牙科樹(shù)脂材料抗菌性能的研究進(jìn)展

周澤瑛，張靜月，牛菊，劉丹丹，趙文迪，劉曉秋

吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，吉林 長(zhǎng)春（130021）

牙科樹(shù)脂材料因其生物相容性、美觀性、低成本和易塑性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在臨床齲病治療中廣泛用于替代銀汞合金進(jìn)行牙體缺損修復(fù)［1-2］。但由于樹(shù)脂的聚合收縮率大易形成微滲漏，細(xì)菌進(jìn)入微滲漏間隙進(jìn)而易引起繼發(fā)齲。隨著臨床上樹(shù)脂材料應(yīng)用的增多，繼發(fā)齲也隨之增加。因此，越來(lái)越多的研究致力于探討如何增強(qiáng)添加于牙科樹(shù)脂中的抗菌劑的抗菌性能，并且延長(zhǎng)其抗菌的有效性，從而提高修復(fù)體的使用壽命。本文從抗菌劑的種類(lèi)、抗菌效果的影響因素及抗菌劑的改性方法三個(gè)方面對(duì)近年來(lái)牙科樹(shù)脂材料的抗菌性能進(jìn)行綜述。

1 抗菌劑的分類(lèi)

1.1 人工合成抗菌劑

牙科樹(shù)脂中添加的人工合成抗菌劑主要有金屬及其氧化物、季銨鹽類(lèi)、抗生素類(lèi)，依據(jù)其抗菌性能的作用方式可以將這些抗菌劑分為非釋放型、釋放型及混合型。

1.1.1 非釋放型抗菌劑 賦予牙科樹(shù)脂材料抗菌活性的一種方法是加入非釋放型抗菌劑，例如甲基丙烯酰氧基十二烷基溴化吡啶（methacryloyloxydodecyl pyridinium bromide，MDPB）、季銨二甲基丙烯酸酯（quaternary ammonium dimethacrylate，QADM）、甲基丙烯酸二甲氨基十二烷基酯（dimethylaminododecyl methacrylate，DMADDM）等季銨鹽類(lèi)化合物［3］。

季銨鹽類(lèi)化合物的抗菌機(jī)制為帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜接觸樹(shù)脂的帶正電荷的（N+）位點(diǎn)時(shí)，通過(guò)滲透和擴(kuò)散作用進(jìn)入細(xì)胞膜，使細(xì)胞酶鈍化，不能產(chǎn)生蛋白質(zhì)酶，從而使蛋白質(zhì)變性達(dá)到殺死細(xì)菌細(xì)胞的作用，具有接觸殺滅的特征［4］。Wu等［5］利用繼發(fā)齲齒動(dòng)物模型研究了含有DMADDM的粘接劑在動(dòng)物體內(nèi)的抗齲性能，研究結(jié)果表明不含DMADDM的商業(yè)對(duì)照組病變深度（lesion depth，LD）和礦物質(zhì)損失（mineral loss，ML）明顯大于含DMADDM組，證明含DMADDM的粘接劑在體內(nèi)具有顯著的防齲效果。

目前臨床上已有商業(yè)化的抗菌粘接劑系統(tǒng)，所使用的抗菌材料為MDPB。已有研究表明MDPB對(duì)各種口腔細(xì)菌和生物膜有較強(qiáng)的抗菌作用，其對(duì)7種致齲性口腔鏈球菌的最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）和最低殺菌濃度（minimum bactericidal concentration，MBC）的范圍在31.3～62.5μg/mL［6］。Li等［7］將具有抗菌性能的單體甲基丙烯酰氧乙基十六烷基二甲基氯化銨（methacryloxylethyl cetyl dimethyl ammonium chloride，DMAE-CB）加入粘接劑中，發(fā)現(xiàn)固化后的DMAE-CB粘接劑可以通過(guò)調(diào)控變形鏈球菌中g(shù)tf基因的表達(dá)來(lái)抑制生物膜的積累。與MDPB相比，DMAE-CB對(duì)變形鏈球菌的MIC、MBC（3.91μg/mL、7.81μg/mL）較低［6］，表明DMAE-CB具有較強(qiáng)的抗菌活性。盡管季銨鹽抗菌單體具有廣闊的臨床應(yīng)用前景，有研究發(fā)現(xiàn)其具有細(xì)胞毒性，毒性機(jī)制與細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激有關(guān)［8-9］。

