牙科微纳塑料概念的提出

衣颖杰 吴国锋

微塑料(microplastics,MPs)与微纳塑料[micro(nano)plastics,MNPs]概念的提出始于《Science》杂志上一篇(2004 年)[1]关于海洋塑料碎片垃圾的报道,近十年来相关研究持续升温尤其是与人体健康效应关系的论文发表量迅增[2]。2021 年《Science》杂志刊文(“Microplastics and human health”)[3]指出现阶段对于人体内微纳塑料暴露的认识仍处于初始阶段(原文为“…Notably,internal exposure measurements of plastic particles in human body fluids and tissues are still in their infancy.… ”),呼吁全球关注这一问题。2022年国内外不同研究团队连续报道了分别在人体血液、乳汁甚至胎盘、血栓等[4-5]中均检出了微纳塑料颗粒,更加引发了国际上对微纳塑料危害人体健康安全的担忧。微纳塑料污染已被联合国环境大会列为全球重大环境治理问题[6]。

迄今为止国内尚未有牙科微纳塑料概念的提出,同时该类微纳塑料与人体健康效应研究也基本空白。值得指出的是,高分子材料在临床上应用极其广泛,例如牙科复合树脂、粘接剂、基托树脂和人工树脂牙等。有文献报道[7]2015 年全球约有8亿颗牙齿进行了牙科复合树脂充填治疗,如假设每个牙科充填体的平均重量为0.3 g,可估算出当年多达约240 吨牙科塑料被放置于患者口腔内长期使用。世界卫生组织(WHO)2022 年也新报道了全球约有25亿人有龋齿需要治疗[8]。但是,牙科复合树脂掺杂了无机填料、引发系统、阻聚剂和颜料等复杂成分[9],在口腔环境下会受咬合应力作用磨损生成微纳塑料颗粒暴露于人体内,但具体机理不明。因此,该文提出牙科微纳塑料的概念并简要介绍了其人体暴露途径、采样分析方法及对人体健康效应的可能影响,希望以此引发对牙科微纳塑料的重视,推动其与人体健康效应的研究工作。

1 微纳塑料的概念

MPs最初定义是指直径小于5 mm的塑料碎屑[10],2004 年英国学者Thompson[1]最早提出MPs概念时仅用于描述海水中塑料污染问题,后来随着研究技术的发展和研究程度的深入,学者们发现尺寸更小的亚微米塑料(100 nm～1 μm) 和纳米塑料(1～100 nm)的数量更多、与人体健康关系更为密切,故在此基础上学者开始逐渐使用更为准确的MNPs概念[2,11-12]。大量科学研究证实了MNPs在全球水体、陆地和大气生态系统中广泛存在[13],并可由食物链上的动植物摄食和迁移,致使包括人类在内的上千种物种活体中均检出MNPs[3],由此引发全球对于MNPs生物健康安全的高度关注,有学者形容MNPs既是危害地球环境的“微形杀手”,更是危害生物安全的“慢性杀手”[14-15]。

世界自然保护联盟(IUCN)按来源又将MNPs分成初生微纳塑料(primary MNPs)和次生微纳塑料(secondary MNPs)[16],前者是由工业化生产直接而来的塑料制品(例如生活中洗面奶、牙膏等个人护理用品中常添加的纳米级塑料微珠[17-18]),后者则是由大的塑料成品(例如饮料瓶或一次性餐盒)在各种因素作用下产生的污染物。MNPs粒径小(常为微米或亚微米级)、形态多样(颗粒、碎片、纤维等)、生物可降解性低,可作为多种病原体、金属、抗生素和有毒化学物质的载体[14],许多研究证据已证明MNPs积累于生物体内时会造成肠道菌群紊乱、基因表达失调、免疫毒性及生殖缺陷等健康问题[3,19-20]。目前关于MNPs对人体健康的系统影响尚不清楚,迫切需要尽快系统开展关于MNPs在人体内的暴露机理、迁移规律和人体健康效应的研究。

