纳米生物活性玻璃在牙体硬组织再矿化作用中的研究进展

李佳晨，黄雨梦，李雨蕾，张梓玮，李恩光，伍廷芸

（荆楚理工学院医学部，湖北 荆门 448000）

牙体硬组织包括牙釉质、牙本质和牙骨质。在口腔所能看到的牙体部分为临床牙冠，牙冠最表面覆盖牙釉质，是人体高度矿化的组织。刷牙方式不当、口腔卫生不洁、饭后食物残留等因素会导致口腔菌群失调，致龋菌产酸，在酸性环境下，牙釉质可以溶解，即为脱矿，表现为牙面白垩色改变，即白垩斑，这不仅影响美观，且可能发展为龋齿，易发展为牙体缺损危害口腔健康［1-2］。临床上通常采用再矿化的方法来抑制牙体硬组织脱矿过程，牙体的硬组织主要成分是羟基磷灰石，脱矿过程中羟基磷灰石溶解，在人体的口腔唾液中存在一种能够防止钙沉淀的磷蛋白，并对磷灰石有亲和性，能促进磷钙与牙釉质结合，即再矿化［3］。生物活性玻璃较传统的口腔修复材料具有更良好的生物相容性，并且可以促进牙体硬组织再矿化过程。本文就纳米生物活性玻璃在牙体硬组织各部分的再矿化作用进行综述。

1 纳米生物活性玻璃的分子结构

CaO-SiO2-P2O5是组成生物活性玻璃的三元系统，同时，也有部分含有MgO、K2O、Al2O3、B2O3、TiO2等（图1）。玻璃之所以具有生物活性，是因为生物活性玻璃具有特殊的网络结构，玻璃网络通过非桥氧所连接的Na+、Ca2+等阳离子以网络外体的形式存在，使得网络结构的完整性遭到破坏，玻璃溶解性增加，加快了离子释放的速度，同时增强了玻璃的生物活性［4］。

图1 生物活性玻璃的结构示意图［3］

2 纳米生物活性玻璃的制备方法

2.1 溶胶-凝胶法以正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯和硝酸钙为原料，作为Si、P、Ca的前体，在催化剂作用下发生水解反应形成溶胶，最后在低于800 ℃的条件下干燥制成生物活性玻璃［5-6］。通过调节制备条件、溶液的补充比例等，可以控制纳米生物活性玻璃的化学成分、粒径、分子结构等［7］。

2.2 模板合成法其产生机理是首先把表面活性剂作为结构导向物和形态模板剂添加在反应系统中，随着溶液蒸发后的温度逐渐升高，由表面活性剂—无机分子所产生的自重组凝聚体的含量也相应增加，随后再经过热加工去掉形态模板，最后获得带有特定分子结构的纳米生物活性材料。余承忠等［8］首先通过形态模板法制得一种新型的纳米生物活性玻璃复合材料，与常规的材料比较，其介孔结构更为合理。若被醋酸等酸性物质催化，还能够使纳米颗粒表面的介孔高度有序［9］。

2.3 火焰喷雾法将已雾化的前体溶液冷凝合并，产生分子核，经过上千摄氏度的高温火焰加热，形成纳米粒子，进而可制备纳米生物活性玻璃［10］。

2.4 3D打印法近几年，利用计算机辅助设计/计算机辅助制造技术，能够对纳米生物反应玻璃的形态、孔径、孔隙率等进行精密控制［11］。

3 纳米生物活性玻璃与牙体硬组织的相互作用机制

生物活性玻璃与唾液接触后迅速发生反应，可以持续释放出Ca2+和PO43-，提高了周围溶液的pH值，且经过离子交换反应形成大量Si（OH）4、Si-OH基团缩聚，玻璃结构的Si-O-Si键断裂，可溶性硅溶出。生物活性玻璃与体液形成更多硅羟基，使pH值升高，形成弱碱性环境，在此环境下硅羟基聚合能形成带负电的富硅凝胶层，从而吸附Ca2+和PO43-沉积在硅凝胶层表面，形成磷酸钙层，磷酸钙晶化变为羟基磷灰石，这种成分与牙体硬组织的成分十分相似［12］。随着生物活性玻璃的降解，磷灰石相继形成，形成后可吸附周围环境中的蛋白分子，利于细胞黏附、增殖及分化后形成骨基质［5，13］。

4 纳米生物活性玻璃对牙体硬组织的再矿化作用研究

生物活性玻璃的主要成分是SiO2、CaO、P2O5等，当暴露于水介质中时，形成的羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP）可以沉积在组织和玻璃之间的界面上，说明生物活性玻璃脱矿的牙齿组织具有再矿化的潜力［14］。生物活性玻璃具有独特形态结构，可以提高细胞活性和生物矿化速率。随着生物活性玻璃矿化机制研究深入，生物活性玻璃在牙科修复领域的应用研究也逐渐增多［15］。

