聚氨酯在根管充填材料中的應(yīng)用

劉增一，劉爾黎，張劍

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院仁懷門診部，貴州 遵義 563000)

根管治療又稱牙髓治療，是通過一系列對感染牙髓的治療操作，清除根管內(nèi)的微生物以及感染組織，避免剩余牙體組織進(jìn)一步感染[1]。根管在經(jīng)過機(jī)械性的清理后，需要應(yīng)用牙髓封閉劑，這是一個常規(guī)的操作，已經(jīng)被用于預(yù)防和治療根尖周炎[2]。然而，有報(bào)道，在經(jīng)過機(jī)械性清理后，牙本質(zhì)小管、側(cè)支根管、根尖分歧等結(jié)構(gòu)中感染的微生物不能完全被清除[3]。如果開髓口不能被完全封閉，且根管不能形成緊密的三維充填，則容易使細(xì)菌、口腔內(nèi)的唾液等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入通道，導(dǎo)致二次感染[4]。目前應(yīng)用的充填樹脂(如聚甲基丙烯酸甲酯、Resilon、Epiphan)最主要的缺點(diǎn)是聚合反應(yīng)過程中的體積收縮[5]。即使是目前臨床上最常使用的熱塑牙膠尖根管充填材料，在加熱后冷卻的過程中也會造成體積收縮。體積收縮產(chǎn)生的微小間隙可使口腔內(nèi)的微生物快速進(jìn)入并生長，再次導(dǎo)致根尖周的感染。聚氨酯作為生物材料已經(jīng)引起了學(xué)者的關(guān)注。聚氨酯主要由軟段和硬段兩部分組成，軟段為聚醚多元醇或聚酯多元醇，硬段主要是異氰酸酯和小分子擴(kuò)鏈劑。硬段之間存在很強(qiáng)的氫鍵作用，形成微區(qū)，產(chǎn)生微相分離現(xiàn)象，使聚氨酯具有良好的性能。通過調(diào)節(jié)硬段與軟段的比例，可以得到特定性能的聚氨酯材料?，F(xiàn)就聚氨酯在根管充填材料中的應(yīng)用予以綜述。

1 普通型聚氨酯根管充填材料

聚氨酯具有良好的機(jī)械性能、血液相容性以及多功能的分子結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)用于角膜接觸鏡、熱敏材料和口腔材料領(lǐng)域[6-7]。在口腔領(lǐng)域中，聚氨酯根管充填材料具有多種優(yōu)勢(如流動性可控和快速固化)，而且在聚合反應(yīng)后體積會輕微增加，可以實(shí)現(xiàn)根管充填的嚴(yán)格密封性[8]。由此，Sun等[8]提出一種新型的根管充填材料，即自固化可注射的聚氨酯根管充填材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型的聚氨酯根管充填材料展現(xiàn)出輕微的體積膨脹(達(dá)到1.4%)，但該膨脹率并不滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)(0.1%)。然而，牙齒斷裂的危險(xiǎn)因素主要與切向的應(yīng)力有關(guān)，主要包括牙本質(zhì)和材料的彈性模量以及材料的膨脹率。牙本質(zhì)的楊氏模量為(13.2±4.0) GPa，而聚氨酯封閉劑的楊氏模量為(3.70±0.42) MPa(1 GPa=1 000 MPa)[8]。固化的聚氨酯封閉劑的楊氏模量較低，可以減少由材料體積膨脹導(dǎo)致的根管斷裂的危險(xiǎn)。綜合考慮，新型的聚氨酯封閉劑可以很好地滿足根管充填材料的要求，且該新型的自固化可注射聚氨酯根管充填材料具有優(yōu)良的理化性能。此外，自固化可注射聚氨酯根管充填材料還具有良好的生物相容性，在聚氨酯根管充填材料聚合反應(yīng)過程中，較高的單體-聚合物轉(zhuǎn)化率在短時間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，傅立葉變換紅外光譜顯示，4 h內(nèi)，異氰酸酯基團(tuán)有90%反應(yīng)完成，24 h后異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)達(dá)到95%[8]。良好的生物相容性離不開材料較高的單體-聚合物轉(zhuǎn)化率。