2 牙科微纳塑料的概念

在制作过程中或口腔内使用过程中产生的微米、亚微米及纳米尺度的高分子材料颗粒[7]。牙科微纳塑料既可能是在治疗过程中产生(例如医师调磨义齿等)、也会在患者接受治疗之后长期逐渐产生(例如进食导致材料磨损等),影响人群包括口腔医护技人员和接受治疗的患者。

牙科微纳塑料主要表现为次生MNPs,临床概括起来主要有“四种类型”牙科高分子材料产生MNPs:A:牙科复合树脂(用于牙体缺损直接充填修复);B:成品人工树脂牙/义齿基托树脂(用于活动/全口义齿修复);C:窝沟封闭材料(用于年轻恒牙防龋保护);D:牙科粘接材料(用于固定义齿、正畸托槽等固定)。前两类材料临床用量最大,不同类型高分子材料的质含量(如A类约为20%～40%,B类高达80%以上)、理化性能(强度、硬度、耐磨损性能等)差异显著[9],会直接影响牙科MNPs颗粒的暴露水平(大小、速度、数量)和体内迁移。

牙科MNPs通过“三个途径”进入人体内(经口、经鼻、经皮肤/粘膜)(图1),其中经口腔进入消化系统是其主要暴露途径。口腔环境下食物、唾液、共生菌群、咬合应力等多因素长时间(数年甚至十余年[21])作用于牙科高分子材料,使其以磨损脱落和浸泡释放“两种方式”暴露生成大量牙科MNPs,临床上当存在病理性咬合行为(例如夜磨牙)可能会加速牙科材料磨损产生更多MNPs。目前尚缺乏专门研究解答下面科学问题:不同牙科材料来源的MNPs在人体内的暴露行为有无不同、剂量多少、形态如何、迁移至口腔甚至经吞咽后会不会影响唾液/肠道菌群平衡等。

图1 牙科微纳塑料的3 种暴露途径

3 微纳塑料的采样分析方法

现有文献中报道了许多从环境水体、土壤和大气中采集MNPs样本的有效方法[22],却不适用于人体内牙科MNPs的医学研究。咬合磨损行为是导致牙科MNPs释放的特殊方式,因此需要真实模拟人咬合磨损过程才能准确获取牙科MNPs样本。以往文献中牙科高分子材料摩擦学研究使用到的机械模拟装置(如刷牙模拟装置[23]、二体磨损实验机[24]、三体磨损实验机[25])源自工业化标准设计产品,并不能真实复现口腔内咬合磨损行为。

牙科MNPs样本分析研究需要准确获取粒径尺寸、微观形貌以及聚合物类型三方面关键信息,目前主要采用体外分析方法进行(如目视分析法、红外光谱、和热裂解分析法等[22])。目视分析法一般用于观察毫米级微纳塑料的形态大小,激光直接红外成像技术(LDIR)可以对20 μm粒径以上的微纳塑料聚合物类型和丰度进行无创快速测量,有学者使用了光学光热红外(O-PTIR)显微光谱成像技术成功建立了微纳塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法[12],而对于更小粒径的MNPs则只能通过热裂解分析法(缺点是需要破坏样本)检测。作者在前期研究中利用LDIR技术观察到临床佩戴夜磨牙树脂牙合板志愿者的唾液中的确存在MMA/PMMA牙科MNPs,约75%的样本粒径范围集中在20～100 μm(图2)。目前微纳塑料的活体内迁移和健康效应研究刚刚起步,尚缺乏可靠方法对MNPs进行标记示踪。

图2 本佩戴夜磨牙树脂板志愿者唾液中的微纳塑料粒径分布情况

4 牙科微纳塑料与人体健康效应

4.1 “内释外附”双重效应

现有研究表明牙科高分子材料临床上虽经固化处理但内部仍含有害添加剂(例如双酚A,BPA)及未聚合单体(约为30%～50%)[26],当其受到咬合应力作用时表层材料不断被磨除,内部的有害物质会不断被暴露并进入口腔环境[27]。作者课题组前期工作已证实牙科粘接材料会浸泡释放出未聚合单体,且对人牙周成纤维细胞具有显著细胞毒性[28],BPA等也被证明具有内分泌干扰作用和其他毒性[29]。

