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通过分子对接与动力学模拟，研究石墨烯及其衍生物在牙科修复材料中的增强作用，揭示其对粘附性和机械性能的影响，为高性能牙科复合材料的设计提供理论依据
牙科修复材料的性能提升一直是口腔医学领域的研究热点。当前，牙科树脂复合材料虽被广泛应用，但仍存在与牙釉质粘结性差、机械性能不足等问题，限制了其使用寿命和临床效果。为解决这一难题，来自美国罗格斯牙科学院等机构的研究人员开展了一项关于石墨烯及其衍生物在牙科修复材料中应用的研究。他们利用分子对接和分子动力学（MD）模拟技术，深入探究了单体与石墨烯基粘合剂之间的相互作用，以及这些相互作用对复合材料机械性能的影响。研究结果显示，石墨烯量子点和功能化石墨烯衍生物与牙科单体形成的复合物具有优异的粘附性和机械强度，其中 Bis-GMA-石墨烯量子点复合物表现出最高的稳定性，其杨氏模量（Young’s modulus）达到 14.74 GPa，剪切模量（Shear modulus）为 9.32 GPa，弯曲强度（Flexural strength）为 120.51 MPa，并且形成了多达 20 个氢键。这些发现为开发高性能牙科修复材料提供了新的思路和理论支持，有望显著提高牙科修复的耐用性和可靠性，减少修复失败率。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为未来牙科材料的研发和临床应用开辟了新的方向。
牙科修复材料的性能直接关系到口腔健康和修复效果。目前，牙科树脂复合材料虽然具有良好的操作性和美观性，但其与牙釉质的粘结性较差，且在机械性能方面如弯曲强度和抗裂性上不如天然材料，难以承受咀嚼等口腔活动产生的强大应力，导致修复体的使用寿命有限，容易出现微渗漏、继发龋齿和修复失败等问题。此外，牙科修复材料还需要具备良好的生物相容性，避免引起口腔组织的不良反应。石墨烯作为一种具有独特二维结构的碳材料，因其优异的机械性能、电学性能和热学性能而备受关注。它具有高比表面积、高强度和良好的功能化特性，被认为有潜力改善牙科复合材料的性能。通过化学方法对石墨烯进行改性，如氧化、还原、掺杂和功能化等，可以进一步优化其与牙科树脂的相容性和相互作用，从而提高复合材料的粘附性和机械性能。然而，目前对于石墨烯及其衍生物与牙科单体在分子水平上的相互作用机制尚不清楚，这限制了高性能牙科修复材料的研发。
为了深入理解石墨烯基牙科粘合剂的结构稳定性、分子间相互作用以及机械性能，研究人员采用了分子对接和分子动力学模拟技术。他们选择了多种牙科单体，包括双酚 A 二缩水甘油醚二甲基丙烯酸酯（Bis-GMA）、乙氧基化双酚 A 二甲基丙烯酸酯（EBPADMA）、2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）和脲烷二甲基丙烯酸酯（UDMA），以及不同形式的石墨烯，如高纯度石墨烯、石墨烯氧化物（GO）、还原石墨烯氧化物（rGO）、氮掺杂石墨烯、氟掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、石墨烯量子点（GQDs）和氨基功能化石墨烯等。通过分子对接模拟，研究人员预测了单体在不同石墨烯表面的结合条件和特异性，识别出关键的相互作用位点和有利的粘附机制。随后，利用分子动力学模拟考察了这些单体 - 石墨烯复合物随时间的稳定性和动态行为。模拟过程包括能量最小化、NVT/NPT 组合以及 50 ns 的平衡处理。