该研究由Hongyan Chen、Hongmei Liu、Ruili Wang、Xiaoze Jiang和Meifang Zhu完成，通讯作者为Ruili Wang，来自东华大学材料科学与工程学院、化学纤维与聚合物材料改性国家重点实验室。论文发表于Dental Materials期刊2021年第37卷，页码961–971。

本研究属于牙科修复材料领域，聚焦于光固化牙科树脂复合材料中无机填料的界面增强问题。牙科树脂复合材料由硅烷化无机填料和树脂基质组成，广泛用于修复龋齿及其他牙体缺损。然而，修复体断裂仍是导致其临床使用寿命中位数仅为约7年的主要原因之一。传统上，填料与树脂基质之间的界面结合主要依靠硅烷偶联剂实现，但硅烷化形成的酯键和硅醇键在口腔环境中易发生水解，导致填料–基质界面脱粘，最终降低复合材料力学性能。为改善这一问题，研究者提出通过微机械互锁（micromechanical interlocking）增强界面结合，即让树脂单体在聚合前渗入多孔填料内部，形成机械锁合结构。多孔二氧化硅尤其是介孔二氧化硅颗粒因其在这一机制中的潜力而受到关注。然而，如何在温和条件下简便、精确地合成具有分级尺寸和等级孔结构的多孔二氧化硅仍是一个挑战。已有方法如微波辅助水热法和软模板法虽然能调控粒径，但通常需要调节多个参数或添加额外助剂，过程复杂，不利于规模制备。因此，本研究旨在开发一种简便的尺寸可控树枝状多孔二氧化硅（dendritic porous silica，DPS）合成方法，并系统研究填料尺寸与形貌对牙科复合材料理化性能和细胞相容性的影响。

研究流程包括三个主要环节。第一环节是合成不同粒径的DPS颗粒。研究采用环己烷为油相、正戊醇为共溶剂、水为分散相、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、尿素为碱催化剂，通过微乳液体系中的动态自组装和水热反应，随后在550 °C煅烧6小时去除模板，得到目标颗粒。通过同时改变TEOS和CTAB的用量，制备出目标粒径为75、150、350、500和1000 nm的五种DPS颗粒，分别记为DPS-75、DPS-150、DPS-350、DPS-500和DPS-1000。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）测得实际平均粒径分别为77、160、375、470和约1000 nm。第二环节是制备DPS增强牙科树脂复合材料。将未硅烷化的DPS颗粒按36 wt.%的填料含量与双酚A甘油二甲基丙烯酸酯（Bis-GMA）/三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）树脂基质混合，采用三辊混合机使树脂单体渗入填料孔隙并去除气泡，随后通过LED光固化灯固化成型。第三环节是复合材料性能表征。力学性能测试包括三点弯曲试验测定弯曲强度（flexural strength，σf）、弯曲模量（flexural modulus，Ey）和断裂功（work of fracture，WOF），压缩试验测定压缩强度（compressive strength，σc）。此外，还通过FE-SEM观察断裂形貌，利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）测定双键转化率（degree of conversion，DC），按ISO 4049-2009标准测定固化深度，并通过人牙髓细胞（human dental pulp cells，hDPCs）的活/死染色和CCK-8实验评估细胞相容性，以商品化复合树脂Filtek Z250 XT作为对照。

研究结果显示，所有DPS颗粒均呈球形，具有从中心向外辐射的三维等级孔结构。透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）结合元素分布分析表明，DPS-500中仅均匀分布硅和氧元素，硅氧原子比约为1:2。X射线衍射（XRD）显示所有DPS颗粒在约22°处出现无定形二氧化硅的宽衍射峰。小角X射线散射（SAXS）曲线出现多个散射峰，说明存在等级孔结构。氮气吸附–脱附等温线呈现IV型等温线和H3型滞后环，表明材料中含有不同尺寸的狭缝形介孔，并且在接近p/p0=1时未达到平台，提示存在大孔。孔径分布曲线在3.8–4.9 nm处出现强而窄的峰，归因于CTAB模板形成的介孔，同时在5–50 nm范围内存在较弱波动，进一步证实等级孔结构。比表面积和累计孔容随粒径增大而增大，DPS-1000的比表面积最高，为665.1 m²/g。基于上述结构表征，作者提出了DPS颗粒形成的成核–生长机制：在油水界面，CTAB与有机溶剂自组装形成半乳液胶束，TEOS扩散至界面并水解缩合生成硅酸低聚物；当达到临界成核浓度后，硅酸低聚物与带正电的胶束在水相中形成硅酸盐/CTAB/油纳米种子；在高温高压条件下，纳米种子迁移至界面并与半胶束相互作用，沿三维中心–径向方向持续组装生长，最终形成树枝状多孔结构。粒径调控主要取决于初始反应阶段形成的CTAB阳离子/硅酸低聚物数量，CTAB用量越高，成核数目越多，最终粒径越小。

