制备TiO2-xNx薄膜陶瓷托槽的抗菌性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.34.004

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文题释义：
陶瓷托槽：与天然牙相近，然而，由于托槽结构复杂，使得托槽周围容易聚集菌斑且不易清洁，同时，固定矫治装置使得口腔的微生态环境发生变化，使变形链球菌等致龋菌数量增加，引起釉质脱矿等一系列并发症，调查显示，正畸人群中牙釉质脱矿发病率在73%-95%。为了解决这一正畸治疗的并发症，曾有学者尝试在牙面上涂布抗菌药物，在粘接剂中添加抗菌颗粒或在金属托槽上镀抗菌材料，以达到抗菌防龋目的。
纳米TiO^₂：是一种光催化材料，因具有良好的化学稳定性、生物安全性及自洁能力，被广泛应用于污染治理、环境保护、生物医药等领域，在波长小于387.5 nm(紫外光波长)的光照射下，形成OH自由基、活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水等，他们不但能使细菌失去活性，同时能够降解细菌死亡后释放的有毒组分，但由于二氧化钛是一种宽带隙半导体，只能吸收紫外光和少量可见光，研究显示，氮掺杂改性可有效提高纳米TiO₂的可见光催化活性。

背景：正畸固定矫治中牙釉质脱矿发生率较高，因此探寻一种降低正畸固定矫治中釉质脱矿率的有效方法是众多学者一直的努力。
目的：在陶瓷托槽表面制备不同厚度的TiO₂-xNx薄膜，检测其抗菌性能。
方法：通过溶胶-凝胶浸渍法在陶瓷托槽表面制备不同厚度的TiO₂-xNx薄膜，采用X射线衍射分析薄膜的晶体结构，扫描电子显微镜观察薄膜的表面形貌，多功能材料表面试验仪检测薄膜的附着力，使用比色仪评价镀膜前后陶瓷托槽的色泽变化。通过平板菌落计数法评估TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽对白色念珠菌、变形链球菌的抗菌性能。
结果与结论：①TiO₂-xNx薄膜为锐钛矿型，结构均匀致密，随着薄膜厚度的增加，X射线衍射峰表现为增强趋势；②厚度最高薄膜最终附着力为18.37 N，说明薄膜与托槽具有较好的附着力，可承受在口腔应用中所受到的摩擦；③镀膜后，厚度最高薄膜托槽的色泽均有所变化，但变化较小，不至于影响陶瓷托槽原有的美观特性；④TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽对白色念珠菌、变形链球菌均有一定的抗菌性能，且随着薄膜厚度的增加抗菌性能逐渐增强，对变形链球菌的抗菌效果更明显；⑤结果表明，TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽在不影响美观的同时，对常见口腔致龋菌和条件致病菌具有较高的抗菌作用，且与托槽具有较好的附着力。

ORCID: 0000-0003-0839-4027(曹宝成)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 组织工程口腔材料, 溶胶凝胶-浸渍法, TiO₂-xNx薄膜, 陶瓷托槽, 抗菌性, 比色, 甘肃省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Enamel demineralization has been plaguing doctors and patients in the fixed orthodontic treatment, so we attempt to seek an effective method of reducing its incidence.
OBJECTIVE: To prepare TiO₂-xNx thin films at different thicknesses on the ceramic bracket surface by sol-gel method followed by detection of antibiotic performance.
METHODS: TiO₂-xNx thin films at different thicknesses were prepared on the ceramic bracket surface by sol-gel method. The crystal structure, surface morphology and attachment force of these thin films were analyzed by X-ray diffraction, scanning electron microscope and multi-function material surface tester, respectively. The color changes of ceramic brackets before and after coating were evaluated through German VITA Easyshade Advance 4.0 photoelectric color comparator. Antibiotic performance of the ceramic bracket coated with TiO₂-xNx thin film for Candida albicans and Streptococcus mutans was evaluated by the flat colony counting method.
RESULTS AND CONCLUSION: The prepared TiO₂-xNx thin film was anatase type, which had uniform and compact structure, and its X-ray diffraction peaks were elevated with the increase of film thickness. The attachment force of the thickest film was 18.37 N, indicating the thin film has a good adhesion to the ceramic bracket and can withstand the friction in the oral cavity. The antibiotic performance of TiO₂-xNx thin film for Candida albicans and Streptococcus mutans was also enhanced as the thickness of the thin film tended to increase, while the color changes of the ceramic brackets coated with different thickness of TiO₂-xNx thin films were not significant. To conclude, the ceramic bracket coated with TiO₂-xNx film that does not affect the appearance has high antibacterial activity to common oral cariogenic bacteria and opportunistic pathogens, and the film can adhere well to the bracket.

