白色波特兰水门汀与MTA的粒径和部分重金属含量比较＊

吴雨鸿， 林居红， 张红梅

实验研究

白色波特兰水门汀与MTA的粒径和部分重金属含量比较＊

吴雨鸿， 林居红， 张红梅△

重庆医科大学附属口腔医院，口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室，重庆 401147

目的 比较白色波特兰水门汀（white portland cement，WPC）、灰色波特兰水门汀（gray portland cement，GPC）和无机三氧化聚合物（mineral trioxide aggregate，MTA）的平均粒径和粒度分布，以及WPC、WPC＋20%氧化铋（bismuth oxide，BO）和MTA的部分重金属元素的含量，为评价WPC部分理化性能和安全性提供依据。方法 采用S3500系列激光粒度分析仪测量WPC和MTA的粒径。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）测量WPC、WPC＋20%BO及MTA中铋、铅、砷、镍、锰、镉和铬等7种重金属元素含量。结果 WPC的平均粒径与MTA比较差异无统计学意义（P＞0.05），GPC的平均粒径大于MTA和WPC（P＜0.05）。在0.289～31.110μm粒径段，WPC与MTA粒度分布差异无统计学意义（P＞0.05），GPC粒度分布明显小于WPC和MTA（P＜0.05）。WPC中砷、镍、锰和铬含量高于MTA；铋、铅和镉含量低于MTA。加入BO后WPC中砷、镍和锰含量降低，铋、铅和铬含量增高，镉含量无变化。结论 WPC与MTA平均粒径和粒度分布相当，微粒粒径明显小于GPC；在考虑铅、砷、镍、锰、镉和铬含量时，WPC应用于临床较安全，若添加显影剂BO，则应提高BO的纯度，提示WPC有替代MTA应用于口腔临床的潜力。

白色波特兰水门汀； 无机三氧化聚合物； 重金属； 粒径

无机三氧化聚合物（mineral trioxide aggregate，MTA）的主要成分是80%波特兰水门汀（portland cement，PC）和20%氧化铋（bismuth oxide，BO）［1］，1998年被美国食品药品管理局正式批准用于人体，并被广泛应用于牙体牙髓疾病的治疗中，但因其凝固时间较长、价格昂贵和使牙体变色等而应用受限。PC按颜色分为白色波特兰水门汀（white portland cement，WPC）和灰色波特兰水门汀（gray portland cement，GPC），WPC主要成分与MTA相似，但不含显影剂故不能显影，MTA因含有BO而显影。国外学者近年做了大量关于二者及WPC加各种显影剂后的理化性能、生物学性能和临床性能的对比研究，发现二者性能具有相似性。

我国WPC生产流程严格遵守GB／T2015-2005规定，而国外通用EN197标准，由于原料产地有差异，因此国外的同类研究并不能完全代表我国WPC的特性。WPC、GPC和MTA属于多分散体系，可通过平均粒径和粒度分布来衡量粒径的大小。由于材料粒径和重金属元素含量可反映材料封闭性、抗压耐磨性、凝固时间和安全性等，故本研究比较了我国的WPC与MTA的粒径大小及部分重金属元素含量，以期评估WPC替代MTA应用于临床的可行性。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

WPC（安徽阿尔博波特兰安庆有限公司），MTA（ProRoot MTA，Dentsply，美国），分析纯BO（四川鑫龙碲业科技开发有限责任公司），优级纯60%硝酸和35%盐酸，S3500系列激光粒度分析仪（Microtrac公司，美国），电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES，斯派克分析仪器公司，德国），超声振荡器（上海五相仪器仪表有限公司），电热恒温水浴箱（上海乔跃公司）。

1.2 粒径大小的测定

用天平量取WPC、MTA、GPC粉末0.05g（精确至0.000 1g）置于加有50mL 90%乙醇的烧杯中，玻璃棒搅拌，置于超声振荡器中，以24kHz频率振荡5min。同时循环冲洗激光粒度分析仪，检测其容器内是否含有杂质，将杂质粒径控制在不影响实验结果的范围内。将振荡好的溶液用玻璃棒搅拌后倒入容器内，并用装有90%乙醇的洗气瓶将烧杯中残留的溶液冲洗入容器内，S3500系列激光粒度分析仪测量粒径大小，每组样本测量10次。

