Наноструктура и изменения поверхностного рельефа гибридных наногелей для стоматологии: исследование методом атомно-силовой микроскопии

Тонкая наноструктура и архитектура поверхности гибридных наногелей в стоматологии играют незаменимую роль при обеспечении биосовместимости, а также являются основной причиной их применения в реставрационной стоматологии. АСМ (атомно-силовая микроскопия – atomic force microscopy) является эффективной технологией для детального изучения характе- ристик поверхности в наномасштабе, что позволяет с чрезвычайно высоким разрешением получить представление о шероховатости, распределении частиц наполнителя и механических свойствах [1]. Визуализация поверхности особенно важна для исследования поведения гибридных наногелей, в которых полимерная матрица и встроенные неорганические наночастицы часто демонстрируют сложные взаимодействия. Понимание этих взаимодействий имеет решающее значение для опреде-

Эта статья доступна в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International

License (CC BY-NC 4.0)

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)

ления наиболее перспективных материалов с высокой износостойкостью и хорошей адгезией к зубным тканям. Данные параметры значительно влияют на позити-ный исход стоматологических вмешательств в долгосрочной перспективе [2]. Зеин представляет собой гидрофобный проламиновый белок, содержащийся в кукурузе, который привлекает внимание благодаря своей биоразлагаемости, биосовместимости и способности образовывать пленки. Данные качества позволяют использовать его в широком спектре медицинских и стоматологических применений [3]. Учитывая потребность в устойчивых и биосовместимых материалах для биомедицинских применений, использование природных полимеров в сочетании с неорганическими наночастицами ( nanoparticles - NPs ) является привлекательным направлением [4]. В сочетании с наночастицами оксида магния ( MgO-NPs ), известными своими антимикробными свойствами, полученные нанокомпозиты ( zMgO ) обладают значительным потенциалом в биомедицинских областях, особенно в стоматологии и пародонтоло-гии [5].

MgO-NPs являются одним из наиболее значимых соединений в строительстве. Они обладают уникальными физико-химическими свойствами, включая высокую термическую стабильность, превосходные диэлектрические свойства и значительную антибактериальную активность. Химическая структура оксида магния ( MgO ) состоит из катиона магния ( Mg ²⁺) и аниона оксида ( O ^2-), а его ультрадисперсные наночастицы размером от 1 до 100 нанометров образуют кристаллическую решетку [6]. Однако MgO-NPs имеют склонность к агломерации, что снижает их эффективность [7].

Полимер зеин использовался для предотвращения агломерации наночастиц MgO , что способствовало его применению для стабилизации наночастиц в биологических и фармацевтических системах. Такой синергетический эффект приводит к усилению антимикробного действия нанокомпозитов, поскольку покрытие этих наночастиц зеином не только предотвращало агломерацию, но и повышало стабильность их дисперсии, сохраняя функциональные свойства, что делает эти наноинтерфейсы подходящими для применения в стоматологии и других областях биомедицины [8].

Данные топографии высокого разрешения для анализа морфологии поверхности и распределения частиц по размеру этих нанокомпозитов могут быть получены с помощью АСМ [9]. Это позволяет наблюдать характеристики поверхности (в нанометровом масштабе) для оценки дисперсии частиц, шероховатости поверхности и морфологической однородности [10]. АСМ служит ключевым инструментом для характеристики наночастиц зеина-оксида магния (zMgO), предоставляя подробную информацию об их физических и механических свойствах на наноуровне. Кроме визуализации поверхности, АСМ может определять размер отдельных наночастиц, оценивать однородность препарата и выявлять влияние покрытия зеином на общие размеры частиц [11].

Кроме того, усовершенствованные режимы АСМ позволяют исследовать наномеханические свойства, включая эластичность, силы адгезии и твердость, которые необходимы для понимания стабильности наногелей zMgO и их взаимодействия в биологической среде [12].