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中图分类号:

R318

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Wang Jian-wei, Wang Yu, Che Yuan-qian, Zhu Bo-wu, Cao Bao-cheng. TiO₂-xNx thin films on ceramic bracket surfaces: preparation and antibiotic performance[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(34): 5039-5044.

图/表（结果） 6

2.1 X射线衍射分析结果图1为不同厚度薄膜500 ℃退火后的X射线衍射谱，从X射线衍射谱图可以看出，所有薄膜均在(101)和(004)面出现衍射峰，表明TiO₂-xNx薄膜为锐钛矿型，且随着薄膜厚度的增加衍射峰表现为增强趋势。

2.2 扫描电镜分析结果图2为500 ℃退火后1-5层薄膜经扫描电镜放大5万倍后的表面形貌，如图所示，所制备的薄膜光滑、完整且晶粒微细致密、均匀分布。随着浸泡次数的增加，涂层表面形貌更加致密，裂纹减少。2.3 薄膜附着力检测结果薄膜附着力指薄膜对衬底黏着能力的大小，即薄膜与衬底材料在化学键合力或物理咬合力作用下的黏结强度^[19-20]。

随机抽取5个浸涂5层的样品，每个样品随机测试3个不同部位，最终取5组附着力的平均值得薄膜的最终附着力，为18.37 N。TiO₂-xNx薄膜托槽带入口腔后，会受到刷牙、食物摩擦、弓丝摩擦等，由于薄膜与衬底托槽为不同材料，因此附着力的强弱直接影响薄膜材料的性能。影响薄膜附着力的因素很多, 包括靶材、基底的材料, 前处理、制备工艺及后处理等^[21]，受制备工艺的影响，虽然附着力仅为18.37 N，但足以承受在口腔正常应用中所受到的摩擦^[22]。

2.4 托槽比色结果表1所示为随机抽取同一厚度(浸涂5层)的5个实验托槽及1个对照组托槽，用德国VITA Easyshade Advance 4.0比色仪测量其色度值。该比色仪采用Lab色彩模型，其中L代表照度，相当于亮度，a表示从红色到绿色的范围，b表示从蓝色到黄色的范围，所有的颜色由这3个值交互变化组成，人肉眼能感知的色彩都能通过Lab色彩模型表现出来^[23]。通过表1各组数据可以看出，镀膜后托槽的色泽均有所变化，但变化较小，不至于影响陶瓷托槽原有的美观特性。

2.5 抗菌实验结果图3、4分别为对照组和实验组对变形链球菌和白色念珠菌的抗菌图片，可以看出，随着薄膜厚度逐渐增加，培养皿中菌落数量逐渐减少，说明实验组托槽均有一定抗菌性，且随薄膜厚度增加，样品抗菌性逐渐增强。图5所示为样品对变形链球菌和白色念珠菌2种口腔常见致龋菌的抗菌率柱状图，该图可更直观的看出实验组托槽均表现出一定的抗菌性，且随薄膜厚度的增加抗菌率增强，与图3、4相一致，但对2种不同的细菌抗菌性有差异，对变形链球菌的最高抗菌率为92.9%，对白色念珠菌的最高抗菌率为75.6%。

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引言

随着人们生活水平的不断提高和对美的追求，越来越多的成人特别是女性加入到正畸的行列^[1]，由于陶瓷托槽的色泽与天然牙相近，因此深受广大正畸医师和成人患者的青睐^[2]。然而，由于托槽结构复杂，使得托槽周围容易聚集菌斑且不易清洁^[3]，同时，固定矫治装置使得口腔的微生态环境发生变化，使变形链球菌等致龋菌数量增加，引起釉质脱矿等一系列并发症^[4-5]，调查显示，正畸人群中牙釉质脱矿发病率在73%-95%^[6]。为了解决这一正畸治疗的并发症，曾有学者尝试在牙面上涂布抗菌药物，在粘接剂中添加抗菌颗粒或在金属托槽上镀抗菌材料，以达到抗菌防龋目的^[7-9]。

