合树脂柱后测试其剪切强度并记录断裂模式,计算剪切粘接强度值后采用SPSS 19.0软件中的方差分析方法进行统计分析。采用扫描电镜观察凝固后材料表面形貌及经过不同酸蚀处理后的表面微观形态。结果 三种材料的自酸蚀和酸蚀冲洗粘接强度在初始凝固、7 d时的粘接强度比较差异均无统计学意义( P<0.05);凝固24 h后,MTA的自酸蚀和酸蚀冲洗粘接强度均显著高于FS与BP( P<0.05);同种材料完全凝固后粘接强度均显著高于初始凝固组;各组试样断裂均为盖髓材料内聚破坏。扫描电镜下可见三种材料表面特征性晶体结构,MTA表面晶体较另外两者大;经酸蚀处理后,三种材料表面晶体特征均有不同程度破坏。结论 本研究范围内,FS在较短初始凝固时间即可获得一定的粘接强度,与初始凝固时MTA和BP粘接强度无明显差异。临床条件下可以在盖髓材料初始凝固(20 min)后进行树脂直接修复,以提高临床效果与效率。

关键词: 盖髓术; 生物活性材料; 剪切强度; 粘接剂; 凝固时间
中图分类号:R783.1 文献标志码:A 文章编号:1671-167X(2018)01-0058-05
Influence of setting time on bond strength of different bioactive pulp capping mate-rials with dental adhesive
DONG Ying-tao1, TIAN Fu-cong2,△, JIA Bin1, ZU Bin1, WANG Xiao-yan2
1. Department of VIP Dental Service, Peking Chongwen Hospital of Stomatology, Beijing 100062, China
2. Department of Cariology and Endodontology, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China;
△ Corresponding author’s e-mail, tfc8132@sina.com
Abstract

Objective: To investigate influence of setting time on bond strength of different bioactive pulp capping materials with self-etch or etch-and-rinse adhesive.Methods: Sixty specimens were prepared for each of the three tested capping materials, namely mineral trioxide aggregate (MTA), iRoot BP Plus (BP) and iRoot FS (FS). Specimens of each material were divided into three groups and bonded at three setting time points of the materials respectively: initial setting time (4 h for MTA, 2 h for BP and 20 min for FS), 24 h after application and 7 d after application. The specimen surfaces of each group were treated with self-etch mode or etch-and-rinse mode of one universal adhesive (Single Bond Universal, SBU) ( n=10). The bonding area was restricted to a round area with 3 mm diameter, on which composite cylinders were build up with flowable composite and light cured completely. The shear bond strength was tested immediately with a shear strength tester and fracture mode was observed under stereo microscope and recorded. The mean shear bond strength for each group was analyzed with SPSS 19.0 software ANOVA method. The surface morphology of each material was observed after setting and acid treatment under scanning electron microscope.Results: There was no significant difference among the three tested materials at either initial setting point or 7 d after application ( P<0.05). The bond strength of MTA was significantly higher than those of BP and FS 24 h after application in both bonding modes ( P<0.05). For all the three tested materials, shear bond strength was significantly higher for complete setting group than for initial setting group of the same material ( P<0.05). Under scanning electron microscope, the characteristic crystal patterns could be observed on the three bioactive materials surfaces after complete setting, the size of which was bigger for MTA than for BP and FS. These features were lost to some extent after self-etch primer application or phosphoric acid etching.Conclusion: Based on the present results, adequate bond strength can be obtained for FS at initial setting time, which is comparable with BP and MTA. This implies that clinically composite restoration can be placed over bioactive direct capping materials after shortened initial setting process in one visit.

