氟化鈣納米復(fù)合材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

黎涵懿,黃臻臻,朱子游,張 晗,孫蕓蕓,朱憲春

納米材料的尺寸在1～100 nm,因其顆粒小,比表面積大,具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料的理化性質(zhì),在診斷和治療疾病方面有更優(yōu)越的性能。目前納米復(fù)合材料逐漸成為口腔材料的新趨勢[1]。其中即包括氟化鈣納米復(fù)合材料(calcium fluoride nanoparticles,CaF2NPs)。與金屬納米材料相比,CaF2NPs的優(yōu)點在于細(xì)菌耐藥性低、合成簡單、環(huán)境污染小、自然來源廣泛、性價比高等[2],納米尺寸的CaF2也具有更強的抗菌性、更持久的氟化物釋放時間及更好的生物相容性[3],利用CaF2NPs對口腔材料進(jìn)行改性及制備新型口腔材料成為國內(nèi)外研究熱點。目前研究的用于口腔領(lǐng)域的氟化鈣納米復(fù)合材料主要包括兩類,第一類是CaF2NPs與傳統(tǒng)的黏結(jié)劑、樹脂、種植體表面等相結(jié)合以優(yōu)化傳統(tǒng)口腔材料的性能,這在口腔正畸、修復(fù)及牙周等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用研究;第二類是CaF2NPs與鑭系離子等摻雜,形成了一種具有熒光特性的氟化鈣納米復(fù)合材料,這在口腔頜面外科領(lǐng)域有一定的應(yīng)用研究。本文對氟化鈣納米復(fù)合材料的性能及其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展做出總結(jié),以期為口腔氟化鈣納米復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考及指導(dǎo)。

1 氟化鈣納米復(fù)合材料的性能

1.1 氟化鈣納米復(fù)合材料的抗菌性

氟化鈣納米復(fù)合材料的抗菌性主要體現(xiàn)在以下3個方面:①CaF2NPs中的氟離子可與細(xì)菌競爭鈣離子,導(dǎo)致細(xì)菌無法通過鈣橋與牙齒表面結(jié)合[4]。②在低pH值環(huán)境下,氟化物與氫離子反應(yīng)生成氫氟酸,它能穿透細(xì)菌并抑制烯醇化酶、氧化磷酸化酶等酶活性。③氟化物在非常高的濃度,即3 040～5 700 mg/L時,可引起細(xì)菌的裂解[5]。Bala等[3]評估發(fā)現(xiàn)CaF2NPs對革蘭氏陰性和陽性菌都具有抗菌作用,且與其他納米顆粒和抗生素相比,CaF2NPs對原核微生物的最小抑制濃度值更低,但單一的CaF2NPs抗菌性有限[6]。越來越多的研究將CaF2NPs與其他抗菌材料結(jié)合以增強其抗菌性,如Zhu等[7]研究顯示,ZnO/CaF2納米復(fù)合材料具有良好的抗菌性;Cheng等[8]將CaF2NPs與10%氯己定顆粒相結(jié)合,結(jié)果顯示這種新型復(fù)合材料比單一的CaF2NPs能更好地抑制口腔生物膜的產(chǎn)酸及代謝,有利于防齲。

1.2 氟化鈣納米復(fù)合材料的生物相容性

口腔材料作為與人體細(xì)胞直接或間接接觸的材料,必須具有良好的生物相容性?，F(xiàn)有的研究將CaF2NPs或氟化鈣納米復(fù)合材料對Vero細(xì)胞、大鼠成纖維細(xì)胞、人類牙齦成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞及牙周韌帶干細(xì)胞等進(jìn)行了細(xì)胞毒性試驗,結(jié)果顯示這些細(xì)胞的分裂增殖并未受到上述材料的影響[3,9-12],說明CaF2NPs及氟化鈣納米復(fù)合材料作為口腔材料均具有良好的生物相容性。

1.3 氟化鈣納米復(fù)合材料促進(jìn)牙齒再礦化及預(yù)防齲齒

氟化鈣納米復(fù)合材料含有充足的氟和鈣元素。氟可置換羥基磷灰石中的羥基形成氟磷灰石保護(hù)層,提高牙釉質(zhì)的抗酸能力;鈣可維持羥基磷灰石的含量,氟和鈣是促進(jìn)牙齒再礦化預(yù)防齲齒的必要元素[13]。納米氟化鈣還能增加氟化物濃度,不僅可促進(jìn)牙釉質(zhì)中氟磷灰石的轉(zhuǎn)化,還可降低牙本質(zhì)滲透性并促進(jìn)早期齲病病損的再礦化[14]。此外,有學(xué)者[15]研究證實與水中不加氟地區(qū)的人群相比,加氟地區(qū)人群牙齒的牙合面圓鈍、窩溝較淺,這種形態(tài)使食物殘渣不易附著于牙齒牙合面上,提高了牙齒的抗齲能力。

