牙龈色调复合材料的水吸附特性及其对颜色稳定性的影响研究

　　本研究深入探讨了三种牙龈色调美学材料（GCRBC）的水吸附（Water Sorption）行为及其在常见食品着色剂中的颜色稳定性（Color Stability）。结果发现所有材料的水吸附值均低于ISO标准上限（40 μg/mm3），且水吸附与颜色变化（ΔE）间无显著正相关，但咖喱浸泡导致最明显的颜色改变。该研究为口腔修复材料的临床性能评估提供了重要依据。

　　

Introduction

聚合物牙科复合材料（dental composite）吸水主要与其树脂基质（resin matrix）功能相关。水吸附（water sorption）描述了水分进入复合材料的净运动，可能影响机械强度、颜色稳定性（color stability）以及与牙齿基质的粘接强度。ISO标准对牙科复合材料的水吸附上限设定为40 μg/mm3。超过该值的吸水水平会导致化学降解，包括未固化残留单体的释放、填料降解以及基质与填料间硅氧烷键的水解。牙科复合材料的机械性能在干燥和湿润条件下存在差异，表明水吸附对材料性能的影响。

对牙色giomers的研究显示其水吸附值高于牙科复合材料。Giomers因其表面预反应玻璃颗粒（surface pre-reacted glass particles）的独特填料化学而能够释放氟化物。氟化物释放受材料吸水能力的影响，这可能部分解释了观察到的较高水吸附值。促进氟化物释放的水分运动必须加以控制，因为过度的水吸附会导致材料降解。

牙科复合材料的水吸附受多种因素影响，包括亲水性单体与疏水性单体的比例、单体链的交联、填料负载以及聚合后复合材料内的孔隙率。文献描述了水吸附与颜色稳定性之间的相关性，适用于牙色giomers和牙科复合材料。牙龈色调复合材料和giomers（GCRBC）像牙色复合材料一样，包含主要和稀释单体的树脂基质、硅烷涂覆的无机填料颗粒、光引发剂以及各种色调和颜料。GCRBCs额外包含红色染料，包括红色氧化铁（FDA染料号5595）和磺酸二钠盐（FDA染料号40），以模拟牙龈颜色。这些颜料的浓度相对于树脂重量组分从0.005%到0.75%不等。作为颜色调节剂，颜料已被证明会影响复合树脂的转化度（degree of conversion）和水吸附，从而影响GCRBCs的颜色稳定性。考虑到这些材料可能含有高达0.75%重量的颜料修饰剂，水吸附及随后的颜色稳定性可能受到负面影响。

GCRBCs可用于优化或维持粉红与白色的美学比例，当需要修复非龋性宫颈病变或当不建议进行牙周手术来纠正 recession defects 时。最近的研究表明，与牙色纳米混合材料相比，GCRBC在受到常见食品着色剂（如咖啡和咖喱）作用时，总颜色（total color）变化较大，作者推测这些复合材料的颜色变化与材料的相对表面状况有关。本研究旨在确定三种牙龈色调美学材料的水吸附，并了解水吸附与这些材料在常见食品着色剂中浸泡时的颜色稳定性之间的相关性。零假设（null hypothesis）陈述为所有测试材料之间的平均水吸附值没有差异，并且对于任何测试材料，水吸附与颜色稳定性之间不存在线性关系。

Materials and methods

本研究使用的材料包括在表1中列出的复合材料。使用黄铜分环模具制作直径为7 mm、厚度为2 mm的圆盘状试样。模具的底部表面由固定在玻璃片上的Mylar条组成。将复合材料放入分模中，放置第二个Mylar条，并使用第二个玻璃片施加手动压力。移除玻璃片，并使用波长在385至515 nm之间、强度为970 mW/cm2的LED光（Valo, Ultradent Products, UT, USA）进行复合材料聚合（图1）。所有试样均按照制造商的说明进行固化。使用手术刀仔细修剪多余材料。每个样品随后检查是否有任何空隙或表面不规则。

