納米材料在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究

繆婧 劉暢 王旭

摘要：納米材料是一種多功能新型材料，其顆粒大小約在1～100 nm。納米粒子具有獨(dú)特的性能，如比表面積大，物理、機(jī)械和生物特性以及抗菌作用等，使其加入可以有效改善材料的光學(xué)、化學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能。近年來隨著對納米材料的深入研究，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加。納米材料可被應(yīng)用于牙體牙髓，牙周組織工程，口腔外科和成像等中。本文針對常見納米顆粒在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用作一綜述。

關(guān)鍵詞：納米顆粒;納米技術(shù);抗菌作用;再礦化

中圖分類號：R318.08 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.12.012

文章編號：1006-1959（2019）12-0034-04

Abstract：Nanomaterials are a versatile new material with a particle size of about 1～100 nm. Nanoparticles have unique properties， such as large specific surface area， physical， mechanical and biological properties， and antibacterial effects， which can effectively improve the optical， chemical， electrical and mechanical properties of materials. In recent years， with the in-depth study of nanomaterials， its application in the medical field has gradually increased. Nanomaterials can be used in dental pulp， periodontal tissue engineering， oral surgery and imaging. This article reviews the application of common nanoparticles in stomatology.

Key words：Nanoparticles;Nanotechnology;Antibacterial effect;Remineralization

口腔健康的維護(hù)是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的內(nèi)容。傳統(tǒng)牙科材料因其局限性可能導(dǎo)致相關(guān)的并發(fā)癥并導(dǎo)致治療的失敗。近年來隨著納米材料的研究發(fā)展與應(yīng)用，全面地促進(jìn)了口腔健康，改善口腔功能，提高生活質(zhì)量，使口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展更上新的臺階。納米技術(shù)最初由Richard Feynman提出，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。由于納米材料的微粒特性及其物理化學(xué)方面的特性優(yōu)勢，體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸、量子隧道以及介電限域是納米材料所涵蓋的5大效應(yīng)，所以納米材料的化學(xué)和機(jī)械性能都較傳統(tǒng)材料優(yōu)越[1]。隨著近年來對納米材料研究的深入，其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括牙齒再礦化、抑制致病菌生長、預(yù)防并控制口腔感染性疾病的發(fā)生與發(fā)展、牙體牙周、正畸、修復(fù)等口腔臨床治療中[2]。本文擬就常見的納米材顆粒在口腔醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用和研究進(jìn)展作一綜述。

1納米材料的作用機(jī)理

納米顆粒包括具有納米尺寸的球形、立方體或針狀顆粒。目前使用的納米顆粒包括納米孔、碳納米管、納米膠囊、納米環(huán)、納米微球和樹狀大分子[3]。納米顆?？梢耘c聚合物結(jié)合或涂布在不同生物材料表面。納米顆粒直徑越小，其比表面積越大，機(jī)械性能和抗菌作用越強(qiáng)[4]。納米顆粒具有靶向抗菌特性，對宿主的副作用最小，使其可以作為抗菌藥物的載體。目前提出了多種納米顆粒的抗菌機(jī)制，包括金屬離子釋放[5]、氧化應(yīng)激[6]和非氧化機(jī)制[7]。帶正電荷的納米顆粒被靜電吸引到帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜上，這種吸引改變了細(xì)胞壁的滲透性，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞器滲漏。納米顆粒相對于傳統(tǒng)抗菌藥物的優(yōu)點(diǎn)是不受抗生素耐藥機(jī)制的影響，因?yàn)樗鼈兣c細(xì)菌細(xì)胞壁形成直接接觸，而不穿透細(xì)胞壁。

2納米材料在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1金屬納米顆粒的應(yīng)用

2.1.1銀納米顆粒 ?AgNPs具有抗菌活性，與不同的材料相結(jié)合可以產(chǎn)生額外的抗菌作用[8]。由于AgNPs的體積小，它們?nèi)菀状┩讣?xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)菌失去活性。直徑<10 nm的AgNPs的殺菌效果明顯增強(qiáng)[9]。AgNPs以細(xì)胞壁的肽聚糖為靶點(diǎn)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)改變，膜通透性增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。AgNPs還可以與細(xì)菌蛋白質(zhì)相互作用，阻止DNA的復(fù)制，從而限制細(xì)胞增長[10]。AgNPs加入復(fù)合樹脂和粘結(jié)劑可以避免在修復(fù)體表面和邊緣形成生物膜。Cheng L等[11]研究了不同濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.028%、0.042%、0.088%和0.175%）的AgNPs摻入復(fù)合樹脂中對力學(xué)性能和生物膜形成的影響，確定含有0.042% AgNPs的復(fù)合材料的乳酸代謝產(chǎn)物為普通材料的1/3，而菌落形成的總數(shù)為普通材料的1/4。

