关键词：
牙科修复树脂
UDMA/TEGDMA
SiO2
环氧低聚物
力学性能
摘要：
近年来,牙科修复树脂材料拥有较长的使用寿命,且临床操作便利,通过改变树脂基体的种类和含量可改善力学性能,满足不同需求。然而,牙科修复树脂作为牙齿缺损填充材料存在耐磨性较低、韧性不足等缺点,因此需要加入无机填料提高树脂材料的力学性能。值得注意的是,纳米无机填料在添加的过程容易发生聚集,因此改变纳米颗粒的表面特性、提高分散性并更好地发挥无机填料本身优异的性能是目前研究的热点。同时,关于牙科修复树脂材料的性能研究大多通过实验测量和临床反馈,难以从微观结构及分子间作用力解释材料性能的变化规律。而计算机模拟技术通过构建模型,可预测材料的结构和性能,从微观角度解释材料性能增强的机理,弥补实验的不足。因此,本文采用分子动力学模拟开展二氧化硅/牙科修复树脂复合材料力学性能的计算模拟研究,分别探究不同含量的树脂基体和Si O2纳米颗粒以及环氧低聚物在纳米颗粒表面的接枝密度对牙科修复树脂复合材料力学性能的影响,并从微观尺度揭示其增强效应,为牙科修复树脂复合材料的增强改性实验提供理论依据和支撑。为了探究树脂基体含量对牙科修复树脂材料力学性能的影响,本文构建了UDMA/TEGDMA聚合树脂体系模型。通过分子动力学计算模拟,结果发现,随着树脂基体TEGDMA含量的增加,UDMA/TEGDMA聚合树脂体系的自由体积空间变化不大。树脂间氢键密度随TEGDMA含量的增加呈现逐渐减小的趋势,即分子间作用力减弱,降低了力学性能。为了探究纳米无机填料对牙科修复树脂材料力学性能的增强效果,本文构建了Si O2/UDMA/TEGDMA复合树脂体系模型。与UDMA/TEGDMA聚合树脂（E=3.54 GPa、G=1.35 GPa）相比,添加Si O2纳米颗粒含量为11 wt%时,Si O2/UDMA/TEGDMA复合树脂的弹性模量提高了14.4%,剪切模量提高了14.1%。这是因为Si O2纳米颗粒的加入降低了复合树脂体系的自由体积分数,分子链运动的“有效”自由空间减少,复合树脂体系的密实度逐渐增加。并且,Si O2纳米颗粒表面存在较多-OH,分子间形成氢键的概率增加,分子间结合能力增强,体系稳定性随之提高,从而力学性能得到增强。与微观力学模型进行比较,发现与Counto模型表现出较高的一致性,说明加入纳米颗粒后,复合树脂体系刚性增加,树脂基体与Si O2纳米颗粒间有较强的相互作用。为了探究纳米无机填料化学改性后对复合树脂材料力学性能的影响,我们将Si O2纳米颗粒表面接枝环氧低聚物（Epoxy Oligomers,简称EO）,通过改变接枝密度和环氧低聚物重复基团的数目研究复合树脂材料的微观结构和力学特性。结果发现,随接枝密度的增加,分子间氢键作用和结合能显著提高,且在同一接枝密度下,环氧低聚物的重复基团越多,氢键作用和分子间结合能力越强。高分子链的回转半径随接枝密度的增加出现先减小后增加的趋势。这是因为添加Si O2-EO填料后,高分子链出现收缩,随着接枝密度的逐渐增加,高分子链的规整性和取向性升高,回转半径逐渐增加。但重复基团数量越多,高分子链的回转半径越小。这是因为重复基团数量越多,Si O2-EO填料在模型中占据体积就越大,所以高分子链伸展更加困难一些,所以回转半径较小。复合材料力学性能随接枝密度的增加而显著增强,且在同一接枝密度下,环氧低聚物的重复基团越多,力学性能更好。原因是环氧低聚物结构中含有苯环和-OH,当接枝密度越大,低聚物的重复基团越多时,体系的刚性增加,氢键数目增多,增加了树脂基体与填料间分子作用力,从而提高了复合材料的力学性能。综上所述,本文采用分子动力学模拟开展了牙科修复树脂复合材料力学性能的计算模拟研究,分别探究了UDMA/TEGDMA聚合树脂体系、Si O2/UDMA/TEGDMA复合树脂体系和Si O2-EO/UDMA/TEGDMA复合树脂体系的力学性能,并从材料的微观结构等方面揭示其增强效应。
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