抗菌材料在固定矫治中的应用研究进展

刘万颖，管晓燕，周 莉，肖琳琳，龙 茜，胡 欢，刘建国

在固定正畸治疗期间，患者不能自行取戴矫治器，增加口腔卫生措施的实施难度，不利于维护良好的口腔卫生状态，可能导致口腔微生态平衡失调。有研究指出戴用固定矫治器后，口腔中的牙龈卟啉单胞菌、变异链球菌等牙周致病菌和致龋菌的构成比均明显增加[1-2]，继而容易引发牙龈炎、釉质脱矿等并发症，影响牙齿的功能和美观。因此，如何预防正畸治疗期间并发的牙龈炎、釉质脱矿等疾病是困扰正畸患者和医生的一个有待解决的问题。近年来，人们发现通过应用抗菌材料，赋予正畸粘接剂、弓丝、托槽等固定矫治器抗菌性能，可以为预防上述疾病提供一种新的思路与方法。

1 抗菌材料的分类

抗菌材料可分为有机抗菌材料、无机抗菌材料、天然抗菌材料和复合抗菌材料。有机抗菌材料主要有季胺盐类、醇类、双胍类物质。其中季铵盐类是目前研究较多的一种有机抗菌材料，分子结构中包括可聚合基团和抗菌功能基团，可聚合基团与树脂单体发生聚合反应后，抗菌功能基团随之被固定于树脂基质上，从而发挥接触性抗菌功能[3]。无机抗菌材料包括金属、金属氧化物等，如银、氧化锌、二氧化钛等生物毒性较低且具有广谱抗菌能力的材料。天然抗菌材料属于天然提取物，例如从大蒜中提取的生物活性抗菌物质大蒜素对牙龈卟啉单胞菌、变异链球菌等牙周致病菌和致龋菌表现出了优良的抗菌作用[4]。复合抗菌剂是将不同种类抗菌剂复合在一起使用的材料，复合材料不仅能将不同材料的优势集于一身，还能使不同材料的优缺点得到相互弥补。

2 抗菌性正畸粘接剂

O’Reilly等[5]研究认为正畸治疗过程中的釉质脱矿不是由粘接前酸蚀引起的，而是局部菌斑作用的结果。而牙菌斑堆积的主要部位正是托槽及其周围多余的粘结剂[6]，因此赋予粘接剂以抗菌性能将有效抑制菌斑形成。目前，临床常用的正畸粘接剂材料主要包括磷酸锌水门汀黏固剂、树脂粘接剂、树脂改良型玻璃离子等。其中，磷酸锌水门汀粘固剂和树脂粘接剂不存在抗菌性能。虽然树脂改良型玻璃离子是一种可释氟粘接剂，但是没有证据表明使用树脂改性玻璃离子水门汀粘接托槽能降低釉质脱矿病变的发生率[7]，因此，在正畸粘接剂中添加有效的抗菌成分，是维护固定正畸治疗期间口腔健康状况的一种新的手段与方法。

2.1 正畸粘接剂抗菌改性常用的方法

目前使粘接剂具有抗菌性能的途径主要有以下两种[8-10]:一种是直接在正畸粘接剂中添加抗菌材料，通过抗菌剂的不断释放，抑制杀灭周边环境中的细菌，例如在粘接系统中直接添加抗生素后，局部环境中就能检测到有效的抗菌成分。另一种是使抗菌剂与粘接系统共价结合，使抗菌剂固定于粘接系统中，从而抑制或杀灭粘附于粘接剂表面的细菌，比如季铵盐单体与树脂单体发生聚合反应后被固定于树脂基质上，进而发挥接触性抗菌作用。

2.2 正畸粘接剂抗菌改性常用的材料

2.2.1 无机抗菌材料 常用于正畸粘接剂抗菌改性的无机材料中以无机纳米抗菌材料最受关注，纳米材料是指物质粒子尺寸达到纳米数量级时的超微材料。由于纳米材料的比表面积大，与致病菌接触的概率大，因此纳米粒子即使在低浓度下也表现出显著的抗菌活性[11]。

