纳米技术在口腔医学中的应用

李云霞，付之光 综述 温 宁 审校

综述

纳米技术在口腔医学中的应用

李云霞1,2，付之光1综述 温 宁1审校

纳米技术；口腔医学

纳米(nanometer，nm)，又称毫微米，1 nm=10-9m。纳米技术(nanotechnology)是研究结构尺寸在0.1～100 nm范围内材料性能和应用的技术，直接以原子或分子来构建功能结构。纳米技术概念大概可以分为三类：(1)任意组合所有种类分子，制作任何分子结构；(2)以纳米精度“加工”各种人工结构；(3)从生物学的纳米级结构提出构思[1-3]。纳米技术的飞速发展，并在医学领域广泛应用，也为口腔医学的发展注入了新动力。笔者针对纳米技术在口腔医学中的应用热点进行综述。

纳米技术在医学中的应用常可以分为三种：(1)纳米材料和设备应用于诊断和治疗，实现目标药物输送和智能药物；(2)基因组学、蛋白质组学实现的分子医学；(3)分子机械系统和医用纳米机器人协助诊断和治疗，增强和改善生理功能。纳米口腔医学(Nanodentistry)则是通过纳米材料、生物技术、组织工程，以及纳米技术，实现全面口腔健康的维护。现有的多种新型产品和技术，已经覆盖了口腔医学的多个领域[1]。

1 在口腔医学的应用

1.1 口腔疾病预防 现代口腔医学更注重预防与微生物相关的疾病，纳米技术可以阻断并部分逆转病程进展。

1.1.1 预防口腔内细菌生长 一些纳米颗粒，如氧化锌、银和聚乙醇胺等，添加到牙膏或粘接剂中抑制细菌生长，主要机制包括破坏细菌膜、干扰跨膜电转运、抑制糖代谢、产生活性氧、置换口腔生物膜酶活性所需镁离子、阻断DNA复制等。研究表明，抗菌纳米涂层还能有效抑制细菌粘附并杀灭细菌，同时保持唾液生物膜的完整性。这些纳米颗粒的抗菌作用与颗粒大小相关[4]。

1.1.2 预防脱矿和促进牙体硬组织再矿化 逆转牙体硬组织脱矿，可以有效预防和控制龋病进展。碳酸钙纳米仿生膜有良好的附着性，缓慢释放高浓度钙离子，提高周围环境pH值，有效促进早期损伤牙釉质再矿化。纳米磷酸钙填充剂与脱矿牙釉质或牙本质结合，形成一层保护膜，阻断菌斑酸性物质的破坏。纳米钙氟化钙(CaF2)能代羟基磷灰石的羟基，形成氟磷灰石，参与牙釉质的晶格结构，形成氟磷灰石保护层，提高牙齿强度，增强抗酸能力。此外，氟对细菌和酶有抑制作用，可减少细菌活动产酸，更有利于龋病预防。纳米颗粒加入牙膏中，均匀分布，有利于进一步清洁牙齿，预防牙结石生成[5, 6]。多西环素纳米凝胶可能会预防牙槽骨丧失[7, 8]。

1.1.3 防龋疫苗 学者们一直致力于研发防龋疫苗。DNA疫苗有效、安全、稳定，可以诱导体液和细胞免疫反应。许多候选DNA疫苗已经或正在进行测试，例如DNA3-Pac、p-CIA-P、pGJGLU/VAX 和pGLUA-P。大多数防龋疫苗通过阻断PAc表面蛋白抗原或失活葡萄糖基转移酶来防止菌斑堆积。纳米技术还用于疫苗载送系统研发，例如在甲壳素/DNA纳米复合材料使用脂质体作为运载工具，并实现pH值响应释放疫苗[9]。但防龋疫苗还处于早期研究阶段，尚未有防龋疫苗用于临床[10]。

1.2 口腔疾病诊断 纳米技术对口腔医学所产生的贡献主要是在三个领域：原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)、成像增强剂和生物芯片。

1.2.1 原子力显微镜 AFM利用微悬臂感受器和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力进行检测，具有原子级的分辨率，可以直接对活细菌细胞进行实时高灵敏度扫描，采集细胞弹性和膜分子信息[11]。生物膜是不同细菌嵌入的多聚糖和蛋白质基质膜，其附着力主要取决于菌种、基质及周围环境，并决定其耐药性和机械移除抵抗力。了解细菌黏附、定植及生物膜形成机制，掌握抗菌药物与细菌生物力学作用信息，有助于口腔细菌感染性疾病的防治[4, 12]。