1.3 重金属元素含量的测定

1.3.1 样品处理 实验所用的仪器采用去离子水∶硝酸∶盐酸＝8∶1∶1（体积比）的溶液浸泡48 h，去离子水冲洗3次，在工作台上自然晾干。每组样品称取试样1g（精确至0.000 1g）放于烧杯中，与7mL 60%硝酸和21mL 35%盐酸混合，静置2 h，将容器用带排气口的塑料盖盖上，加热到80℃，保持150min，然后冷却至室温，采用Whatman No.42过滤纸过滤，转移到50mL容量瓶中用去离子水定容，摇匀，待测。设置空白对照组，处理过程同上。

1.3.2 仪器工作条件 ICP-AES工作参数:高频发生器功率为1 400W，等离子氩流量为1.2L／min，冷却器等离子体气流量为12L／min，辅气流量1L／min，雾化器载气流量为1L／min，观测高度15 mm。

1.3.3 混合标准溶液制备 配制铋、铅、砷、镍、锰、镉和铬的1 000mg／L的标准溶液，使用前逐级稀释配制成重金属元素含量分别为1.00、2.00、4.00、8.00、10.00（铋为100.00）mg／L的5组不同浓度的混合标准溶液。

分析谱线的选择是否合适，直接影响分析结果的准确性。等离子体发射光谱仪最大特点是光谱线的选择非常灵活，可最大限度地避免谱线干扰，且可以对1个元素选择多条谱线进行实验。本实验对每个测定元素选取了2～3条谱线进行测定，综合分析强度、干扰情况及稳定性。选择谱线干扰少、基体影响小、精密度好的分析谱线用于实验，铋、铅、砷、镍、锰、镉、铬的分析谱线分别是223.0、220.3、189.0、231.6、257.6、214.4、267.7nm。

1.4 统计学处理

对3组平均粒径数据进行正态性检验和方差齐性检验，3组数据两两比较采用SNK（Student-Newman-Keuls）q检验；采用秩和检验比较3组在每一个粒径段及总粒径段的粒度分布差异，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 粒径大小的比较

GPC组、WPC组、MTA组平均粒径分别为（30.69±1.35）、（15.5±2.47）、（14.94±1.69）μm，GPC组平均粒径明显大于WPC组、MTA组，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；WPC组和MTA组比较，平均粒径相当，差异无统计学意义（P＞0.05）。

粒度分布结果见图1。在0.289～1.944μm和2.312～5.500μm段，WPC粒度分布小于MTA（P＜0.05），在6.540～13.080μm和15.550～31.110 μm段，WPC粒度分布大于MTA（P＜0.05），提示WPC中大粒子分布较MTA多，但在整个粒径为0.289～31.110μm段时，WPC与MTA粒度分布相当（P＞0.05）。GPC在所有检测的粒径段，其粒度分布均小于WPC和MTA（P＜0.05）。

图1 3组粒度分布Fig.1 Particle size distribution in 3groups

2.2 重金属元素含量的比较

7种重金属元素含量如表1所示。每组样本测试3次，取平均值。WPC中砷、镍、锰、铬含量高于MTA；铋、铅、镉含量低于MTA。加入BO后WPC中砷、镍和锰含量降低，铋、铅和铬含量增高，镉含量无变化。

表1 MTA、WPC和WPC＋20%BO中7种重金属元素的含量（mg／kg，n＝3）Table1 Contents of 7heavy metals in MTA，WPC，and WPC＋20%BO（mg／kg，n＝3）

3 讨论

3.1 粒径大小

平均粒径是指将一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群，与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，如果两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。粒度分布是指在粒子群中各个粒径范围的颗粒数量占粒子群颗粒总数的百分比。测试材料粒径常用方法有显微镜法（1nm～5μm），沉降法（10nm～20 μm），静态光散射（＞5μm）和动态光散射（＜5μm）法，光子相干光谱法（1～3 000nm）。国外测量MTA的粒径大小多在0.5～30μm［2］，故本实验采用静态光散射法。在分析粒度分布时分析了0.289～31.110μm粒径范围的粒度分布，样品处理参照Asgary等［3］的方法。