Внедрение zMgO-NPs в стоматологические материалы выявило обнадеживающие результаты в плане улучшения антибактериальных свойств при сохранении механической прочности [11]. Исследования, специально посвященные цитотоксичности и безопасности наночастиц zMgO непосредственно в стоматологии, относительно ограничены, однако некоторые исследования дают представление об их потенциальной применимости.

Исследование, непосредственно посвященное изучению безопасности нанопроволок MgO с покрытием из зеина у самцов и самок крыс-альбиносов, пришло к выводу, что, исходя из наблюдаемой безопасности, их можно использовать в различных новых стоматологических составах. Также были изучены антимикробные свойства стоматологических цементов, модифицированных наночастицами MgO , что дает основания считать их пригодными для применения в стоматологии [9]. Несмотря на то, что непосредственные исследования использования частиц zMgO в стоматологии только начинаются, более обширная литература по наночастицам зеина указывает на их общую биосовместимость. Например, наночастицы зеина не показали цитотоксического действия в различных клеточных линиях, включая клетки кишечника, и не продемонстрировали заметной токсичности в моделях in vivo на мышах при оценке в качестве носителей лекарственных средств. Сам зеин широко признан за свою биосовместимость и безопасность в биомедицинских областях [13].

В настоящей работе с помощью АСМ исследуются структурные и функциональные свойства гелей zMgO-NP при различных концентрациях. Такие свойства важны для разработки стабильных и биосовместимых стоматологических материалов. Это исследование вносит вклад в устойчивое здравоохранение в глобальном масштабе, создавая экологичные материалы для биомедицинских применений.

Материалы и методы

Прекурсор и гелеобразующий агент состояли из стехиометрического количества тетрагидрата ацетата магния и лимонной кислоты.

Реагенты предварительно по отдельности растворяли в этаноле, затем перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 1 ч. Затем растворы подвергали ультразвуковой обработке с различными параметрами рабочего цикла (0,6–1,8), амплитудой (20–60 %) и фиксированной частотой 60 Гц с помощью ультразвукового аппарата модели RATEK (коммерчески доступное лабораторное устройство, производимое компанией RATEK Instruments) для получения смешанных суспензий CNT–EG.

На этом этапе образовался белоснежный гель, после чего проводилась ультразвуковая обработка от 5 до 15 мин. Гель, выдержанный более 12 ч, был высушен в сушильном шкафу с горячим воздухом в течение 24 ч при 100 °C для получения сухого порошка [14].

600 мг зеина и 100 мг лизина растворяли в 70 мл этанол-водного раствора с объемным соотношением 1:1 с последующим магнитным перемешиванием при комнатной температуре.

Затем медленно добавляли 700 мл дистиллированной воды для получения наночастиц. Полученную суспензию очищали и концентрировали методом ультрафильтрации через фильтровальную бумагу с размером пор 0,15. После этого суспензия NPs была смешана с 20 мл водного раствора маннитола, а затем высушена в течение ночи при комнатной температуре [15].

Для растворения примерно 0,02 г зеина использовалась смесь этанола и 0,1 моль/л раствора гидроксида натрия, причем этанол составлял 93,7 % объема. Примерно 0,02 г MgO и 0,9 % (мас./об.) поливинилового спирта были добавлены в другой раствор.

Раствор зеина постепенно добавляли по каплям во второй раствор после его ультразвуковой обработки. Водную фазу поддерживали при регулируемой температуре 10 °C с помощью ледяной бани.

Суспензия zMgO-NP непрерывно перемешивалась со скоростью 500 об/мин для ускорения испарения этанола.

Для дальнейшей очистки водной суспензии наночастиц зеина было проведено два цикла дифференциального центрифугирования со скоростью 3000 об/мин в течение 45 мин каждый.

После этого смесь оставляли испаряться в течение ночи при комнатной температуре [5].