研究结果显示，不同单体与石墨烯衍生物之间的结合能差异显著，表明它们之间的相互作用强度不同，这直接影响了复合材料的粘附性和机械性能。其中，Bis-GMA 与石墨烯量子点形成的复合物具有最低的结合能（-18.55 kcal/mol），表明其具有最强的相互作用和最高的稳定性。此外，通过计算复合物的杨氏模量、剪切模量和弯曲强度等机械性能指标，研究人员发现，石墨烯量子点和功能化石墨烯衍生物能够显著提高复合材料的机械性能。例如，Bis-GMA-石墨烯量子点复合物的杨氏模量达到 14.74 GPa，剪切模量为 9.32 GPa，弯曲强度为 120.51 MPa，并且形成了多达 20 个氢键，这些氢键为复合物提供了额外的结合力，进一步增强了其机械稳定性。相比之下，其他复合物如 HEMA-氮掺杂石墨烯复合物的杨氏模量为 9.85 GPa，剪切模量为 6.86 GPa，弯曲强度为 95.7 MPa，虽然其机械性能略逊于 Bis-GMA-石墨烯量子点复合物，但仍优于传统的牙科树脂复合材料。这些结果表明，石墨烯量子点和功能化石墨烯衍生物是高性能牙科复合材料的有前途的候选材料，能够提供强大的粘附性能和改善的机械强度。
在研究方法方面，研究人员首先利用分子对接软件 HADDOCK 进行了分子对接模拟，预测了单体与石墨烯基粘合剂之间的结合模式和能量。随后，采用 Forcite 模块和 COMPASS II 力场进行了分子动力学模拟，以研究复合物的动态行为和机械性能。模拟过程中，通过能量最小化、NVT/NPT 组合以及 50 ns 的平衡处理，确保了模拟结果的准确性。此外，研究人员还计算了复合物的杨氏模量、剪切模量和弯曲强度等机械性能指标，以评估石墨烯基粘合剂对复合材料性能的影响。
在研究结果方面，研究人员发现不同单体与石墨烯衍生物之间的结合能差异显著，表明它们之间的相互作用强度不同。其中，Bis-GMA 与石墨烯量子点形成的复合物具有最低的结合能（-18.55 kcal/mol），表明其具有最强的相互作用和最高的稳定性。此外，通过计算复合物的机械性能指标，研究人员发现石墨烯量子点和功能化石墨烯衍生物能够显著提高复合材料的机械性能。例如，Bis-GMA-石墨烯量子点复合物的杨氏模量达到 14.74 GPa，剪切模量为 9.32 GPa，弯曲强度为 120.51 MPa，并且形成了多达 20 个氢键，这些氢键为复合物提供了额外的结合力，进一步增强了其机械稳定性。相比之下，其他复合物如 HEMA-氮掺杂石墨烯复合物的杨氏模量为 9.85 GPa，剪切模量为 6.86 GPa，弯曲强度为 95.7 MPa，虽然其机械性能略逊于 Bis-GMA-石墨烯量子点复合物，但仍优于传统的牙科树脂复合材料。这些结果表明，石墨烯量子点和功能化石墨烯衍生物是高性能牙科复合材料的有前途的候选材料，能够提供强大的粘附性能和改善的机械强度。
在讨论部分，研究人员指出，尽管石墨烯基材料在牙科修复材料中具有巨大的应用潜力，但仍存在一些挑战需要克服。例如，目前的研究主要基于分子模拟，尚未涉及聚合物链的聚合效应，如链缠结、交联和体积机械增强等。因此，虽然研究结果为理解分子水平上的粘附和刚度趋势提供了有价值的见解，但不能直接外推以预测完全聚合的牙科复合材料的机械性能。未来的研究需要纳入聚合物链，以完善对分子相互作用和体积材料行为之间关系的理解。此外，研究人员还强调了石墨烯基牙科粘合剂的生物相容性和细胞毒性问题，指出在临床应用之前需要进行更多的实验验证和监管审批。尽管如此，这项研究为开发高性能牙科修复材料提供了重要的理论基础和指导，有望推动牙科材料科学的发展，为临床牙科修复提供更可靠和持久的解决方案。