非釋放型抗菌劑與樹(shù)脂單體共聚，不會(huì)隨時(shí)間的釋放而造成抗菌效率及機(jī)械性能的降低［10］，并且添加劑量合適不會(huì)對(duì)細(xì)胞毒性產(chǎn)生影響。但是非釋放型抗菌劑對(duì)于遠(yuǎn)離樹(shù)脂表面的細(xì)菌抑制作用較弱［11］，其抗菌機(jī)制為：非釋放型抗菌劑促進(jìn)的細(xì)菌裂解作用使生物膜進(jìn)入應(yīng)激狀態(tài)，可觸發(fā)周?chē)?xì)菌的程序性細(xì)胞死亡，即細(xì)菌種群的行為就像一個(gè)多細(xì)胞有機(jī)體，其中一個(gè)亞群死亡，從而使細(xì)菌種群作為一個(gè)整體存留下來(lái)，具體還需要進(jìn)一步研究［12］。

1.1.2 釋放型抗菌劑 另一種抗菌方法是在牙科樹(shù)脂材料中加入可釋放型抗菌劑，如銀納米粒子（Ag nanoparticles，AgNPs）、氧化鋅（ZnO）納米粒子、氯己定（chlorhexidine，CHX）等可釋放型抗菌劑［13-14］。其抗菌機(jī)制為：①釋放的金屬離子滅活細(xì)菌細(xì)胞的重要酶，導(dǎo)致DNA復(fù)制中斷；②納米粒子（nanoparticles，NPs）金屬氧化物產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），隨后對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成氧化損傷；③細(xì)菌膜滲透性的增加（脂多糖、膜蛋白和細(xì)胞因子的逐步釋放）和納米粒子在膜中的積累和溶解而使質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)損失［15］；④抗菌劑通過(guò)吸附到細(xì)菌表面，與細(xì)菌細(xì)胞壁的陰離子作用，增加了細(xì)胞壁的通透性，從而使抗菌劑容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，使胞質(zhì)沉淀而殺滅細(xì)菌［14］。

釋放型抗菌劑不僅可抑制樹(shù)脂表面的細(xì)菌生長(zhǎng)，而且還可抑制懸浮在培養(yǎng)基中遠(yuǎn)離樹(shù)脂表面的細(xì)菌［16］。但是伴隨抗菌劑的全部釋放，釋放型抗菌劑的抗菌性能將消失，而牙科樹(shù)脂需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的抗菌效果，快速釋放影響了這些材料的長(zhǎng)期抗菌效果，并且短期釋放量過(guò)大會(huì)增大材料的細(xì)胞毒性。

1.1.3 混合型抗菌劑 由于釋放型與非釋放型各有優(yōu)缺點(diǎn)，近年來(lái)，學(xué)者們致力于混合型抗菌劑的開(kāi)發(fā)，通過(guò)其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)達(dá)到雙重抗菌效果。

Cheng等［17］將無(wú)定形磷酸鈣納米粒子（nanoparticles of amorphous calcium phosphate，NACP）、QADM和AgNPs 3種不同抗菌劑引入到樹(shù)脂材料中，樹(shù)脂表現(xiàn)出QADM非釋放抗菌和AgNPs釋放抗菌的協(xié)同抗菌效應(yīng)。QADM和AgNPs的摻入抑制了生物膜的生長(zhǎng)，NACP的摻入能將酸性溶液的pH值從4迅速提高到6以上，從而有助于抑制齲齒的產(chǎn)生。

混合型抗菌劑通過(guò)將釋放型與非釋放型抗菌劑作用互補(bǔ)，抑制了樹(shù)脂材料表面細(xì)菌和游離細(xì)菌的增殖。然而，由于牙科樹(shù)脂材料在口腔內(nèi)修復(fù)保留時(shí)間較長(zhǎng)，改性材料的長(zhǎng)期抗菌效果還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

1.2 天然抗菌劑

目前用于牙科樹(shù)脂材料的天然抗菌劑主要包含植物提取物和抗菌肽。植物提取物和人體口腔液中固有的抗菌肽等具有較弱的細(xì)胞毒性，無(wú)染色效果，并且細(xì)菌耐藥率較低，因此被認(rèn)為是人工合成抗菌材料的良好防齲替代品。

