竹纤维素应用于牙科纤维桩的探讨与展望

冯暄淇，邓 斌

根管治疗后的牙齿营养含量降低，牙冠和牙根结构改变使断裂强度降低[1]。根管桩核冠技术是目前口腔最为常见的牙体修复方式之一。虽然齿科纤维桩多用于前牙及前磨牙，但纤维桩与牙体组织粘接性差，导致其粘接失败仍是其主要缺点[2]。同时，国产玻璃纤维桩在电镜扫描图下，表面粗糙不均，断裂面有纤维拔丝现象[3]。

这些缺点促使人们转而关注新的纤维材料，如碳纤维桩，但碳纤维桩颜色较深，影响美观。因此研发新的牙科桩核系统材料十分必要。竹纤维不仅生物安全性能好，机械性能也可基本满足牙科根管纤维桩的需要。其凭借可生物降解性、高强度和比刚度及高比表面积、成本低，且含有大量的基质可进行修饰改性，故在医用材料得到普遍应用[4-5]。本文旨在综述竹纤维素的抗菌性、细胞毒性、生物相容性、机械性能和物理性能，通过查阅竹纤维机械力学和生物医用材料的相关文献，进一步分析竹纤维是否符合纤维桩的基本要求，探讨其作为牙科桩核系统的应用潜力。

1 竹纤维素成分、提取与工艺

1.1 竹纤维素复合材料的成分

竹纤维已被作为一种有机和无机基体增强材料[6]，与环氧树脂结合为竹环氧树脂复合材料(bamboo fibers-epoxy resin)。该复合材料中竹纤维占42%，环氧树脂基质占58%[7](均为体积比)，具有相对密度轻、机械强度高、抗疲劳性能较好、缓冲性良好、环保等优点，在许多场合，竹纤维可替代玻璃纤维复合材料，表现出可再生和循环利用的优势。此外，竹纤维与三氧化二铝组成纳米颗粒竹纤维复合材料，可提高材料的机械力学性能[8]。也有学者认为经碱处理后的竹纤维与环氧树脂和石墨烯涂层相融合，可进一步提高材料的弯曲性能。Song等[9]通过多巴胺改性后的竹纤维与高密度聚乙烯相互作用，增强复合材料的界面相容性和竹塑复合材料的力学性能。Long等[10]以竹纤维为基体制备聚乳酸/聚丙烯复合材料，添加5%马来酸酐接枝聚丙烯，提高复合材料的拉伸和弯曲性能。这些复合材料在汽车工业和家庭领域具有使用潜力。如今，主要的牙科桩核系统材料成分为石英、玻璃纤维与环氧树脂[11]，这与竹纤维/环氧树脂复合材料有相似之处，因此，以竹纤维为原料制备牙科桩核系统可能具有一定可行性。

1.2 竹纤维素的提取

竹纤维的提取主要有4种方法：机械法、生物提取、化学处理以及机械法和化学法的组合处理[12]。在机械工艺中，竹条在水中浸泡1周左右，或90 ℃煮沸10～15 h，将竹条捶打以松开外部的纤维竹皮(绿色外皮)、用锋利的工具反复刮擦和梳理产生适合纺纱的竹纤维。化学处理可使用NaOH、NaHCO3和H2O2等处理剂浸泡。这些处理的变化也可以产生其他韧皮纤维。Li等[13]使用化学脱木质素和风干两步工艺从天然竹茎中提取纤维素。过氧甲酸作为温和的脱木质剂，选择性地分解木质素/半纤维素黏合剂以及薄壁细胞，从而在大范围单个竹茎中快速分离出大量高强度纤维。该方法不仅减少了温室气体排放，也降低了分离成本。

Zakikhani等[14]将不同提取方法的竹纤维力学和物理性能与玻璃纤维比较，机械和化学联合处理的竹纤维与玻璃纤维的力学和物理性能更接近。

1.3 竹纤维复合材料制备纤维桩的成型工艺

目前，复合竹纤维制备牙科纤维桩力学性能的制备工艺有树脂传递模塑工艺和热压成型[7，15-19]。

1.3.1 树脂传递模塑工艺 Huang等[7]将碱处理后的竹纤维放入烘箱，在80 ℃的温度下干燥8 h。环氧树脂(ML3564)和硬化剂(HY3954)置于脱气设备中以消除溶解空气6 h，将树脂和硬化剂以100∶35(质量比)混合后倒入压力缸中。竹纤维以对齐方向手动放置在传递模塑腔中。模具安装在热压机上时，调节高压氮气连接压力缸将树脂注射入模具型腔。140 ℃固化持续2 h。该复合材料具有较高的抗拉强度和弹性模量，且拉伸强度和杨氏模量随纤维直径减小而增大。

