氟化钙纳米复合材料在口腔医学领域的研究进展

黎涵懿,黄臻臻,朱子游,张 晗,孙芸芸,朱宪春

纳米材料的尺寸在1～100 nm,因其颗粒小,比表面积大,具有优于传统材料的理化性质,在诊断和治疗疾病方面有更优越的性能。目前纳米复合材料逐渐成为口腔材料的新趋势[1]。其中即包括氟化钙纳米复合材料(calcium fluoride nanoparticles,CaF2NPs)。与金属纳米材料相比,CaF2NPs的优点在于细菌耐药性低、合成简单、环境污染小、自然来源广泛、性价比高等[2],纳米尺寸的CaF2也具有更强的抗菌性、更持久的氟化物释放时间及更好的生物相容性[3],利用CaF2NPs对口腔材料进行改性及制备新型口腔材料成为国内外研究热点。目前研究的用于口腔领域的氟化钙纳米复合材料主要包括两类,第一类是CaF2NPs与传统的黏结剂、树脂、种植体表面等相结合以优化传统口腔材料的性能,这在口腔正畸、修复及牙周等领域有一定的应用研究;第二类是CaF2NPs与镧系离子等掺杂,形成了一种具有荧光特性的氟化钙纳米复合材料,这在口腔颌面外科领域有一定的应用研究。本文对氟化钙纳米复合材料的性能及其在口腔医学领域的研究进展做出总结,以期为口腔氟化钙纳米复合材料的进一步研究和应用提供参考及指导。

1 氟化钙纳米复合材料的性能

1.1 氟化钙纳米复合材料的抗菌性

氟化钙纳米复合材料的抗菌性主要体现在以下3个方面:①CaF2NPs中的氟离子可与细菌竞争钙离子,导致细菌无法通过钙桥与牙齿表面结合[4]。②在低pH值环境下,氟化物与氢离子反应生成氢氟酸,它能穿透细菌并抑制烯醇化酶、氧化磷酸化酶等酶活性。③氟化物在非常高的浓度,即3 040～5 700 mg/L时,可引起细菌的裂解[5]。Bala等[3]评估发现CaF2NPs对革兰氏阴性和阳性菌都具有抗菌作用,且与其他纳米颗粒和抗生素相比,CaF2NPs对原核微生物的最小抑制浓度值更低,但单一的CaF2NPs抗菌性有限[6]。越来越多的研究将CaF2NPs与其他抗菌材料结合以增强其抗菌性,如Zhu等[7]研究显示,ZnO/CaF2纳米复合材料具有良好的抗菌性;Cheng等[8]将CaF2NPs与10%氯己定颗粒相结合,结果显示这种新型复合材料比单一的CaF2NPs能更好地抑制口腔生物膜的产酸及代谢,有利于防龋。

1.2 氟化钙纳米复合材料的生物相容性

口腔材料作为与人体细胞直接或间接接触的材料,必须具有良好的生物相容性。现有的研究将CaF2NPs或氟化钙纳米复合材料对Vero细胞、大鼠成纤维细胞、人类牙龈成纤维细胞、成骨细胞及牙周韧带干细胞等进行了细胞毒性试验,结果显示这些细胞的分裂增殖并未受到上述材料的影响[3,9-12],说明CaF2NPs及氟化钙纳米复合材料作为口腔材料均具有良好的生物相容性。

1.3 氟化钙纳米复合材料促进牙齿再矿化及预防龋齿

氟化钙纳米复合材料含有充足的氟和钙元素。氟可置换羟基磷灰石中的羟基形成氟磷灰石保护层,提高牙釉质的抗酸能力;钙可维持羟基磷灰石的含量,氟和钙是促进牙齿再矿化预防龋齿的必要元素[13]。纳米氟化钙还能增加氟化物浓度,不仅可促进牙釉质中氟磷灰石的转化,还可降低牙本质渗透性并促进早期龋病病损的再矿化[14]。此外,有学者[15]研究证实与水中不加氟地区的人群相比,加氟地区人群牙齿的牙合面圆钝、窝沟较浅,这种形态使食物残渣不易附着于牙齿牙合面上,提高了牙齿的抗龋能力。

1.4 氟化钙纳米复合材料的荧光特性

CaF2具有萤石结构,因其在较宽波长范围内具有较高的透明度、较低的折射率和较低的声子能量而被广泛用作光学材料[16]。CaF2本身没有荧光特性,为拓宽其应用范围,人们往往赋予其荧光特性。由于钙离子和镧系离子具有非常相似的原子半径,CaF2也被当作镧系离子掺杂的优良宿主材料,因此研究者在CaF2NPs晶格中掺杂不同的镧系离子来赋予其荧光特性[17]。目前基于镧系离子掺杂的CaF2NPs已经被应用于化验分析、癌细胞成像、细胞标记、药物传递,光动力疗法等多个领域[18],在医学诊断与治疗方面具有广阔的应用前景和价值。

