用于3D打印的抗菌DMAHDM纳米颗粒改性树脂：组成-性能关系

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Antimicrobial DMAHDM Nanoparticle-Modified Resin for 3D Printing: Composition–Property Relationships

　　金甘|刘云琪|李大炫|沈敏淑|赵硕焕|李杜亨|金钟恩
韩国首尔延世大学牙科学院修复学系，邮编03722

**摘要**
本研究旨在探讨二甲基氨基己基甲基丙烯酸酯（DMAHDM）纳米颗粒与尿烷丙烯酸酯（UA）基3D打印树脂比例对抗菌性能、抗真菌性能、生物相容性、转化率（DC）和机械性能的影响。UA基树脂和DMAHDM分别合成后混合，制备出DMAHDM含量为0–1 wt%的样品。采用WST-8存活实验评估其对变形链球菌（S. mutans）的抗菌效果，并通过OD600值测量白色念珠菌（C. albicans）的生长情况以评估抗真菌性能。利用WST-8和EdU实验评估人体牙龈成纤维细胞的生物相容性。通过FTIR光谱分析转化率（DC），并测试了弯曲强度、弯曲模量和维氏硬度。采用单因素方差分析（α = 0.05）。结果发现，DMAHDM浓度增加时抗菌效果增强，细菌存活率从0 wt%时的85.76±14.78%显著下降至1 wt%时的56.61±0.60%。C. albicans的生长也呈现剂量依赖性抑制，从0 wt%时的88.77±5.03%下降至1 wt%时的44.00±14.72%。虽然未观察到细胞毒性，但DMAHDM浓度升高会导致细胞增殖减少。转化率最高值出现在1 wt%（57.88±0.83%）。弯曲强度在0 wt%时最高（118.59±19.89 MPa），维氏硬度在0 wt%时最高（23.03±0.76 HV），且随着DMAHDM浓度的增加略有下降。含有DMAHDM的UA基3D打印树脂对S. mutans具有强抗菌效果，对C. albicans具有抗真菌效果，同时具备优良的生物相容性和改进的聚合物转化率及机械性能，显示出其在牙科应用中的潜力。

**引言**
添加剂制造技术（也称为3D打印）广泛应用于各种行业的产品定制和快速原型制作（Anadioti等，2018）。该技术通过数字切片后的光固化过程，逐层堆叠材料（国际标准化组织，2015；de Castro等，2022）。使用液态光固化树脂的技术，如立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）打印技术，在生物医学设备（包括手术导板、假体部件、临时修复体及诊断用解剖模型）的增材制造中得到广泛应用（Alharbi等，2017）。

3D打印DLP技术使用液态光固化树脂作为原料，在定制生物医学口腔装置方面具有多种优势。这种树脂主要由光敏液态单体组成，有助于快速生产具有精细表面细节的牙科修复体（Park等，2020）。然而，3D打印的生物机械口腔装置在复杂的口腔环境中面临挑战，例如细菌生物膜感染的风险。细菌渗透可能导致树脂基修复体降解，进而引发牙齿结构继发性龋坏（Li等，2019；Yue等，2015）。与银汞合金等其他修复材料相比，树脂基材料更容易积聚生物膜和牙菌斑，增加修复体失效的风险（Jiao等，2017；Chen等，2018）。不过，3D打印树脂的一个优点是开发者可以轻松在其液态树脂基体中添加额外成分以改变其性能（Saroia等，2020）。例如，可以向树脂基体中添加抗菌剂，制成具有抗菌效果的复合材料，从而增强3D打印树脂抵抗导致龋齿的细菌的能力，延长树脂修复体的使用寿命（Wu等，2016）。

含有抗菌添加剂的树脂复合材料可通过对抗口腔生物膜发挥抗菌作用（Qin等，2022）。其中，可聚合抗菌单体因能固定在树脂基体中而受到广泛研究，可在复合材料表面提供长期抗菌效果（Zhang等，2017；Alansy等，2022）。季铵盐（QASs）通过改变细菌细胞膜的电荷平衡发挥强抗菌作用（He等，2022；Makvandi等，2018）。由于大多数细菌细胞膜带负电荷，接触正电荷的QAS会导致膜损伤，进而引起细胞质泄漏和细菌死亡（Makvandi等，2018）。甲基丙烯酸酯官能团参与光固化反应，使抗菌结构与聚合物网络结合形成季铵甲基丙烯酸酯（QAM），从而减少QAS的渗出并赋予树脂长期抗菌效果（He等，2022；Makvandi等，2018；Xue等，2020）。二甲基氨基己基甲基丙烯酸酯（DMAHDM）是一种新型季铵单体，具有强抗菌效果（Cao等，2022）。

在牙科研究中，常用模具制备QAM树脂样品，但QAM与树脂的均匀混合仍具挑战性（Mitwalli等，2024；Wang等，2015）。QAM颗粒通常具有纳米至微米级别，具有纳米颗粒典型的聚集特性（Pratap等，2019；Ramburrun等，2021；Barot等，2021）。实现均匀混合需要特定的生产流程，涉及树脂混合方式、温度和成型工艺。然而，关于这些因素如何影响最终结果的研究尚不充分。传统模具生产中的手动操作可能导致QAM在树脂聚合物网络中分布不均（Parhi等，2021）。由于QAM主要通过直接接触抑制细菌生长，不均匀分布可能导致树脂接触面的抗菌效果差异（Makvandi等，2018）。此外，不均匀的聚合物网络可能影响机械性能。虽然已证明QAM树脂与3D打印技术的兼容性，但还需进一步优化树脂配方参数（Parhi等，2021）。Yue等开发了一种含季铵基团的光固化树脂，首次实现了使用SLA技术数字化生产含QAM树脂的牙科产品，并表现出接触抗菌效果（Yue等，2015）。在DMAHDM树脂配方中，抗菌效果取决于季铵盐的浓度，较高浓度可增强抗菌效果（Balhaddad等，2020；Liang等，2024；Hansel等，1998）。然而，过量DMAHDM会损害材料的机械性能，有研究表明添加5%的抗菌剂会显著降低树脂的弯曲强度（Balhaddad等，2020）。此外，DMAHDM在高浓度下难以溶解于丙烯酸树脂中，可能导致颗粒聚集，降低抗菌效果（Fanfoni等，2021；Campos等，2020）。因此，虽然增加抗菌剂浓度可以增强抗菌效果，但也可能导致机械性能下降和溶解性问题。在这种情况下，需仔细调整和平衡抗菌剂的浓度（Cherchali等，2017）。3D打印技术有助于在较低浓度下提高抗菌效果（Beatriz Vilela Teixeira等，2022）。使用这些优化后的树脂生产的牙科产品有望具有强抗菌效果和良好的机械性能。生产此类产品后，需进行性能测试以确认其适用于口腔应用。

**作者贡献声明**
金甘：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学、数据管理、概念化
刘云琪：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学、数据管理
李大炫：验证、资源管理、方法学
沈敏淑：验证、资源管理、方法学
赵硕焕：撰写——审稿与编辑、验证
李杜亨：撰写——审稿与编辑、验证
金钟恩：撰写——审稿与编辑、验证

**未引用参考文献**
国际标准化组织，2015；Jacobs，1992

**资助信息**
本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，资金来自韩国政府（科技信息通信部，MSIT）（项目编号：RS-2024-00406281）。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。