1.3.2 热压工艺 竹子需在50 ℃下干燥约22 h，以减少水分对竹子固结行为的影响。当含水量为2%～8%(质量比)时，使用热压机(5～100 MPa压强，160 ℃，10 min)对竹子进行热压成型。Takagi等[15]发现，热压竹实现了维管束和实质细胞的广泛致密化，密度的增加使竹纤维的抗弯强度与玻璃纤维相当。

2 竹纤维素的机械力学性能

2.1 弹性模量

弹性模量是物体受到压力抵御永久变形的能力，多数研究认为，其值对牙根应力分布有很大影响[16]，是齿科桩核系统的重要参数之一。根管纤维桩的弹性模量应与牙本质接近(18～25 GPa)[19]，且应有一定固位力，使冠部承受的咀嚼力沿桩长轴均匀分散至牙根表面，达到减小应力集中的目的[16]。

Li等[13]用化学法从原生竹中提取的竹纤维平均杨氏模量为61.6～121.0 GPa，机械法提取竹纤维杨氏模量为(49.3±5.6)GPa。Mittal等[17]研究了一种流动辅助形成方法，将有序的纤维素纳米纤丝组装成连续的宏观纤维，其杨氏模量为86 GPa，而未经处理的天然竹纤维杨氏模量为43 GPa[18]。这些研究表明，竹纤维素的弹性模量与提取方法有关，通过改进提取方法，可以提取弹性模量在一定程度上满足根管纤维桩基本要求的天然竹纤维。但应用于齿科桩核系统增强材料之前，需进行碱处理增加纤维与树脂基质结合，去除纤维无定形物质以增加纤维素含量，使有机和无机基体的纤维-基体粘接力提高，保证弹性模量的同时增强材料韧性。

2.2 弯曲强度

弯曲强度是弯曲负荷作用下破裂或达到规定弯矩时承受的最大应力，它不仅反映材料抗弯曲能力，也是评价桩核系统机械性能的重要参数。齿科桩核系统三点挠曲强度达400 MPa就可满足临床所需，但临床应用根管纤维桩的弯曲强度是理论值的2倍[19]。有学者用5%(质量分数)NaOH溶液处理竹纤维，与未经碱处理的竹纤维复合材料(纤维体积含量40%)相比，弯曲强度从259.9 MPa增加到327.5 MPa，弯曲模量从16.7 GPa增加到21.5 GPa，而涂有石墨烯竹纤维制成复合材料的抗弯强度为334.6 MPa，这是由于石墨烯高模量使竹纤维素变硬，从而增强其性能，且涂有石墨烯的竹纤维具有氧官能团，如羟基(—OH)、环氧化物(—COC)、羰基(—CO)和羧基(—OCO)，它们有可能与环氧树脂的基团发生化学键合[20-21]。这很大程度说明竹纤维素的抗弯强度与提取方式及复合材料的成分有关，由此可知，竹复合材料的抗弯强度值基本可满足牙科桩核系统的理论值范围。

2.3 抗拉强度

抗拉强度是固体物质由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值。竹纤维抗拉强度为2 000～2 300 MPa，玻璃纤维抗拉强度为1 800～2 000 MPa[13]。竹纤维作为一种绿色增强复合材料，抗拉强度与玻璃纤维接近[22]。此外，在高分子复合材料工业中，天然纤维植物竹纤维因优良的力学性能，被认为是一种有吸引力的增强填料，在汽车、家具[21]、混凝土钢筋、替代钢材、土木工程梁或柱形式的结构元件中有很大的应用价值[23]。