4.1 纳米生物活性玻璃的再矿化机制生物活性玻璃在修复中的主要优点是其与骨表面接触时具有高反应性。当材料与水溶液接触时，颗粒将变为介孔形状［16］迅速释放Ca2+、P5+，然后在骨表面形成，产生磷灰石样富集层（类似于骨骼或其他硬组织的成分），在此过程中通过释放Na+，与溶液中的H+进行化学反应，使局部pH值升高，从而达到抑制脱矿、加速再矿化的目的。来自生物活性玻璃和唾液中矿化剂的Ca2+、PO43-也可以增强矿化作用［17］。

4.2 纳米生物活性玻璃对牙釉质的再矿化作用釉质为覆盖在牙冠外层极坚硬的物质，成分主要为Ca3（PO4）2和CaCO3，能够承受咀嚼压力，保护牙体内部组织。牙釉质中96%是羟基磷灰石，HAP在口腔中与唾液、食物接触过程中处于矿化和再矿化的动态平衡状态［18］。细菌产酸、进食酸性食物等会使口腔内环境pH值降低，当pH值低于5.5时，牙釉质脱矿，进而促进釉质龋的形成［19］。而龋病作为一种儿童常见慢性病正影响着全球数百万6岁以下的儿童［20］。近年来研究发现，生物活性玻璃具有再矿化和广谱抗菌作用［21］。因此生物活性玻璃在防治龋病方面具有重要的临床应用价值。张芮等［22］研究表明，经生物活性玻璃处理后的釉质表面可以观察到大量呈片状分布的纳米微球覆盖在脱矿部位，提示生物活性玻璃具有吸附钙磷离子沉积的能力，即生物活性玻璃能促进牙釉质再矿化。方谦等［23］研究表明，生物活性玻璃溶液促进牙釉质再矿化的最佳浓度为6%。王首力等［24］选用6%的生物活性玻璃进行实验，结果显示，使用生物活性玻璃组的牙釉质表面的脱矿孔洞较少，且在牙釉质上的沉积物呈现分层的均匀分布，证明生物活性玻璃有利于矿物质沉积，能够促进再矿化。

4.3 纳米生物活性玻璃对牙本质的再矿化作用牙本质过敏是口腔临床的一种常见疾病，临床表现为受到外界刺激时，裸露的牙本质会产生短暂的锐痛。目前发病机制尚不明确，最为广泛接受的是Brannstrom提出的流体动力理论［25］。

纳米生物活性玻璃具有特殊的结构和组分，因此拥有形成矿物质的潜能，即在牙本质表面发生再矿化作用。封闭暴露的牙本质小管，可起到缓解或消除牙本质过敏的症状［26］。一般情况下，口腔环境中与牙齿硬质组织中的钙磷离子含量处于动态平衡，当唾液中的钙磷离子达到过饱和时，容易形成结晶，当结晶沉积在硬质组织表面就会发生再矿化［27］。BioMinF粉末和奥敏清粉末均为45S5型生物活性玻璃，BioMinF可以缓慢释放F-、Ca2+、PO43-，可有效改善牙齿脱矿、促进牙体硬组织再矿化［28］。奥敏清是一种不含氟的45S5型生物活性玻璃，能在唾液环境下发生迅速而持久的化学反应，释放Ca2+、PO43-等，最终产生HAP层，使牙本质实现再矿化［28］。

岳阳丽等［29］研究显示，BioMinF和奥敏清都能促进牙本质再矿化。黄贤圣等［30］研究表明，生物活性玻璃组在完全脱矿后，矿化晶体层在牙本质表面形成，完全地封闭了暴露的牙本质小管。以上结果均表明，生物活性玻璃能促进牙本质再矿化，并能在牙本质表面形成与牙本质结构相似的矿物质沉积层，对预防和治疗牙本质过敏具有重大意义。

4.4 纳米生物活性玻璃对牙骨质的再矿化作用高鹏等［31］研究表明，经生物活性玻璃处理后的牙骨质表面粗糙度降低，凹坑减少或消失，即表面形成了矿物质沉积层。由此可知生物活性玻璃能够促进牙骨质的再矿化作用。孙旸等［32］研究显示，增加氟化钠+生物活性玻璃涂漆后牙骨质表面粗糙度明显比未涂漆时低，矿物质浓度比涂漆前高。由此可以证实生物活性玻璃通过使矿物质沉积在牙骨质表面而促进再矿化。

5 小结与展望

近年来纳米生物活性玻璃因其良好的生物相容性被广泛应用于口腔医学众多领域，在未来也具有广阔的应用前景，它不仅能够促进牙体硬组织的再矿化，且具有广谱抗菌作用，有利于提升口腔种植体留存率及植入效果，相比传统氟制剂的再矿化效能更高。生物活性玻璃更健康、安全，可以在6岁以下儿童口腔内使用。生物活性玻璃的成分复杂多变，加入不同物质如各种功能离子、药物及人造聚合物可导致其性能各不相同。但目前生物活性玻璃的成分及制备没有统一标准，如何调整材料成分、比例、添加物质才能使其在口腔环境中达到令人满意的效果，仍需深入探究。此外，材料在体内不同酸碱环境下的适应性及使用效果也需进一步探索。