1.4 氟化鈣納米復(fù)合材料的熒光特性

CaF2具有螢石結(jié)構(gòu),因其在較寬波長范圍內(nèi)具有較高的透明度、較低的折射率和較低的聲子能量而被廣泛用作光學(xué)材料[16]。CaF2本身沒有熒光特性,為拓寬其應(yīng)用范圍,人們往往賦予其熒光特性。由于鈣離子和鑭系離子具有非常相似的原子半徑,CaF2也被當(dāng)作鑭系離子摻雜的優(yōu)良宿主材料,因此研究者在CaF2NPs晶格中摻雜不同的鑭系離子來賦予其熒光特性[17]。目前基于鑭系離子摻雜的CaF2NPs已經(jīng)被應(yīng)用于化驗分析、癌細(xì)胞成像、細(xì)胞標(biāo)記、藥物傳遞,光動力療法等多個領(lǐng)域[18],在醫(yī)學(xué)診斷與治療方面具有廣闊的應(yīng)用前景和價值。

2 氟化鈣納米復(fù)合材料在口腔領(lǐng)域的研究

2.1 氟化鈣納米復(fù)合材料在正畸領(lǐng)域的研究

固定矯治過程中,口腔衛(wèi)生不良、口腔生物膜中變形鏈球菌等不同微生物數(shù)量的增加和pH值的下降可導(dǎo)致牙齒白斑、齲齒等并發(fā)癥。預(yù)防和控制上述并發(fā)癥是口腔正畸領(lǐng)域的研究熱點[12]。

氟化物是一種具有雙重功效的防齲材料,它既能抑制口腔微生物又能促進(jìn)牙齒再礦化[9]。以往許多研究將氟化物加入正畸黏結(jié)劑、牙膏等來預(yù)防牙齒白斑和齲齒的發(fā)生并促進(jìn)牙齒再礦化[19]。與傳統(tǒng)的CaF2相比,CaF2NPs具有更大的比表面積、更強的氟化物釋放能力及抗菌能力[20]。Kulshrestha等[21]研究表明CaF2NPs可使口腔生物膜的形成和胞外多糖的產(chǎn)生分別減少89%和90%,同時可降低變形鏈球菌的產(chǎn)酸和耐酸能力;在動物實驗中CaF2NPs處理組的大鼠齲齒量顯著減少。

相比于傳統(tǒng)含氟黏結(jié)劑,與CaF2NPs復(fù)合的黏結(jié)劑具有更持久和更高水平的氟離子釋放能力,對依從性差的患者更友好。如Yi等[22]將CaF2NPs與傳統(tǒng)黏結(jié)劑結(jié)合研制了一種可以長期高水平釋放氟離子的正畸黏結(jié)劑,其氟離子釋放量是傳統(tǒng)樹脂改良型玻璃離子(resin-modified glass ionomer, RMGI)的1.8倍。在口腔黏結(jié)劑中添加抗菌納米顆?？赡軙︷そY(jié)強度產(chǎn)生負(fù)面影響[23],但Al Tuma等[12]研究顯示Transbond XT黏結(jié)劑在不同濃度CaF2NPs的作用下,剪切黏結(jié)強度、黏附殘余指數(shù)和細(xì)胞毒性并未發(fā)生改變。除此之外,CaF2NPs與其他抗菌材料相結(jié)合還可增強材料的抗菌性,Yi等[9]首次將CaF2NPs和甲基丙烯酸二甲基氨十六烷(dimethylaminohexadecyl methacrylate,DMAHDM)與RMGI復(fù)合,開發(fā)了一種新的正畸黏結(jié)樹脂;由于CaF2NPs能釋放出游離的氟離子而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離抗菌,相比于DMAHDM只能對所接觸的部位抗菌的特點,兩種抗菌劑的結(jié)合既擴大了黏結(jié)劑的抗菌范圍,又增強了材料的抗菌性。

