报告

本文的主要作者为Hongyan Chen（陈红燕）和Jiaxin Luo（罗佳欣），两人为共同第一作者，通讯作者为Xinquan Jiang（蒋欣泉）。研究单位包括上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海口腔医学先进技术与材料工程研究中心、上海口腔医学重点实验室等，以及东华大学材料科学与工程学院。该研究于2023年8月24日发表在期刊 Biomolecules 上，论文标题为《Synthesis of pore-size-tunable porous silica particles and their effects on dental resin composites》。

本研究属于牙科修复材料科学领域。牙科树脂复合材料（dental resin composites, DRCs）是目前治疗龋病最常用的修复材料，但其平均使用寿命不足10年，修复体断裂是主要原因之一。大量研究表明，修复体断裂主要源于填料与树脂基体之间的界面相互作用不佳。传统上，界面结合通过硅烷化处理填料表面来实现化学键合，但酯键和硅醇基在口腔环境中易水解，导致理化性能下降。相比之下，具有多孔结构的填料能够在界面处与树脂基体形成物理性的微机械锁合（micromechanical interlocking），从而改善复合材料的性能。然而，多孔填料的孔径大小对微机械锁合构建及最终复合材料性能的影响尚不清楚。因此，本研究旨在合成孔径可调的树枝状多孔二氧化硅（dendritic porous silica, DPS）颗粒，并系统研究其孔径对牙科树脂复合材料性能的影响。研究提出的零假设为：DPS孔径不影响DPS增强树脂基复合材料的理化性能和力学性能。

研究流程主要包括三个部分：DPS颗粒的合成与表征、DPS增强DRCs的制备与理化性能测试、以及细胞相容性评价。在第一部分中，研究采用动态自组装与煅烧相结合的方法，以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂、正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源、六亚甲基四胺（HMT）为催化剂，通过改变初始微乳液体系中HMT的用量（0.1、0.3、0.6和0.9 g），合成了四种不同孔径的DPS颗粒，分别命名为DPS1、DPS3、DPS6和DPS9。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察颗粒形貌和孔道结构，利用X射线衍射（XRD）、小角X射线散射（SAXS）和氮气吸附/脱附等温线分析其晶体结构、多孔结构和比表面积。第二部分将合成的DPS颗粒作为单一填料，以21 wt%的固定填料含量与双酚A甘油酸酯二甲基丙烯酸酯（Bis-GMA）/三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）树脂基体混合，制备DPS增强DRCs。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）配备衰减全反射（ATR）附件测试实时转化率（degree of conversion, DC），依照ISO 4049标准测定固化深度，利用流变仪测量未固化复合材料的黏度，使用万能试验机测试弯曲强度（flexural strength, FS）、弯曲模量（flexural modulus, FM）和压缩强度（compressive strength, CS）。对三点弯曲试验后的断裂面进行FE-SEM观察，以分析填料在树脂基体中的分散情况及界面结合状态。同时，对DPS6增强DRCs在模拟体液（simulated body fluid, SBF）中浸泡1、7和14天后的FS和FM变化进行测定，以评估其力学稳定性。磨损性能通过表面粗糙度仪测量抛光10、20和30秒后的表面粗糙度（Ra），并用FE-SEM观察抛光后表面形貌。第三部分为细胞毒性评价，从人牙髓组织中提取人牙髓细胞（human dental pulp cells, hDPCs），将光固化后的复合材料试样在DMEM培养基中浸泡24小时获得浸提液，按照ISO 10993-5标准，将hDPCs接种于96孔板中，用浸提液培养1、3、5和7天，通过CCK-8法检测细胞活力，并用活/死细胞染色试剂盒和荧光显微镜观察细胞形态。所有数据采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey事后检验进行统计分析，显著性水平设为p < 0.05。