2 氟化钙纳米复合材料在口腔领域的研究

2.1 氟化钙纳米复合材料在正畸领域的研究

固定矫治过程中,口腔卫生不良、口腔生物膜中变形链球菌等不同微生物数量的增加和pH值的下降可导致牙齿白斑、龋齿等并发症。预防和控制上述并发症是口腔正畸领域的研究热点[12]。

氟化物是一种具有双重功效的防龋材料,它既能抑制口腔微生物又能促进牙齿再矿化[9]。以往许多研究将氟化物加入正畸黏结剂、牙膏等来预防牙齿白斑和龋齿的发生并促进牙齿再矿化[19]。与传统的CaF2相比,CaF2NPs具有更大的比表面积、更强的氟化物释放能力及抗菌能力[20]。Kulshrestha等[21]研究表明CaF2NPs可使口腔生物膜的形成和胞外多糖的产生分别减少89%和90%,同时可降低变形链球菌的产酸和耐酸能力;在动物实验中CaF2NPs处理组的大鼠龋齿量显著减少。

相比于传统含氟黏结剂,与CaF2NPs复合的黏结剂具有更持久和更高水平的氟离子释放能力,对依从性差的患者更友好。如Yi等[22]将CaF2NPs与传统黏结剂结合研制了一种可以长期高水平释放氟离子的正畸黏结剂,其氟离子释放量是传统树脂改良型玻璃离子(resin-modified glass ionomer, RMGI)的1.8倍。在口腔黏结剂中添加抗菌纳米颗粒可能会对黏结强度产生负面影响[23],但Al Tuma等[12]研究显示Transbond XT黏结剂在不同浓度CaF2NPs的作用下,剪切黏结强度、黏附残余指数和细胞毒性并未发生改变。除此之外,CaF2NPs与其他抗菌材料相结合还可增强材料的抗菌性,Yi等[9]首次将CaF2NPs和甲基丙烯酸二甲基氨十六烷(dimethylaminohexadecyl methacrylate,DMAHDM)与RMGI复合,开发了一种新的正畸黏结树脂;由于CaF2NPs能释放出游离的氟离子而实现远距离抗菌,相比于DMAHDM只能对所接触的部位抗菌的特点,两种抗菌剂的结合既扩大了黏结剂的抗菌范围,又增强了材料的抗菌性。

正畸矫治结束后,有学者在生物胶膜里添加CaF2NPs,以期促进牙齿表面再矿化,预防龋齿的发生[24],这种成膜的剂型可以很容易地在涂抹部位停留更长的时间且有利于向牙齿表面输送CaF2NPs,从而有效地对抗牙齿白斑、龋齿等问题,克服了牙膏或其他传统的口服给药中氟化物作用时间不足的问题。综上,将CaF2NPs引入正畸材料进行改性具有多方面的优势及应用潜能。

2.2 氟化钙纳米复合材料在牙周领域的研究

牙周组织由牙龈、牙周膜、牙槽骨及牙骨质组成,牙周疾病既可表现为牙龈炎症,也可表现为牙槽骨、牙周韧带、牙骨质及牙龈等多种牙周组织的损伤[25]。目前针对牙周病的治疗方法主要有基础治疗(如牙周刮治术,根面平整术等)和手术治疗两大类,这两种治疗方式虽能阻止牙周病的进展但不能使受损的牙周组织修复或者再生。因此,如何使受损的牙周组织获得良好的重建和再生一直是临床上牙周病治疗的热点和难点[26]。

氟和钙离子在促进牙齿再矿化,促进骨骼形成等方面发挥着重要作用。研究发现氟离子可以通过影响RANKL/OPG系统和指导BMP/Smads信号通路或抑制NFATc1基因表达而抑制破骨细胞活性来控制成骨细胞及骨吸收[27]。此外,有研究表明一种具有生物活性的CaF2基质集成纳米库可促进体内骨缺损的再生[28],具有定向CaF2纳米晶体的矿化胶原膜也可促进成骨细胞的增殖[29-30],这表明氟化钙纳米复合材料有促进牙槽骨、牙骨质等牙周组织的再生作用。Liu等[11]在CaF2NPs的生物相容性纳米复合材料研究中发现,当纳米复合材料中含有20%CaF2NPs时,牙周韧带干细胞的成骨基因被上调;此纳米复合材料抗弯曲强度、弹性模量和硬度均超过了以往商用同类材料;该氟化钙纳米复合材料有望作为根龋充填材料,通过释放氟和钙离子而增强牙周韧带干细胞的成骨和成牙骨质能力,并促进牙周组织再生。因此,氟化钙纳米复合材料的开发有望实现牙周组织再生治疗。