纳米TiO₂是一种光催化材料，因具有良好的化学稳定性、生物安全性及自洁能力，被广泛应用于污染治理、环境保护、生物医药等领域^[10-11]，在波长小于387.5 nm(紫外光波长)的光照射下，形成OH自由基、活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水等，他们不但能使细菌失去活性，同时能够降解细菌死亡后释放的有毒组分，但由于二氧化钛是一种宽带隙半导体，只能吸收紫外光和少量可见光^[12]，研究显示，氮掺杂改性可有效提高纳米TiO₂的可见光催化活性^[13]。兰州大学李娜等^[14]首次利用磁控溅射法在金属MBT托槽上制备了TiO₂-xNx薄膜，并对其进行了表征、表面性能测试及抗菌测试，结果显示改良的金属托槽的基本性能均超过了普通MBT金属托槽。张颖杰等也研究了改良金属托槽的生物相容性，结果显示TiO₂-xNx薄膜托槽无口腔黏膜刺激性、无短期全身毒性、无溶血性及无遗传毒性，具有良好的生物相容性，但由于陶瓷托槽本身的特性，如不导电、不耐高温、脆性大等使其加工难度极大，目前鲜有文献报道对陶瓷托槽本身的抗菌性改良^[15]。束嫘等^[16]研制生产出纳米TiO₂陶瓷涂层托槽，结果表明薄膜与托槽之间具有很强的结合能力，托槽表面光洁度明显改善，托槽弓丝摩擦力显著减小，同时实验结果显示TiO₂陶瓷涂层托槽对变链菌属具有良好的抑菌作用。实验欲通过溶胶-凝胶浸渍法在陶瓷托槽表面制备不同厚度锐钛矿相的TiO₂-xNx薄膜，通过材料表征、色泽及抗菌性能分析，为TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽的临床应用提供依据。

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材料方法

1.1 设计陶瓷托槽上TiO₂-xNx薄膜的制备、表征及光催化抗菌性能研究。

1.2 时间及地点实验于2014年12月至2015年11月在兰州大学基础医学院、物理科学与技术学院完成。

1.3 材料

实验菌株：变形链球菌(ATCC25175)由四川大学口腔重点实验室提供；白色念珠菌(ATCC10231)由四川大学口腔重点实验室提供。

托槽：直丝弓陶瓷托槽50个，1 cm×1 cm陶瓷托槽原材料基片50片(3B，杭州，中国)。

1.4 实验方法

托槽的预处理：浸涂前先后用99.9%甲苯、99.5%丙酮、体积分数99%乙醇超声清洗托槽30 min，将托槽放入烘箱中烘干后，放入密封容器中备用。

前躯体溶胶的配置：将98%乙酰丙酮、99%正丁醇、99%钛酸四丁酯、99.7%异丙醇、99.9%乙腈、99%四甲基乙二胺按比例配置，配比为1∶14∶2∶6∶1.6∶1(摩尔比)隔夜静置备用。

薄膜托槽的制备：将清洗好的托槽按设置好的组别(依据浸泡1-5次将实验分为1-5层组)浸泡于溶胶中，干燥、500 ℃退火，控制退火温度的上升速度，防止温度变化过快而导致的基片破裂或薄膜剥落^[11]。保温2 h后，基片随炉降温，以使薄膜有足够的时间充分结晶^[12]，制得不同厚度TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽。

1.5 主要观察指标

X射线衍射分析：用日本理学Riguku D/MAX- 2400 型X射线衍射仪，对不同厚度TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽进行X射线衍射分析。

扫描电镜分析：用日立公司Hitachi S-4800场发射扫描电镜，对不同厚度TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽进行表面形貌分析。

TiO₂-xNx薄膜托槽表面薄膜附着力的测试：采用划痕法测试TiO₂-xNx薄膜对基底托槽的附着强度。实验采用MFT-4000多功能材料表面试验仪, 压头为锥度120°、半径0.2 mm的金刚石尖端, 终止载荷50 N，加载速度50 N/m，划痕10 mm。基于实验的扫描电镜和X射线衍射表征表明浸泡5层时的表面形貌致密，裂纹较少且衍射峰强度高，结晶性好，因此实验选择5层组进行相关物理特性表征。实验用5个样品，取5点测试的平均值，得到薄膜附着力的临界值。