Zhang K等[12]研究了AgNPs作為修復(fù)材料的生物相容性，將0.05%的AgNPs加入底物和粘接劑中，然后測試牙齦成纖維細(xì)胞的生存能力，AgNPs的加入并沒有引起細(xì)胞毒性，并且顯著提高了抗菌能力。因此，AgNPs可在不損害宿主的前提下，作為口腔抗菌藥物應(yīng)用于臨床。

此外，AgNPs應(yīng)用于義齒基托聚合物中來治療義齒性口炎也取得了滿意的效果。Monteiro DR等[13]分析了基托樹脂中AgNPs的分布和釋放，發(fā)現(xiàn)AgNPs主要分布在納米復(fù)合材料的表面與微生物相互作用，因此在義齒中加入AgNPs可以預(yù)防黏膜組織相關(guān)的感染。AgNPs潛在的抗菌活性還可以有效地用于牙周治療的局部給藥。

2.1.2金納米顆粒 ?金納米顆粒有抗菌和抗真菌作用。Regiel-Futyra A[14]等研究出了一種新型的殼聚糖基AuNPs復(fù)合膜，對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌耐藥菌均具有較高的抗菌活性。AuNPs對成骨細(xì)胞分化具有促進(jìn)作用，將AuNPs涂在鈦種植體表面以促進(jìn)骨再生，來觀察AuNPs在體外和體內(nèi)對成骨細(xì)胞分化和促進(jìn)骨再生的潛在影響，結(jié)果表明鈦金Ti-Au可以用于種植體保存新生骨形成[15]。但是AuNPs的成骨潛能有待進(jìn)一步研究，以增強(qiáng)和加速種植體的骨整合。

2.2金屬化合物納米材料的應(yīng)用

2.2.1氟化鈣納米顆粒 ?氟化鈣納米材料的應(yīng)用是基于氟化鈣的特性，繼發(fā)齲是修復(fù)中最常見的問題，氟化物有助于預(yù)防齲齒的形成。氟化物在口腔唾液中形成氟化鈣（CaF2）沉積在齲齒上，然而口腔中鈣離子濃度極低，氟化鈣接觸有限[16]。Sun L等[17]研究了納米級的CaF2作為不穩(wěn)定的氟化物載體，并將其體外沖洗效果與氟化物進(jìn)行了對比。CaF2 NPs的反應(yīng)活性和溶解度均較CaF2有所提高，磷灰石中氟的吸收量增加。因此，CaF2 NPs作為不穩(wěn)定的氟儲存體，可以通過增加唾液中不穩(wěn)定的氟化物含量，增強(qiáng)牙齒再礦化，降低牙本質(zhì)的通透性。Xu HH等[18]研究表明CaF2 NPs復(fù)合材料與與傳統(tǒng)樹脂相比可持續(xù)釋放氟。這種新型復(fù)合材料釋放氟的作用，可以用作牙齒缺損修復(fù)、骨折修復(fù)和改善繼發(fā)齲。但充分了解其預(yù)防機(jī)制，還需要進(jìn)一步的科學(xué)研究。

2.2.2磷酸鈣納米顆粒 ?口腔醫(yī)學(xué)治療的研究前沿是如何保持牙齒的原始結(jié)構(gòu)。因此，微創(chuàng)手術(shù)和再礦化治療被廣泛認(rèn)可。將磷酸鈣CaPO4 NPs（CPNPs）引入復(fù)合材料中，納米顆粒大小為116 nm的CPNPs可潛在的增加Ca2+和PO42-的釋放。與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，含有CPNPs的復(fù)合材料可以中和乳酸溶液，使牙本質(zhì)的礦化達(dá)到氟釋放復(fù)合材料礦化的4倍左右[19]。因此，新型CPNPs復(fù)合材料可用于預(yù)防齲病，樹脂粘接劑和牙科美學(xué)材料中[20]。