Полимолочная кислота и желатин были растворены в растворе гидроксида натрия и непрерывно перемешивались в течение ночи для получения однородного раствора с соотношением полимолочной кислоты к желатину 8:2 (мас./мас.) и концентрацией гидроксида натрия 10 % (мас./об.) [15].

Затем в раствор вводили различные объемы суспензии zMgO-NP , составляющие 0,5, 1,0 и 1,5 % от общего объема (мас./об.), и тщательно диспергировали с помощью ультразвуковой обработки в течение 30 мин, в результате чего образовался гель.

Каждый образец zMgO-NP был изготовлен путем нанесения небольшого количества вещества на новые подложки, которые были выбраны из-за их атомарногладких поверхностей и совместимости с АСМ-визуализацией. Для получения однородного тонкого покрытия образцы сушили на воздухе при комнатной температуре в беспыльной среде. Корректная подготовка образцов имеет решающее значение, поскольку она влияет на точность и надежность АСМ-измерений [16].

Визуализация с помощью АСМ проводилась с использованием прибора Bruker Dimension Icon ( Bruker Inc ., США), работающего в режиме прерывистого контакта, чтобы избежать прилипания наночастиц к зонду АСМ и минимизировать поперечные силы, которые могут повредить мягкие образцы, такие как гели на полимерной основе. Использовались кремниевые кантилеверы (например, Bruker TESPA-V2 ) с номинальной постоянной упругости ~40 Н/м и резонансной частотой ~320 кГц. Область сканирования была установлена на 5×5 мкм² со скоростью сканирования 1 Гц [17].

Полученные АСМ-изображения были обработаны и проанализированы с помощью программного обеспечения Nano Scope Analysis ( Bruker Inc., США). Для определения плотности частиц количество наночастиц на единицу площади подсчитывалось непосредственно по микрофотографиям АСМ. Анализ изображений прово-

Общие статистические данные для всех концентраций

Параметр	0,5 %	1 %	1.5 %
Покрытие, %	7,253	23,79	23,47
Плотность, частицы/мм²	1511875	10389323	2137600
Средний диаметр, нм	136,3	96,54	126,2
Минимальный диаметр, мм	58,13	4.44	18,16
Максимальный диаметр, нм	1371	758,3	954
Пороговое значение, нм	49,71	103,3	153,40

дился на нескольких полях сканирования, чтобы обеспечить репрезентативность выборки. В частности, АСМ-сканирование проводилось с полями зрения 1×1 мкм², 5×5 мкм² и 10×10 мкм². Количество частиц в каждом поле было усреднено, и результаты были выражены в виде частиц на мкм². Такой подход позволил получить количественную информацию о дисперсии и распределении MgO-NPs в матрице зеина, что имеет решающее значение для понимания морфологических свойств и потенциальных применений материала [18].

Для количественной оценки топографических характеристик образцов были рассчитаны параметры шероховатости поверхности, такие как среднеквадратичная шероховатость ( Rq ). Эти параметры позволили получить представление о дисперсии и распределении MgO-NPs в матрице зеина, что имеет решающее значение для понимания морфологических свойств и потенциальных применений материала [19].

Результаты

В данном исследовании было проведено систематическое исследование характеристик zMgO-NPs при различных концентрациях, а именно 0,5, 1% и 1,5 %, с упором на их плотность, покрытие и структурные свойства.

Для всех трех концентраций наблюдались морфологические тенденции, зависящие от концентрации (табл. 1). Плотность частиц в 0,5 % геле составляла 1511875 частиц/мм², с покрытием 7,253 %, что отражает разреженное распределение частиц. Средний диаметр составлял 136,3 нм, со значениями в диапазоне от 58,13 до 1371 нм, что указывает на умеренное варьирование размеров частиц. Аналогичным образом, расчеты высоты ступеней выявили структурную неоднородность: максимальная высота Z достигала 139,3 нм, что указывает на неравномерность в укладке и пространственном расположении частиц. Это подтверждается гистограммой с правосторонним смещением (рис. 1, а ) и широким распределением высоты ступеней (рис. 1, б ).

