陈 诺,卫 彦

近年来生物材料的创新及临床应用已成为医学材料领域高精尖前沿研究阵地,其与人体细胞、组织和器官发生作用以达到诊断、修复或治疗的作用,以及材料的性能评价都是医学材料的重点研究范畴[1-3]。在口腔医学领域,生物材料已被用于牙本质敏感症的治疗[4-5]、牙体组织防龋抗菌[6]、牙周用药治疗[7]、牙髓组织再生[8]等热点问题。而牙本质敏感症作为临床上常见的口腔疾病,我国的患病率为33.5%～40.7%[9-10],表现为暴露的牙本质对外界刺激,如冷热、机械力、吹气等产生的短而尖锐的疼痛,严重影响患者日常生活,且致病机制仍存争议,导致传统治疗效果难以令人满意[11-13]。近来,生物材料在牙本质敏感症的治疗研究中成为创新重点,获得较好的效果,学者们也提出了牙本质敏感症的离子电流传导致病机制,并开发新型电荷材料[14],极大推进了生物材料在口腔疾病治疗中的应用研究。

1 直接堵塞牙本质小管的矿化材料

1.1 草酸盐

草酸盐能够在牙本质表面及牙本质小管内形成草酸钙晶体沉淀,起到缓解牙本质敏感症的作用[15]。与氯化钙联合使用时,这种作用会增强[16]。研究表明,草酸盐治疗后牙本质小管内的流体流动减少,从而减轻疼痛感觉[15,17-20]。另一项研究表明,草酸盐通过在牙本质小管内形成沉淀物来阻断牙本质液的流动[21]。然而,关于草酸盐治疗牙本质敏感的有效性还需系统评价验证。

1.2 纳米羟基磷灰石

羟基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)是人牙齿硬组织及骨组织的主要无机成分,目前作为生物材料被广泛使用[22]。而纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HAP)在诱导细胞的自然反应和矿化过程中表现出优异的生物活性,克服了传统的羟基磷灰石难塑形、脆性大、降解慢等缺点[23]。n-HAP自身的粒径特点能使其更易进入牙本质小管内部并沉积,机械性阻塞小管从而隔绝外界刺激[24]。Chiang等[25]、Lee等[26]的研究表明,脱敏剂中加入n-HAP能够取得较好的疗效,也有研究者将n-HAP与多肽E8DS、二氧化硅生物复合材料和功能树状大分子材料相结合使用[24,27]。这些研究表明n-HAP通过表面再矿化,在牙本质表面形成仿生磷灰石涂层,具有抗降解的性能,对牙本质小管的封闭效果较好。

1.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃(bioactive glasses,BGs)通常定义为能与活体组织结合或诱导新组织生长的非晶陶瓷。自20世纪60年代以来,其已被开发出不同的用途,如骨组织再生、耳疾病的治疗及胃肠道的干预等[28-29]。近年来,BGs被引入用于治疗牙本质敏感。P2O5-Na2O-CaO-SiO2能够释放出钠、钙和磷酸根离子,在唾液中能够发生离子反应置换出水中的氢离子以提高pH值并为再矿化创造理想的环境[30-31],形成羟基磷灰石涂层,但形成的矿化涂层本身强度低。Jung等[32]研究了生物活性玻璃纳米颗粒涂层介孔二氧化硅纳米颗粒(BGN@MSNs)。介孔二氧化硅纳米粒子(mesoporous silica nanoparticles, MSNs)是一种直径为50～300 nm、具有2～6 nm螺旋状的多孔粒子,由于其结构稳定、表面积大、吸附力强以及热和化学稳定性良好[33-34],能够减少酸刺激后的牙本质小管的重新开放。考虑到MSN的大表面积和高BGN的生物活性[35]。BGs介孔结构和纳米颗粒尺寸的变化增加了键合性能[36-37]。因此,预计粒径和表面积越小,牙本质小管闭塞和再矿化就会增强。