2.3 氟化钙纳米复合材料在牙体修复领域的研究

继发龋与修复体断裂是牙体修复中的常见问题,传统修复材料机械强度较弱,抗菌性不佳是导致上述问题的重要原因。将CaF2NPs引入修复材料中可以弥补传统材料的不足。Weir等发现在玻璃离子中加入CaF2NPs后所得到的复合材料抗折强度是RMGI的5倍,在两年后再次检测发现其抗折强度仍比RMGI强3倍以上;用扫描电镜观察,复合材料结构致密无裂痕出现[31]。另一项关于CaF2NPs和DMAHDM联合使用的研究显示,添加15%CaF2NPs + 3%DMAHDM的复合材料组的抗弯强度和弹性模量与未添加组的复合材料相近,但是添加组的复合材料具有更强的抗菌性,更有利于防止修复后继发龋的发生[32]。

牙科用CaF2NPs的制备方式目前没有统一的标准。以往研究多采用一步法(共沉淀法、微乳液法、水热处理、洗涤离心等)制备CaF2NPs,使用这些方法存在颗粒表面与溶剂之间相互作用的可能,进而导致纳米颗粒表面性质的改变和固有的高反应性的降低。相比之下,喷雾干燥技术则能更好地保持纳米颗粒原始的、高度活性的表面。Dai等[33]首次采用两步法(共沉淀+喷雾干燥)制备CaF2NPs,该方法制备的CaF2NPs尺寸范围为22 ～ 57 nm,比以往研究中制备的纳米颗粒尺寸小两个数量级;将其掺入玻璃离子后检测氟离子释放率,发现复合材料的氟离子累积释放率比商用材料氟离子释放率高65倍,长期观察氟离子累积释放率高77倍。该方法可为制备良好性能的牙科用CaF2NPs提供新的思路。

牙本质黏结修复过程中,黏结剂常因在脱矿牙本质 (demineralized dentin,DD) 基质中渗透不足而导致黏结强度下降。Xu等[34]在高度水合非胶原蛋白(noncollagenous protein,NCP)微环境表面通过快速原位诱导非晶态CaF2NPs的形成,将DD基质重构为一种新的多孔结构,显著促进了牙本质黏结剂在DD基质中的渗透,并赋予DD基质在水分蒸发时的抗塌陷能力,12个月的黏结强度约为对照组的2倍,该研究表明CaF2NPs的存在可以增强牙本质黏结修复的强度。同时,有多个研究[35-36]亦证实在牙本质黏结剂中添加CaF2NPs后可增强黏结剂的固化效果与黏结强度。除此之外,Al Hamdan等[37]发现,在实验黏结剂(experimental adhesive, EA)中加入5%的CaF2NPs可以提高桩核与牙本质的黏结强度。

口腔种植体的选择不仅涉及生物相容性,还涉及良好的稳定性。Ritwik等[38]在Ti6Al4V材料表面浸渍CaF2NPs涂层,通过力学性能评价、溶解行为和腐蚀行为以及生物相容性的研究发现CaF2NPs涂层的存在不仅有良好的生物相容性还能促进更快的骨整合并提高种植体的稳定性。CaF2NPs的生物相容性与钛合金优良的力学性能相结合,使其成为骨科及口腔种植材料的理想选择。

2.4 氟化钙纳米复合材料在口腔颌面外科领域的研究

口腔肿瘤成像在肿瘤早期诊断和治疗发挥着重要作用。CaF2NPs与镧系离子掺杂形成的复合材料可以在不同的成像技术(如NIR-Ⅱ荧光/光声/磁共振成像)中作为造影剂,实现1次注射即可应对不同诊断方法的可能[39]。这种氟化钙纳米复合材料因具有良好的荧光特性和生物相容性在肿瘤靶向造影方面有广泛的应用前景。如Sasidharan等用柠檬酸稳定的铕掺杂CaF2NPs作为口腔上皮癌细胞的靶向造影剂[40];也有学者将铕掺杂CaF2NPs用于骨肉瘤细胞的靶向造影以增强术后放疗的疗效[10]。此外,氟化钙纳米复合材料还能够作为放疗增敏剂,一种由掺杂铽和铕的CaF2核、介孔二氧化硅壳和聚乙二醇涂层组成的材料被研究发现可以促进X射线放射治疗期间活性氧的产生,进而增强放疗的敏感性以减少对正常组织的损害[41]。

