新型纳米材料在牙体硬组织再矿化作用中的研究进展*

彭 童 伍廷芸

荆楚理工学院医学院，湖北省荆门市 448000

龋病(Dental caries)，俗称蛀牙，是一种常见的口腔细菌感染性疾病，严重影响着口腔和全身的健康，也是全世界最常见慢性疾病之一。在口腔中，牙齿的脱矿与再矿化是一个动态平衡的过程[1]，其平衡决定着牙体硬组织的完整性，因此为龋病防治的重点之一。龋病可继发牙髓炎、根尖周炎甚至颌骨的炎症等，因此龋病的早期治疗对于终止龋病发展和预防继发疾病的发生格外重要。对于尚未形成龋洞的早期龋损和为了预防龋病的发生，临床上使用最广泛的是局部应用氟化物的治疗方法，常用的氟化物有含氟凝胶、含氟涂料等。

氟化物具有预防脱矿、促进再矿化的作用，其防龋效果获得国内外广泛认可。虽然氟具有价格低廉、操作简单、容易获得的优势,但氟化物的使用仍有较多的弊端，例如使用氟的浓度超过一定值所带来的毒副作用，长期应用会导致口腔内菌群失调，儿童患者应防治误吞以及对不同类型龋齿的防治效果等方面仍存在争议。对于已发生的、未累及牙髓的龋洞，临床上常采用复合树脂充填治疗，但由于复合树脂聚合收缩产生的微渗漏和与黏结材料的抗龋能力较差，常会导致继发龋的发生。

为了解决现有牙科材料所带来的治疗问题，越来越多学者开始致力一种新型材料——纳米材料的研究。随着近年来对纳米材料的研究，纳米材料已经在牙体硬组织的再矿化、抑制致病菌生长繁殖、预防并控制口腔感染性疾病的发生与发展的作用上获得了国内外研究人员的广泛认可，为儿童口腔、牙体、牙周、正畸、修复等口腔临床治疗领域中带来了新方案与新思路。本文结合国内外最新研究现状，针对新型纳米材料对牙体硬组织再矿化作用的研究进展做一综述。

1 纳米材料的概述

纳米材料(Nanometer materials)是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料，其种类可大致分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体四类。基于材料的性质是由材料本身的结构决定的认识，纳米材料的小尺寸效应和量子尺寸效应等特殊效应同样归功于其纳米材料结构的特殊性[2]。同时，材料的粒径从微米减小到纳米会伴随化学，物理，生物学特性改变，例如硬度、化学反应性和活性表面积的改变等[3]。基于纳米材料的特殊性质，纳米材料在生物医学、化工、光电、航天、能源与环境等众多领域发挥着重要的应用价值，因此，纳米材料被誉为21世纪最有发展潜能的材料之一。

纳米材料在口腔中的应用可分为两大类：预防性的治疗和修复性的牙科护理[4]。纳米技术可通过这两种方法治疗口腔中最常见的龋病。临床上对形成了尚未累及牙髓的龋洞，为了美观要求和保守治疗通常采取树脂充填方法，但由于修复失败，在修复体与窝洞之间会导致继发龋的产生。纳米级工程技术的快速发展并为新的牙科材料提供了具有生物活性的机会，可以将不同类型的纳米材料加入临床修复性聚合物材料中，以引入新的功能。因此，新型的牙科纳米材料较传统材料更具有优势，可以利用纳米技术的干预来提高防止牙齿脱矿和生物膜形成的效率。有两种功能性的纳米材料在口腔中较为常见，第一种是具有抗菌作用的纳米材料(例如氧化锌纳米颗粒、银纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒等)；第二种是具有释放氟化物、钙离子和磷酸根离子能力的纳米材料(常见的有纳米磷酸钙，纳米羟基磷灰石，氟化钙纳米颗粒等)，主要作用于再矿化过程。

2 不同纳米材料在牙体硬组织再矿化作用

2.1 纳米羟基磷灰石(NHAP) 羟基磷灰石(Hydroxyapatite)是牙齿的主要无机成分，在牙齿表面的牙釉质中占比达95%以上，在牙齿中羟基磷灰石为长40～60nm，宽约20nm，厚3～5nm的针状或柱状晶体。纳米羟基磷灰石(Nanoparticulate hydroxyapatite，NHAP)是具有良好的生物相容性和生物活性纳米材料，其在牙体硬组织上具有优良的再矿化的作用，这种再矿化作用来自可以合成与天然牙羟基磷灰石类似物理、化学性质的磷灰石。

研究表明，纳米羟基磷灰石的矿化作用与粒径的大小有关。刘成霞[5]通过体外ph循环模型，采用表面显微硬度测试和扫描电镜观察，对不同粒径的HA对早期釉质的再矿化作用的研究结果证实，20nm、30nm、60nmHA有明显的矿化作用，尤其是20nm、30nmHA能进入表层下脱矿区，可以通过机械沉积作用封闭早期龋。NHAP还可用作根管充填材料，因其具有良好的根管封闭性，可以极大程度的减少微渗漏的发生。NHAP作为根尖周炎治疗的根管充填剂，为新生骨质的沉积提供了适宜的条件，有利于封闭根尖孔闭合，促进根尖病变的愈合[6]。