无机纳米抗菌材料主要包括金属型无机纳米抗菌材料及金属氧化物无机纳米抗菌材料[12]。纳米二氧化钛是最受关注的金属氧化物无机纳米抗菌材料，它需要通过光催化作用发挥其抗菌性能。二氧化钛的低能价带充满电子，高能导带没有电子，当低能价带的电子受到紫外光波的激发后，能跃迁到高能导带，同时产生光生空穴[13]。在水环境中，光生空穴、电子与水分子、氢氧阴离子、氧气发生氧化还原反应，生成活性氧，活性氧导致细菌发生氧化应激是目前二氧化钛主要的抗菌机制[13]。Ferrando-Magraner等[14]对11项相关研究进行了系统评价，结果显示将无机纳米抗菌材料应用于正畸粘接剂是提高其抗菌性能的有效手段，其中纳米二氧化钛具有最强的抗菌效果。李振霞等[15]研究结果也显示在正畸粘接剂中加入纳米二氧化钛后，在不影响粘接剂粘接强度的前提下明显提高了粘接剂的抗菌性能。但是如果将纳米二氧化钛直接应用于正畸材料的制备，则只有在照射紫外光时才能将其抗菌活性激发出来，紫外线仅占太阳光谱的5%左右，这在一定程度上限制了二氧化钛的应用。因此，通过贵金属元素或非金属元素来改性纳米二氧化钛，使其可吸收光的范围从紫外光扩展到可见光，可以更高效的利用其抗菌性能[16]。Chambers等[17]研究就证实了银掺杂二氧化钛纳米颗粒仅在可见光照射下就能发挥良好的光催化性能，使用银掺杂二氧化钛纳米颗粒对树脂进行抗菌改性后，这种新型树脂在可见光照射下就对变形链球菌具有较强的杀菌作用。

纳米银材料是金属型无机纳米抗菌材料的代表，具有低细胞毒性、低细菌耐药性和广谱、强效、持久的抗菌活性。王艳华等[18]将纳米银添加到正畸粘接剂中，测试其粘接强度及抗菌性能，结果表明，纳米银在不影响粘接强度的情况下，提高粘接剂的抗菌性能，具有一定临床应用价值。但是，当粘接剂中纳米银的质量分数超过0.15%时，将会影响粘接剂的颜色[18]，不利于患者的美观要求。这在一定程度上限制了纳米银粘接剂的应用，尤其是不建议用于陶瓷托槽与前牙区托槽的粘接。此外，由于银纳米颗粒的抗菌能力与其穿透细菌细胞壁的能力有关，因此银纳米离子的大小和细菌细胞壁的厚度均会影响其抗菌效果。目前，人们普遍认为小于10 nm的银纳米颗粒可以直接改变细胞的通透性，进入细菌细胞，杀灭抑制细菌[19]。反之，较大的银纳米颗粒难以穿透生物膜，不能有效发挥抗菌作用。另外，与革兰氏阳性细菌相比，细胞壁更薄的革兰氏阴性细菌对银纳米颗粒更为敏感[20]。牙龈卟啉单胞菌、伴放线放线杆菌等牙周致病菌多为革兰阴性细菌，由此可认为纳米银材料对抑制牙周致病菌的效果更为显著。

2.2.2 有机抗菌材料 除了无机纳米抗菌材料外，有机抗菌材料的应用也很广泛。其中季铵盐、壳聚糖在正畸学领域中得到了很好的研究。季铵盐单体与树脂单体发生交联后，抗菌基团被固定在材料上，抗菌成分不会随时间的推移而释放，可以发挥稳定持久的抗菌作用，有利于满足正畸治疗的抗菌要求。季铵盐的抗菌机制基于带正电荷的季胺离子对带负电荷的细菌细胞电荷平衡的干扰，打破细菌胞膜的电荷平衡后可以导致细菌在其自身渗透压的作用下破裂[21]。有报道指出季铵盐的抗菌性能与碳链长度相关，当烷基链上的碳原子为3～16时，抗菌性能随着碳链长度的增加而增强[22]。甲基丙烯酸十六烷基二甲铵是一种新型季铵盐类单体，其碳链长度为16，是抗菌能力最强的季铵盐单体之一[23]。Wang等[24]将甲基丙烯酸十六烷基二甲铵添加到正畸粘接剂中，检测其粘接强度和抗菌性能，结果显示这种新型正畸粘接剂在不影响粘结强度的情况下能显著降低粘接剂表面附着菌斑的代谢活性和乳酸产量，表现出了良好的抗菌性能。但是，当唾液蛋白粘附在材料表面时，会削弱季铵盐类材料的接触性抗菌作用。因此，将具有抑制蛋白附着作用的材料与季铵盐联合应用形成复合抗菌材料也是一个广受关注的研究方向。