2.2.3二氧化鈦納米顆粒 ?二氧化鈦納米顆粒TiO2 ?NPs，在可見光或紫外光照射下具有特殊的光催化性能，在醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。TiO2的殺菌活性與在水中光催化反應(yīng)形成羥基自由基有關(guān)，羥基自由基的形成破壞肽聚糖細(xì)胞膜上的多不飽和磷脂，最終侵入細(xì)胞，破壞DNA[21]。Elsaka SE等[22]研究了不同濃度TiO2 NPs的物理和抗菌性能。Sun J[23]等觀察了在復(fù)合樹脂中加入TiO2 NPs可以提高樹脂的性能，粘結(jié)強(qiáng)度和力學(xué)性能。Thomas A等[24]還研究了TiO2 NPs對引起牙菌斑的微生物的抗菌能力。TiO2 NPs在上述作用機(jī)制下表現(xiàn)出良好的抗菌活性，而游離TiO2對微生物沒有作用。TiO2 NPs對細(xì)菌和真菌均有較大的抑制作用。TiO2 NPs的濃度達(dá)到15 mg/ml時，可以有效控制引起牙菌斑的微生物。

2.3非金屬納米材料應(yīng)用

2.3.1納米羥基磷灰石 ?納米羥基磷灰石的應(yīng)用是基于羥基磷灰石（HAP）具有的生物活性和支持骨生長的能力。Tschoppe P等[25]用牛門牙制造脫礦模型，研究了HAPNPs牙膏對再礦化的體外作用。結(jié)果表明，含納米羥基磷灰石的牙膏較含氟胺的牙膏對牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)的再礦化作用增強(qiáng)。漂白后牙齒敏感的原因是牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)的缺損。Browing WD等[26]研究了HAPNPs對漂白牙齒敏感性的影響，得出結(jié)論使用含HAPNPs的牙膏可以在不使用任何脫敏劑的情況下降低漂白牙齒敏感性。

納米結(jié)構(gòu)的HAP陶瓷由于其納米級形態(tài)，其生物活性優(yōu)于傳統(tǒng)的HAP陶瓷[27]。HAP NPs具有吸附DNA分子的能力[28]，可作為有效的基因轉(zhuǎn)染載體。由于其生物活性，HAP和氟磷灰石可作為生物相容性修復(fù)材料。研究表明[29]，HAPNPs添加到玻璃離子水門?。‵uji II GC）中，提高了GC的力學(xué)性能和與牙本質(zhì)的粘接強(qiáng)度。因此，HAPNPs可作為不同修復(fù)材料的有益補(bǔ)充。

有學(xué)者通過研究HAPNP對人牙周膜細(xì)胞（PDL）的影響，觀察到HAPNPs能在一定程度上促進(jìn)細(xì)胞增殖并可促進(jìn)牙周組織再生[28]。Yamada M等評價了納米多晶羥基磷灰石形成的非微晶化鈦表面，HAPNPs的加入使表面積增大，骨與種植體的結(jié)合增強(qiáng)，軟組織減少[30]。

2.3.2殼聚糖納米顆粒 ?理想的納米顆粒應(yīng)該是無毒的、可生物降解的、在不同組織中均具有生物惰性的。為了避免金屬納米顆粒的不良影響，許多研究小組將注意力集中在有機(jī)納米顆粒上，如殼聚糖（CS）。通過引入殼聚糖納米顆粒（CSNPs），開發(fā)出了用于釋放生物活性分子的新型藥物載體。Chronopoulou L等[31]發(fā)現(xiàn)在中性pH條件下CSNPs能包裹氯己定（CHX），且具有緩釋性（至少48 h）。初步研究表明，CS-GSH-CHX-NPs具有化學(xué)表面親和力，可以吸附在人體牙齒表面。因此，CSNPs可應(yīng)用于日常口腔護(hù)理和干預(yù)治療。早期牙釉質(zhì)齲損也可以使用CSNPs進(jìn)行再礦化。CSNPs的抗菌作用在根管治療中也取得了成功。研究表明與氫氧化鈣相比，CSNPs能顯著降低糞腸球菌的數(shù)量[32]。低分子量的CS對變形鏈球菌的抑菌作用也很高[33]。變形鏈球菌是與齲齒有關(guān)的最常見的細(xì)菌之一，控制其生長可以有效地預(yù)防齲齒。

