纳米磷酸钙在口腔护理产品中的应用初探

童 星 杜永卫 张 咪

江苏雪豹日化有限公司，江苏无锡，214400

纳米粒子具有特定的物理化学、生物、光学、电学和催化性能，氧化铁、二氧化硅、金、磷酸钙等无机纳米粒子，因其机械稳定性和完整性、易制备、尺寸可调、表面化学多样等优点，受到人们的高度关注[1]。与其他人造纳米粒子不同，纳米磷酸钙广泛存在于生物矿化的硬组织中，是人体牙齿的主要无机成分，约占牙釉质中无机物的90%，以纳米羟基磷灰石相的形式存在，赋予牙齿良好的力学硬度和生物学功能。纳米磷酸钙粒子具有很高的生物相容性、内在的无毒性和生物降解性，在植入物的制造和生物矿化等生物医学方面的应用进行了深入研究，已被应用于治疗骨缺损、牙齿修复等领域。

本文主要介绍纳米磷酸钙的种类、合成方式及在生物医学领域应用的研究现状，探讨纳米磷酸钙在口腔护理产品中的应用前景。

1 纳米磷酸钙的种类

虽然羟基磷灰石纳米晶体是牙釉质最基本的组成单元，但研究发现，早期牙釉质中的矿物质是无定形磷酸钙，接着是结晶性比较差的羟基磷灰石、磷酸八钙、非磷灰石磷酸钙[2]，最终才形成成熟牙釉质的羟基磷灰石晶体。

基于磷酸根离子（PO43-，HPO42-，H2PO4-）质子化状态不同，以及磷酸钙离子取代其他离子的能力不同，磷酸钙纳米材料通常含有不同磷酸钙相，如纳米羟基磷灰石、纳米无定形磷酸钙等。

1.1 纳米羟基磷灰石

纳米羟基磷灰石是具有生物相容性和生物活性的材料之一，在牙体硬组织上具有良好的再矿化作用和根管封闭性，可以作为防龋、根管冲填材料[3]。化学合成的纳米羟基磷灰石具有一定的骨传导性能，但骨诱导性能较低，达不到替代骨组织功能的标准要求，所以，在合成过程中必须采取相应措施加以改进，而其中降低钙磷比至关重要，例如羟基磷灰石的理论组成为Ca10(PO4)6(OH)2，钙磷比为1.67，人工合成的纳米羟基磷灰石钙磷比应低于1.67[4]。此外，纳米羟基磷灰石难以用传统的化学方法制备，其晶体形貌会受溶液pH、温度、离子强度、反应物溶剂、反应物配比、材料结晶行为等诸多因素的影响。

1.2 纳米无定形磷酸钙

无定形磷酸钙是结晶羟基磷灰石的前驱体，通过释放Ca2+、PO43-在脱矿牙齿上沉积，抑制矿物质的流失从而实现再矿化作用，同时，纳米无定形磷酸钙的尺寸、相互作用面积、离子释放性都优于普通无定形磷酸钙，再矿化能力强[5]，所以纳米无定形磷酸钙可以作为再矿化剂应用。

2 纳米磷酸钙的合成方式

纳米磷酸钙的合成方式有很多种，如火焰喷雾热解法、微波辅助法、溶胶—凝胶法、模板合成法等，合成的方法不同，合成产物在粒径、化学成分、结晶度等方面会有所差异，这些差异又会影响纳米颗粒在应用过程中的吸收率、矿化作用等。

研究发现，以无机磷酸盐作为磷源，前驱体溶液中高浓度的钙离子和磷酸盐离子会导致磷酸钙快速成核、无序生长，难以控制合成产物的形貌和尺寸；而以含磷生物分子作为磷源，可以通过水解参数来控制磷酸根离子的水解速率，从而决定合成产物的结构、形貌、尺寸，避免磷酸钙的快速成核和无序生长[6]。

2.1 火焰喷雾热解法

火焰喷雾热解法是一种通过雾化的前体溶液燃烧来合成纳米颗粒的过程，是制备大量具有特定性能磷酸钙纳米颗粒的一种通用方法[7]。在制备过程中，溶剂或前驱体、局部温度和火焰停留时间，都会影响燃烧反应。

Jung等[8]通过高温火焰喷雾热解法，制备了具有尺寸可控的纳米羟基磷灰石粉末，钙磷比为1.67。当喷雾溶液的浓度从0.05 mol/L提高为2 mol/L时，纳米羟基磷灰石的平均尺寸从21 nm增加到81 nm；随着烧结温度的增加，纳米羟基磷灰石晶粒的尺寸增加，在1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃的温度下，烧结粒料的平均晶粒尺寸为0.93 μm、4.9 μm、18 μm，所以，可以通过改变喷雾溶液的浓度和烧结温度来控制合成颗粒的平均尺寸。