2.4 硬度

硬度是指物体抵抗弹性、塑性变形和破坏的一种能力。纤维桩需一定硬度抵抗咬合力防止修复体变形及牙体折断。据了解，石英根管纤维桩的布氏硬度约为70.11[24]。有研究表明，竹纤维的布氏硬度为35.25，含三氧化二铝的竹纤维复合材料布氏硬度值为44.72[25]，由此可见，通过调整复合材料主要成分性能及结构，均可改良复合材料的硬度[26]。

2.5 泊松比

泊松比是横向变形系数，材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值，反映材料横向变形的弹性，该值对口腔桩核系统材料的机械性能具有重要的临床意义。Jafari等[27]总结了牙齿相关结构及目前齿科桩核系统材料的泊松比，牙釉质、牙本质、牙根、皮质骨/松质骨的泊松比分别为0.31、0.30、0.45、0.30[28]；而齿科桩核材料泊松比为0.30[29]，竹纤维泊松比为0.28[30]。这表明，竹纤维素泊松比值与牙齿及桩核系统材料的泊松比值相接近，将竹纤维素用于齿科根管桩核系统的增强材料中，会有利于根管治疗术后的牙齿冠部向根部的应力均匀分布。

3 竹纤维素的生物医用性能

3.1 竹纤维素的抗菌性

竹纤维的抗菌机制目前国内外罕见报道，但竹纤维抗菌成分被许多学者研究。有多篇文献称，竹含有一种“竹醌”物质，其抑菌作用在纤维提取过程不被破坏，光学显微镜下观察，细菌在其他植物制品中快速繁衍，而在竹纤维表面上停留24 h，则细菌被迅速杀死95%左右，这可能是竹原纤维中的空腔造成边缘裂缝，犹如毛细血管吸收和干燥水分，保持纤维干爽状态防止细菌繁殖，其次，竹纤维空腔结构氧气阻止厌氧菌存活[31-33]。Xiao等[34]从毛竹叶中分离出水溶性中性多糖NPs(water-soluble neutral polysaccharides)，即1，4-β-连接的木糖蛋白骨架。NPs的主链由1，4-β-连接的木糖和其他单糖组成，包括葡萄糖、半乳糖、岩藻糖，其侧链是半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖残基，由于竹叶纤维素和半纤维素水解后糖苷键断裂，表观结构呈无序形态，明显裂解为一些小的、松散的块状结构，如富含葡萄糖和木糖的中性多糖。该成分经物理化学表征分析NPs的抗菌活性。测定结果表明，当NPs质量浓度在0.5～50.0 mg/mL范围内时，水溶性中性多糖对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的抑菌作用。这与此前研究结果一致，植物多糖可增强细胞壁通透性，释放的有益离子和生物大分子不利于细菌生长[35-36]。英特格雷联以竹和玻璃纤维[37]为原料生产的“止血绷带”，其内层的竹纤维不仅有抗菌作用而且引导血液渗入外表面玻璃纤维层促使血液凝固，该绷带缩短了伤口的愈合周期。Wang等[38]从生竹中提取的大分子物质，用具有抗菌性的竹醋液预处理，经165 ℃热压持续10 min，加工成生物板进行抗菌性实验，结果表明该生物板有明显的抗菌性。Rocky等[39]将生竹、不同提取方式的竹纤维、商用竹黏胶进行抗菌性试验，结果表明，生竹抗菌活性较低，再生竹纤维和商用竹纤维对细菌有明显的抑菌性，这可能与纤维的提取方法及处理方式有关。竹纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有明显抗菌性，商用竹黏胶次之，生竹几乎无明显的抗菌性。目前，国内外学者对竹纤维的抗菌性成分有不同的发现，但关于竹纤维的抗菌机制和成分有待进一步研究证实，且竹纤维对口腔菌群的抗菌性也无相关报道，鉴于此，我们后期可进行竹纤维对口腔菌群的抗菌性实验，进一步验证竹纤维素对牙龈卟啉单胞菌的抗菌性。