一项效能分析（power analysis）确定，对于水吸附评估，每种材料需要10个样品，如表1所列。效能分析使用效应大小0.4、alpha水平0.05、效能0.8以及总共五组（每组对应四种测试复合材料中的一种，用于颜色稳定性测量）进行计算。样品最初储存在避光容器中，然后浸泡在蒸馏水中。一天后，使用精度为0.0001 g的分析天平（Veritas, H&C Weighing Systems）称重试样（m?）。立即之后，每种复合材料的每个试样浸泡在含有100 ml蒸馏水的单独孔中。这些单独孔随后放置在设定为37°C的培养箱中。浸泡后，在第1天的2、4和6小时称重试样。然后在第2天、第3天以及第1周和第2周称重。称重试样的方案包括从单独孔中取出试样，用干净的实验室吸收纸（Kimtech Science Laboratory Tissues, Kimberly-Clarke, USA）轻轻 blotting 试样的顶部和底部。试样在分析天平上称重，天平放置在防振垫（Rice Lake Weighing Systems, USA）上，并具有内置防风罩。

称重后立即将每个试样重新浸泡在水中并返回培养箱。每个试样在称重过程中离开水的时间不超过30秒。一旦测量之间的重量变化在0.001 g以内，试样被认为已达到水吸附平衡（图2a）。随后将试样放置在含有硫酸钙的干燥器中，在37°C下，直到测量之间的重量变化恒定在0.001 g。最后，将试样在60°C的干热烘箱中放置24小时，然后进行最终重量测量（m?）。水吸附使用公式计算：(m? - m?)/v，其中m?是浸泡前的质量，m?是浸泡和干燥后的质量，v是圆盘状试样的体积（π.r2.h），其中r是试样的半径（3.5 mm），h是试样的高度（厚度）。

同时，使用相同的黄铜分模制作每种材料的50个试样。复合材料使用VALO固化灯（Ultradent, USA）在连续固化模式下聚合，输出为970 mW/cm2，持续20秒，按照各个制造商的说明进行。使用15号手术刀片从周边去除复合材料飞边，并检查表面是否有任何可见缺陷。制备后立即，试样储存在黑色避光容器中，在室温下，以防止环境光引起的进一步聚合。试样最初袋装并编号，使用随机化应用程序（Randomizer.org）将试样随机分为五组：一个对照组和四个实验组（食品着色剂：咖啡、咖喱、茶和葡萄酒）（图2b）。食品着色剂组如下：

第1组：蒸馏水；第2组：40 ml红葡萄酒（Carlo Rossi Red?）；第3组：40 ml咖喱异质溶液（Ground Massala, Chief Brand Curry, Trinidad?），比例为15 ml咖喱粉兑100 ml蒸馏水；第4组：40 ml黑茶溶液（Lipton Yellow Lab Tea?），比例为1茶包兑100 ml蒸馏水；第5组：40 ml咖啡溶液（Nescafe Gold Blend），比例为15 mg咖啡颗粒兑100 ml水。着色剂溶液的制备方案与先前发表的探索GCRBCs颜色稳定性的工作一致。

浸泡前，使用CI 7600 X-rite（Pantone LLC, MI, USA）台式数字分光光度计，在CIE（国际照明委员会）Lab*颜色空间内，对所有复合材料样品进行基线颜色测量，使用校正的D65光源和6 mm的光圈距离。对于每个测试试样，对每个颜色参数进行四次测量，并计算平均值。X-rite数字分光光度计在颜色测量前针对白色陶瓷参考和十二个BCRA（CERAM Research Ceramics Standards）Series II颜色瓷砖进行校准。分光光度计检查了重复性和仪器间一致性，仪器间一致性的平均性能（包括光谱成分）为ΔE = 0.15（测试限值：ΔE ≤ 0.30），白色重复性性能的最大RMS为ΔE = 0.008（测试限值：最大RMS ΔE ≤ 0.030）。

使用以下公式自动计算每个试样的总颜色（ΔE）：

ΔE = [ (ΔL)2 + (Δa)2 + (Δb*)2 ]^(1/2)