在复合材料力学性能方面，当填料含量固定为36 wt.%时，随着DPS粒径从75 nm增加到500 nm，弯曲强度、压缩强度和断裂功总体呈上升趋势。DPS-500填充复合材料表现出最佳增强效果，与DPS-75填充复合材料相比，其弯曲强度提高32.0%，弯曲模量提高96.7%，压缩强度提高51.9%，断裂功提高225.6%。然而，当粒径进一步增大到1000 nm时，力学性能显著下降，与DPS-500组相比，弯曲强度、弯曲模量、压缩强度和断裂功分别下降42.8%、35.5%、33.4%和36.4%。断裂形貌分析表明，DPS-75和DPS-150颗粒在树脂基质中发生严重团聚，尤其是DPS-75，因其较小的粒径导致高表面能和高粘度，团聚更为明显。DPS-500颗粒在树脂中分散均匀，断裂表面粗糙且出现较多台阶和裂纹，说明填料–基质界面结合较强。DPS-1000填充复合材料中观察到颗粒从树脂基质中脱粘并留下孔洞，这与其较差的力学性能一致。作者认为，较小颗粒容易团聚且与树脂接触面积较小，导致界面粘接弱；而过大颗粒与树脂的接触面积也较小，在受力时容易脱落；DPS-500则在分散性和界面接触面积之间达到较好平衡。此外，DPS-500填充复合材料经蒸馏水浸泡1天和7天后弯曲强度与未浸泡组相当，浸泡15天和30天后显著下降，但仍高于ISO 4049-2009规定的最低80 MPa要求。与先前研究中硅烷化无孔球形二氧化硅（NSS）填充复合材料相比，在相同填料含量下，DPS-500填充复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别约高53.8%和32.0%，即使在较低的36 wt.%填料含量下也表现出更好的增强效果。这被归因于DPS颗粒的中心辐射等级孔结构能够形成类似“十字缝合”的微机械互锁界面，而硅烷化无孔颗粒在受力时容易发生位移和脱粘。

在聚合行为和生物学性能方面，不同粒径DPS填充复合材料的双键转化率无统计学显著差异。DPS-75组转化率最高，为61.3±2.3%，其余组相近，总体处于文献报道的60–69%范围内。固化深度结果与转化率趋势一致，DPS-75组最高，但组间无统计学显著差异，所有组固化深度均高于ISO 4049-2009要求的1.5 mm。细胞相容性评价显示，DPS-500填充复合材料和商品化Z250 XT复合材料中的人牙髓细胞均呈纺锤形并随时间增殖，培养5天后几乎无死细胞。CCK-8定量分析表明，DPS-500组在各时间点的细胞活力均高于Z250 XT组，说明DPS-500填充复合材料具有更好的细胞相容性。作者认为，DPS-500的多孔结构能够捕获树脂单体并形成强界面结合，从而减少单体释放，有利于细胞黏附和增殖。

本研究的结论是：通过将动态自组装与煅烧相结合，成功合成了尺寸在75–1000 nm范围内精确可控的树枝状多孔二氧化硅颗粒，该方法只需同时改变TEOS和CTAB用量即可调节粒径，具有简便性和可放大性。DPS颗粒的形成遵循成核–生长机制。将DPS颗粒直接作为未硅烷化填料用于Bis-GMA/TEGDMA牙科复合材料时，DPS-500表现出最优的综合性能，包括优异的力学增强效果、可接受的双键转化率和固化深度以及良好的细胞相容性。其中心辐射等级孔结构能够提供比无孔二氧化硅和皱纹介孔二氧化硅（WMS）更强的微机械互锁界面。相反，DPS-75虽然具有较高转化率，但由于颗粒团聚和与树脂接触面积小，复合材料力学性能较差。本研究阐明了多孔填料尺寸和形貌对牙科复合材料理化性质及细胞相容性的影响规律，为设计精确尺寸可控的多孔二氧化硅和高性能牙科复合材料提供了便捷途径。

该研究的亮点包括：第一，开发了一种简便的尺寸可控树枝状多孔二氧化硅合成策略，仅通过同时调节TEOS和CTAB用量即可在75–1000 nm范围内精确调控粒径，并提出了相应的成核–生长机制；第二，系统揭示了填料粒径与形貌对牙科复合材料力学性能、聚合行为和细胞相容性的影响，尤其是DPS-500在36 wt.%低填料含量下的优异增强效果；第三，证实了未硅烷化的中心辐射等级孔结构可以通过微机械互锁机制实现比传统硅烷化无孔填料更强的界面结合，为降低对硅烷偶联剂的依赖提供了新思路；第四，评估了DPS-500填充复合材料在水浸泡条件下的力学稳定性及其优于商品化Z250 XT的细胞相容性。此外，DPS颗粒还可能在生物医学、催化、吸附和癌症治疗等领域具有潜在应用价值。