2.2.3 复合抗菌材料 复合抗菌材料是将不同的抗菌剂复合在一起形成的材料，能够使不同抗菌剂优势互补。如前所述，当唾液蛋白覆盖于抗菌材料的表面时，不仅会促进菌斑的形成，还会降低材料的接触性抗菌性能。Cao等[25]将具有抑制蛋白附着和细菌粘附的作用的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和具有抗菌作用的季铵盐单体与复合树脂混合，获得了一种新型树脂材料，这种树脂能抑制唾液蛋白附着于材料表面，使抗菌成分能发挥稳定持续的接触性抗菌性能。马雁崧等[26]将抗蛋白制剂、抗菌性季铵盐单体、再矿化纳米颗粒添加到正畸粘接剂中，赋予材料抵抗唾液蛋白吸附、抗菌，以及酸性环境中再矿化能力等多种特性，能有效抵抗釉质在酸性环境下的脱矿。Dias等[27]指出在树脂材料中加入氧化锌和银纳米颗粒两种材料后可以促进细菌产生更多的活性氧，活性氧是导致细菌细胞膜破坏和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)变性的主要因素，因此二者的协同抗菌效果优于单一组分。

3 抗菌性托槽与弓丝

在正畸治疗的不同阶段，镍钛合金和不锈钢弓丝被大量应用于排齐整平牙列、关闭拔牙间隙等矫治措施。弓丝要发挥上述功能，离不开正畸矫治用托槽的作用，托槽则主要由不锈钢或陶瓷材料制成。不论是陶瓷材料还是不锈钢、镍钛合金等金属材料，都不具备有效的抗菌性能，从而容易粘附细菌，在弓丝与托槽表面形成菌斑、结石，不仅会增加二者间的摩擦力，还会引起牙体、牙周疾病，影响正畸治疗的疗程和疗效。随着抗菌材料的发展进步，口腔正畸学领域抗菌性弓丝与托槽的发展也不断深入，它们的研发改进对正畸临床具有重要意义。

3.1 托槽与弓丝抗菌改性常用的方法

最常应用于托槽与弓丝抗菌改性的方法是表面涂层技术。表面涂层技术是通过物理或化学方法在托槽与弓丝表面形成具有抗菌性质的涂层，从而赋予材料表面抗菌性能的一项技术[28]。常用的制备涂层的方法包括化学气相沉积法、物理气相沉积法、电沉积法、溶胶凝胶法、热氧化法和等离子注入法等[29]。陶瓷托槽除了通过涂层技术获得抗菌性能以外，还可采用整体掺杂技术来进行改性，但是，由于掺杂后会对陶瓷材料的性能产生不利影响，因此研究较少[28]。

3.2 托槽与弓丝抗菌改性常用的材料

3.2.1 无机抗菌材料 早在抗生素出现以前，银就作为抗菌剂被应用于医学领域。银离子抗菌作用的确切机制尚未完全阐明。目前认为银离子由于静电作用和与硫蛋白的亲和作用，可以附着在细胞壁和细胞质膜上。附着的银离子可增强细胞质膜的通透性，导致细菌包膜被破坏[30]。在游离银离子进入细胞后，与DNA中的硫和磷相互作用，导致DNA复制、细胞繁殖出现问题[19]。此外，银离子还可以通过改变细胞质中的核糖体来抑制蛋白质的合成[19]。银纳米颗粒在牙科材料功能改性中的研究是近年来的一个新兴领域。有学者在正畸托槽与弓丝表面合成纳米银涂层，赋予托槽与弓丝良好的抗菌活性，这种纳米银涂层托槽与弓丝具有减少正畸治疗过程中产生釉质白斑、龋坏和牙周病的潜能[32-34]。