3.2 竹纤维素的生物相容性及细胞毒性

竹纤维应用于齿科桩核系统增强材料，应具备较好的生物相容性，Ma等[22]用纤维素制备可生物降解竹纤维/纳米羟基磷灰石复合材料，并进行细胞毒性实验、体液浸泡实验和人成骨细胞培养实验，这些实验结果表明，竹纤维引入的复合材料无细胞毒性。同时，在模拟体液浸泡中降解，液体的离子浓度与人血浆的离子浓度相似，这表明竹纤维适合作为聚合物基体制备羟基磷灰石基复合骨材料，且含有40%竹纤维复合材料的细胞增殖效果最好，有较好的生物相容性。Jiang等[40]制备了竹纤维/纳米羟基磷灰石/聚(丙交酯-乙交酯)复合材料，体外细胞培养实验结果表明，竹纤维无细胞毒性，竹纤维的加入增强了复合材料的细胞相容性，这说明竹纤维/纳米羟基磷灰石/聚丙交酯-乙交酯)复合材料作为人工骨骼材料有巨大的潜力。张宜等[41]以竹纤维为基材，高岭土为止血材料，制备了一种新型的军用敷料，经体外实验研究表明，该材料具备优良的生物相容性和止血效果。

4 竹纤维素的物理性能

4.1 流电性

口腔环境中，异种金属修复体相互接触会有不同电位，导致的电位差将会释放微电流，刺激口腔软硬组织。竹纤维是一种生物降解的、环保、电绝缘性、天然植物纤维，有玻璃、石英等合成纤维无可比拟的优点[42]。

4.2 色彩性

根管纤维桩为口腔修复材料，美观要求较高，Li等[13]用化学法提取的竹纤维素呈白色，色泽光鲜透明，可达到自然美学的修复效果，这为竹纤维素替代玻璃纤维提供了更为可靠的依据。

4.3 温度

齿科根管桩核系统玻璃纤维对热稳定性较好，但200 ℃以上，玻璃纤维的性能会随温度的升高而迅速下降[43]。Zhou等[26]用碱/KH550/二苯甲基二异氰酸酯对竹纤维进行改性，并制备了环氧树脂/竹纤维复合材料，该复合材料在224～354 ℃的初始阶段内发生环氧树脂与竹纤维水分的脱附。354～485 ℃竹纤维中的纤维素脱水炭化，485～738 ℃部分纤维素和木质素进一步分解，最终形成残炭[44]。也有学者报道竹纤维在220 ℃以下的热处理时化学成分较稳定，但在220 ℃处理时化学成分发生了变化[45]。Takagi等[15]对加热后的竹子进行力学性能分析，竹子在160 ℃下热压10 min，分别给予50～100 MPa不等的压力，其密度会随温度升高而升高，在30 MPa以上的成型压力下，弯曲强度几乎保持不变。值得一提的是，热压竹材最大弯曲强度约为350 MPa，抗弯强度水平是生竹的3倍，该值与玻璃纤维相当。针对以上研究，将竹纤维为原料制备牙科桩核系统可能有很大的优势。

5 讨 论

竹纤维不仅可满足桩核系统的基本力学性能要求，而且无细胞毒性，生物相容性能好，最重要的是天然竹的抗菌性能，可能适合应用于口腔医用生物材料，且竹作为一种天然植物纤维，具有生长周期快、成本低，能耗低，弹性模量高，抗拉强度与玻璃纤维相当的力学性能，已被视为一种绿色增强材料广泛地应用于各领域。

然而，竹纤维素应用于牙科桩核系统还存在一些问题：①竹纤维素作为一种新型的根管桩核材料其形状有待确定，由于竹纤维素经6%NaOH碱处理后与环氧树脂有较好的界面结合作用[46]，但需经专用机器方可生产所需的形状、尺寸和结构，探索生产时间成本较高；②竹纤维素有一定的抗菌性，仅是对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌性，但对口腔的变形链球菌及牙龈卟啉单胞菌的抑菌性尚存空白，难以对临床所需的问题形成较好的指导方向；③目前对竹纤维素在生物医学领域发展还是一种前沿的探索研发阶段，对于作为一种新型牙科桩核材料的研究还不够充分。

针对上述问题，课题组提出以下解决方法：①生产新型竹根管纤维桩，以求降低生产成本，减小对环境所造成的压力；②加强对竹纤维素的专科抗菌性能的测验，尤其是口腔变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌抗菌性能的评价性研究，推进竹纤维素动物实验和临床试验；③加强研究竹纤维素制备牙科桩核系统材料的最佳成分，进行口强临床力学性能研究，开展专项课题，集中研究竹纤维素应用于口腔桩核系统材料的最佳力学机械性能。