正畸矯治結(jié)束后,有學(xué)者在生物膠膜里添加CaF2NPs,以期促進(jìn)牙齒表面再礦化,預(yù)防齲齒的發(fā)生[24],這種成膜的劑型可以很容易地在涂抹部位停留更長的時間且有利于向牙齒表面輸送CaF2NPs,從而有效地對抗牙齒白斑、齲齒等問題,克服了牙膏或其他傳統(tǒng)的口服給藥中氟化物作用時間不足的問題。綜上,將CaF2NPs引入正畸材料進(jìn)行改性具有多方面的優(yōu)勢及應(yīng)用潛能。

2.2 氟化鈣納米復(fù)合材料在牙周領(lǐng)域的研究

牙周組織由牙齦、牙周膜、牙槽骨及牙骨質(zhì)組成,牙周疾病既可表現(xiàn)為牙齦炎癥,也可表現(xiàn)為牙槽骨、牙周韌帶、牙骨質(zhì)及牙齦等多種牙周組織的損傷[25]。目前針對牙周病的治療方法主要有基礎(chǔ)治療(如牙周刮治術(shù),根面平整術(shù)等)和手術(shù)治療兩大類,這兩種治療方式雖能阻止牙周病的進(jìn)展但不能使受損的牙周組織修復(fù)或者再生。因此,如何使受損的牙周組織獲得良好的重建和再生一直是臨床上牙周病治療的熱點和難點[26]。

氟和鈣離子在促進(jìn)牙齒再礦化,促進(jìn)骨骼形成等方面發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)氟離子可以通過影響RANKL/OPG系統(tǒng)和指導(dǎo)BMP/Smads信號通路或抑制NFATc1基因表達(dá)而抑制破骨細(xì)胞活性來控制成骨細(xì)胞及骨吸收[27]。此外,有研究表明一種具有生物活性的CaF2基質(zhì)集成納米庫可促進(jìn)體內(nèi)骨缺損的再生[28],具有定向CaF2納米晶體的礦化膠原膜也可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖[29-30],這表明氟化鈣納米復(fù)合材料有促進(jìn)牙槽骨、牙骨質(zhì)等牙周組織的再生作用。Liu等[11]在CaF2NPs的生物相容性納米復(fù)合材料研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)納米復(fù)合材料中含有20%CaF2NPs時,牙周韌帶干細(xì)胞的成骨基因被上調(diào);此納米復(fù)合材料抗彎曲強度、彈性模量和硬度均超過了以往商用同類材料;該氟化鈣納米復(fù)合材料有望作為根齲充填材料,通過釋放氟和鈣離子而增強牙周韌帶干細(xì)胞的成骨和成牙骨質(zhì)能力,并促進(jìn)牙周組織再生。因此,氟化鈣納米復(fù)合材料的開發(fā)有望實現(xiàn)牙周組織再生治療。

2.3 氟化鈣納米復(fù)合材料在牙體修復(fù)領(lǐng)域的研究

繼發(fā)齲與修復(fù)體斷裂是牙體修復(fù)中的常見問題,傳統(tǒng)修復(fù)材料機械強度較弱,抗菌性不佳是導(dǎo)致上述問題的重要原因。將CaF2NPs引入修復(fù)材料中可以彌補傳統(tǒng)材料的不足。Weir等發(fā)現(xiàn)在玻璃離子中加入CaF2NPs后所得到的復(fù)合材料抗折強度是RMGI的5倍,在兩年后再次檢測發(fā)現(xiàn)其抗折強度仍比RMGI強3倍以上;用掃描電鏡觀察,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密無裂痕出現(xiàn)[31]。另一項關(guān)于CaF2NPs和DMAHDM聯(lián)合使用的研究顯示,添加15%CaF2NPs + 3%DMAHDM的復(fù)合材料組的抗彎強度和彈性模量與未添加組的復(fù)合材料相近,但是添加組的復(fù)合材料具有更強的抗菌性,更有利于防止修復(fù)后繼發(fā)齲的發(fā)生[32]。

牙科用CaF2NPs的制備方式目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。以往研究多采用一步法(共沉淀法、微乳液法、水熱處理、洗滌離心等)制備CaF2NPs,使用這些方法存在顆粒表面與溶劑之間相互作用的可能,進(jìn)而導(dǎo)致納米顆粒表面性質(zhì)的改變和固有的高反應(yīng)性的降低。相比之下,噴霧干燥技術(shù)則能更好地保持納米顆粒原始的、高度活性的表面。Dai等[33]首次采用兩步法(共沉淀+噴霧干燥)制備CaF2NPs,該方法制備的CaF2NPs尺寸范圍為22 ～ 57 nm,比以往研究中制備的納米顆粒尺寸小兩個數(shù)量級;將其摻入玻璃離子后檢測氟離子釋放率,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的氟離子累積釋放率比商用材料氟離子釋放率高65倍,長期觀察氟離子累積釋放率高77倍。該方法可為制備良好性能的牙科用CaF2NPs提供新的思路。

