楊孟孟 董夢(mèng)璐 李全利

（安徽醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，安徽醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，安徽省口腔疾病研究中心實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230032）

牙列缺失是臨床常見病，會(huì)影響患者的咀嚼、發(fā)音、美觀等功能?，F(xiàn)階段牙列缺失患者的主要治療方案包括傳統(tǒng)全口義齒和種植義齒，但是后者費(fèi)用高，治療周期長(zhǎng)，而且要求骨量充足[1]。故對(duì)于費(fèi)用受限或身體狀況較差等的患者來說，傳統(tǒng)全口義齒仍是第一選擇。所以，如何改善牙槽嵴嚴(yán)重萎縮患者的全口義齒修復(fù)固位力，是義齒修復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

全口義齒的固位力與唾液的量和粘稠度、義齒基托與黏膜密合性、基托與黏膜的接觸面積、邊緣與黏膜形成的封閉性等相關(guān)[2]。目前臨床提高義齒固位力的措施主要包括使用各種印模技術(shù)、提高義齒與黏膜的適合性、增加接觸面積、提高邊緣封閉性等[3]。相應(yīng)的產(chǎn)品有BPS吸附性義齒、中性區(qū)義齒、全口義齒穩(wěn)定劑等。但上述方法目前仍不能充分滿足臨床治療的需要。

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，樹蛙足墊的“濕粘接”機(jī)理似乎有應(yīng)用于全口義齒的可能性。在干燥或是潮濕的環(huán)境中，樹蛙均可以牢牢吸附在各種物體表面[4，5]。目前，樹蛙足墊的仿生已應(yīng)用于爬壁機(jī)器人、剃須刀、心電監(jiān)測(cè)[6，7]等。但應(yīng)用于全口義齒的研究尚未發(fā)現(xiàn)。Arthur C.Jermyn[8]曾將吸盤結(jié)構(gòu)與全口義齒結(jié)合，制作出一種“吸盤義齒”。為了提高全口義齒的固位力，本研究仿照樹蛙足墊的六棱柱狀微圖形結(jié)構(gòu)，采用軟襯硅橡膠材料，在其表面制作仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)圖形，評(píng)價(jià)其在模擬口腔環(huán)境中對(duì)吸附力的影響，為生物仿生吸附性全口義齒的制作提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為全口義齒基托組織面的設(shè)計(jì)提供一種新思路。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

軟襯硅橡膠（Silagum-Comfort，SLC）（DMG公司，德國(guó)）、自凝牙托水和牙托粉（上海新世紀(jì)齒科材料有限公司）、光滑表面硅膠塊（仿口腔咀嚼黏膜）、改良型SBF模擬體液（青島捷世康生物科技有限公司）、微納3D打印系統(tǒng)（NanoArch S130，深圳摩方新材科技有限公司）、掃描電子顯微鏡（ZEISS GeminiSEM 500，卡爾蔡司公司，德國(guó)）、島津電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（島津儀器（蘇州）有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 設(shè)計(jì)及分組 查閱文獻(xiàn)資料[9]，設(shè)計(jì)4組（A、B、C、D）不同參數(shù)的仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)，即不同間隔分布的、不同邊長(zhǎng)和一定高度的六棱柱的微圖形結(jié)構(gòu)（圖1a、b，表1），對(duì)照組E為表面無微結(jié)構(gòu)的平面樣片，圖1c、d為與實(shí)驗(yàn)組相對(duì)應(yīng)的反結(jié)構(gòu)圖形。

圖1 仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)及其反結(jié)構(gòu)示意圖

表1 4組不同尺寸的仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)

1.2.2 3D打印反結(jié)構(gòu)樣片 按上述設(shè)置的4組微結(jié)構(gòu)參數(shù)分別構(gòu)建相應(yīng)的反結(jié)構(gòu)陰模（圖1c、d，表1）3D模型（尺寸8 mm×8 mm×2 mm），輸出STL文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)，光敏樹脂材料分層打印并固化，獲得仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)的陰模。SEM 進(jìn)行形態(tài)學(xué)表征。