TiO₂-xNx薄膜托槽镀膜前后色泽改变：用德国VITA Easyshade Advance 4.0比色仪对镀膜前后托槽的色泽改变进行评价，随机选取5个同一厚度的样品，取5个样品测试的平均值，得出薄膜的色度值，与对照组(未做处理的陶瓷托槽)色度值比较，评价镀膜前后托槽的色泽改变。

抗菌实验：通过平板菌落计数法来检测TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽对变形链球菌、白色念珠菌的抗菌性能，菌落的数目通过菌落计数器检测。将白色念珠菌、变形链球菌分别配制成浓度为1.5×10⁶ CFU/mL的菌悬液，取100 µL加入3 mL的液体培养基内，并在试管中分别放入实验组(镀膜的陶瓷托槽)和对照组(未做任何处理的陶瓷托槽)，在可见光下照射12 h，在37 ℃下置于摇床内进行24 h，取出充分震荡，从每只试管内吸取菌悬液 10 µL，无菌生理盐水稀释至10 mL，在吸取20 µL涂布至固体培养基，37 ℃下培养24 h(白色念珠菌)、16 h(变形链球菌)，菌落计数，抗菌率通过以下公式获得：

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讨论

正畸固定矫治过程中牙釉质脱矿的发生率为73%- 95%，并主要集中于托槽边缘^[6]。主要原因是正畸矫治器周围容易堆积菌斑及由于正畸弓丝的限制，导致难以进行彻底的口腔清洁^[24]。

纳米TiO₂是一种多晶型的光催化材料，它是一种常见的n型半导体材料，在自然界中有锐钛矿、金红石及板钛矿3种晶型^[25]。目前普遍认为具有光催化作用的TiO₂主要有锐钛矿型和金红石型2种类型^[26]。锐钛矿型TiO₂的禁带宽度为3.2 eV，其吸收波长为387.5 nm，属于紫外光区。而太阳光谱的主要能量集中在460-600 nm波长范围，同时由于室内光源的能量也集中在550-600 nm的区域，因此TiO₂的光吸收与太阳光和荧光灯光波的重叠非常有限，它只能吸收紫外光及3%-5%的可见光^[12]。研究显示，氮掺杂可显著提高二氧化钛的可见光催化效率。由于晶体的每一个晶格都存在着不同程度的晶格缺陷，当其他物质掺入晶体时，晶格缺陷就可能被置换，置换后的缺陷可以使电子-空穴有效分离并抑制其复合，从而使催化剂的性能得到了提高^[26]。实验中制备的TiO₂-xNx薄膜均为致密锐钛矿型，且随着薄膜厚度的增加衍射峰表现为增强趋势，与先前的研究结果是一致的^[17-19]。

托槽抗菌性与薄膜-托槽的结合力直接相关，实验采用最常用的划痕法测试TiO₂-xNx薄膜与托槽的附着强度，获得膜表面失效值和膜-基表面失效值(薄膜与托槽基底的附着力)。通过随机抽取5个浸涂5层的样品，每个样品随机测试3个不同部位，最终取5组平均值得薄膜的最终附着力，为18.37 N。影响薄膜附着力的因素很多，包括靶材、基底的材料、前处理、制备工艺及后处理等^[27]，实验的结果表明薄膜与托槽具有较好的附着力，可以承受在口腔应用中所受到的摩擦。

色泽变化是改性陶瓷托槽不容忽视的一点，实验用德国VITA Easyshade Advance 4.0比色仪对镀膜前后托槽的色泽改变进行评价，发现托槽色泽改变细微，不影响其原有的美观性能。

变形链球菌是主要的致龋菌，也是正畸治疗中造成托槽周围釉质脱矿的首要因素^[28-29]，白色念珠菌作为条件致病菌，在正畸治疗患者中的检出率为25%-40%^[30]。因此选用该两种菌进行抗菌实验，实验所制备的TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽对变形链球菌和白色念珠菌的抗菌率最高分别92.9%和75.6%，表明其有较强的抗菌效应。

综上所述，实验所制备的TiO₂-xNx薄膜陶瓷托槽在不影响美观的同时，在可见光下对常见的口腔致龋菌和条件致病菌具有较高的抗菌作用，薄膜与托槽的附着力较好，可以承受在口腔应用中所受到的摩擦，可为进一步的临床应用提供一定的依据。

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TiO₂-xNx thin films on ceramic bracket surfaces: preparation and antibiotic performance

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