F: [Workflow] Form removed (LS-poly 3) S-filter (As): None

L-frlter (Ac): Gaussian, 0.0025 mm

Height parameters

Sq       20.12  nm    Root-mean-square height

Ssk      1.886          Skewness

Sku       32.81           Kurtosis

Sp      368.6  nm    Maximum peak height

Sv       249.9  nm    Maximum pit depth

Sz      618.5  nm    Maximum height

Sa       10.22  nm    Arithmetic mean height

Functional parameters

Smr      100.0  %     Areal material ratio

Smc      13.08   nm     Inverse areal material ratio

Sdc       27.33   nm     Material ratio height difference

Hybrid parameters

Sdq     0.1390          Root-mean-square gradient

Sdr     0.8273   %      Developed interfacial area ratio

F: [Workflow] Form removed (LS-poly 3)

F: Leveled(LS), Angle -3.$31e-ll6, -2.726е-11°

S-filter (As): None

Height parameters

Sq       43.12  nm    Root-mean-square height

Ssk      2.104          Skewness

Sku       18.40           Kurtosis

Sp      574.8  nm    Maximum peak height

Sv      178.2  nm    Maximum pit depth

Sz      753.0  nm    Maximum height

Sa-      23.29  nm    Arithmetic mean height

Functional parameters

Smr 100.0 %                  -

Smc     29.74  nm     Inverse areal material ratio

•Sdc      60.81   nm     Material ratio height difference

Hybrid parameters

Sdq     0.1517          Root-mean-square gradient

Sdr      0.9904   %      Developed interfacial area ratio

Рис. 1. а – гистограмма распределения размеров частиц; б – ступенчатый профиль АСМ 0,5 % геля; в – АСМ-изображение; г – параметры шероховатости поверхности

Увеличение концентрации зеина до 1 % значительно повысило плотность до 10389323 частиц/мм² и покрытие до 23,79 %. Средний диаметр частиц уменьшился до 96,54 нм, с более широким диапазоном размеров (4,44–758,3 нм). Это изменение означает более высокую степень кластеризации частиц, что потенциально могло привести к усилению взаимодействия между частицами, тем самым влияя на их стабильность. Кроме того, анализ высоты ступеней показал большую однородность, со средней высотой 37,64 нм по различным ступеням, что подтверждает предположение о повышенной агрегации. Это подтверждается резким пиком гистограммы (рис. 2, а ) и однородным профилем ступеней (рис. 2, б ).

Плотность частиц 1,5 % геля составила 2137600 ча-стиц/мм², что в значительной степени соответствует тенденции 1 % геля, но демонстрирует снижение по сравнению с непосредственно более низким аналогом. Покрытие оставалось значительным на уровне 23,47 %, а средний диаметр составил 126,2 нм, что было выше, чем у 1 % геля, но ниже, чем у 0,5 % геля. Максимальная высота по оси Z составила 1230,6 нм, что подчеркивает увеличение вертикальной упаковки и межчастичных взаимодействий. Расчеты высот ступеней показали вариации на нескольких уровнях с шириной от 102,56 до 611 нм, что подтверждает представление о неоднородном характере упаковки. Это подтверждается резким пиком гистограммы (рис. 3, а ) и равномерным профилем ступеней (рис. 3, б ).

Обсуждение

Зависящее от концентрации поведение NPs играет ключевую роль в их агрегации, структурной организации и поверхностных взаимодействиях, значительно влияя на их стабильность и функциональность в различных применениях. Низкая плотность частиц (1511875 частиц/мм²) и покрытие (7,253 %) 0,5 % геля указывают на разреженную дисперсию с минимальными силами агрегации, что согласуется с предыдущими исследованиями коллоидной стабильности [20].