1.2.3 制備軟襯硅橡膠樣片 如圖2所示，按比例調(diào)和牙托粉與牙托水，制作一定大小的自凝塑料塊，室溫固化后打磨、拋光、清潔。在其表面涂抹SLC軟襯硅橡膠專用粘接劑，然后用注射槍將SLC軟襯材料注射于自凝塑料塊表面，材料固化前，將帶有反結(jié)構(gòu)的陰模樣片輕輕按壓至軟襯材料表面，室溫固化，脫模。將獲得的硅橡膠片修整成8 mm×8 mm×2 mm大小的尺寸，確保翻制出來的模型厚薄均勻。獲得表面含有仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)的硅橡膠樣片（A，B，C，D），以及無微圖形的表面光滑的硅橡膠平面樣片（E，陰性對(duì)照）。按上述方法制作A ～ E組樣片各5個(gè)，用于后續(xù)吸附力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。然后將自凝塑料塊換成玻璃板，用同樣的方法，A ～ D每組再各制作1個(gè)樣片，用于后續(xù)SEM觀察。評(píng)估其是否達(dá)到最初設(shè)計(jì)的形態(tài)及參數(shù)要求，包括尺寸變化、結(jié)構(gòu)破損率等。樣片制作流程見圖2。

圖2 微結(jié)構(gòu)樣片制作流程示意圖

1.3 吸附力測(cè)試

用雙面膠將硅膠塊粘固在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的下夾具上，將帶有樣片的自凝塑料塊懸掛固定于材料試驗(yàn)機(jī)的上夾具上，硅膠塊表面涂抹薄層人工唾液（如圖3）。調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的橫梁高度，使樣片與硅膠塊緩慢輕接觸，然后施加（9.8±0.2）N的載荷力30 s，使樣片吸附在硅膠塊中央。然后以5 mm/min的速度分開，記錄兩者分開時(shí)的最大載荷值。按照上述拉伸實(shí)驗(yàn)方案，每個(gè)樣片分別測(cè)試3次，得到吸附力數(shù)值。

圖3 吸附力測(cè)試示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。吸附力數(shù)據(jù)用±s形式表示，數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析（One-way ANOVA），組間兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn)，P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 SEM觀察結(jié)果

圖4顯示3D打印仿樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)的陰模樣片，是凹進(jìn)去的六棱柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完整，未見明顯破損。通過測(cè)量可得其微結(jié)構(gòu)尺寸與預(yù)設(shè)的微結(jié)構(gòu)尺寸差異約為2.72%。

圖4 3D打印的陰模樣片

圖5顯示SLC翻制的樣片。可見其微結(jié)構(gòu)形態(tài)與預(yù)先設(shè)計(jì)的基本一致，表面光滑完整，尺寸與預(yù)設(shè)的微結(jié)構(gòu)尺寸差異約3%，橫截面觀察結(jié)構(gòu)破損率不足10%，縱截面觀察結(jié)構(gòu)破損率約15%。右圖可見柱子外邊緣呈層疊條紋狀。

圖5 SLC翻模后樣片的SEM圖像

2.2 吸附力測(cè)試結(jié)果

各組吸附力比較結(jié)果見表2。4個(gè)實(shí)驗(yàn)組的吸附力與對(duì)照組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），B、D組間吸附力差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其余任意兩組間的吸附力差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。其中，A組吸附力最好。

表2 各組吸附力數(shù)值

3 討論

研究表明，樹蛙能牢牢吸附于物體表面主要是依靠足墊分泌粘液產(chǎn)生毛細(xì)作用[4]。此外，邊界摩擦、機(jī)械互鎖、負(fù)壓吸附等也在這一“濕粘接”過程中起到一定的作用[5]。從提高全口義齒固位力的角度出發(fā)，針對(duì)全口義齒吸附區(qū)是一個(gè)整體這一問題，根據(jù)樹蛙足墊的吸附機(jī)理，該研究擬制作的仿生義齒可將整體劃分為無數(shù)個(gè)互不影響的小單元，從而在局部吸附被破壞的情況下仍能保證全口義齒的固位。其次，在基托組織面增加一些微結(jié)構(gòu)，其相對(duì)的比表面積增加。同時(shí)口腔黏膜又具有一定的適應(yīng)性，因此，在壓力的作用下，可以增加吸附面積。最后，由于微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考了樹蛙足墊及吸盤結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于全口義齒時(shí)相當(dāng)于在義齒原有的吸附機(jī)制上附加了毛細(xì)作用和負(fù)壓吸附作用[10]。本研究中4組實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比吸附力均有增大，這是由于微結(jié)構(gòu)表面與物體接觸時(shí)增加了相對(duì)比表面積，還增加了摩擦力等，從而提高了吸附力[11]。