复合材料试样在 respective 食品着色剂中浸泡超过两周零四天，在避光容器中，在黑暗存储柜中室温下，溶液每2天更换一次。在着色剂溶液中的时间长度与水吸附测量的时间长度（浸泡和干燥）一致。浸泡期结束时，取出复合材料试样，用蒸馏水仔细清洗，blotting 干燥，然后进行浸泡后颜色测量。使用以下公式计算总颜色的变化：

ΔE(pre-immersion) - ΔE(post-immersion) = ΔE(color change)

使用单因素方差分析（ANOVA）确定各测试复合材料在各种食品着色剂中水吸附和颜色变化的平均值是否存在统计学显著差异。事后Bonferroni检验，在alpha水平0.05下，用于对每种测试材料在各种着色剂溶液中的水吸附和颜色变化进行多重比较。使用Pearson相关性确定水吸附值与ΔE变化之间是否存在正线性关系。在使用参数ANOVA和Pearson相关性之前，使用Shapiro-Wilk检验确定因变量呈正态分布。

Results

测试的GCRBCs的平均水吸附数据呈现在表2中。Amaris的两个试样的水吸附数据作为异常值（outliers）出现，与其余八个试样相比。用其余八个试样的平均值替换这些异常值以方便统计分析。测试复合材料之间的平均水吸附数据存在统计学显著差异（p = 0.02, F值 = 5.6）。事后Bonferroni显示Amaris Gingiva和Permaflow Pink之间存在显著差异（p = 0.001）。平均颜色变化数据（ΔE变化）与显著性一起呈现在表3中。由于浸泡在蒸馏水中，任何测试复合材料的颜色变化均无统计学显著差异；然而，对于各种着色剂溶液，材料之间的结果 mixed。相关性系数与显著性一起呈现在表4中。除PermaFlow浸泡在咖啡溶液中外，水吸附与任何测试复合材料在任何着色剂溶液中的相关性系数均无统计学显著性（p ≥ 0.05）。

Discussion

所有水吸附值均远低于ISO设定的可接受水吸附上限40 μg/mm3。本研究中达到的水吸附值意味着在生物潮湿环境中放置时，测试复合材料的化学和物理降解最小。与先前对giomers和牙色树脂进行的水吸附研究相比，相对水吸附值较高，但这些结果显示了这类工作的一个关键挑战，即复合材料样品的尺寸在不同研究中未标准化，因此使得水吸附值的直接比较困难。

PermaFlo Pink的水吸附值高于其他测试复合材料，并且在统计学上高于Amaris Gingiva。这可能归因于该材料被归类为可流动复合材料（flowable composite），其填料负载重量较低。具有较高填料负载的复合树脂已显示出较低的水吸附值，树脂基质中较大的填料负载减少了可用于吸水的空间。

根据制造商的详细信息，PermaFlo Pink含有0.3%重量的单氟磷酸钠（sodium monofluorophosphate）。以盐形式添加的氟化物，包括单氟磷酸钠，在树脂基质中分布不均匀，并在浸泡在水中时快速释放。这种早期的氟化物释放可能导致空隙，影响树脂复合材料的净吸水。研究表明，添加氟化物盐的材料往往具有较低的机械性能，部分受早期氟化物释放后水吸附的影响。

树脂基质内亲水性和疏水性树脂的相对比例可以影响水吸附。根据制造商的详细信息，PermaFlo Pink含有高达20%重量的三乙二醇二甲基丙烯酸酯（Triethylene Glycol Dimethacrylate, TEGDMA）。TEGDMA是一种低粘度、稀释性、亲水性单体，在许多牙科复合材料配方中用作交联剂。树脂基质内亲水性单体的存在可以影响聚合样品中水分的净流动，正如Ito等人的研究所证明，他们展示了最不亲水的实验性牙科复合材料配方具有可忽略的水吸附。其他GCRBCs中TEGDMA的相对比例较低，从<2.5%（Amaris Gingiva）到1%–10%（Beautifil Gingiva II）重量百分比不等。