与氟化物相比，NHAP的防龋效果更佳。Tschoppe P等[7]利用牛门牙作为脱矿模型，在体外研究NHAP牙膏对牛牙齿的再矿化作用。结果表明，与氟化牙膏相比，含NHAP的牙膏具有更强的再矿化作用。还有研究发现NHAP与氟化物联合使用的比单独使用时的再矿化作用强。杨薇等在建立的人工早期根面龋模型上，利用扫描电镜观察及数显显微硬度计测量，比较氟纳米羟基磷灰石与NHAP、氟化钠溶液、氟化泡沫对早期根面龋再矿化作用的差异，通过扫描电镜和数显显微镜硬度的测试结果表明：氟纳米羟基磷灰石对根面龋的再矿化效果最为明显。NHAP与氟化物的混合制剂对于早期根面龋的防治，具有重要应用价值以及开发潜力[8]。

2.2 氟化钙纳米颗粒(CaF2NPs) 继发龋是修复治疗后常见的问题，在修复材料中，可以通过添加具有释放氟化物能力的材料来改善这一问题。释放氟化物的牙齿修复剂可以促进再矿化和抵抗龋齿的发生，氟化钙纳米材料(CaF2NPs)是基于氟化钙的特性制得的，它具有较传统加氟材料更良好的生物相容性和释氟活性，因此具有更好的防龋效果。CaF2NPs的防龋机制是它能将牙齿中的羟基磷灰石变成氟磷灰石，并参与构成牙釉质的晶体结构，形成氟磷灰石保护层，提高牙体硬组织的强度，并增强牙齿的抗酸能力。

Limin Sun等[9]通过喷雾干燥技术制备分散良好的CaF2纳米颗粒，并将其洗涤后与氟化物进行对比。实验表明，分散良好的CaF2NPs比氟化物更具有防龋的效果，因CaF2NPs可以在口腔中延长氟化物浓度的持续升高时间。CaF2NPs的释氟性能的能力与pH有着紧密的联系，在致龋的低pH(<5.5)范围内，氟化钙纳米颗粒比相对高的pH环境时释放氟的含量更高。与传统的释氟材料玻璃离子相比，现有研究发现，复合树脂中添加氟化钙粒子(50～60nm)可以较商用的改良型玻璃离子材料释氟性能近似甚至更高[10]。鉴于CaF2NPs的优良抗龋特性，有望在未来成为最有应用潜力的抗龋材料之一。

正畸治疗是导致牙体硬组织脱矿的主要原因之一，由于许多患者不能遵守医嘱保持良好的口腔卫生环境，食物残渣很容易堆积于托槽周围，附着于牙齿上的软垢被细菌分解成酸性产物从而导致脱矿的发生。正是由于人们对牙科材料的要求不断提高，新的功能性的正畸黏结剂的研究也成了一个热点。近年来，氟化钙纳米颗粒的再矿化潜能在应用于正畸治疗领域的中也取得了一定的研究进展。Yi JR等[11]的实验中，使用喷雾干燥法获得CaF2NPs，将20%(wt%)的CaF2NPs和3%(wt%)的甲基丙烯酸十六烷基二甲铵(Dimethylaminohexadecyl methacrylate,DMAHDM)掺入树脂改良型玻璃离子(RMGI)中，通过透射电子显微镜测量CaF2NPs黏结剂对牙釉质表面硬度和病变深度的影响，进而确定材料的再矿化能力。结果表明，与商用材料相比，含有CaF2NPs和DMAHDM 的新型正畸黏结剂获得了更强的抗菌和再矿化能力以及更高的牙釉质硬度，CaF2NPs材料有望在正畸治疗中应用，以抑制牙釉质脱矿、减少牙齿的白垩色改变和龋齿的发生。

2.3 无定型纳米磷酸钙(NACP) 较非纳米级的无定型磷酸钙(ACP)而言，无定型纳米磷酸钙(NACP)由于具有更小的尺寸和更大的相互作用表面积，从而使NACP具有更好的离子释放的特性[12]。NACP的再矿化作用主要是通过释放出的Ca2+、PO43-在脱矿的牙齿上的沉积，通过抑制了矿物质的流失并增强再矿化作用来实现的。NACP释放离子的能力与pH有关。研究表明，与中性pH相比，大量的离子释放与低pH有关。NACP能够响应酸攻击和低pH环境，进而释放更多的Ca2+和PO43-，然后中和pH并防止脱矿和促进再矿化[13]。