2 抗菌型聚氨酯根管充填材料

由根管充填材料體積收縮導(dǎo)致的細(xì)菌滲漏，繼而發(fā)生再感染的問題，可以應(yīng)用具有抗菌性能的根管充填材料解決。因?yàn)榭咕阅艿母艹涮畈牧峡梢杂行Х乐刮⑸锏臐B漏，進(jìn)而防止由滲漏導(dǎo)致的充填的整體失敗。然而，目前所使用的封閉劑，如環(huán)氧樹脂封閉劑和氧化鋅丁香油封閉劑固有的抗菌性能均較短暫(不超過1周)，這對于長期預(yù)防細(xì)菌感染是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[2]?？谇坏纳鷳B(tài)環(huán)境復(fù)雜，由許多不同種類的細(xì)菌組成，而目前使用的抗菌封閉劑只對其中某些種類的細(xì)菌敏感[1]。銀離子和銀的復(fù)合物表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性，并且具有較寬的抗菌譜[9]，而這些復(fù)合物已經(jīng)應(yīng)用于殺菌產(chǎn)品中，包括醫(yī)用導(dǎo)管、傷口敷料、紡織制品、復(fù)合材料涂層、骨水泥以及口腔材料等。先前的研究已經(jīng)證實(shí)，銀離子可以對口腔內(nèi)的細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，如中間普氏菌和牙齦卟啉單胞菌等[10]。因此，在根管封閉劑中摻入銀離子或銀的復(fù)合物可能會有一定的優(yōu)勢。Wang等[11]在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的可注射自固化聚氨酯基抗菌根管封閉劑，通過摻入磷酸銀顆粒的方式，使磷酸銀顆粒能夠均勻地分散在材料中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銀離子的釋放能夠產(chǎn)生令人滿意的抗菌效果。重金屬通過與巰基結(jié)合而與蛋白質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的失活，巰基基團(tuán)是蛋白質(zhì)中重要的基團(tuán)，與酶的活性密切相關(guān)，因此，銀離子進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)沉積[12]。有報(bào)道，銀離子與巰基的相互作用在細(xì)菌的失活中具有重要的作用[13]。DNA分子的復(fù)制只有在DNA分子松弛狀態(tài)下有效，在凝聚狀態(tài)下，DNA分子會失去復(fù)制能力[12]。釋放的銀離子穿過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，繼而將DNA轉(zhuǎn)變?yōu)槟蹱顟B(tài)，抑制DNA的復(fù)制[11]。上述方法均會導(dǎo)致微生物的損傷甚至死亡。銀離子多水平的抗菌模式使細(xì)菌對銀離子的抗性不能僅通過簡單的單點(diǎn)突變獲得，并且使含有磷酸銀顆粒的聚氨酯基自固化封閉劑具有較寬的抗菌譜?？紤]到兼性厭氧菌和厭氧菌在失敗的牙髓治療中廣泛存在，對于通過機(jī)械預(yù)備和根管內(nèi)藥物沖洗不能被完全清除的微生物，根管封閉劑的抗菌活性可能有助于消除殘余的微生物，也有助于控制感染。新型聚氨酯基抗菌根管封閉劑具有較好的生物相容性和機(jī)械性能，且在短時間內(nèi)即能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，實(shí)驗(yàn)表明，摻有3wt%和5wt%濃度硝酸銀顆粒的聚氨酯根管充填材料在7 h內(nèi)的轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到95%和98%，可能的原因是硝酸銀是聚氨酯基封閉劑的催化劑，能夠提高其單體轉(zhuǎn)化率；異氰酸酯基團(tuán)的高轉(zhuǎn)化率可以避免聚合反應(yīng)過程中殘余的單體產(chǎn)生，減少單體滲出產(chǎn)生的細(xì)胞毒性[14]。增高的轉(zhuǎn)化率不僅能夠減少未固化的單體及其造成的有害的生物性反應(yīng)，還可以獲得優(yōu)良的機(jī)械性能(如表面硬度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性)[7,15]。同時，也可以避免因較低的轉(zhuǎn)化率導(dǎo)致的與牙本質(zhì)黏結(jié)強(qiáng)度的降低[16]。因此，將抗菌劑摻入聚氨酯封閉劑中能夠保持聚氨酯基牙髓封閉劑的優(yōu)勢，同時賦予封閉劑以抗菌性能，防止殘留微生物的生長。