牙本質(zhì)黏結(jié)修復(fù)過程中,黏結(jié)劑常因在脫礦牙本質(zhì) (demineralized dentin,DD) 基質(zhì)中滲透不足而導(dǎo)致黏結(jié)強度下降。Xu等[34]在高度水合非膠原蛋白(noncollagenous protein,NCP)微環(huán)境表面通過快速原位誘導(dǎo)非晶態(tài)CaF2NPs的形成,將DD基質(zhì)重構(gòu)為一種新的多孔結(jié)構(gòu),顯著促進(jìn)了牙本質(zhì)黏結(jié)劑在DD基質(zhì)中的滲透,并賦予DD基質(zhì)在水分蒸發(fā)時的抗塌陷能力,12個月的黏結(jié)強度約為對照組的2倍,該研究表明CaF2NPs的存在可以增強牙本質(zhì)黏結(jié)修復(fù)的強度。同時,有多個研究[35-36]亦證實在牙本質(zhì)黏結(jié)劑中添加CaF2NPs后可增強黏結(jié)劑的固化效果與黏結(jié)強度。除此之外,Al Hamdan等[37]發(fā)現(xiàn),在實驗黏結(jié)劑(experimental adhesive, EA)中加入5%的CaF2NPs可以提高樁核與牙本質(zhì)的黏結(jié)強度。

口腔種植體的選擇不僅涉及生物相容性,還涉及良好的穩(wěn)定性。Ritwik等[38]在Ti6Al4V材料表面浸漬CaF2NPs涂層,通過力學(xué)性能評價、溶解行為和腐蝕行為以及生物相容性的研究發(fā)現(xiàn)CaF2NPs涂層的存在不僅有良好的生物相容性還能促進(jìn)更快的骨整合并提高種植體的穩(wěn)定性。CaF2NPs的生物相容性與鈦合金優(yōu)良的力學(xué)性能相結(jié)合,使其成為骨科及口腔種植材料的理想選擇。

2.4 氟化鈣納米復(fù)合材料在口腔頜面外科領(lǐng)域的研究

口腔腫瘤成像在腫瘤早期診斷和治療發(fā)揮著重要作用。CaF2NPs與鑭系離子摻雜形成的復(fù)合材料可以在不同的成像技術(shù)(如NIR-Ⅱ熒光/光聲/磁共振成像)中作為造影劑,實現(xiàn)1次注射即可應(yīng)對不同診斷方法的可能[39]。這種氟化鈣納米復(fù)合材料因具有良好的熒光特性和生物相容性在腫瘤靶向造影方面有廣泛的應(yīng)用前景。如Sasidharan等用檸檬酸穩(wěn)定的銪摻雜CaF2NPs作為口腔上皮癌細(xì)胞的靶向造影劑[40];也有學(xué)者將銪摻雜CaF2NPs用于骨肉瘤細(xì)胞的靶向造影以增強術(shù)后放療的療效[10]。此外,氟化鈣納米復(fù)合材料還能夠作為放療增敏劑,一種由摻雜鋱和銪的CaF2核、介孔二氧化硅殼和聚乙二醇涂層組成的材料被研究發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)X射線放射治療期間活性氧的產(chǎn)生,進(jìn)而增強放療的敏感性以減少對正常組織的損害[41]。

除了用于腫瘤的生物成像和輔助放療外,氟化鈣納米復(fù)合材料還可作為抗腫瘤藥物的載體。Yin等[42]在CaF2:Yb,Er核表面形成了一個原始的CaF2殼,以增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光(up-conversion luminescence,UCL)的強度。將這些水溶性堿性離子摻雜的CaF2上轉(zhuǎn)換納米粒子(up-conversion nanoparticles,UCNPs)轉(zhuǎn)移到親水性UCNPs后,發(fā)現(xiàn)此材料不僅有助于成像,還能與阿霉素結(jié)合并表現(xiàn)出良好的腫瘤細(xì)胞殺傷能力,因此可作為靶向化療藥物用于腫瘤的治療。將該種UCNPs系統(tǒng)與光動力療法整合不僅具有靶向治療、高效抗癌等優(yōu)勢,相比于傳統(tǒng)的光動力療法,UCNPs系統(tǒng)的介入還能夠?qū)Ω顚哟蔚哪[瘤進(jìn)行治療,并擴大治療范圍[43]。綜上所述,氟化鈣納米復(fù)合材料在腫瘤生物領(lǐng)域的研究與應(yīng)用可為口腔頜面部腫瘤的診斷及治療提供新的方法和策略。