此外，CSNPs也被用于腫瘤細(xì)胞的成像和藥物輸送系統(tǒng)[34]。聚合物納米顆粒在牙科的不同領(lǐng)域均具有應(yīng)用潛力，但是將其應(yīng)用于臨床還需要進(jìn)一步的研究。

3總結(jié)及展望

納米粒子因其比表面積大，抗菌活性強(qiáng)，物理、機(jī)械和生物特性以及其獨(dú)特的粒徑，使其加入傳統(tǒng)材料中可以有效改善材料的光學(xué)，化學(xué)，電學(xué)，和力學(xué)性能。因此，納米技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療與牙科材料中。新型納米材料開始在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，對現(xiàn)有口腔材料的改性和創(chuàng)新具有重要意義。相信在不久的將來通過人們對納米材料進(jìn)一步探索與研究，更新型的，更適合口腔醫(yī)學(xué)的新材料將會誕生，會給口腔醫(yī)學(xué)帶來更美好的明天。

參考文獻(xiàn)：

[1]Choudhury H，Gorain B，Karmakar S，et al.Improvement of cellular uptake，in vitro antitumor activity and sustained release profile with increased bioavailability from a nanoemulsion platfor[J].Int J Pharm，2014，460（1-2）：131-143.

[2]Singh AM.Nanodentistry：recent advances and their applications in prosthodontics[J].J Indian Prosthodont Soc，2018，18（Suppl 2）：S76.

[3]Pérez-Guardiola A，Ortiz-Cano R，Sandoval-Salinas ME，et al.From cyclic nanorings to single-walled carbon nanotubes：disclosing the evolution of their electronic structure with the help of theoretical methods[J]. Physical Chemistry Chemical Physics，2019，21（5）：2547-2557.

[4]Song W，Ge S.Application of Antimicrobial Nanoparticles in Dentistry[J].Molecules，2019，24（6）：24061033.

[5]Zakharova OV，Godymchuk AY，Gusev AA，et al.Considerable variation of antibacterial activity of Cu nanoparticles suspensions depending on the storage time，dispersive medium，and particle sizes[J].Biomed Res Int，2015，8（3）：11.

[6]Gurunathan S，Han JW，Dayem AA，et al.Oxidative stress-mediated antibacterial activity of graphene oxide and reduced graphene oxide in Pseudomonas aeruginosa[J].Int J Nanomed，2012（7）：5901-5914.

[7]Leung YH，Ng AM，Xu X，et al.Mechanisms of antibacterial activity of MgO：non-ROS mediated toxicity of MgO nanoparticles towards Escherichia coli[J].Small，2014，10（6）：1171-1183.

[8]Zhang Y，Shareena Dasari TP，Deng H，et al.Antimicrobial activity of gold nanoparticles and ionic gold[J].J Environ Sci Health C Environ Carcinog Ecotoxicol Rev，2015，33（3）：286-327.

[9]Agnihotri S，Mukherji S，Mukherji S.Size-controlled silver nanoparticles synthesized over the range 5-100 nm using the same protocol and their antibacterial efficacy[J].RSC Adv，2014（4）：3974-3983.

[10]Seth D，Choudhury SR，Pradhan S，et al.Nature-inspired novel drug design paradigm using nanosilver：efficacy on multi-drug-resistant clinical isolates of tuberculosis[J].Curr Microbiol，2011，62（3）：715-726.

[11]Cheng L，Weir MD，Xu HH，et al.Effect of amorpous calcium phosphate and silver nanocomposites on dental plaque microcosm biofilms[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2012，100（5）：1378-1386.

[12]Zhang K，Li F，Imazato S，et al.Dual antibacterial agents of nano-silver and 12-methacryloyloxydodecylpyridinium bromide in dental adhesive to inhibit caries[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2013，101（6）：929-938.

[13]Monteiro DR，Gorup LF，Takamiya AS，et al.Silver distribution and release from an antimicrobial denture base resin containing silver colloidal nanoparticles[J].J Prosthodont，2012，21（1）：7-15.

[14]Regiel-Futyra A，Kus-Liskiewicz M，Sebastian V，et al.Development of noncytotoxic chitosan-gold nanocomposites as efficient antibacterial materials[J].ACS Appl Mater Interfaces，2015，7（2）：1087-1099.