牙本质小管的平均直径是2～5μm，牙本质小管的密度和方向在牙齿的根尖是不规则的［4］。当材料与牙本质接触时，若其颗粒粒径小于牙本质小管直径，则能够渗入这些小管，形成良好的三维液压密封［56］。本实验中WPC和MTA的平均粒径相当，GPC的平均粒径明显大于MTA和WPC，提示GPC的封闭性可能比MTA差。本课题组前期采用染料渗透法检测WPC的封闭性，结果显示WPC的封闭性与MTA相当，GPC的封闭性明显差于WPC和MTA［7］，本实验印证了前期研究结果。

有研究提示材料粒径越小，微粒暴露的表面积越大，产生化学反应越快，凝固时间越短［8］。本实验中，GPC的平均粒径明显大于WPC和MTA，提示GPC的凝固时间可能较长。而WPC的平均粒径与MTA相当，但在0.289～1.944μm和2.312～5.500μm段WPC粒度分布小于MTA，在6.540～13.080μm和15.550～31.110μm段WPC粒度分布大于MTA，WPC中大粒子分布较MTA多，提示WPC的凝固时间可能大于等于MTA。

有研究表明，较小的颗粒材料有更高的抗压强度［9］。微粒尺寸是增强其抗压、耐磨性能的关键因素［10］。优良的根管充填材料及底穿修补材料，应具有较强的抗压及耐磨性，马尔他学者研究提示PC的抗压强度小于MTA，但是加有金的PC的抗压强度与MTA相当［11］。巴西学者比较PC和MTA的抗压强度，发现在1d时，PC抗压强度比MTA大，在21d时，PC抗压强度与MTA相当［12］。粒径测试结果不能直接比较WPC和MTA的抗压耐磨性，但可为今后的抗压耐磨性研究提供一定的依据。

3.2 重金属元素含量

现有的国家标准GB2129-2136-198012采用原子吸收光谱法和比色法测定杂质元素含量，均为单元素测定，无法同时测定多种元素［2］。ICP-AES干扰水平低，是一种高效、高灵敏度的快速分析方法，尤其适用多元素的同时测定。本研究采用ICPAES测定样品中金属元素的含量，样品处理方法参照Chang等［13］的处理方法，采用盐酸-硝酸的混酸消解体系，与单独的酸溶液相比，盐酸-硝酸能使样本中金属离子充分地释放出来，此法符合国际标准ISO11466。

BO是显影剂，国外学者发现国外的WPC不显影。本研究通过测量WPC和WPC＋20%BO中铋的含量并与MTA中铋含量作比较，以间接反映我国WPC是否也不显影。实验结果提示，WPC中铋含量远小于MTA中铋的含量，有不显影的可能，但加入BO后的WPC中铋含量是大于MTA的，因此加入BO的量还有待研究，且加入BO后部分重金属元素含量有所增加，因此需提高加入BO的纯度。

MTA因其含有氧化锰等而使牙体变色，本研究WPC中锰的含量大于MTA，故也有使牙体变色的可能。有研究证实老鼠的口服锰半数致死量是9 000mg／kg［14］，本研究WPC中锰的含量远小于此量。

Chang等［13］2010年采用日本岛津公司的ICPAES测量MTA和韩国的WPC中砷的含量分别为3.75和12.05mg／kg，该学者2011年采用美国瓦里安公司的全谱直读电感耦合等离子体-发射光谱仪测定出MTA中砷含量为1.16mg／kg［15］，本实验结果中MTA和WPC的砷含量分别为18.6和37.4mg／kg，结果的差异考虑为样本本身的差异和仪器来源于不同国家所带来的差异。De-Deus等［16］报道了对于人体，无机砷口服中毒致死量为60 mg／kg，本实验中3组样本的砷含量均小于此量。