根管充填材料除了聚合反應(yīng)過程中的體積收縮，還有一些其他的缺點(diǎn)。例如，常用于牙髓治療的傳統(tǒng)的充填材料牙膠尖缺乏和牙本質(zhì)的黏結(jié)性、硬度不夠等[17]。與牙膠尖相比，新型的聚合物基充填材料Resilon的微生物滲漏較少，對根管牙本質(zhì)的黏結(jié)強(qiáng)度較強(qiáng)，根尖炎癥減輕，且經(jīng)過牙髓治療后牙的抗斷裂性增強(qiáng)[18]，但仍有一些不理想的性能，如推出黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度及硬度較低等[19]，而且Resilon不能實(shí)現(xiàn)對根尖的完全封閉[20]。這些缺點(diǎn)促使研究人員不斷開發(fā)更合適的根管充填材料。Lee等[15]先后進(jìn)行了兩個實(shí)驗(yàn)，提出將熱塑聚氨酯/氧化鋅用作根管封閉劑，并先后進(jìn)行了機(jī)械性能以及推出黏結(jié)強(qiáng)度等測試，結(jié)果顯示，熱塑聚氨酯/氧化鋅根管充填材料具有良好的機(jī)械性能，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量顯著高于其他對照組(Resilon組和牙膠尖組)，分別達(dá)到(22.6±2.8) MPa和(137.6±27.6) MPa，此外，其推出黏結(jié)強(qiáng)度也較其他兩組顯著增高，達(dá)到(10.92±3.88) MPa。黏結(jié)強(qiáng)度的提高可能與聚氨酯中的氨基甲酸酯基團(tuán)有關(guān)，因其具有親水性，可與牙本質(zhì)的膠原基質(zhì)形成混合層，增強(qiáng)黏結(jié)強(qiáng)度。

3 納米羥基磷灰石型聚氨酯根管充填材料

理想的封閉材料應(yīng)對根尖周組織無刺激，而且對根管壁具有良好的適應(yīng)性。然而，目前的充填材料具有刺激組織的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并且不能與根管壁結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的連接。臨床上應(yīng)用的Gutta-percha/AH Plus、Resilon/Epiphany與牙本質(zhì)之間的連接較弱，根充物和牙本質(zhì)之間不能形成一個整體。

納米羥基磷灰石(nanohydroxyapatite，nHA)因優(yōu)良的生物相容性和生物活性已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Khan等[21]將聚氨酯與nHA結(jié)合提出了新型的聚氨酯/nHA復(fù)合材料，用于根管充填。nHA是有生物活性的，因?yàn)閚HA與牙齒和骨中的礦物質(zhì)具有相似的化學(xué)成分和大小，因此可以在材料和牙齒結(jié)構(gòu)(如牙釉質(zhì)、牙本質(zhì))之間產(chǎn)生生物活性的黏結(jié)，而且nHA具有較高的表面積與體積比、良好的化學(xué)同質(zhì)性以及微結(jié)構(gòu)的一致性，能夠提供較好的機(jī)械性能[22]。鈣離子的存在會刺激成骨細(xì)胞的增殖，通過負(fù)反饋環(huán)路抑制破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收，抑制磷誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡[23]。高濃度的鈣離子可促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)骨的礦化，而nHA有利于骨穩(wěn)定性的保持和分化的活躍性[24]。Khan等[25]對新型聚氨酯/nHA復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對其拉伸強(qiáng)度、彈性模量和推出粘接強(qiáng)度進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，聚氨酯/nHA復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能，而且此性能隨著nHA在復(fù)合材料中濃度的升高而升高。理論上，與牙本質(zhì)黏結(jié)的材料應(yīng)與牙本質(zhì)有相似的彈性模量，以避免界面間的應(yīng)力集中。而聚氨酯/nHA20復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度(33.4 MPa)比牙膠尖(6.0 MPa)和Resilon(8.1 MPa)更接近牙本質(zhì)的拉伸強(qiáng)度[25]。除了良好的機(jī)械性能，聚氨酯/nHA復(fù)合材料還具有良好的生物相容性，納米結(jié)構(gòu)提供了致密的表面，提高了表面能，以促進(jìn)細(xì)胞最初的黏附和鋪展[26]。nHA每單位體積有更大的表面積提供給細(xì)胞生長，這會導(dǎo)致細(xì)胞黏附和細(xì)胞增殖增強(qiáng)[27]，因此，能夠刺激成骨細(xì)胞增殖。同時，聚氨酯/nHA復(fù)合材料還可以減弱細(xì)菌的黏附。研究表明，材料表面改性可以減少細(xì)菌的黏附，表面特性(如表面位阻、表面粗糙度和表面形貌)也會影響細(xì)菌的附著[24]。聚氨酯/nHA復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能、生物相容性、能夠減弱細(xì)菌的黏附等性能，但試驗(yàn)中用于評價(jià)材料生物相容性所用的成骨細(xì)胞和評價(jià)材料細(xì)菌黏附性所用的血鏈球菌并不能代表體內(nèi)真實(shí)的情況，因此，需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來評價(jià)聚氨酯/nHA20復(fù)合材料的性能。