1.4 生物活性玻璃陶瓷

BGs的最大缺点是机械强度及断裂韧性不足。Kokubo等[38]通过热处理MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃制出了高强度的生物玻璃陶瓷,它们可以是完全结晶或含大量残留的玻璃相,也可以由一个以上的结晶相组成。Peitl等[39]发现对P2O5-Na2O-CaO-SiO2体系的玻璃陶瓷与母体玻璃相比,玻璃陶瓷表现出更强的机械性能,而另一重要特征是可改进玻璃陶瓷微结构以增强其断裂韧性,例如由针状硅灰石晶体增强的磷灰石基质组成[40]。生物硅酸盐是P2O5-Na2O-CaO-SiO2体系的一组完全结晶的玻璃陶瓷的特定组成的名称,并添加了Li2O和K2O,兼具较高的机械性能与生物活性。研究表明微米级生物活性玻璃陶瓷(生物硅酸盐)颗粒能够在开放的牙本质小管中诱导HCA沉积[41](图1),有临床研究证明了生物硅酸盐治疗牙本质敏感的有效性、即时性和持久性[42],这表明该材料可以为治疗牙本质敏感症提供新的选择。

图1 直接堵塞牙本质小管的矿化材料

2 引导矿化堵塞牙本质小管的大分子材料

2.1 氟化物

氟化物具有较好的防龋效果,容易被牙齿硬组织吸收。氟离子能够渗透并吸附至牙本质小管的内壁上与其中的钙盐相结合,形成不溶性的氯化钙、氟磷灰石等化合物,从而形成物理屏障[43-44],缩小小管直径,封闭牙本质小管。氟化物的单一应用效果较差,如氟化钠与小管中的钙盐相结合,形成微小尺寸的氯化钙晶体,易溶于唾液[45]。因继发性牙本质的形成需要的时间较长,所以需要较长的时间才能起到临床效果,且外界因素对其影响较大,难以起到长时间封闭牙本质小管的作用。氟化物可与其他具有牙本质小管封闭作用的材料组合,例如金属离子、二氧化硅、硝酸盐以及草酸盐,可以改进封闭效果[46-47]。而含氟化亚锡的牙膏虽在脱敏治疗中显示出较好的效果,但其显著的缺点是导致牙齿变色[48]。

2.2 精氨酸

精氨酸在口腔内主要分布在唾液中,是一种天然氨基酸。研究发现其能够参与细菌代谢产生氨,提高并稳定环境pH,对防龋有着积极作用[49-50]。并且因其表面带有正电荷基团,能够与负电荷的牙本质小管内壁、牙本质表面相结合来提高pH值,促进钙和磷离子在牙齿表面沉积,封闭牙本质小管(图2),以达到缓解牙本质敏感症状的效果[51-52]。国内外的临床研究表明,与含钾或含氟的牙膏相比较,含精氨酸的牙膏脱敏效果更好[53-55]。

图2 引导矿化堵塞牙本质小管的大分子材料

2.3 聚乙二醇化溶菌酶

溶菌酶(lysozyme)可以在二硫键还原剂(tris(2-carboxyethyl)phosphione hydrochloride,TCEP)作用下发生快速淀粉样转变[56],而亲水性的聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)分子共价接枝到溶菌酶分子上(lyso-PEG),抑制解折叠溶菌酶之间的疏水作用力,得到富含lyso-PEG淀粉样寡聚体的乳液体系[57]。蛋白质基底赋予涂层丰富的电荷从而使涂层抗污染性能进一步提升,除了PEG分子外,蛋白质分子上大量的氨基羧基可以螯合钙离子从而为牙本质再矿化提供了成核位点,进入小管形成涂层并封闭牙本质小管[58]。

2.4 聚氨基胺树枝状聚合物

树枝状聚合物是一种具有从核心分子开始反复扩散的分枝状单位结构的大分子。三维空间中,它的结构接近球形,分子核心具有相对较低的密度,离核心越远,分支的密度越高,表面具有大量的终端功能组,可引入各种官能团[59-61]。氨基胺树枝状聚合物(poly(amidoamine),PAMAM)因其优秀的二级结构在生物矿化领域得到应用,在牙本质表面,PAMAM因其呈现液态及表面带有大量正电荷能够吸附并进入牙本质小管,诱导羟基磷灰石原位成核、结晶促进矿化,以达到封闭牙本质小管,治疗牙本质敏感症的作用[62-64]。