預(yù)防感染也是影響口腔頜面外科手術(shù)成功的關(guān)鍵因素之一。研究表明,鑭系離子摻雜CaF2NPs并與生物蛋白聯(lián)合可用于對白念珠菌進(jìn)行標(biāo)記與成像,實驗結(jié)果顯示該方法具有較高的特異性,并且具有較好的成像質(zhì)量。該技術(shù)可應(yīng)用于診斷白念珠菌感染,進(jìn)而為患者術(shù)后感染的診斷及治療提供依據(jù)和指導(dǎo)[44]。

2.5 氟化鈣納米復(fù)合材料在其他口腔領(lǐng)域的研究

感染是創(chuàng)口愈合的不利因素。Jeong等[45]研制了一種基于透明質(zhì)酸的含CaF2NPs的復(fù)合水凝膠,研究顯示該復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出了良好的抗菌和促進(jìn)創(chuàng)面愈合能力,該氟化鈣納米復(fù)合水凝膠有作為具有抗菌性能和加速創(chuàng)面愈合能力的先進(jìn)水凝膠傷口敷料的巨大應(yīng)用潛力,可為口腔頜面部創(chuàng)傷、創(chuàng)傷性潰瘍等治療提供新策略。

許多研究也將CaF2NPs引入到窩溝封閉劑中以賦予其抗菌性。Swetha等[46]往窩溝封閉劑中加入1%的ZnO與CaF2納米顆?；旌衔?發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒后的封閉劑力學(xué)性能無改變并獲得了更強的抗致齲菌活性。Fei等[47]研制了一種添加5% DMAHDM和20% CaF2NPs的新型窩溝封閉劑,實驗結(jié)果表明該封閉劑釋氟量高于商業(yè)用的封閉劑,并具有更強的抗菌性。商用封閉劑作用下口腔生物膜pH值為4.7,易使牙釉質(zhì)脫礦,而新型窩溝封閉劑可使生物膜pH值提高至6.8。這些氟化鈣納米復(fù)合材料彌補了傳統(tǒng)封閉劑的抗菌性能的不足并有望預(yù)防窩溝封閉后邊緣封閉不足等導(dǎo)致的齲齒產(chǎn)生。

3 總結(jié)與展望

綜上,氟化鈣納米復(fù)合材料具有多種性能且在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用潛力。但在正畸、修復(fù)等領(lǐng)域目前的研究多集中于使用CaF2NPs對黏結(jié)劑、樹脂、種植體表面等進(jìn)行改性,而對于正畸弓絲、托槽、嵌體等材料表面改性的研究尚無報道。研究者們對復(fù)合材料各種性能于口內(nèi)的持續(xù)性和穩(wěn)定性的研究較少,研究也多局限于細(xì)胞和動物層面。此外,關(guān)于氟化鈣納米復(fù)合材料在口內(nèi)使用壽命的研究較為缺乏。這些都是值得關(guān)注的研究方向。

納米材料雖比表面積大并具有較好的理化性能,但在臨床實際應(yīng)用上仍然存在一定的安全問題。有研究發(fā)現(xiàn)口腔納米材料可通過包括體表及黏膜接觸、消化道吸收等多種途徑進(jìn)入血液中,并最終沉積于組織器官內(nèi),對人體造成如神經(jīng)毒性,胚胎致畸等不良影響[48-49]。目前關(guān)于氟化鈣納米復(fù)合材料生物相容性的研究多局限于細(xì)胞實驗層面,在臨床實際應(yīng)用中對人體的毒性仍需進(jìn)一步地評估。如何制備出最適應(yīng)口腔臨床使用的CaF2NPs,CaF2NPs與其他材料如何混合及配比能有更好的性能仍是待解決的問題。這些不足及問題均有待于進(jìn)一步的研究和探索,以期為拓寬氟化鈣納米復(fù)合材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用提供更多的理論基礎(chǔ)和研究支持。

所有作者聲明不存在利益沖突