1.2.1 植物中提取抗菌劑 Peralta等［18］從植物中提取出Butia capitata精油作為抗菌劑加入自酸蝕粘接劑中，該精油是由幾種具有不同抗菌活性的化合物組成，能夠阻礙微生物的耐藥性。此外，Butia capitata精油含有豐富的抗菌脂肪酸：月桂酸和油酸等。含有Butia capitate精油的粘接劑體系與具有抗菌單體的商業(yè)粘接劑在抗菌性、生物相容性及細(xì)胞毒性方面相似，并且其單體轉(zhuǎn)換率、吸水性和溶解度及微拉伸粘接強(qiáng)度與商業(yè)粘接劑相似。

1.2.2 抗菌肽 已有研究證明天然的抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）表現(xiàn)出對(duì)S.mutans的抑制作用［19］。Xie等［20］將賴(lài)氨酸摻入商業(yè)牙科粘接劑中，通過(guò)添加單一氨基酸-賴(lài)氨酸來(lái)調(diào)節(jié)牙科粘接劑的pH值，可以克服酸性微環(huán)境的不利影響，并增強(qiáng)復(fù)合修復(fù)體的耐久性。其結(jié)果證明了含有抗菌肽的粘接劑對(duì)S.mutans具有顯著的抗菌活性。

2 抗菌劑的影響因素

已有研究報(bào)道，不同尺寸和比例的同種抗菌劑具有不同的抗菌效果。同樣，抗菌劑或其載體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)抗菌效果也有影響。

2.1 抗菌劑的尺寸和比例

Chen等［21］研究表明，加入抗菌劑粒子的體積越小，比表面積越大，抗菌活性越高。納米粒子的小粒徑和高比表面積使得抗菌離子在低填充量時(shí)釋放，從而使樹(shù)脂具有抗菌性能同時(shí)又不損害其機(jī)械性能。此外，添加的抗菌劑濃度越高，其抗菌能力越強(qiáng)［22］。但是納米填料含量越高，納米粒子就越趨向于聚集，從而降低了樹(shù)脂的機(jī)械性能，因而適宜的納米填料含量至關(guān)重要［23］。

2.2 抗菌劑的結(jié)構(gòu)

Dias等［24］研究了ZnO三維結(jié)構(gòu)對(duì)于樹(shù)脂抗菌性能的影響，發(fā)現(xiàn)ZnO顆粒的形狀不同，抗菌效果也存在差異，ZnO的棒狀結(jié)構(gòu)有（111）面，增加了ROS的生成，因而其棒狀結(jié)構(gòu)較球形結(jié)構(gòu)的抗菌活性更強(qiáng)。此外，在力學(xué)性能方面，該研究結(jié)果表明添加少量ZnO不會(huì)影響樹(shù)脂的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

2.3 抗菌劑載體

將抗菌填料直接加入樹(shù)脂中會(huì)降低樹(shù)脂-填料界面結(jié)合強(qiáng)度，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于硅烷和酯鍵可以被水降解，即使填料表面進(jìn)行硅烷化處理，牙科樹(shù)脂材料的使用壽命仍會(huì)受到樹(shù)脂-填料界面不良結(jié)合強(qiáng)度的影響。多孔填料載體的使用可以有效改善這一問(wèn)題，在有機(jī)基質(zhì)與多孔填料載體之間形成微機(jī)械鎖結(jié)，提高牙科樹(shù)脂材料力學(xué)性能［13，25］。同時(shí)，載體獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)能為抗菌離子提供緩釋通道［4］，并且使用載體負(fù)載抗菌劑可以有效的解決納米粒子團(tuán)聚的問(wèn)題［25］。

2.3.1 納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)載體 Ai等［26］將負(fù)載有AgNPs的聚多巴胺（polydopamine，PDA）包裹的羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）納米線(xiàn)加入牙科樹(shù)脂材料中。PDA改性填料對(duì)樹(shù)脂基體具有良好的親和力，這是由于多巴胺與樹(shù)脂大分子之間通過(guò)氫鍵或相互作用而形成的牢固鍵合，既提高了填料的分散性，又提高了不同相之間的有效界面應(yīng)力轉(zhuǎn)移，使得HA納米線(xiàn)在樹(shù)脂基質(zhì)中具有高分散性，并與樹(shù)脂基質(zhì)具有良好的粘接性［27］。與純有機(jī)樹(shù)脂相比，當(dāng)HA-PDA-Ag納米線(xiàn)添加量為6%～8%時(shí)，固化復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量均有顯著提高。