除了用于肿瘤的生物成像和辅助放疗外,氟化钙纳米复合材料还可作为抗肿瘤药物的载体。Yin等[42]在CaF2:Yb,Er核表面形成了一个原始的CaF2壳,以增强上转换发光(up-conversion luminescence,UCL)的强度。将这些水溶性碱性离子掺杂的CaF2上转换纳米粒子(up-conversion nanoparticles,UCNPs)转移到亲水性UCNPs后,发现此材料不仅有助于成像,还能与阿霉素结合并表现出良好的肿瘤细胞杀伤能力,因此可作为靶向化疗药物用于肿瘤的治疗。将该种UCNPs系统与光动力疗法整合不仅具有靶向治疗、高效抗癌等优势,相比于传统的光动力疗法,UCNPs系统的介入还能够对更深层次的肿瘤进行治疗,并扩大治疗范围[43]。综上所述,氟化钙纳米复合材料在肿瘤生物领域的研究与应用可为口腔颌面部肿瘤的诊断及治疗提供新的方法和策略。

预防感染也是影响口腔颌面外科手术成功的关键因素之一。研究表明,镧系离子掺杂CaF2NPs并与生物蛋白联合可用于对白念珠菌进行标记与成像,实验结果显示该方法具有较高的特异性,并且具有较好的成像质量。该技术可应用于诊断白念珠菌感染,进而为患者术后感染的诊断及治疗提供依据和指导[44]。

2.5 氟化钙纳米复合材料在其他口腔领域的研究

感染是创口愈合的不利因素。Jeong等[45]研制了一种基于透明质酸的含CaF2NPs的复合水凝胶,研究显示该复合水凝胶表现出了良好的抗菌和促进创面愈合能力,该氟化钙纳米复合水凝胶有作为具有抗菌性能和加速创面愈合能力的先进水凝胶伤口敷料的巨大应用潜力,可为口腔颌面部创伤、创伤性溃疡等治疗提供新策略。

许多研究也将CaF2NPs引入到窝沟封闭剂中以赋予其抗菌性。Swetha等[46]往窝沟封闭剂中加入1%的ZnO与CaF2纳米颗粒混合物,发现添加纳米颗粒后的封闭剂力学性能无改变并获得了更强的抗致龋菌活性。Fei等[47]研制了一种添加5% DMAHDM和20% CaF2NPs的新型窝沟封闭剂,实验结果表明该封闭剂释氟量高于商业用的封闭剂,并具有更强的抗菌性。商用封闭剂作用下口腔生物膜pH值为4.7,易使牙釉质脱矿,而新型窝沟封闭剂可使生物膜pH值提高至6.8。这些氟化钙纳米复合材料弥补了传统封闭剂的抗菌性能的不足并有望预防窝沟封闭后边缘封闭不足等导致的龋齿产生。

3 总结与展望

综上,氟化钙纳米复合材料具有多种性能且在口腔医学领域有广阔的应用潜力。但在正畸、修复等领域目前的研究多集中于使用CaF2NPs对黏结剂、树脂、种植体表面等进行改性,而对于正畸弓丝、托槽、嵌体等材料表面改性的研究尚无报道。研究者们对复合材料各种性能于口内的持续性和稳定性的研究较少,研究也多局限于细胞和动物层面。此外,关于氟化钙纳米复合材料在口内使用寿命的研究较为缺乏。这些都是值得关注的研究方向。

纳米材料虽比表面积大并具有较好的理化性能,但在临床实际应用上仍然存在一定的安全问题。有研究发现口腔纳米材料可通过包括体表及黏膜接触、消化道吸收等多种途径进入血液中,并最终沉积于组织器官内,对人体造成如神经毒性,胚胎致畸等不良影响[48-49]。目前关于氟化钙纳米复合材料生物相容性的研究多局限于细胞实验层面,在临床实际应用中对人体的毒性仍需进一步地评估。如何制备出最适应口腔临床使用的CaF2NPs,CaF2NPs与其他材料如何混合及配比能有更好的性能仍是待解决的问题。这些不足及问题均有待于进一步的研究和探索,以期为拓宽氟化钙纳米复合材料在口腔医学领域的开发及应用提供更多的理论基础和研究支持。

所有作者声明不存在利益冲突