2.2 微波辅助法

微波加热是一种快速容积加热方法 ，与常规加热方法相比，反应速率更高，通常反应在几分钟内完成，能够节省时间、降低能耗。

S.Turk等[9]以磷酸氢二铵作为磷源，氯化钙、硝酸钙四水合物、氢氧化钙作为钙源，以800 W功率进行微波辅助加热15 min，可以合成球形和六方棒纳米羟基磷灰石，钙磷比为1.5，合成纳米羟基磷灰石的结晶度和晶体尺寸分别在0.53～2.37、29.5～45.4 nm之间变化，表明微波辅助合成是一种在较短的工艺时间内获得纳米羟基磷灰石的有效方法。

2.3 溶胶—凝胶法

溶胶—凝胶法合成纳米磷酸钙是基于一种钙源和一种磷源的反应，通常在有机溶剂中进行，具有简单、通用性强、产物组成（钙磷比）相对均匀、合成温度低等优点。

K.P. Sanosh等[10]分别以硝酸钙、磷酸二氢钾为钙、磷的前体，双蒸水作为稀释介质制备β-磷酸三钙溶胶，用氨水调节pH；老化后，将β-磷酸三钙凝胶在40 ℃下干燥，然后煅烧至200~800 ℃，随着温度的升高，β-磷酸三钙颗粒的结晶度和微晶尺寸均增加。该研究表明，使用简单的溶胶—凝胶法技术可以获得高结晶纳米β-磷酸三钙粒子。

2.4 模板合成法

近年来，利用模板控制晶体生长方向的仿生合成，是获得与天然矿化硬组织中磷酸钙结构、成分相似的纳米磷酸钙的一个重要方法。模板合成可以得到结晶度和钙磷比相对较低的纳米磷酸钙，目前研究较多的模板主要是聚磷酸酯、聚乙二醇等有机聚合物模板和明胶、硫酸软骨素、壳聚糖等生物模板。

2.4.1 有机聚合物模板

聚磷酸酯具有良好的可降解性和生物相容性，Linjing jing等[11]通过原位熔融聚合的方法，将纳米羟基磷灰石/聚氨基酸（n-HA/PAA）与环磷酸酯（CPE）复合，来改善n-HA/PAA的降解性能。研究结果显示，纳米羟基磷灰石/聚磷酸酯-氨基酸（n-HA/PPE-AA）复合材料在模拟体液中浸泡1周后，表面形成了类磷灰石层；细胞在n-HA/PPEAA复合材料表面铺展良好，表型正常延伸，无细胞毒性和高增殖，表明n-HA/PPE-AA复合材料具有可控的降解性能、良好的生物活性和细胞相容性。

聚乙二醇（PEG）是一种具有良好的水溶性有机物，Huaifa Zhang等[12]以PEG为辅助，采用化学沉淀法合成纳米羟基磷灰石（n-CHAp），发现在球形n-CHAp中加入2%～6% PEG，可得到粒径30～50 nm的球形n-CHAp，n-CHAp的结晶度随着PEG浓度的增加而增大，表明PEG能够促进n-CHAp的生成，调节颗粒形貌和尺寸，并且能有效降低n-CHAp粉体的团聚，排除反应副产物。

2.4.2 生物模板

自然界中矿化物质的成核和生长往往通过蛋白质、多糖等有机大分子来控制,硫酸软骨素（ChS）也是这些生物大分子的一种，在骨和牙齿形成的早期阶段就存在。Dan He等[13]以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)3PO4·3H2O为试剂，ChS为模板，合成纳米羟基磷灰石（nHAP）。研究发现，以ChS为模板剂，低浓度时可以得到纤维状nHAP，而在高浓度（≥0.5wt.%）时可以得到片状nHAP，并且nHAP结晶度随ChS含量不断增加，说明HAP的成核和生长依赖于nHAP与ChS之间的化学作用，ChS浓度会影响HA的生长行为和形态。

明胶是胶原的局部水解产物，是肌腱和骨组织的主要有机成分，含有氨基酸等多个功能基团，具有典型的三维螺旋结构。Yue Liu等[14]将一种明胶水溶液与纳米羟基磷灰石（nHAP）颗粒进行戊二醛化学交联，制备了明胶/nHAP支架；然后将骨形成蛋白-2（BMP-2）负载的纤维蛋白胶（FG）引入多孔明胶/nHAP支架中，制备了rhBMP-2负载的明胶/nHAP/FG杂化支架。研究结果显示，明胶可以调控纳米羟基磷灰石，使其定向沿着一定的方向生长，所制备的复合支架在成分上与天然骨相似，具有三维多孔结构，可以增强新生骨组织的形成，解决nHAP单独作为支架材料的脆性问题。

3 纳米磷酸钙在口腔领域的应用现状

目前，纳米磷酸钙在口腔领域的应用研究主要集中在抑制口腔致病菌生长、牙体硬组织再矿化、预防和修复龋病、过敏等口腔问题。

3.1 抑菌作用

牙龈炎、龋齿、牙周炎等口腔慢性疾病都与口腔内微生物菌落的组成和结构密切相关，当菌群失调时，变异链球菌、牙龈卟啉单胞菌、牙髓卟啉单胞菌、韦荣氏球菌、放线菌等致病菌就会大量繁殖，引发口腔疾病。