2.3.2 核-介孔殼載體 Cao等［4］合成了一種添加了陽(yáng)離子聚合物包裹溴化銀（AgBr）納米復(fù)合物（核-殼結(jié)構(gòu)）的牙科樹(shù)脂材料，接觸殺菌的陽(yáng)離子聚合物和釋放殺菌的Ag+協(xié)同殺菌作用增強(qiáng)了樹(shù)脂的抗菌能力。同時(shí)，AgBr核封裝在陽(yáng)離子聚合物殼中，延遲了Ag+從核內(nèi)到外部環(huán)境的釋放，從而提供可持續(xù)釋放的Ag+，提高了抗菌性能的長(zhǎng)效性。此外，陽(yáng)離子聚合物載體可與甲基丙烯酸酯單體聚合，對(duì)牙科樹(shù)脂的機(jī)械性能影響較小。

Chen等［13］采用簡(jiǎn)便的模板萃取法合成了新型ZnO介孔二氧化硅（SiO2）納米粒子。該復(fù)合材料具有最佳的綜合性能，包括優(yōu)異的機(jī)械性能和抗菌活性、可接受的聚合物轉(zhuǎn)化率和固化深度，以及較低的收縮率。ZnO納米粒子通過(guò)釋放Zn2+破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性達(dá)到抗菌作用，SiO2的介孔殼可為Zn2+提供良好的緩釋通道，增強(qiáng)其抗菌長(zhǎng)效性；同時(shí)，介孔填料為一類(lèi)多孔填料，能夠使樹(shù)脂基質(zhì)與填料機(jī)械有效嵌合，從而使粒子與基質(zhì)接觸表面積增大來(lái)增強(qiáng)其機(jī)械性能［25］。

2.3.3 納米管結(jié)構(gòu)載體 納米管為單壁或多壁結(jié)構(gòu)，它在硬度、強(qiáng)度和韌性方面具有獨(dú)特的性能，并具有出色的生物活性［28］。Barot等［29］將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的埃洛石納米管（Halloysite Nanotubes，HNT）/Ag摻入牙科樹(shù)脂中，樹(shù)脂材料呈現(xiàn)出顯著的抗菌作用、良好的生物相容性和無(wú)細(xì)胞毒性的特點(diǎn)，且HNT/Ag濃度越高，抗菌效果越好。此外，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1 wt%增加至5 wt%時(shí)，與未加抗菌劑的空白對(duì)照組相比，牙科樹(shù)脂材料的力學(xué)性能得到顯著改善。而繼續(xù)添加較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)（7.5 wt%和10 wt%）的HNT/Ag使樹(shù)脂材料力學(xué)性能降低，這可能是由于HNT/Ag添加量的增加導(dǎo)致了HNT/Ag的團(tuán)聚，影響了材料的機(jī)械性能［23］。

3 抗菌劑的改性

除了物理性質(zhì)的調(diào)整，抗菌劑在經(jīng)過(guò)分子水平的改性之后同樣可以增強(qiáng)其抗菌效果。Zhang等［30］測(cè)試了烷基鏈長(zhǎng)變化對(duì)其抗菌效果的影響。該研究結(jié)果表明，疏水的、帶正電荷的長(zhǎng)聚合物鏈可以有效殺死細(xì)菌，含有一定鏈長(zhǎng)烷基的抗菌劑具有疏水性，因此具有穿透疏水性細(xì)菌膜的能力。這些長(zhǎng)陽(yáng)離子聚合物穿透細(xì)菌細(xì)胞，類(lèi)似于針頭使氣球破裂，從而以這種方式殺死細(xì)菌［31］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明烷基鏈長(zhǎng)為16的甲基丙烯酸二甲基氨基十六烷基酯（dimethylaminohexadecyl methacrylate，DMAHDM）抗菌效果最佳，與商業(yè)對(duì)照復(fù)合材料相比，使樹(shù)脂材料上的生物膜減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著降低了生物膜的代謝活性和產(chǎn)酸量，并且未對(duì)樹(shù)脂材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響［30］。Wang等［32］對(duì)烷基鏈長(zhǎng)為16的DMAHDM進(jìn)行了耐藥性測(cè)試，并與烷基鏈長(zhǎng)為12的DMADDM進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)烷基鏈長(zhǎng)為12的DMADDM誘導(dǎo)了格氏鏈球菌（Streptococcus gordonii，S.gordonii）的耐藥性，而烷基鏈長(zhǎng)為16的DMAHDM對(duì)S.mutans、血鏈球菌（Streptococcus sanguinis，S.sanguinis）及S.gordonii均未產(chǎn)生耐藥性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較長(zhǎng)的烷基鏈不僅增強(qiáng)了抗菌效果，并且可以穿透疏水性細(xì)菌膜來(lái)引起細(xì)菌裂解，使細(xì)菌難以獲得對(duì)較長(zhǎng)烷基鏈抗菌劑的抵抗能力［32-33］。