前期研究中作者也观察到牙科MNPs大小为微米级甚至亚微米级,因此其比表面积大且系疏水性表面,具备较强从周围环境中吸附有害物质(微生物炎性介质、重金属等)的能力。最近文献报道也观察到MNPs为微生物提供了附着的内核和生态位现象,使得微生物在其表面生长定殖形成生物膜,并将这种新的人造生态系统称之为塑料圈(Plastisphere)[30]。国内外许多文献早已报道了海洋塑料圈中微生物群落(细菌、真菌、病毒和藻类等)的富集和演替现象[31],探索了微生物群落内部的交互作用、代谢能力以及微生物群落如何影响周围环境,但是来源自牙科高分子材料的MNPs是否存在塑料圈以及其表面形貌等尚不清楚。

口腔材料的生物安全性是保证材料临床应用安全性的重要保障之一[27]。关于其生物安全性的评价在国际标准化组织(International:Standard Organization,ISO)颁布的标准、国家颁布的标准(GB)、医药行业颁布的标准(YY)等中均有关于全身毒性试验等的评价方式,如实验动物口服、静脉输入等方式,关于微纳塑料产物的生物安全性和人体健康效应亦可借鉴相关标准评价方式,对目前已广泛应用的口腔高分子材料进行微纳塑料的安全性验证,并推动完善未来高分子材料研发与评价方式。

4.2 微纳塑料体内迁移路径

经口腔进入消化系统是人体接触微纳塑料最重要的途径。2017 年之前学者们就关注到MNPs在生态食物链中存在迁移传递现象(如“水体→贝类→鱼类→人类→水体”、“土壤→植物→动物→人类→土壤”等)[2,15],指出人类位于食物链顶端存在较高风险体内摄入环境中的MNPs。Oluniyi等[32]观察到塑料饮料瓶和外卖餐盒等会释放出MNPs进入人体内迁移,并估算出全球每年至少约有188 吨源自食品塑料容器的MNPs进入人体内或排放到环境中。近三年来更多研究报道了周围环境来源的MNPs在人体体内迁移排出的结果(即粪便中MNPs检出情况),例如南京大学环境学院Zhang[20]在人粪便中检出15 种类型的MNPs,其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(22.3%～34.0%)和聚酰胺(8.9%～12.4%)占比较高,形貌类型为片状和纤维状。MNPs还可能迁移至人循环系统中,2022年荷兰学者首次证实在人类血液中发现了微纳塑料[4],Wu等[5]在人活体血栓中检出了MNPs颗粒并怀疑其与血栓形成有关。因而,人们越来越高度关注MNPs在人体内的迁移路径和转归行为。

与环境来源的普通塑料不同之处在于,牙科高分子材料在人体口腔内长期存在(数年甚至十余年)、用量较大(例如活动义齿重达约十余克),并受咬合磨损作用下不间断磨损释出MNPs。口腔作为牙科MNPs进入人体的原发现场,颗粒有可能通过唾液迁移至牙齿和牙龈表面甚至长期存在,也会经吞咽远处迁移至人体胃肠。牙科塑料的主要成分多为聚甲基丙烯酸树脂(PMMA),但在Zhang的研究中报道中正常人粪便中检出极少(含量仅位列全部15 种MNPs中的第11位)。本课题组预实验中发现在长期佩戴活动义齿患者口内余留天然牙牙石中检测出了高含量的PMMA成分(图3),首次提供了牙科MNPs在口腔内长期存在的证据,至于其进入胃肠道后如何迁移、是否全部或部分被排泄出尚待后续研究。

图3 长期佩戴活动义齿患者天然牙牙石的微纳塑料相对丰度

综上所述,微纳塑料污染问题已成为全球关注的健康问题和环境问题,口腔医学领域的牙科微纳塑料污染问题应值得同行高度关注。牙科领域塑料材料的应用十分广泛,患者在接受治疗后长期使用牙科高分子材料有可能持续摄入牙科微纳塑料,而目前对于牙科微纳塑料的问题尚缺乏系统性研究,例如对于牙科微纳塑料发生机制的模拟、牙科微纳塑料进入人体的机制以及其口腔疾病、全身系统疾病是否存在关联等等亟待深入探索研究。