镉被认为是最重要的一个职业环境污染物，与基因毒性和致癌性相关［17］，老鼠口服镉的半数致死量为2 330mg／kg［14］，本研究中WPC镉含量是2.6 mg／kg。

本研究中WPC和MTA的铅含量分别为83.2和32.0mg／kg。Matthew等［18］采用石墨炉原子吸收分光光度计测定出MTA和丹麦的WPC中铅的含量分别为0.68和0.92mg／kg，小于本实验所测值。究其原因可能为在测量金属元素含量时，石墨炉原子吸收分光光度计的敏感度较ICP-AES差，故存在测量结果差异。

有研究称镍是过敏原和可能致癌物质［19］。Kum等［20］采用美国瓦里安公司全谱直读电感耦合等离子体-发射光谱仪测量出MTA中镍的含量为18.98mg／kg，本研究中WPC和MTA镍的含量分别为35.7和19.4mg／kg。

Chang等［15］测出MTA中铬的含量为5.88 mg／kg，但未测出六价铬，本研究中WPC和MTA铬的含量分别为15.9和8.7mg／kg，而WPC中六价铬的含量还有待研究。

综上，WPC和MTA平均粒径和0.289～31.110μm粒径段的粒度分布相当，明显小于GPC；WPC、WPC＋20%BO、MTA中铋、铅、砷、镍、锰、镉和铬等重金属的含量有差异。以上间接证明WPC和MTA部分理化性能有相似的可能，且优于GPC，部分重金属元素的含量有差异，这为后期研究WPC应用于临床的安全性提供了线索。

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（2014-07-01 收稿）

Comparision Particle Size and Portion of the Heavy Metal Content of Mineral Trioxide Aggregate and White Portland Cement

Wu Yuhong，Lin Juhong，Zhang Hongmei△
The Affiliated Hospital of Stomatology，Chongqing Medical University，Chongqing Key Laboratory for Oral Diseases and Biomedical Sciences，Chongqing 401147，China

Objective To compare the particle size and distribution between the white portland cement（WPC），gray portland cement（GPC），and mineral trioxide aggregate（MTA），and the content of some heavy metals between WPC，WPC＋20% bismuth oxide（BO），and MTA in order to provide evidence for evaluation of the phys-chemical properties and safety of WPC.Methods The paticle size of WPC，gray portland cement（GPC），and MTA was analyzed with laser particle size analyzer（S3500series）.The contents of 7heavy metals（bismuth，lead，arsenic，nickel，manganese，chromium，cadmium）in WPC，WPC＋20%BO，and MTA were analyzed by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry（ICP-AES）.Results There was no significant difference in the mean particle size between WPC and MTA（P＞0.05）.The mean particle size of GPC was significantly greater than that of WPC and MTA（P＜0.05）.When the particle size was in the range of 0.289to 31.110μm，the particle distribution was no significantly different between WPC and MTA（P＞0.05）.However，the particle distribution was significantly less in GPC than in WPC and MTA（P＜0.05）.Additionally，the contents of arsenic，nickel，manganese，and chromium were higher in WPC than in MTA and the contents of bismuth，lead，and cadmium were less in WPC than in MTA.After adding BO to WPC，the contents of arsenic，nickel and manganese were decreased，while the contents of bismuth，lead and chromium were increased and the cadmium content remained unchanged in WPC.Conclusion The particle size and distribution of WPC was not significantly different from those of MTA，but the particle size of WPC and MTA was significantly smaller than that of GPC.In terms of the contents of heavy metals（such as lead，arsenic，nickel，manganese and chromium），it is safer to apply WPC to clinical practice.The purity of WPC should be improved if BO is added.Our results suggest WPC may be substituted for MTA in oral clinical practice.

white portland cement； mineral trioxide aggregate； heavy metals； particle size

R783.1

10.3870／j.issn.1672-0741.2015.03.013

＊重庆市卫生局2011年医学科技计划资助项目（No.2011-2-190）

吴雨鸿，女，1986年生，医学硕士，E-mail:465418654＠qq.com

△通讯作者，Corresponding author，E-mail:zhm0525＠aliyun.com