生物陶瓷仿生矿化牙釉质研究进展_王羽.pdf

第 卷 第 期 年 月 成都大学学报（自然科学版）（）文章编号：（）：收稿日期：基金项目：成都市科技局技术创新研发项目（）；成都市卫健委医学科研项目（）作者简介：王 羽（），男，硕士研究生，从事生物活性材料应用研究：通信作者：董志红（），女，博士，教授，从事生物活性陶瓷材料用于组织修复的应用研究：生物陶瓷仿生矿化牙釉质研究进展王 羽，董志红，李佳瑶，程丽佳，唐 璐，宋巧钰（成都大学 机械工程学院，四川 成都；成都大学 基础医学院，四川 成都；成都大学 附属医院，四川 成都）摘 要：牙齿脱矿及时修复，可避免龋齿的发生，尤其是儿童牙齿矿化不全，更容易导致脱矿而引起龋齿 生物医用活性陶瓷具有较好的生物活性和生物诱导性，可促进组织的矿化 通过钙磷基和钙硅基生物活性陶瓷探讨对牙釉质脱矿后的仿生矿化效果，对比其矿化机制进行阐述 该类生物活性陶瓷具有较好的生物学性能，在口腔及骨修复中发展前景较好，是临床上硬组织修复的首选材料之一关键词：生物陶瓷；仿生矿化；牙釉质；研究进展中图分类号：；文献标志码：引 言 成熟的牙釉质是脊椎动物体内最坚硬的生物陶瓷，覆盖并保护牙本质 牙釉质内没有细胞，只含有微量的有机物，因此是不可再生的 牙釉质组成成分主要是 的纳米棒状羟基磷灰石（）晶体、的水和不到 的有机大分子，以及一些微量有机元素，如、和 等 这些大分子大多集中在棒状 的外围 牙釉质生物矿化是由有机底物与无机晶体在遗传程序细胞的调控下进行的，牙釉质的基本组成单元是釉质蛋白和非釉质蛋白，釉质蛋白的作用为调控矿物的成核和生长，以得到具有优异力学性能的牙釉质 研究发现，牙釉质表面的棒状 具有特殊晶型，决定着牙釉质的硬度和韧性，该晶型的晶体在 轴方向生长，相互紧密结合在一起，形成了致密的牙釉质棱柱 日常生活中，酸性物质与其他物理损伤都会导致牙釉质脱矿受损，引起牙齿创伤和牙釉质磨损等，导致牙本质过敏、牙痛和牙髓感染甚至龋齿目前用于修复龋齿的材料主要是惰性陶瓷材料和复合树脂材料 惰性陶瓷材料中，氧化锆类材料被广泛应用于牙齿修复，主要用于治疗牙体断裂和缺损 这类材料的优点在于不仅能够使受损牙齿更加美观，而且还能与牙体相容，具有良好的生物相容性；缺点在于造价过于昂贵，使用寿命不长，与牙体组织的黏接作用不强，甚至会脱落 复合树脂材料也被广泛应用于牙齿修复，适用于修复因龋齿而形成的各类龋洞及缺损的牙体 复合树脂材料具备良好的美学特性，强度硬度较高，但复合树脂材料的成分主要是有机物，与人体牙齿相比，在力学性能方面存在较大差异，并且在长期的使用过程中，修复体容易因为聚合而收缩，直接导致与牙体尺寸不和，导致修复体脱落、溶液渗漏与二次龋齿等问题 因此，复合树脂材料使用寿命短，从而限制了其在临床中的应用目前的牙齿修复材料的研究方向主要是运用仿生矿化技术诱导牙釉质和牙本质自主修复，治疗牙体损伤 其中，钙磷基和钙硅基陶瓷材料是研究热点 常用的钙磷基材料包括、磷酸三钙（）与酪蛋白磷酸多肽无定型磷酸钙（）等；钙硅基材料包括硅酸钙（，）与纳米生物活性玻璃（）等 研究表明，这些陶瓷材料都具备诱导牙体组织进行仿生矿化的能力 本文就近年来用于治疗牙体创伤与修复牙龋病等牙科问题的生物陶瓷材料进行归纳总结，并探究各种材料的作用机制 钙磷基材料目前，钙磷基材料中应用于牙釉质矿化的主要包括、与 等化合物 由于具有优异的生物相容性、骨诱导性和降解性，并且与牙釉质的无机成分相似，成为了口腔治疗最为理想的材料 但人工合成的 晶格参数和牙釉质中的无机成分有一定的差异，牙釉质中存在少量的 和，而这些离子往往又会被、和 取代，导致牙釉质 晶体中的晶格常数发生变化 为了使新生牙釉质的主要晶格参数与人体牙釉质相接近，更好地矿化牙釉质，采用氟处理或者多肽和氨基酸有机模板诱导矿化的形式，可以形成晶粒细小、定向有序的磷灰石晶体 氟矿化处理临床上常用涂氟技术来进行早期的龋齿预防通常，使用氟化物水溶液将 掺入到牙釉质的磷灰石中，中的 很容易被 取代而生成氟磷灰石（），还可以生成氟化钙 