研究结果显示，合成的DPS颗粒为单分散球形，粒径高度均匀，约为240 nm，具有从中心向外三维辐射分布的树枝状分级孔结构。通过改变HMT用量，DPS1和DPS9分别具有最小和最大的孔径。SAXS曲线出现多个散射峰，氮气吸附/脱附等温线呈IV型并带有H3滞后环，孔径分布曲线呈多峰分布，证明颗粒具有多级孔结构。DPS1、DPS3、DPS6和DPS9在p/p0=0.99时的总孔体积分别为1.602、2.352、3.489和4.246 cc/g，比表面积随孔径增大而增大。在DRCs性能方面，所有DPS增强DRCs的实时DC曲线相似，DPS9增强DRCs的DC值最低；固化深度均满足ISO标准（>1.5 mm），且各组间无显著差异。所有DRCs均表现出非牛顿剪切变稀现象，DPS1增强DRCs的黏度最低。力学性能方面，随着DPS孔径增大，FS和CS先升高后降低，DPS6增强DRCs的FS和CS最高。与DPS1和DPS9相比，DPS6增强DRCs的FS分别提高了19.5%和31.4%，CS分别提高了24.4%和30.7%。FM在各组间变化不大，DPS3和DPS6增强DRCs具有相对较高的FM。DPS6增强DRCs在SBF中浸泡1天后FS下降10.2%，但在7天和14天后无显著进一步下降，表现出较好的FS稳定性；FM随浸泡时间无显著变化。断裂形貌分析显示，所有DPS颗粒在树脂基体中均匀分散，无团聚。DPS1颗粒在断裂面上暴露且孔结构清晰可见，表明树脂基体对其黏附较差；而DPS6和DPS9颗粒被树脂基体包埋，孔结构几乎不可见，说明界面结合良好。DPS6增强DRCs的断裂面更粗糙，具有更多台阶和裂纹，表明其填料/树脂基体界面结合更强。磨损测试中，DPS6增强DRCs在30秒抛光后的Ra值小于0.2 µm，达到临床细菌滞留阈值以下，且FE-SEM显示其表面较其他组更光滑，磨损痕迹更少。细胞毒性评估显示，各组DRCs浸提液培养的hDPCs在1至7天内OD值逐渐增加，DPS增强DRCs在各时间点的细胞活力均高于对照组，各组间无统计学显著差异。活/死染色显示，随着培养时间延长，活细胞数量逐渐增多，各组均很少观察到死细胞，表明DPS增强DRCs具有良好的细胞相容性。

在讨论部分，作者指出DPS孔径可通过调节初始微乳液体系中催化剂HMT的用量实现精确调控，其具体影响机制尚待进一步研究。DC和固化深度在各组间无显著差异，可能归因于相似的DPS颗粒结构和固定的填料含量。DPS增强DRCs的最终DC值低于相同填料含量的无孔球形SiO₂增强DRCs，这可能与多孔结构在光固化过程中折射光线、削弱光强从而影响树脂基体在孔道内的光聚合有关。DPS1增强DRCs黏度最低，主要因其孔径小、比表面积相对较小。DPS6具有最佳增强效果，可能是因为树脂基体无法进入DPS1较小的孔道，而DPS9的孔道过大，树脂基体无法完全占据，两种情况均导致填料与树脂基体接触面积较小，微机械锁合结构较弱。DPS6的适中孔径有利于树脂基体充分渗入孔道，形成良好的界面结合，从而提高力学性能和磨损性能。基于以上结果，零假设被拒绝，即DPS孔径确实影响增强DRCs的性能。

本研究的结论是：成功合成了粒径均匀、具有树枝状分级孔结构的DPS颗粒，其孔径可通过改变初始微乳液体系中催化剂用量这一单一参数进行简单调控。将DPS颗粒用作DRCs填料时，其孔径影响相应复合材料的理化性能、力学性能和细胞相容性，其中DPS6增强DRCs表现出最佳的力学性能和磨损性能。本研究为理解填料孔径如何影响DRCs的理化与细胞相容性提供了全面认识，有助于调控复合材料性能。DPS颗粒作为无机增强填料在DRCs中具有应用前景，但其填料含量远低于商品化DRCs，未来需要进一步优化填料配方，包括填料含量和组成，并评估综合理化性能，与市售DRCs进行比较。

本研究的亮点在于：首次仅通过调节一个参数（催化剂HMT用量）实现了树枝状多孔二氧化硅颗粒孔径的简便可控制备；系统揭示了多孔填料孔径对牙科树脂复合材料力学性能、磨损性能和细胞相容性的影响规律，发现适中孔径（DPS6）能够优化树脂基体渗入孔道程度，从而构建更强的微机械锁合界面；研究结果为设计和开发新型牙科修复材料提供了理论依据和实验参考，同时该多孔颗粒在生物医学、催化和吸附等领域也具有潜在应用价值。