Широкий диапазон распределения размеров (58,13–1371 нм) указывает на изменчивость механизмов нуклеации, явление, часто наблюдаемое при синтезе NPs [21]. Заметный сдвиг произошел при концентрации 1 %, когда плотность частиц резко увеличилась до 10389323 частиц/мм², а покрытие возросло до 23,79 %, что способствовало усилению кластеризации и формированию сети за счет увеличения межчастичных взаимодействий [22; 23].

Данная зависимая от концентрации агрегация была аналогична процессу формирования гелей NPs , где более высокие концентрации способствуют возникновению связности и мостиковым эффектам [19]. Примечательно, что при концентрации 1,5 % плотность частиц снизилась до 2137600 частиц/мм², несмотря на сохране ние аналогичного покрытия (23,47 %), что указывает на эффекты упаковки, вызванные насыщением, а не на эффекты дисперсии [24].

Рис. 2. а – гистограмма распределения размеров частиц; б – ступенчатый профиль АСМ 1 % геля; в – АСМ-изображение; г – параметры шероховатости поверхности

F: [Workflow] Form removed (LS-pofy 3) S-filter (As): Alone

L Alter (Ac): Gaussian, 0.0025 mm

Height parameters

Sq       17.22  пгт

Ssk     2.652         Skewness

Яш      48.88          Kurtosis

Sp       358.0  nm               .

Sv 263.6 nm '■>■. . mat depth

Sz      621.5  nm    Маютит height

Sa       9.066  nm    Arithmetic mean height

Functional parameters

Smr 100.0 %     Areal materia! ratio

Sdc 29.60 nm Vaie^i rato deign! тЪ^

Hybrid parameters

Sdr 0.5634 %

Sa       18.09 nm    Anrm-::. mean height

Functional parameters

Smr      100.0 %     A^i''-:ater^ rate

Hybrid parameters

F: [Workflow] Form removed (LS-poty 3)

F: Leveled (IS), Angle 6.4530-11° -6.220е-11й

S-filter (As): None

Height parameters

Sq       35.07  nm RoiPr:ean-

Ssk      2.343

Sku      28.39

91.72 nm    Maximum pt deptri

6483 nm    Maximum height

Sdq

Sdr

Root-mean-square gradient

0.6868 % Deve^

ISO 25178 - Roughness (S-L)

ISO 25178 ■ Primary surface

Рис. 3. а – гистограмма распределения размеров частиц; б – ступенчатый профиль АСМ 1,5 % геля; в – АСМ-изображение; г – параметры шероховатости поверхности

Наблюдаемое увеличение максимальной высоты Z (1230,6 нм) еще больше подтвердило образование многослойных структур наночастиц, что согласуется с сообщениями о их вертикальной укладке в плотных суспензиях [25; 26].

Кроме того, колебания высоты ступени, наблюдаемые в 1,5 % геле, в диапазоне от 102,56 до 611 нм, подтвердили влияние гелеобразного структурного образования на поведение наночастиц, что соответствует тенденции, выявленной в исследованиях наночастиц из оксидов металлов.

Результаты исследований могут применяться при комплексном подходе к решению биомеханических задач в стоматологии, включающий разработку новых методов экспериментальной оценки трибомеханических свойств материалов [27], оптимизацию конструкций имплантов [28], а также моделей для прогнозирования стабильности зубных протезов при ударных нагрузках [29].

Выводы

Наблюдаемое в данном исследовании зависимое от концентрации поведение наночастиц подчеркивает критический баланс между дисперсностью и агрегацией. В то время как более низкие концентрации способствуют равномерному распределению свойств, более высокие концентрации вызывают кластеризацию и вертикальную упаковку, что влияет на их общие структурные характеристики. Кроме того, реологические исследования могут дать более глубокое понимание стабильности и механических характеристик гелей с наночастицами, особенно для потенциального применения в доставке лекарств и биоинженерии. Более глубокое изучение реологических свойств может привести к оптимизации рецептур наноматериалов с улучшенными характеристиками в биомедицинских и промышленных условиях.