在中性和酸性条件下表现出了更好的耐蚀性，当口腔 值降低时，氟化钙沉积层溶解，释放大量的 和 等离子，这为磷灰石的形成提供了一定的离子浓度，更容易生成，使牙釉质更加致密牢固氟化物显碱性，在一定程度上也可以抑制口腔中细菌的滋生，也能作用于产酸的口腔细菌，如变形链球菌等 研究表明，抑菌作用与糖酵解酸耐受性有关 口腔环境 值下降时，氟化物抑制糖酵解的效力急剧增加 因此，采用氟化物进行早期的龋齿预防，防止牙齿在酸性环境下的脱矿，是临床上的首选 基于上述氟化物特点，氟化物也和其他生物陶瓷材料复合进行联合矿化牙釉质 比如在 磷酸三钙中添加低氟后，再矿化能力得到很大提升硅羟基磷灰石（）与氟化钠（）复合，也可以提高牙釉质的再矿化能力 当然，氟的浓度也会影响着牙釉质的矿化效果，例如，氟化物形成的矿物沉淀相明显多于 和 （见图）这说明氟含量需要控制在一个最佳水平才能具有较好的再矿化能力，使用过多的氟，会导致氟中毒 4530150矿化水平/%0.050.11.0氟的浓度/ppm图 不同氟水平下牙釉质再矿化平均值 多肽和氨基酸矿化处理釉质蛋白在调节牙釉质组织的矿化和结构组织中起着至关重要的作用，其能稳定无定形磷酸钙（）并调节平行排列的矿物微晶的形成 的 个结构域为 端富含酪氨酸的牙釉蛋白肽（）、端亲水端肽（端肽）和富含 重复序列的中心域 和 端肽域参与釉质蛋白分子之间的分子识别，对牙釉质的形成起着至关重要的作用具有矿化性能的淀粉原蛋白质的活性序列含有某些高浓度的氨基酸，这些不同种类的氨基酸或类似的多肽能够以釉质蛋白相同的方式影响矿化，不需要合成蛋白质就能够促进矿化谷氨酰胺（）已被证实能够提高矿化率，釉原蛋白中含有大量的 残基，研究发现，在矿化基质中加入 可以提高 晶体的形成速率牙本质磷蛋白（）作为牙本质细胞外基质的组成部分，能捕获游离的 和 ，在牙釉质矿化过程中抑制磷酸钙溶解和控制晶体生长 等使用谷氨酸（）进行诱导，在模拟体液中实现了 纳米颗粒在牙釉质表面的自组装，所得到的修复层机械性能与天然牙釉质十分相似 等发现另一种酸性氨基酸天冬氨酸（）也可以提高矿化率 等证实，经过精氨酸（）处理，能够降低口腔细菌的致龋能力 等发现甘氨酸（）能够引导 纳米颗粒有序形成到晶格上，经过对比，新生釉质表现出类牙釉质的有序排列结构的仿生矿化相（见图）经研究发现，一些多肽也具备诱导牙釉质矿化的作用 等在淀粉原蛋白分子的活性部分成都大学学报（自然科学版）第 卷（A）无 Gly 干预（B）Gly 干预图 脱矿牙釉质定向有序再矿化的机制图中发现一种富含亮氨酸的淀粉原肽（）衍生物，不仅能为晶体形成提供模板，还能吸收 以添加到晶格中，具有与完整的淀粉原蛋白相同的矿化作用 等发现，合成的自组装肽 蛋白在为期 个月的实验干预中，可使儿童龋病灶活性降低，在实验组中，只有 名患者有不适症状，表明 蛋白有希望应用于临床多肽和氨基酸矿化技术的缺点是矿物质沉积速度慢，需要提高反应速度才能应用于临床治疗 植物提取物的矿化处理植物提取物中含有丰富的蛋白质，某些蛋白质可以和矿物质相互作用，在晶格间和晶格内部相互协调作用 当这些蛋白质被添加到晶格中时，会与淀粉原蛋白诱导矿化 的方式一样，参与生物体矿化过程 等发现，冻干辣木叶提取物（）对人工龋具备优异的再矿化效果，中含有高浓度的矿物质和多种不同的氨基酸，这些氨基酸可以在矿物质沉积的调节和釉质晶体形成的指导中发挥作用，且 能增加体液的 值以抵消酸化，从而增强再矿化 新生的磷灰石沉积层与天然釉质层力学性能相似，但还需要对 的形态进行更多的分析 等从葡萄籽提取物（）中发现大量原花青素（），已在各种临床应用中广泛使用，可加速胶原蛋白合成，胶原蛋白作为诱导形成磷灰石的模板，促使磷灰石快速沉积，故 可促进牙釉质病变的再矿化过程 丝胶蛋白（）是蚕丝中的一种可溶性蛋白，能对 晶体进行表面选择性吸附，溶液中分散的 晶体沿轴向依次附着在 分子链上，为 晶体的生长提供了总体方向，生成致密的磷灰石沉积层 