Victoria M.Wu等[15]研究了纳米无定形磷酸钙和纳米羟基磷灰石对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、粪肠球菌）、革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌、大肠杆菌）这些常见菌株和多重耐药菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌等）的抗菌作用，结果显示：纳米无定形磷酸钙对革兰氏阳性菌更有效，纳米羟基磷灰石对革兰氏阴性菌更有效，与常规菌株相比，纳米无定形磷酸钙对多重耐药菌的抑菌活性弱，而纳米羟基磷灰石对多重耐药菌的抑菌活性则高。除了纳米磷酸钙的固有抗菌作用外，Zainab等[16]还研究了纳米颗粒与抗生素之间的协同作用，研究发现采用化学沉淀法合成的磷酸钙纳米颗粒对多重耐药菌（铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌）无抗菌活性，但将其与抗生素环丙沙星（CIP）结合后，对多重耐药菌具有了抗菌活性，并且随着CIP浓度增加和纳米颗粒粒径的减小，抗菌活性有所增强。这些发现使具有良好生物活性的纳米磷酸钙在临床应用过程中，可以避免出现细菌感染，有望成为药物和治疗应用的靶点。

3.2 再矿化作用

釉质是人体最硬、最矿化的组织，可以抵抗机械损伤、擦伤和化学攻击。当口腔环境pH＜5.5时，牙釉质中的磷酸钙会发生溶解，即脱矿过程开始发生；随着酸的消耗以及口腔唾液的缓冲作用，pH逐渐上升到中性，脱矿过程被抑制，唾液中的钙磷离子又重新在牙釉质表面结合形成新的磷灰石，这个过程就是再矿化。釉质在口腔内不断受到再矿化和脱矿的过程，如果脱矿相持续较长时间，会造成矿物质的过度流失，从而导致釉质结构丧失和空化[2]。

目前多项研究显示，纳米无定形磷酸钙（NACP）与传统磷酸钙颗粒相比，具有较大的比表面积、体积比和高离子释放性能，可作为脱矿剂用于促进脱矿牙釉质再矿化[17-18]。Siying Tao等研究了包含NACP纳米粒子的粘合剂，在牙科生物膜环境中对人牙本质的再矿化作用，结果显示，NACP粘合剂可以减少生物膜的菌落数、生物膜的乳酸生成，并增加生物膜的钙、磷酸盐含量，与市售的氟释放胶粘剂相比，NACP胶粘剂的再矿化值更高，表明NACP粘合剂在受到生物膜挑战的环境下，对粘合界面仍具有保护能力，可以保护牙齿结构、抑制继发龋齿。

3.3 脱敏剂

牙本质过敏症是指牙齿在受到温度（冷、热）、化学物质（酸、甜）、机械作用（摩擦或咬硬物）这些外界刺激引起的酸、软、痛等症状[19]，是成年人的常见口腔问题。靠近牙齿表面的牙本质小管直径约0.5 μm，通常被釉质层或牙骨质层所覆盖，当失去保护层时，牙本质小管便暴露出来，继而引发牙本质敏感。目前牙本质过敏症的治疗集中于封闭牙本质小管、牙髓神经纤维去极化两个方面，近年来，酪蛋白磷酸多肽—非结晶型磷酸钙（CCP-ACP）、纳米羟基磷灰石等新兴生物材料也被作为脱敏剂应用于临床治疗牙本质过敏症[20-21]。

Jutharat等以油酸为外相、十二烷基硫酸钠为表面活性剂，加入5%～15%重量的明胶，用乳液法合成了凝胶形式的磷酸钙纳米颗粒，从研究结果中可以看出，随着明胶添加量的增加，磷酸钙纳米颗粒的尺寸逐渐减小；含15%明胶的磷酸钙纳米颗粒过夜应用后可以完全封闭牙本质小管，并且可以通过重新溶解和再沉淀过程来抵抗酸性溶液侵蚀。Vano等比较了含2%纳米羟基磷灰石无氟牙膏与氟化物牙膏对牙本质过敏的治疗功效，受试者每天使用测试牙膏两次，每次10 min，在2周和4周时，测试组的冷空气敏感度、触觉敏感度、视觉模拟评分均显著降低；与氟化物牙膏相比，使用含2%纳米羟基磷灰石的无氟牙膏敏感性更低，说明纳米羟基磷灰石是一种有效的脱敏剂，可以缓解牙本质过敏症状。

4 展望

纳米磷酸钙在抑制口腔致病菌生长、牙体硬组织再矿化、预防和修复龋病、过敏等口腔问题上的研究，为口腔临床治疗开辟了新途径。随着对纳米磷酸钙性质、合成方法和作用机制的深入研究，具有更多型式和功效的纳米磷酸钙材料将应运而生，纳米磷酸钙在口腔护理产品中会得到更广泛的应用。