二氧化钛除了常被应用于抗菌性正畸粘接剂的制备，还常见于正畸托槽与弓丝的抗菌改性。Cao等[35]采用溶胶-凝胶法制备的二氧化钛涂层陶瓷托槽在紫外光照射下对嗜酸乳杆菌和白色念珠菌具有良好的抗菌作用。Ghasemi等[32]采用物理气相沉积法制得的二氧化钛涂层不锈钢托槽能抑制变异链球菌的生长。传统的二氧化钛只能在紫外光波的作用下才能激发抗菌性能，这是由于二氧化钛低能价带的电子跃迁到高能导带的带隙较宽[13]。为了把二氧化钛可吸收光谱的范围由紫外光拓宽到可见光，需要将二氧化钛材料的带隙变窄从而拓宽可吸收光谱，比较常用的方法是通过金属或非金属离子掺杂改性[36]。王建卫等[37]研究表明，掺氮二氧化钛涂层陶瓷托槽在不影响陶瓷托槽美观的同时，对变异链球菌、白色念珠菌等口腔致龋菌和条件致病菌具有较高的抗菌作用。李娜等[38]采用射频磁控溅射法在医用不锈钢表面制备掺氮二氧化钛涂层，这种不锈钢丝对变形链球菌、粘性放线菌及白色念珠菌的抗菌率分别达97.79%、49.42%和96.84%，具有较强的抗菌效果。但是,有研究指出纳米二氧化钛涂层会增加不锈钢托槽和不锈钢弓丝表面的摩擦阻力[32,39]。固定矫治期间如果采用滑动法关闭拔牙间隙，就要求弓丝与托槽之间的摩擦阻力较低。如果纳米二氧化钛涂层会增加不锈钢托槽表面的摩擦阻力，这将对正畸治疗进程产生不利影响。因此，在对托槽与弓丝进行抗菌改性的同时，也必须考虑抗菌改性对托槽、弓丝相关物理、机械、生物性能的影响，这样才能使其早日达到临床标准，运用于临床，造福患者。

3.2.2 有机抗菌材料 壳聚糖是正畸学领域中最常应用的有机抗菌材料之一，它具有显著的生物相容性、低细胞毒性、抗菌性、抗氧化性等优良特性。尽管壳聚糖抗菌性能的确切机制尚未完全清楚，但是根据文献报道，壳聚糖对微生物的作用机理主要有以下几种[40]：①带正电荷的壳聚糖分子与带负电荷的细菌细胞膜之间产生静电吸引，从而破坏细胞膜，导致细胞内成分外泄，杀死细菌；②壳聚糖可以螯合对细菌生长很重要的金属离子和必需营养素，缺少这些金属离子与营养素不仅会抑制细菌的生长还使得细菌对化学物质或某些抗菌药物更加敏感；③高分子量的壳聚糖可能在细菌表面沉积并形成致密的聚合物膜，阻止养分和氧气的吸收，也阻止了代谢产物的排泄从而抑制细菌菌的生长；④壳聚糖还能与细菌DNA相互作用，通过抑制mRNA而影响蛋白质的合成。壳聚糖主要来源于甲壳素。甲壳类废弃物作为海产品加工工业的副产物，大多数情况下，被扔回大海，焚烧，或被丢弃任其恶化，造成环境问题。从甲壳类废弃物中提取壳聚糖等有价值的物质不仅可以减少环境的污染，还能拓展壳聚糖的来源，使壳聚糖能广泛应用于医药、食品和农业工业等领域。但是壳聚糖的水溶性较差，一定程度上限制了它在各领域的有效应用。羧甲基化作为一种亲水性改性，可以提高壳聚糖的溶解度，得到具有多种生物医学性质的羧甲基壳聚糖，从而使壳聚糖的应用范围更为广泛[41-42]。谢兵伍[43]以聚多巴胺涂层为介质接枝羧化壳聚糖修饰正畸不锈钢弓丝，比较修饰的不锈钢弓丝与未修饰的不锈钢弓丝的机械性能、抗腐蚀及抗菌性，扫描电镜图显示，与未经修饰的不锈钢弓丝相比，修饰后的不锈钢弓丝表面较少粘附金黄色葡萄球菌，证实羧化壳聚糖提高了正畸不锈钢丝的抗菌性能，另外修饰和未修饰的不锈钢弓丝的微观硬度差异并无统计学意义，并且修饰后的不锈钢弓丝更具抗腐蚀性。因此通过聚多巴胺表面接枝羧化壳聚糖修饰正畸弓丝，不仅对其机械性能无明显改变，还能增强弓丝的耐腐蚀性，抑制细菌生长，更利于正畸应用。

4 总结与展望

综上所述，抗菌材料应用于正畸粘接剂、弓丝、托槽等固定矫治用材料后在抗菌性能、物理机械性能等方面均具有自身优势，深入研究更加安全和符合固定矫治要求的新型抗菌材料具有广阔的发展空间与应用前景。但是，如何使抗菌性正畸材料的抗菌性能、物理机械性能和生物性能达到最佳复配，仍需要进一步研究。另外关于抗菌性正畸材料的文献报道多为体外研究，尚未在人体口腔复杂的微生态系统环境中得到充分研究，缺乏实际的临床研究和长期随访观察。口腔微生态环境复杂，抗菌性正畸材料是否能在复杂的口腔环境中达到预期的效果、会否破坏口腔的微生态平衡造成菌群失调还需要更多的实验研究加以验证。