研究表明[9]，六棱柱的邊長(zhǎng)L、高度H、六棱柱間的間距W等參數(shù)均會(huì)對(duì)吸附力產(chǎn)生影響。但作者認(rèn)為不應(yīng)僅單獨(dú)考慮個(gè)別參數(shù)的影響，應(yīng)綜合H、L、W來研究對(duì)吸附力的影響。據(jù)此，本研究中微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是將各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)尺寸結(jié)合起來（如只考慮L時(shí)，100 μm及40 μm時(shí)吸附力最優(yōu)；只考慮H時(shí)，75 μm為最優(yōu)尺寸等），綜合研究對(duì)吸附力的影響。本研究主要聚焦在各種尺寸參數(shù)綜合時(shí)六棱柱微結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，六棱柱的分布密度等，故沒有針對(duì)單個(gè)影響因素進(jìn)行多組梯度設(shè)計(jì)。依據(jù)上述理論來解釋本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：首先對(duì)比A、B組，當(dāng)H和L一定時(shí)，W越大，相同面積下的六棱柱數(shù)量就會(huì)減少，兩個(gè)表面間的實(shí)際接觸面積減小，吸附力就??；C和D是同等道理。就A、C組來說，當(dāng)H一定時(shí)，兩者的比較就不能僅依靠單一因素，可根據(jù)W/L來確定。根據(jù)已有研究，吸附力隨W/L的增大而減小，這是因?yàn)閷?shí)際接觸面積的減小。很明顯A組的W/L值小于C組。而B、D之間并不遵循這一規(guī)律，理論分析B組吸附力應(yīng)大于D組，但表2的結(jié)果表明B、D組間的吸附力差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。原因可能是翻模過程中B組柱子損壞率較大，或是B組進(jìn)行吸附力測(cè)試時(shí)，接觸界面有污染，從而導(dǎo)致其吸附力下降。故根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果要將上述參數(shù)應(yīng)用于全口義齒組織面，應(yīng)選擇A組參數(shù)，即L= 100 μm，H= 75 μm，W= 33 μm。

此外，圖5的SEM結(jié)果表明，在硅橡膠軟襯材料翻模過程中六棱柱結(jié)構(gòu)會(huì)存在破損，可能的原因有：一是材料自身原因。Silagum-Comfort[12]軟襯材料與義齒基托材料具有牢固的粘接性，但其流動(dòng)性并不優(yōu)越。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)均為微米級(jí)，而材料要流入凹六棱柱內(nèi)，故在翻模過程中部分硅橡膠材料并不能完全進(jìn)入凹六棱柱內(nèi)，所以翻模的結(jié)構(gòu)會(huì)存在一定破損率。二是制作吸盤結(jié)構(gòu)過程可能存在問題。六棱柱結(jié)構(gòu)頂端的吸盤結(jié)構(gòu)主要是靠部分充填技術(shù)[13]，即依靠液體的毛細(xì)作用及困在孔洞內(nèi)的空氣來實(shí)現(xiàn)的。在這一過程中，如果孔洞內(nèi)的空氣有溢出，則相對(duì)應(yīng)的吸盤凹型結(jié)構(gòu)會(huì)受影響。

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)，本研究中仿生全口義齒的制作過程如下：（1）常規(guī)制取終印模、灌注終模型。（2）數(shù)字化掃描模型。（3）3D建模，將參數(shù)A的反結(jié)構(gòu)加到3D建模的表面（微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在距邊緣約2mm-3mm處，以保證邊緣的封閉性），3D打印表面含有微結(jié)構(gòu)陰模的模型。（4）在3D打印的模型上常規(guī)制作組織面為SLC軟襯硅橡膠材料的全口義齒，仿生全口義齒即制作完成。

本研究是將樣片與硅膠仿生模型進(jìn)行吸附，這只是一個(gè)體外的吸附實(shí)驗(yàn)單元，具體應(yīng)用到口內(nèi)時(shí)，與黏膜之間是否仍有這種吸附效果，是否會(huì)對(duì)黏膜有不良影響仍不清楚。另外，臨床應(yīng)用過程中，能否保持功能狀態(tài)下表面微結(jié)構(gòu)有增大吸附力的效果？在休息時(shí)該作用能否消失或減小從而減小對(duì)黏膜的不良影響等問題，仍值得研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在軟襯硅橡膠材料表面制作適宜尺寸的仿樹蛙足墊微陣列結(jié)構(gòu)可以提高硅橡膠材料表面對(duì)其他物體的吸附力。這一設(shè)想為改善全口義齒固位力提供了一種新思路，但其臨床應(yīng)用仍待進(jìn)一步研究。