1.2.2 成像增强剂 在癌症诊断和治疗中，对病变图像的识别至关重要。标准临床成像技术，如计算机断层扫描(CT)、分子共振成像(MRI)和超声波，归为结构成像技术，能够识别解剖结构，提供肿瘤位置、大小和分布等基本信息。对于直径小于5 mm的原发肿瘤或转移灶，就需要特殊成像增强剂辅助诊断，如对X射线高吸收金纳米粒子(GNPs)，可作为CT成像活体血管造影增强剂，对GNPs进行涂层(如聚合物、脂质和DNA)或靶向修饰(如EGF、HER2和叶酸)，可在肿瘤组织积累，增强显影[1, 3, 4, 13, 14]。

另一纳米技术是利用近红外(NIR)发光量子点(Ds)探测肿瘤。Ds纳米级半导体晶体，与GNPs类似，与生物大分子(如核酸和蛋白质)尺寸相当，是一种无机荧光体，发光稳定、发射光谱窄、对称，允许单波长多个激发，是一种非常有效的体内标记物。功能化的Ds荧光探针，可以特异性结合目标受体。Ds技术并不局限于肿瘤诊断，也用于常见疾病，如龋病和牙周病的诊断。2007年，有学者使用发光探测器，单克隆抗体结合Ds分辨链球菌。尽管这项技术应用前景广阔，但目前仅限于实验室，尚未应用于临床[4, 15, 16]。

1.2.3 生物芯片 用于疾病诊断的纳米技术还有生物芯片，这是应用前景最好的DNA分析技术之一，分析对象可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。相对于传统方法，更高效、准确[4]。2002年，美国学者发现，正常人群和患者唾液中的mRNA不同，并研发了口腔体液纳米传感器测试，快速检出mRNA、miRNA和各种蛋白标记物，高敏感性分辨特异性恶性肿瘤细胞，以及牙周病相关炎性生物标记物，已经用于部分疾病的诊断[17-19]。

1.3 口腔疾病的治疗 纳米技术在口腔疾病治疗的应用涉及药物、材料、组织工程等，覆盖了颌面外科、牙体牙髓、牙周、种植、修复、正畸等多个学科。

1.3.1 纳米药物 纳米药物或纳米载药系统的粒径小，通常可以进入细胞膜，有时甚至是进入细胞核，能够增强药物在体内的溶解速率及口服生物利用度，具有靶向性，并延长其在作用部位的作用时间，同时可以减轻药物的不良反应。目前主要有抗肿瘤药物纳米化、纳米载药系统、肿瘤放疗和光热疗增敏剂，纳米药物还可以进行靶向标记(如RGD、NLS、VEG等)，并实现不同响应方式(pH响应、谷胱甘肽响应、温度响应)，特殊的纳米结构和形状(如纳米棒、纳米球和纳米粒子)也将进一步诱导肿瘤细胞凋亡，同时，产生的活性氧可以杀死肿瘤细胞[4, 14]。

除此之外，纳米药物还用于疼痛管理和牙周、牙髓疾病治疗。纳米载药系统快速有效的将阿片类镇痛输送至目标组织，减低过量用药风险，免于接受注射，并且降低了口服制剂首过效应[20]。研究人员还在纳米载体系统中加入抗生素(如四环素，多西环素等)和生长因子(如BMP、TGF-1等)，用于治疗和预防感染性牙周牙体疾病，促进组织修复，其中含有四环素微球的Arestin®凝胶已证实可以有效地控制牙周炎性反应[3, 13]。

1.3.2 纳米材料 纳米复合材料颗粒小于100纳米，均匀分布，与传统的材料相比，性能更稳定，改善了弹性模量、减少了聚合收缩(50%)、延长了操作时间、具有持久高抛光性和良好光学性能。纳米粘接剂也由分散的纳米粒子构成，具有高强度粘接力、高应力吸收、更长保质期、良好密封性，无需单独酸蚀，并且持续释放氟。光固化纳米玻璃水门汀美学效果好、耐磨，已用于乳牙充填、临时修复、Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ类洞充填及桩核制作。传统瓷质耐磨，但易碎，不易粘合，不易抛光，纳米陶瓷修复体光学效果更佳，颜色多、导热系数低、强度好、耐磨。此外，新型纳米不锈钢正畸矫正钢丝具有优异的抗变形性、耐腐蚀性、表面光洁度好等优点[1, 15, 21]。