新生的磷灰石晶体与天然釉质的力学性能相近，可作为龋齿修复矿化治疗的一部分从植物体中提取出生物活性化合物，用以牙釉质仿生矿化，将会是一个低成本且高效的矿化方式但提取物的化学成分、结晶度和纳米级形貌等方面还有待进一步研究 以多种晶型（、和超级）存在，但仅部分高温相 和低温相 被用作生物材料 其中，常被用作骨水泥，作为骨修复的固相原料 由于具有良好的生物相容性、骨诱导性和生物降解性，在牙齿修复中可形成钙磷沉积层，且 的相成分与牙釉质中的 结合时，会产生双相磷酸钙（），提高其生物活性，加速磷灰石的形成，促进牙釉质生长 的理化和生物学特性优于，移植入体内后可自行降解，能维持植入部位附近 和 的固液平衡 这些 和 最终形成钙磷固体沉积物，与牙釉质牢固结合 陶瓷的微孔结构也对磷灰石诱导性起重要作用，微孔结构能够吸附大量的有益矿化的离子，并且能使 的降解速率更有利于治疗性离子溶解产物的递送 然而，的降解速度过快，不利于 和 的沉积，故常常将 与其他生物材料复合，所得复合材料的生物性能大大提升 例如，将 与 结合，发现复合材料能显著促进牙釉质病变的再矿化，显微硬度值比单独使用 增加 碳纳米管（）纳米复合材料在模拟体液中浸泡 后，表面出现致密的磷灰石层，具有显著的矿化效果 等将聚己内酯（）涂层和 制成复合材料，发现 和 制备的 复合材料具有最佳再矿化性能 氟功能化 纳米颗粒对牙釉质和牙本质有显著的抗酸蚀效果，将 复合材料添加进牙膏里，发现其释放的游离钙远远超过纯 牙膏，再矿化能力更强 近年来，因为在再矿化牙釉质治疗中 第 期 王 羽，等：生物陶瓷仿生矿化牙釉质研究进展的优异性能而备受关注 因为酪蛋白是一种含有钙磷的结合蛋白，是哺乳动物奶中主要的蛋白质 是一种色氨酸片段，能有效地吸收无机矿物质，如、和 等元素，加速矿物质的结晶 当 降解时，钙和磷等元素逐渐释放，可为钙和磷提供有机模板，形成一定梯度的矿化层，促使离子向釉质表面下扩散，同时也防止离子在釉质表面发生自发性沉积反应，高效率地加速晶体生长，促进釉质再矿化 联合再矿化牙釉质能力优于再矿化口腔护理系统（）制剂 等在酸奶中加入 产生了再矿化效果，矿物质含量显著增加，糊剂还能够预防正畸治疗中的牙菌斑 也可与其他生物材料复合，例如，在玻璃离子骨水泥（）中加入，可在牙釉质表面黏附一层精细且薄的抗酸碱（）层，也可以和氟化亚锡（）复合，均可以有效预防牙龋病 当然，加入 不仅能使酪蛋白更加稳定，还可取代，与磷酸钙形成无定型的（）纳米晶簇，加速磷灰石的形成，促进牙釉质的再矿化 等发现，氟化物与 复合可高效修复受损牙釉质并提高新生牙釉质硬度，再矿化能力得到增强 钙硅基材料钙硅基材料用于釉质矿化的主要有 和 陶瓷在植入动物体内后，中的 与周围体液中的 交换，从而在 表层形成硅烷醇（），这会导致局部环境的 值升高，最终形成带有 官能团的带负电荷表面 随着 值上升，大量的 被释放，与周围体液或唾液中的磷酸盐离子结合，导致 在 表面沉淀 除此以外，的降解过程中会持续释放 ，对人体组织再生具有促进作用，能快速诱导 沉积，还能在牙釉质表面形成一层矿化离子隔膜，保护完好的釉质免受酸的侵蚀研究发现，处理酸蚀牙釉质后，钙流失速率明显降低，牙膏也能比传统 牙膏更好地抵抗龋病侵蚀 介孔硅酸钙（）纳米颗粒（）可在暴露的牙本质小管上持续形成磷灰石样牙釉质层，修复受损釉质，抗菌效果明显 当然，也可与其他材料复合以增强性能，例如，银纳米颗粒（）与 复合后，增强了材料抗菌活性和生物降解性，更适用于牙釉质修复 聚醚醚酮（）复合材料具有适宜的亲水性、生物活性和良好的生物相容性，具备成为理想釉质修复材料的潜力 在镁（）基合金中掺入 颗粒，复合材料样品的表层裂纹要少得多（见图），且表层结构更加致密，使得复合材料的耐蚀性和力学强度提高，更有利于受损釉质修复（A）Mg（B）Mg/CS500 m500 m图 和 复合材料在模拟体液中浸泡 后的扫描电镜图 的牙釉质保护性能是其钙释放特性、缓冲能力和形成 的综合作用 是一种同时具备修复脱矿牙釉质和保护牙釉质免受酸侵蚀的材料 