近年来发现含有无定型纳米磷酸钙颗粒(NACP)的黏结剂，还能促进修复性牙本质的形成，提高牙髓的防御功能，具有重要意义[14]。在根面龋的防治中，通过掺有NACP的黏结剂可以使根面形成保护屏障从而起到防护的作用。Weir等[15]对无定型纳米磷酸钙复合材料在脱矿的牙釉质上再矿化的能力进行了研究，结果表明：在体外条件下，含有NACP的复合材料的再矿化程度是氟化物复合材料的4倍。但由于NACP释放离子的特性只能维持几个月，为了解决这一问题，Zhang等[16]首次研究出了含有NACP复合树脂材料具有被Ca2+、PO43-再充电的能力，且每个充电周期，其释放离子的特性均为相似高的水平，不会随着充电周期的增加而发生变化。这种可充电的纳米磷酸钙牙科复合材料，有望实现对牙齿长期的再矿化作用并有效地减少龋病的发生。基于体外研究，无机填料中的纳米级CaP颗粒有用作黏合剂或复合树脂材料的潜力。

2.4 生物活性玻璃纳米粒子(BGN) 生物活性玻璃(Bioactiveglass，BAG)是主要由SiO2、Na2O、CaO、P2O5组成的硅酸盐玻璃。BAG特定生物反应取决于在唾液中被释放出的Ca2+和PO43-进入脱矿的牙体硬组织的沉积，形成与牙齿成分相似的羟基磷灰石。基于这种生物学特性，BAG在龋病和牙本质过敏的治疗中发挥着极其重要的应用价值。

由于BAG的迅速发展与应用，生物活性玻璃纳米粒子(Bioactive glass nanoparticle，BGN)逐渐出现在人们的视野中，它是在BAG基础上，采用溶胶—凝胶技术制得的一种生物活性玻璃材料，由于具有较小尺寸和较大表面积的BGN具有封闭牙本质小管和更强的再矿化能力。Caridade等[17]在实验中证实了这一点，他们对微米级的生物活性玻璃(μBG)和纳米级的生物学玻璃(nBG)的性能进行了评估，通过线性和非线性的非常规动态力学分析(DMA)跟踪生物材料上的生物矿化过程，实验结果表明，含有BGN的壳聚糖具有更高的矿化活性。这与Jung Jae-Hyun等[18]的实验结果一致因此，BGN在作为再矿化作用的生物复合材料的应用发面，具有良好的开发价值。De Oliveira AAR等[19]合成了一种球形生物活性玻璃纳米颗粒，通过实验也表明了其具有比微观的生物活性玻璃更好的生物相容性，并证明了其在模拟体液溶液中，具有形成羟基磷灰石的能力。Tauböck等[20]当复合树脂含20%的BGN时，观察到21d后会少量的有矿物质产生。复合树脂中提高BGN的含量会增加材料的亲水性，吸水率，但对复合树脂的硬度不产生影响，而不含BGN的复合树脂的表面则没有发现矿化物的沉积。复合树脂中的BGN含量会对材料的使用产生影响，还需要大量的实验证明。此外，含有BGN的玻璃离子水门汀还能提高人体中牙髓干细胞的生物矿化能力。这种复合材料被认为是一种极具潜力口腔修复学材料[21]。

3 总结与展望

纳米材料作为21世纪最有应用潜力的材料之一，在各个领域的探索和研究是一个必然的趋势。纳米材料因其特殊结构决定了具有其他材料所不具备的特殊性能，为材料提供广阔的发展方向与选择。

在口腔领域中，传统防龋材料和修复材料在治疗效果以及治疗后的情况而言，仍有很大的发展改进的空间，而纳米材料的问世，无疑为口腔材料提供了新的思路以及无限的可能。就目前而言，已经取得研究进展的具有再矿化能力的纳米材料有：纳米羟基磷灰石，氟化钙纳米颗粒，无定型纳米磷酸钙，生物活性玻璃纳米粒子。表1对这些材料的属性进行了总结，正是这些材料本身的优异的尺寸、生物相容性以及矿化能力，使得纳米材料在应用于口腔预防以及修复性护理治疗中具有广阔的发展前景。

表1 各种再矿化作用的纳米材料属性对比

但就目前而言，由于很多研究基于体外，在口腔内的研究数据较少，即使在口内外的一些研究中可观察到纳米材料的一些治疗效果，很少的牙科配方获得临床批准。应用于临床，亟待解决的问题有以下两个方面:一是纳米材料的安全性问题，在制作纳米材料的过程中，其中一种附着物合成过程中的助剂为具有毒性的有机溶剂，即使有机溶剂最后在材料中被除去，但仍发现纳米材料有少量有害溶剂残留[22]。对纳米材料的毒性学研究也是比较稀缺的，因此研究对象从动物到人体上的研究进展较为缓慢。二是纳米材料制作过程复杂冗长，其原因是纳米技术的不够成熟全面，限制了对纳米材料的大规模生产及应用。这些问题仍需要研究人员去持续深入探索和解决，才能使具有优异性能的纳米材料真正的走向临床的大舞台。