一些研究發(fā)現(xiàn)官能團(tuán)的位置對(duì)季銨鹽類(lèi)抗菌劑的抗菌能力有影響。Liang等［34］為了探討烷基鏈的位置對(duì)于季銨鹽類(lèi)抗菌劑的影響，合成了與DMADDM相似的抗菌單體：三乙基氨基十二烷基丙 烯 酸 酯（triethylaminododecyl acrylate，TEADDA）。TEADDA與DMADDM的區(qū)別是TEADDA抗菌單體烷基鏈位于主鏈中間，而DMADDM抗菌單體烷基鏈位于主鏈的末端。該研究者將TEADDA抗菌單體加入樹(shù)脂粘接劑中，發(fā)現(xiàn)其粘接性能顯著提高，但抗菌性能并不理想。表面電荷密度試驗(yàn)結(jié)果顯示含有TEADDA的粘接劑表面電荷密度較低，這意味著改變烷基鏈的位置會(huì)限制帶正電荷的季銨基團(tuán)在樹(shù)脂粘接劑表面的分布，從而限制了季銨鹽類(lèi)化合物的抗菌作用。此外，季銨基團(tuán)的位置對(duì)樹(shù)脂的抗菌性能也產(chǎn)生了影響［3］。納米復(fù)合材料中季銨鹽的存在是造成聚合物在初始階段加速分解的原因，有機(jī)分子的熱分解主要發(fā)生在鍵解能最小的位點(diǎn)，季銨基團(tuán)位于主鏈的聚合物較位于側(cè)鏈上更容易降解，主鏈的斷裂會(huì)發(fā)生聚合物解離，相比側(cè)鏈更易造成分子量的降低，從而降低了其抗菌性能［35］。

Manouchehri等［36］合成了雙季銨二甲基丙烯酸酯抗菌單體，并將其加入粘接材料中，季銨鹽的抗菌機(jī)制之一是來(lái)自氮原子的正電荷與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜之間的靜電相互作用，而雙季銨鹽是由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的季銨基團(tuán)通過(guò)不同的烷基鏈連接而成的一類(lèi)表面活性劑，這種結(jié)構(gòu)特征決定了雙季銨鹽單體的抗菌作用。研究結(jié)果表明即使在非常低的濃度（1 wt%）下，雙季銨鹽單體也具有高抗菌活性。由于在分子的兩端均有甲基丙烯酸酯基團(tuán)，可以與樹(shù)脂基質(zhì)單體形成共價(jià)結(jié)合，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且不會(huì)對(duì)粘接性能產(chǎn)生不利影響。

4小結(jié)

盡管近年來(lái)抗菌劑的研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，抗菌效果得到顯著提升，適當(dāng)添加非釋放型抗菌劑對(duì)于樹(shù)脂材料的機(jī)械性能影響也較小，但良好的抗菌劑應(yīng)同時(shí)具備長(zhǎng)期有效的抗菌性能與良好的生物相容性。隨著樹(shù)脂內(nèi)抗菌劑的研究增多，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)抗菌劑的使用可能會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，甚至產(chǎn)生持留菌［37］。由于生物膜更能耐受不利的生長(zhǎng)條件，如抗菌藥物、應(yīng)激反應(yīng)和宿主防御系統(tǒng)，而且樹(shù)脂材料表面易積聚菌斑生物膜。因此，細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性及持久性的問(wèn)題不容忽視［10］。此外，抗菌劑的最優(yōu)添加量也需要繼續(xù)探討，理想的添加量需在達(dá)到最佳抗菌效果的同時(shí)不影響材料的機(jī)械性能甚至能增強(qiáng)其機(jī)械性能。天然抗菌劑具有良好的生物相容性，但其作為添加劑用于牙科樹(shù)脂抗菌劑在體外研究中并未獲得理論上的顯著效果，還需要進(jìn)一步研究來(lái)尋找解決辦法。如何通過(guò)改變抗菌粒子的形狀增強(qiáng)抗菌效果或者使用生物活性劑用來(lái)抑制致齲細(xì)菌，促進(jìn)良性菌種的生長(zhǎng)，優(yōu)化抗菌性能，也是未來(lái)的研究方向。

【Author contributions】Zhou ZY wrote the article.Zhang JY，Niu J，Liu DD，Zhao WD collected the references.Liu XQ reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.