3 高分子/矿化物复合堵塞牙本质小管的材料

3.1 酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙

非晶态磷酸钙(amorphous calcium phosphate,ACP)是矿化中非经典结晶途径中的前驱体,本身不稳定[61]。而酪蛋白磷酸肽(casein phosphopeptides,CPP)是由牛奶蛋白酪蛋白经胰蛋白酶消化而来。CPP含有-Pse-Pse-gl-glu-序列,其中Pse是磷酸基残基,可以稳定水溶液中的钙和磷酸盐离子,并使这些必需的营养物质具有生物可利用性[65]。因此在碱性条件下,磷酸钙以碱性无定形相与CPP络合存在,称为酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙(casein phospho-peptides-amorphous calciumphosphate,CPP-ACP)。且CPP-ACP具有液态性质能够吸附在牙本质的胶原表面,诱导牙本质的仿生矿化来关闭开放的牙本质小管[66-67]。

3.2 精氨酸和碳酸钙

表面带正电荷的精氨酸与碳酸钙结合后,在带负电荷的牙本质表面及小管内部沉积,矿化形成涂层以达到关闭牙本质小管的作用,此技术称为ProArgin技术[68]。许多临床研究表明,含精氨酸和碳酸钙的牙膏具有脱敏效果,8%精氨酸和碳酸钙的牙膏较其他类型的脱敏牙膏,具有更好的脱敏效果[69-71](图3)。

图3 高分子/矿化物复合堵塞牙本质小管的材料

4 降低神经敏感性材料

4.1 钾盐材料

含钾离子的材料包括硝酸钾、氯化钾、草酸钾、柠檬酸钾等钾盐,一般应用于牙膏中[72-73]。有学者认为硝酸钾能够提高神经纤维周围外钾浓度使其去极化并阻止其重新极化来阻止刺激通过神经通路,而同时钾盐能阻塞牙本质小管[74-75]。Jalalian等[76]的临床研究表明硝酸钾能够缓解全冠预备后产生的牙本质敏感症状。钾盐可与草酸盐结合形成草酸钾,可以在牙本质表面及牙本质小管内生成晶体沉淀,封闭开放的牙本质小管(图4),并缓解牙本质敏感症。

图4 降低神经敏感性材料

4.2 钾盐合并治疗

氟化物和硝酸钾联合使用能够通过氟化物在小管内产生沉积并且钾离子干扰牙髓神经冲动的传导来缓解牙齿敏感症的症状[77],但临床效果还需进一步研究证明。

极固宁为临床常用的盐类脱敏剂,所含的碳酸钾、磷酸钾、氟化钙、氟化锶、苯甲酸钠和羟苯甲酯混合之后,涂布在牙本质表面上,可以形成不溶的钙盐、锶盐和钾盐,达到堵塞牙本质小管以及降低神经纤维兴奋性的效果[78-80]。

二甲基异山梨酯(DMI)和硝酸钾(KNO3)联合使用比KNO3单独使用更有效。KNO3/DMI协同工作,能够更有效、更持久地治疗牙本质敏感[81]。

5 蛋白质变性堵塞牙本质小管材料

戊二醛能与牙本质小管中的内容蛋白产生作用使其沉淀,从而封闭牙本质小管,达到脱敏的作用。如Gluma脱敏剂是亲水性甲基丙烯酸-β羟乙基酯(HEMA)和戊二醛组成[82]。HEMA可溶于牙本质小管液,协助戊二醛进入牙本质小管,降低小管的通透性[83](图5)。但在测试条件下,它仍具有细胞毒性。目前,少有研究评估戊二醛脱敏剂对细胞培养的生物相容性。稀释或施加在厚度为1.0 mm的牙本质盘表面上,也能够杀死哺乳动物细胞[84]。但不能否定Gluma脱敏剂在牙本质敏感治疗上的效果,许多临床研究均表明其脱敏效果较好[85-86]。