4 氟磷灰石型聚氨酯根管充填材料

牙齒主要的成分碳磷灰石中含有氟，以氟磷灰石的形式存在。氟磷灰石是六角形的，在磷灰石礦物質(zhì)中有著最高的對稱性[空間群：P6/m (175)，晶胞常數(shù)(a) 9.368 4 ?(1 ?=10-10m)和(c) 6.884 1 ?][28]。其他離子對氟離子(F-)的取代(如OH-、Cl-和CO32-)常會導(dǎo)致對稱性的降低和原子的移位，因此，會損害氟磷灰石的化學(xué)穩(wěn)定性[29]。氟磷灰石具有抗齲性，它能將部分碳磷灰石轉(zhuǎn)化為熱動力學(xué)更加穩(wěn)定的氟磷灰石，在齲病發(fā)生時氟從氟磷灰石中游離出來，改變了脫礦/再礦化的過程，而且F-取代的羥基磷灰石比羥基磷灰石的溶解度更低，這也是其具有抗齲作用的原因[30]。由于氟磷灰石具有良好的生物相容性和再礦化能力，Khan等[28]在聚氨酯/nHA復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，將nHA替換成納米氟磷灰石(nano-fluorapatite，nFA)，合成了聚氨酯/nFA根管充填材料，并對新型的氟磷灰石基復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)的測試，結(jié)果表明，聚氨酯/nFA具有良好的氟釋放能力。氟的釋放可抑制細(xì)菌酶的活性，氟與口腔細(xì)菌通過兩種方式作用，即氟在高濃度時具有殺菌作用，在低濃度時具有抑菌作用。除了氟的釋放能力，聚氨酯/nFA也具有較好的黏結(jié)強(qiáng)度，聚氨酯/nFA20復(fù)合材料與天然牙本質(zhì)的黏結(jié)強(qiáng)度在90 h達(dá)到1.10 MPa(浸泡在去離子水中)和1.49 MPa(浸泡在人工唾液中)[28]。F-具有很小的離子直徑，很高的電荷，能夠形成較強(qiáng)的離子鍵和氫鍵，這使得F-具有與礦物質(zhì)和有機(jī)大分子結(jié)合的潛能[31]。這些復(fù)合材料中存在的鈣離子和磷可能增強(qiáng)磷灰石層，與浸潤在去離子水中的樣品相比，浸潤在人工唾液中的樣品可形成更多的磷灰石層[28]。牙本質(zhì)膠原可能與鈣離子具有親和力，這些膠原可以作為鈣聚集的聚集器和存儲器，以利于磷灰石結(jié)晶。氟磷灰石是一種穩(wěn)定的材料，吸水率低。吸水率對于黏結(jié)作用非常重要，因?yàn)槲矢叩牟牧?如磷酸三鈣)比吸水性較低的材料(氟磷灰石和羥基磷灰石涂層)穩(wěn)定性低，氟磷灰石每年的吸水率接近20%，因此對周圍組織不會造成有害影響[32]。目前聚氨酯/nFA復(fù)合材料在黏結(jié)強(qiáng)度方面與先前的研究一致[33]，但聚氨酯/nFA復(fù)合材料具有能夠直接黏結(jié)以及避免微滲漏的能力，因此將其應(yīng)用于口腔領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

5 小 結(jié)

在口腔領(lǐng)域中，聚氨酯根管充填材料逐漸興起，普通型聚氨酯根管充填材料、抗菌型聚氨酯根管充填材料、nHA型聚氨酯根管充填材料、氟磷灰石型聚氨酯根管充填材料相繼被報(bào)道。這些充填材料雖然能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有材料的缺點(diǎn)，但某些性能也影響了其在臨床的應(yīng)用，如固化條件較為復(fù)雜、固化時間較長等不利于臨床醫(yī)師的操作。而且一些聚氨酯根管充填材料的研究條件與患者體內(nèi)的真實(shí)條件有一定的差異，研究結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，將聚氨酯根管充填材料應(yīng)用于臨床還需進(jìn)一步的探索和研究。