[15]Heo DN，Ko WK，Lee HR，et al.Titanium dental implants surface-immobilized with gold nanoparticles as osteoinductive agents for rapid osseointegration[J].J Colloid Interface Sci，2016，469（2）：129-137.

[16]王曄.納米TiO2玻璃離子水門汀的制備及其性能研究[D].蘭州大學(xué)，2016.

[17]Sun L，Chow LC，Bonevich JE，et al.A new approach to prepare well-dispersed CaF2 nanoparticles by spray drying technique[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2011，98（2）：223-229.

[18]Xu HH，Moreau JL，Sun L，et al.Strength and fluoride release characteristics of a calcium fluoride based dental nanocomposite[J].Biomaterials，2008，29（32）：4261-4267.

[19]Weir MD，Chow LC，Xu HH，et al.Remineralization of demineralized enamel via calcium phosphate nanocomposite[J].J Dent Res，2012，91（10）：979-984.

[20]Zhang L，Weir MD，Chow LC，et al.Novel rechargeable calcium phosphate dental nanocomposite[J].Dent Mater，2016，32（2）：285-293.

[21]Besinis A，De Peralta T，Handy RD，et al.The antibacterial effects of silver，titanium dioxide and silica dioxide nanoparticles compared to the dental disinfectant chlorhexidine on Streptococcus mutans using a suite of bioassays[J].Nanotoxicology，2014，8（1）：1-16.

[22]Elsaka SE，Hamouda IM，Swain MV.Titanium dioxide nanoparticles addition to a conventional glass-ionomer restorative：influence on physical and antibacterial properties[J].J Dent，2011，39（9）：589-598.

[23]Sun J，Watson SS，Allsopp DA，et al.Tuning photo-catalytic activities of TiO2 nanoparticles using dimethacrylate resins[J].Dent Mater，2016，32（3）：363-372.

[24]Thomas A，Shailaja Raj M.A ntimicrobial activity of TiO2 nanoparticles against microbial isolates causing dental plaques[J].Int J Bioassays，2014（3）：3106-3110.

[25]Tschoppe P，Zandim DL，Martus P，et al.Enamel and dentine remineralization by nano-hydroxyapatite toothpastes[J].J Dent，2011，39（6）：430-437.

[26]Browning WD，Cho SD，Deschepper EJ.Effect of a nano-hydroxyapatite paste on bleaching-related tooth sensitivity[J].J Esthet Restor Dent，2012，24（4）：268-276.

[27]Omokanwaye T，Wilson OC Jr，Gugssa A，et al.Biomineralization of nanoscale single crystal hydroxyapatite[J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl，2015，56（5）：84-87.

[28]Zakaria SM，Sharif Zein SH，Othman MR，et al.Nanophase hydroxyapatite as a biomaterial in advanced hard tissue engineering：a review[J].Tissue Eng Part B Rev，2013，19（5）：431-441.

[29]Dubey AK，Kakimoto K.Impedance spectroscopy and mechanical response of porous nanophase hydroxyapatite-barium titanate composite[J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl，2016，63（2）：211-221.

[30]Yamada M，Ueno T，Tsukimura N，et al.Bone integration capability of nanopolymorphic crystalline hydroxyapatite coated on titanium implants[J].Int J Nanomed，2012（7）：859-873.

[31]Chronopoulou L，Nocca G，Castagnola M，et al.Chitosan based nanoparticles functionalized with peptidomimetic derivatives for oral drug delivery[J].New Biotechnol，2016，33（1）：23-31.

[32]Upadya M，Shrestha A，Kishen A，et al.Role of efflux pump inhibitors on the antibiofilm efficacy of calcium hydroxide，chitosan nanoparticles，and light-activated disinfection[J].J Endod，2011，37（10）：1422-1426.

[33]Chávez de Paz LE，Resin A，Howard KA，et al.Antimicrobial effect of chitosan nanoparticles on Streptococcus mutans biofilms[J].Appl Environ Microbiol，2011，77（11）：3892-3895.

[34]David KI，Jaidev LR，Sethuraman S，et al.Dual drug loaded chitosan nanoparticles：sugar-coated arsenal against pancreatic cancer[J].Colloids Surf B Biointerfaces，2015，135（8）：689-698.

收稿日期：2019-3-15;修回日期：2019-3-25

編輯/楊倩