相比于传统的生物玻璃材料，具有更高的生物活性和降解率，载药性能也更好 晶体结构内存在大量微纳米多孔结构，具有高孔隙率和高比表面积 多孔结构使得 能够承载更多有益于矿化的离子和化合物，特别是二氧化硅（），能够提高 的生物活性、力学性能和抗菌能力，中 摩尔含量可高达 以上 植入体内后会在表面生成，在弱碱性条件下，其能吸附 、和 在材料表面沉积，晶化形成 对致龋细菌有明显的抑菌作用，可长效维持口腔 环境 且 降解后，产物中有 、和 等离子，有利于釉质再矿化将 同其他生物陶瓷混合或者作为涂层涂覆在其表面，以提高后者的生物活性，使之更好地与组织结合，是实际应用中常用的方法 例如，牙釉成都大学学报（自然科学版）第 卷 质修复时，聚乳酸（）和聚乙醇酸交乙酯（）降解物产生的局部酸性环境会导致不良的组织反应，掺入 后，不仅提高材料的生物活性，还能提高 值来中和酸性环境 丝氨酸（）与 复合能够加速磷灰石形成和牙釉质胶原基质再矿化 将 掺入 羟基乙酸（）中，能显著增强矿化效果，共聚物釉质表面生成大量球状磷灰石颗粒，表现出类牙釉质的致密磷灰石结构的仿生矿化相（见图）图 共聚物在模拟体液中浸泡 后的扫描电镜图 还可与氟化物联合使用 生物活性玻璃 与氟化物联合使用可减少矿物质损失，新形成的磷灰石结构可高效修复脱矿牙釉质 含氟 的树脂基牙科复合材料不仅具备良好的再矿化效能，且力学性能也得到显著提高，可有效治疗牙齿过敏和促进釉质再矿化 结 论本研究通过总结钙磷基和钙硅基生物活性陶瓷的复合及改性方法，对受损牙釉质进行有效的仿生矿化修复，得到如下结论：）钙磷基材料具有较好的生物相容性，但也存在着较多的不足，如 存在自身强度低，韧性、力学性能与生物诱导性差等缺陷，故常通过与其他材料复合增强其力学特性，还可通过氟、多肽和氨基酸等改性处理来提高 的矿化效率 和 的理化和生物学特性优于，但 的降解速度过快，粒径尺寸大，矿化效果差，可采取复合改性手段，利用其较好的生物活性及骨诱导性来提高其矿化效率，也可以采用无形性的 来提高矿化效率，尤其是与 复合，可有效抑制釉质脱矿，加速脱矿牙釉质的再矿化，保护受损釉质，且与其他活性材料复合后，矿化效果更佳）钙硅基材料可有效地满足牙釉质的修复及再矿化，且通过改变材料的组分与晶粒尺寸，可加速磷灰石的形成，加入 会使矿化晶粒更加细小，且矿化速度提高 钙硅基的生物陶瓷在骨修复及牙齿矿化再生方面有较好的发展前景，释放出的富硅层，可有效地提供钙磷的形核位点，为磷灰石的形成提供天然的模板，加速仿生矿化层的形成，提高牙釉质再矿化能力参考文献：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，？，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，第 期 王 羽，等：生物陶瓷仿生矿化牙釉质研究进展 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）（），（）：，（）：，：？，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，成都大学学报（自然科学版）第 卷（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：林开利，常江，卢建熙，等 磷酸三钙 硅酸钙复合生物陶瓷的制备及性能研究 无机材料学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：谢梦生，李晓捷 口腔组织再生领域应用中的纳米生物活性玻璃材料 中国组织工程研究，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：（责任编辑：伍利华）（下转第 页）第 期 王 羽，等：生物陶瓷仿生矿化牙釉质研究进展 ，（，）：，（），；，：；（上接第 页），（，；，；，）：，：；成都大学学报（自然科学版）第 卷