Key words: Dental pulp capping; Bioactive materials; Shear strength; Adhesives; Setting time

直接盖髓是牙体治疗中保存活髓的重要方法, 理想的直接盖髓材料要有良好的封闭性、生物相容性、抗菌性等性能[1]。三氧化矿物凝聚体(mineral trioxide aggregate, MTA)、iRoot类等生物活性材料能促进牙髓细胞分化并促进修复性牙本质生成, 可以获得比传统的氢氧化钙更高的直接盖髓临床成功率[2, 3, 4]。但这些材料存在临床操作性差、硬固时间长等问题, 不能即刻进行缺损修复, 增加了患者就诊次数, 同时增加了牙髓二次创伤与污染的风险[5]。因此, 新型材料的改良应着眼于缩短凝固时间, 使操作更加便利。

iRoot类生物活性材料包括iRoot BP Plus、iRoot FS、iRoot SP等多种剂型, 它们与经典的MTA组成相近, 优点是可预先加工成膏状或糊状, 使用时无需调拌且固化较快, 能够获得与MTA相同的治疗效果[6, 7, 8, 9], 可以用于直接盖髓、穿孔修补、根管倒充填、根管充填等。其中iRoot FS是后期出现的快速固化型, 凝固时间由原来的2 h缩短为20 min, 理想状况下使用iRoot FS直接盖髓后能在临床可接受的时间范围内一次就诊完成窝洞直接粘接修复。

盖髓材料在初始凝固并达到一定强度后, 临床常规使用粘接性修复材料进行缺损直接修复治疗。凝固的盖髓材料与上方的树脂材料需达到一定结合强度, 以抵抗操作过程中的脱位力及收缩应力, 保证整体修复界面的严密封闭与结合[10]。MTA与牙科粘接系统结合强度的研究结果显示, MTA与复合树脂间的结合强度与材料种类有关, 且在测试时间范围内(3 d)强度逐渐上升[11, 12, 13], 但是不同酸性的处理剂处理效果之间的差异尚不清楚, iRoot类材料相关研究很少, 尤其是iRoot FS在临床应用时, 较短的凝固时间对材料表面与不同粘接系统的粘接强度影响尚不清楚。本研究拟观察不同生物活性盖髓材料在不同凝固时间与自酸蚀或酸蚀冲洗粘接系统之间的粘接强度, 为临床应用提供参考。

1 材料与方法
1.1 实验材料与仪器

选用3种生物活性盖髓材料:ProRoot MTA(MTA, Dentsply, 美国)、iRoot BP Plus(BP, BioCeramix, 加拿大)和iRoot FS(FS, BioCeramix, 加拿大), 其初始凝固时间分别为4 h、2 h、20 min。BP与FS均呈膏状, 二者成分相似, 但增固剂的含量不同, 因此初始凝固时间不同。材料表面粘接处理选用35%磷酸酸蚀剂(3M ESPE, 美国)、通用粘接剂Single Bond Universal(SBU, 3M ESPE, 美国)和流动树脂Z350XT Flow(3M ESPE, 美国)。光固化灯选用Bluephase(Ivoclar Vivadent, 列支敦士登)。剪切强度测试使用微剪切强度测量仪(BISCO, 美国)。具体材料信息及使用方法见表1。

1.2 试样制备与分组

制备180个圆柱型丙烯酸树脂块, 每个圆柱型树脂块圆形断面中心均制备出内直径4 mm、深度2 mm的窝洞, 分为三组, 分别将按使用说明混合后的MTA与BP、FS材料置入窝洞后压实, 在湿度100%, 温度37 ℃的环境中储存。分别在初始凝固(MTA调拌4 h, BP使用2 h, FS使用20 min)、24 h和7 d后对材料试样进行测试。在每个测试时间点每种材料使用20个试样, 冲洗试样材料表面, 600目砂纸湿打磨1 min, 再分成两组, 每组10个试样, 材料表面覆盖直径3 mm孔洞的纸片, 分别用SBU按照自酸蚀和酸蚀冲洗两种模式进行粘接处理并光照固化(表1)。随后将内直径3 mm四氟乙烯磨具置于纸片上方, Z350 Flow流动树脂注入模具, 经过光照强度700 mW/cm2固化灯光照40 s后去除模具, 粘接面上方形成直径3 mm、高3 mm的树脂柱, 进行剪切强度测试。

表1 实验用材料的组成成分和使用方法 Table 1 Composition and application of materials used in this study
1.3 剪切强度测试

使用剪切强度测试仪测量所制备试样的剪切强度, 沿树脂/盖髓材料界面方向以1 mm/min的速度开始加载, 记录断裂时的最大载荷, 并计算粘接界面的剪切强度。立体显微镜下检查并记录界面断裂模式(界面断裂、内聚断裂或混合断裂)。