图5 蛋白质变性堵塞牙本质小管材料

6 电荷材料

邓旭亮研究团队发现牙本质敏感症是由于外界刺激引发牙本质小管内阳离子定向运输产生阳离子电流,从而激发牙髓神经产生动作电位引起疼痛症状[15]。在牙本质小管内,成牙本质细胞突起伸入牙本质小管,与牙本质小管壁形成环形不对称限域管道,神经纤维穿行在其中。牙本质小管壁附有糖胺聚糖,管道内富含有Ⅰ型胶原蛋白以及纤连蛋白组成的蛋白质纤维网络结构。通过免疫荧光、开尔文探针力显微镜等方法证明牙本质小管内部呈现出不对称的带电环境,且负电势由小管远髓端向近髓端递增。由于这一表面负电势管道近心端孔径仅约12 nm,接近双电层厚度,导致管内溶液发生电离,由于极性作用,管壁表面负电荷选择性促进阳离子通过而抑制阴离子通过,即产生离子整流效应。冷热酸甜等外界刺激可以通过影响离子流速、离子扩散系数、离子浓度梯度等参数引发管内阳离子的定向移动,从而将刺激转换成电流,高效传递感觉信号刺激牙髓神经产生动作电位,引起敏感的疼痛症状。

聚季铵盐-10(polyquaternium-10,PQ-10)是具有优越水溶性和吸附能力的阳离子纤维素聚合物。通过扫描电镜的体外观察,聚阳离子材料——PQ-10水凝胶能够在1 min内达到较好的牙本质小管封闭率。通过激光共聚焦显微镜观察,PQ-10水凝胶因其富含阳离子使其能够在短时间内迅速渗入并吸附在呈现负电势的牙本质小管内部,改变带电环境(图6)。通过离体牙的牙本质敏感模型电化学实验证明,PQ-10水凝胶治疗后,外界刺激引发的离子电流值较治疗前有了明显下降。活体动物的牙本质敏感模型电化学及电生理实验证明,PQ-10水凝胶治疗后,外界引发的离子电流值及神经动作电位较治疗前同样明显下降。以上证明PQ-10水凝胶治疗后能够减弱外界刺激引发的管内阳离子电流,从而达到减轻和缓解牙本质敏感的疼痛症状。前期临床试验证明,聚阳离子材料的即刻治疗有效率达90%以上,并且具有较长时间的疗效维持。在生物安全性方面,PQ-10水凝胶的口腔黏膜刺激实验证明,肉眼观察及组织病理分析实验动物的颊囊没有发生红斑、上皮完好、无血管充血及水肿等。体外细胞增殖和毒性分析实验证明,PQ-10水凝胶材料并不影响人牙龈成纤维细胞的生长,表现出良好的生物安全性能。聚阳离子材料具有生物安全性高,疗效持续时间长、操作简便等特点,有望为临床上治疗牙本质敏感症提供新思路和新技术。

图6 电荷材料

7 展 望

虽然生物材料在牙本质敏感症的治疗中能够获得初步的疗效和认可,但不可忽视的是,其起效速度、疗效长期维持、生物相容性、生物安全性以及抗菌等性能仍需长期验证及优化。牙本质敏感症作为临床上常见的口腔疾病,目前大部分治疗所用的生物材料是通过再矿化和矿物沉积来封闭牙本质小管,仍具有局限性。但流体力学尚未完全阐明牙本质敏感机制,而根据离子电流传导学说所研发的电荷材料,具有生物安全性强、起效快,维持时间长等特点,在未来的治疗中极具开发和应用价值。

生物材料在口腔医学领域,因其优秀的生物相容性和使用便捷、经济、有效等优点,必定是各类口腔疾病治疗的研究和开发重点。目前仍需要有更详细的生物材料性能评价指标和更长时间的临床试验来验证其效果,而在将来的研究中,应进一步探索生物材料的作用持久性、智能化使用、细胞及分子生物学水平上的性能评价等问题。相信在多学科的协同发力下,理想的口腔生物材料将会在不久的将来应用在各类口腔疾病的治疗当中。