新型抗粘附、自清洁超浸润性齿科陶瓷界面材料研究

Dental ceramic（aluminiun oxide and zirconium oxide）, taking advantages of combining esthetics and mechanics, is one of the most important materials required in dental clinic. However, the serious bacteria colonization and food residues retention on bioceramic has yielded high risk of iatrogenic complications, such as tooth demineralization, dental caries and periodontitis. To address this challenge, this project focuses on developing new anti-adhesion, self-cleaning bioceramic with the superwetting interfacial modification techniques. First of all, micro- and nano- scale structures will be fabricated on dental ceramics with magnetron sputtering, etching or vapor deposition techniques. Secondly, the anti-adhesion biomolecule including PEG and betaine, simulating outer layer of cellular membrane, will be binded on the as multiscale structures to achieve interfacial superwettability. The regulatory mechanism of multiscale structures formation and its efficiency on selective loading functional molecules will be analyzed. The synergistic effect of structures and biomolicules on the final interfacial wettability, anti-adhesion and self-cleaning will be systematically investigated. Counted on the results of in vitro and in vivo functional validity testification, the design and fabrication techniques will be optimized. We aimed to achieve 2-3 kinds of new superwetting, anti-adhesion and self-cleaning dental ceramic interfacial materials to eliminate the pathogenic factors such as bacteria and food residues from the very beginning.

齿科陶瓷材料（以氧化铝和氧化锆类陶瓷为主）具有良好的力学和美学性能，是牙齿缺损、畸形等疾病诊疗所需的材料主体，但其表面易于细菌定植，导致临床应用中牙齿脱矿、龋病、牙周病等医源性并发症高发。本项目从表面微观结构和化学组成两个方面入手，联合应用磁控溅射、蚀刻、气相沉积等技术在齿科陶瓷材料表面构筑多尺度特殊浸润性微纳米结构；进一步通过组装技术优化与分子结构筛选，在微纳米表面负载聚乙二醇及甜菜碱等仿细胞膜外层抗粘附分子；解析功能化后的齿科陶瓷材料表面特殊浸润性形貌调控机制及选择性负载功能分子机理，阐明材料表面结构与组分协同影响浸润性、抗粘附、自清洁的规律，建立起与之符合的新的超浸润理论与模型；筛选出最佳工艺参数及制备方案，研制2-3种兼具表面微纳结构与仿细胞膜外层抗粘附组分的、稳定超浸润性齿科陶瓷界面材料，开展体内、外功能验证，实现口腔细菌与食物残渣粘附等病源因素的源头治理。

龋病与牙周病作为口腔三大疾病中的两种，是人类牙体缺损和牙齿缺失的主要原因，而两种疾病最主要的致病因素就是局部菌落堆积，同时细菌感染也是医用材料植入失败的主要原因，如何减少细菌在口腔器材及义齿表面的堆积就成为减少龋病与牙周病患病率的关键问题，在口腔材料表面修饰一层抗菌凝胶，是这一问题可行解决方案之一。通过硅烷化反应和聚合反应，在材料表面形成纳米级别网状交联的聚乙二醇凝胶结构，并在其中加入壳聚糖抑菌活性成分，形成聚乙二醇/壳聚糖凝胶复合涂层。该研究采用X-射线光电子能谱定性分析材料表面组成物质以及原子力显微镜观察材料表面形貌，证实了复合涂层的成功构筑。通过扫描电子显微镜、激光共聚焦荧光显微镜和Image J软件观测计数，评价聚合物不同质量比时材料的抗菌率，发现聚乙二醇与壳聚糖质量比为1/0.1时，所形成的聚乙二醇/壳聚糖凝胶结构抗菌效能最佳，材料表面的抗菌率最高（98.8%，5小时）。此外，该研究采用接触角测量和Zeta电位测量法，探索了表面亲疏水性和电荷变化对材料抗菌性能的影响。结果显示，在聚乙二醇/壳聚糖质量比为1/0.1时，结合表面浸润性和表面电位的影响，材料获得了最佳的抗菌性能，进一步增加壳聚糖量导致材料的亲水性降低，且表面正电荷过多，可能有利于带负电的细胞膜更易被吸附，从而不利于粘附抑制性能。抗菌材料的长期有效性和安全性是医用材料的重要评价指标，通过延长材料在菌液中浸泡时间和平板菌落计数法，发现所制备的复合纳米凝胶涂层表现出显著的长期菌落抑制效能（93.3%，7天）。在CCK-8细胞活性测试中还发现，该凝胶涂层兼具优异的生物相容性。这些结果突显了这种新型纳米材料具有良好的抗粘附性、抗菌性和生物相容性能，有望成为一种安全有效的生物医用抗菌涂料。