1.4 材料处理后表面的扫描电镜观察

将MTA、BP、FS三种材料按厂家要求充填在直径4 mm、深度2 mm的模具中, 在37 ℃、湿度100%的环境中储存7 d。每种材料制备6个试样, 分别对材料表面不处理、自酸蚀模式处理(自酸蚀组)或采用磷酸处理(酸蚀冲洗组)。自酸蚀组用SBU处理20 s, 冲洗15 s, 吹干; 酸蚀冲洗组用35%磷酸酸蚀剂处理表面15 s, 冲洗15 s, 吹干。试样干燥, 离子溅射仪表面喷金后, 在扫描电镜下(S3000, Hitachi, 日本)观察表面形貌。

1.5 统计分析

用SPSS 19.0软件进行统计分析。将酸蚀冲洗组及自酸蚀组测试结果分别采用单因素方差分析比较不同材料及凝固时间对粘接强度的影响, 用Tukey法对各组数据进行两两比较, P< 0.05为差异有统计学意义。

2 结果
2.1 不同凝固时间后盖髓材料的粘接强度表现

不同凝固时间后盖髓材料表面与复合树脂材料之间的粘接强度见表2和表3, 方差齐性检验结果显示P> 0.05。同种材料在不同凝固时间后的粘接强度比较结果:MTA经自酸蚀或酸蚀冲洗模式粘接处理后24 h, 粘接强度均较初始凝固处理后显著提高(P< 0.05), 但与处理后7 d间差异无统计学意义(P> 0.05); BP经自酸蚀模式粘接处理后7 d, 粘接强度明显高于初始凝固和24 h(P< 0.05), 经酸蚀冲洗模式粘接处理后, 粘接强度在24 h和7 d均较前一时间点显著提高(P< 0.05); FS经自酸蚀或酸蚀冲洗模式粘接处理后, 粘接强度在24 h后较初始凝固时没有显著变化(P> 0.05), 7 d后的粘接强度有显著提高(P< 0.05)。

表2 不同凝固时间后生物活性材料的自酸蚀粘接强度(MPa, $\bar{x}$ ± s, n=10) Table 2 Shear bond strength of bioactive materials after different setting time with self-etch adhesive(MPa, $\bar{x}$ ± s, n=10)
表3 不同固化时间后盖髓材料的酸蚀冲洗粘接强度(MPa, $\bar{x}$ ± s, n=10) Table 3 Shear bond strength of bioactive materials after different setting time with etch-and-rinse adhesive (MPa, $\bar{x}$ ± s, n=10)

不同材料在相同凝固时间点的粘接强度比较:处理24 h后, 无论自酸蚀模式还是酸蚀冲洗模式, MTA粘接强度均显著高于BP和FS(P< 0.05), BP和FS间粘接强度差异无统计学意义(P> 0.05); 在初始凝固后及7 d时, 无论自酸蚀模式还是酸蚀冲洗模式下三种材料间粘接强度差异均无统计学意义(P> 0.05)。

断面分析显示所有试样断裂均为盖髓材料内聚破坏。

2.2 扫描电镜分析

扫描电镜下观察三种材料完全凝固后及经不同酸性处理剂处理后的形貌(图1)。酸性处理剂可导致材料表面形貌变化, 完全凝固后(7 d), MTA表面可见5 μ m左右的特征六方晶体结构, BP与FS表面形貌相近, 可见针状或簇状晶体结构, 大小约1 μ m。经自酸蚀模式处理后, MTA表面晶体可见粗糙度增加, 形态变得不规则, BP及FS表面原有特征晶体结构消失。经磷酸酸蚀处理后, 可见MTA特征晶体结构消失, BP表面可见散在较小针状晶体出现, FS表面空隙增加。

图1 扫描电镜下观察三种生物活性材料表面形貌及酸蚀处理后表面(× 10 000)Figure 1 Morphology observation or three bioactive materials after setting and acidetching under scanning electron microscope (× 10 000)