本研究使用同时制备并独立测试水吸附和颜色稳定性的复合材料样品。虽然可能认为 separate specimens 不能直接用于相关性比较，但试样在体积尺寸、浸泡水吸附和颜色测量的液体量以及在液体中的时间长度方面的 exact treatment 有助于标准化相关分析的实验条件。

在蒸馏水着色剂溶液中浸泡2周零4天相当于消耗约2600杯饮料，假设每杯饮料消耗时间为10分钟。在所有着色剂溶液中的浸泡都产生了ΔE的变化，其中水浸泡导致所有测试材料中ΔE值的 shift 最小。纳米混合材料在所有着色剂溶液中产生最小的相对ΔE变化。在咖喱溶液中浸泡导致所有测试材料最大的ΔE变化。这与最近的研究结果一致，该研究显示牙龈色调复合材料在咖喱粉悬浮液中浸泡时颜色发生不可接受的变化。咖喱的黄色来源于姜黄素（curcumin），一种多酚疏水性植物色素，易于吸附在牙科复合材料表面。

在本研究中，ΔE的变化与测试材料的水吸附没有显示正相关，给定 either 负相关值或低相关性，这些相关性在水吸附与在各种着色剂溶液中浸泡时的ΔE变化之间不具有统计学显著性。

鉴于ΔE的相对变化与水吸附值不呈正相关，作者推测了牙色和牙龈色调复合材料ΔE变化的另一个原因。即使Permaflow Pink浸泡在咖啡中注意到水吸附与颜色变化之间存在统计学显著的负相关（r = -0.635, p = 0.050），也表明除了水分进入GCRBC的净运动外，还有另一种机制导致颜色变化。外在染色或染色吸附到复合材料表面可能解释了这些材料注意到的染色。复合材料表面光洁度已知会影响颜色变化，较粗糙的复合材料表面表现出较大且临床可感知的颜色变化。先前对牙龈色调复合材料颜色稳定性的研究显示，抛光后Amaris Gingiva与类似复合材料相比具有视觉上更粗糙的表面。这可能部分解释了当浸泡在茶和咖喱溶液中时，与纳米混合材料和Beautifil Pink respectively 相比，颜色变化的统计学显著性。缺乏复合材料样品的表面形貌评估是这项工作的一个主要局限性。计划进行定量轮廓测定评估和使用扫描电子显微镜的定性评估，以确定这些材料的表面粗糙度是否可能导致在各种食品着色剂中浸泡时注意到的ΔE相对变化。

牙科文献描述了牙科复合材料颜色变化的可感知和可接受阈值。可感知阈值定义为观察者识别颜色变化的ΔE变化，大多数观察者识别ΔE变化为1。相反，观察者接受变化的阈值被描述为可接受阈值，大多数观察者接受ΔE变化为3.7。如果将这些阈值应用于本研究中注意到的ΔE变化，所有试样在食品着色剂咖喱中浸泡会产生不利的可接受颜色变化阈值。考虑到可感知阈值，所有试样在茶、咖啡和咖喱中浸泡，以及纳米混合材料在葡萄酒中浸泡会产生不利的可感知颜色变化。

Conclusions

在本研究的局限性内，可以得出以下结论。

1. 1.

   所有测试复合材料均表现出 favorable 水吸附值，低于ISO上限40 μg/mm3；然而，零假设被拒绝，因为PermaFlow Pink和Amaris Gingiva之间的水吸附值存在统计学显著差异。

2. 2.

   水浸泡对所有测试复合材料产生最小的相对总颜色变化。

3. 3.

   咖喱导致所有复合材料样品最大的相对颜色变化，其中粉红色的Amaris Gingiva显示最大的颜色变化。

4. 4.

   除所有放置在咖喱着色剂中的复合材料和PermaFlo Pink放置在咖啡着色剂中外，测试复合材料之间的总颜色变化低于3.7的值，或临床可感知差异。

5. 5.

   对于任何放置在 any 着色剂溶液中的任何复合材料，水吸附与总颜色变化之间没有具有统计学显著性的正相关，但PermaFlow Pink浸泡在咖啡中时，水吸附与颜色变化之间存在负线性关系。