一些纳米颗粒，如氧化锌和(或)壳聚糖，对根管封闭剂的流动性没有影响，但抗菌作用增强，可以显著减少粪肠球菌并抑制生物膜形成。此外，试验也证实，与传统的NaOCl溶液(5.25%)相比，金属氧化物(如氧化镁纳米粒子，5 mg/L)可以长期显著减少粪肠球菌的附着[22]。含有纳米碳酸盐磷灰石的牙膏也是治疗牙本质过敏的有效方法之一[15]。

1.3.3 组织工程 组织工程在口腔医学中潜在应用包括颌面部骨折、骨扩增、颞下颌关节软骨再生、牙髓修复、牙周韧带再生和骨整合。干细胞主要来源于牙髓组织，牙周韧带(PDL)和牙槽骨。纳米技术对支架材料进行了改进，为细胞和组织生长提供独特的三维基质条件，而且可以结合许多生物蛋白和活性分子，诱导干细胞分化，控制细胞行为，创造出类似牙釉质、牙本质、牙髓和牙槽骨等组织的结构[23, 24]。骨组织再生是组织工程领域研究的重要组成部分。骨是一种由有机化合物(主要是胶原蛋白)和无机化合物(如羟磷灰石)构成的一种天然纳米合成物。纳米仿生骨替代材料将模拟这种结构，应用于颌面外科、牙周治疗和种植修复。这种骨替代材料全人工合成，随着粒子尺寸减小，表面积增加，具有骨诱导、非烧结、渗透性良好、不能被破骨细胞降解，易塑形等优点，最重要的可以刺激牙周组织再生。已应用于临床的骨修复材料有Ostim® HA、VITOSS® HA+ TCP、 NanOssTMHA等[13, 15]。

1.3.4 种植修复 骨整合是种植修复成功的基础，其决定性因素是表面接触面积和表面形态。与传统的微粗糙表面相比，纳米级别种植体的表面积更大，纳米颗粒有助于早期吸附蛋白质，这对于早期骨结合非常重要。各种涂层技术，如羟磷灰石涂料、药物涂层、金属陶瓷涂层等，添加生长因子、蛋白，提高了成骨细胞的附着力，诱导成骨分化，在一定程度上促进了种植体周围骨形成，并且可以预防种植体周围炎发生。然而，涂层与种植体结合力不足、断裂韧度和弯曲强度低、负重不佳等限制其应用[1, 15]。

2 存在的问题和不足

2.1 安全问题 尽管纳米技术具有诸多优点，但临床对各种产品的安全性担忧也越来越多。纳米粒子具有较大的表面积体积比，皮肤、肺或消化道的吸收率高。进入肺泡后，主要危害是可能会引起呼吸道炎性反应，组织损伤后，纳米颗粒随着血液循环被送到其他重要器官或全身组织，有可能引起心血管和其他器官受损[1-3]。

2.2 技术困难限制其发展 随着研究的深入，对纳米材料的设计、合成等技术要求也越来越高。例如：如何根据不同用途来选择纳米材料的最佳直径、混合比例，在口腔内复杂环境中，物理性能会发生什么变化；纳米系统有较好的包容性，但其所装载离子的释放速度、浓度怎样评估和精确控制；纳米粒子进入体内后如何示踪等。这些技术困难在一定程度上限制了纳米口腔医学的发展[1-4]。

综上所述，尽管很多研究处于起步阶段，但预期结果非常值得期待，特别是纳米载药系统及纳米材料，凭借其独有的特点和生物学优势，将会大量应用于口腔医学。此外，纳米设备也值得关注，如纳米机器人(nanorobots)有可能应用于牙本质小管内麻醉、过敏修复，正畸治疗，感应式口腔清洁及微创外科手术[3]。相信纳米技术如同所有新技术一样，在科学指导下，必将会给口腔医学带来巨大变化，为医师和患者提供更多选择，推动口腔医学的发展。

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R781.05

863计划(肿瘤治疗用功能新型纳米载体材料与靶向技术，课题编号：2013AA032201)

李云霞，博士，主治医师。

1.100853 北京，解放军总医院口腔科；2.102211 北京，武警特警学院门诊部

(2017-07-09收稿 2017-10-10修回)

(责任编辑 岳建华)