3 讨论

本研究结果显示, 三种实验盖髓材料在初始凝固时及完全凝固(7 d)时, 与自酸蚀及酸蚀冲洗粘接系统均可形成一定的结合强度, 三者强度之间比较无显著差异。说明三种实验材料在厂家推荐的初始凝固时间后, 具备在临床条件下进行直接修复的可行性, 但其中只有FS的初始固化时间是可接受的椅旁等待时间, 其他材料初始凝固时间较长, 均需要二次就诊才能完成治疗。

剪切粘接强度测试结果会受到测试材料自身强度及界面结合强度的影响[14], 通过测试后的试样断裂面形态分析可以获得结合界面附近结构的相关信息。本研究中的剪切强度断裂面均为盖髓材料内聚破坏, 说明直接修复即刻后, 其薄弱环节仍为盖髓材料本身。这与生物活性材料的凝固机制有关, 大部分生物活性材料的凝固过程为水合反应过程, 如MTA凝固过程主要由其中的硅酸三钙和铝酸三钙水合反应决定[15], iRoot类材料在上述成分基础上增加了磷酸钙盐成分以提高机械性能与生物相容性[16]。硅酸盐水合反应的过程是一个缓慢的过程, 会受到很多因素的影响, 现有材料(如BP)需要数日才能达到完全凝固, 而彻底的水合反应甚至会持续1~2年[9, 17]。因此, 在凝固之后较短时间内, 盖髓材料本身的性能仍低于光固化后的复合树脂材料, 导致界面断裂发生在盖髓材料内部而非粘接界面或复合树脂内部, 其中MTA在24 h后的粘接强度显著高于BP与FS, 说明MTA在调拌后24 h能够较另外两种材料更快地达到完全凝固。

已有的差示扫描量热分析研究结果显示, 在生物活性材料初凝阶段, 水合反应发生迅速, 水分存在不可缺少, 之后反应速度变缓, 对水的需求相应降低[16]。在临床条件下, 医生在盖髓材料初始凝固后即可进行直接粘接修复, 在此之后盖髓材料凝固过程仍会继续, 自身强度逐渐增强, 而不必等到完全凝固。

MTA等生物活性材料表面可与酸性物质发生反应[18], 这是它与粘接剂形成界面结合的基础。35%磷酸凝胶pH值低于1, 而SBU粘接剂按照自酸蚀模式使用时, pH值约为2.7, 酸性远低于磷酸凝胶[19]。二者对三种完全凝固的盖髓材料进行处理后, 扫描电镜下材料形貌表现不同。MTA表面晶体结构较大, 约5 μ m, 与已有研究结果一致[9], 这些晶体结构应为水合硅酸钙反应产生的氢氧化钙和硅酸盐[20, 21]。经过自酸蚀处理的MTA表面可观察到晶体结构的表面蚀刻表现, 经磷酸处理后表面特征晶体结构消失, 形成具有内部气孔的独特蚀刻模式[22]。BP与FS处理前表面结构相似, 呈现成簇针状或片状外观, 晶体结构较MTA小。经SBU处理后, 两种材料表面原有晶体结构均发生改变, 体积缩小, 经磷酸酸蚀后, 在材料表面形成新的针状或片状晶体结构, 应为酸蚀反应所形成的产物沉积在材料表面。

本研究三种材料经酸蚀冲洗型粘接或自酸蚀粘接后, 粘接强度值相近, 可能由于强度值受到材料本身强度的限制所致。以往研究中MTA与酸蚀冲洗型粘接剂或自酸蚀粘接剂之间的强度比较并无定论[11, 23], 不能简单地认为处理剂酸性强就能取得更高的粘接强度, 还可能存在其他的影响因素。

除了本研究所采用的三种生物活性盖髓材料外, 新型材料不断涌现, 如快速固化型材料Endocem MTA、含树脂成分并可光固化的TheraCal LC等。这些材料在提高了临床固化速率, 简化临床操作的同时, 是否同时兼顾了生物活性及机械性能等多方面的平衡尚需研究验证, 与传统材料之间性能的比较也需要进一步研究。

综上, 在本研究范围内, 新型盖髓材料FS初始凝固时间缩短, 在临床可接受的时间范围能与粘接性修复材料形成一定的结合强度, 可以在盖髓后直接修复窝洞, 为临床应用提供了便利。

The authors have declared that no competing interests exist.

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