牙科微納塑料概念的提出

衣穎杰 吳國鋒

微塑料(microplastics,MPs)與微納塑料[micro(nano)plastics,MNPs]概念的提出始于《Science》雜志上一篇(2004 年)[1]關(guān)于海洋塑料碎片垃圾的報道,近十年來相關(guān)研究持續(xù)升溫尤其是與人體健康效應關(guān)系的論文發(fā)表量迅增[2]。2021 年《Science》雜志刊文(“Microplastics and human health”)[3]指出現(xiàn)階段對于人體內(nèi)微納塑料暴露的認識仍處于初始階段(原文為“…Notably,internal exposure measurements of plastic particles in human body fluids and tissues are still in their infancy.… ”),呼吁全球關(guān)注這一問題。2022年國內(nèi)外不同研究團隊連續(xù)報道了分別在人體血液、乳汁甚至胎盤、血栓等[4-5]中均檢出了微納塑料顆粒,更加引發(fā)了國際上對微納塑料危害人體健康安全的擔憂。微納塑料污染已被聯(lián)合國環(huán)境大會列為全球重大環(huán)境治理問題[6]。

迄今為止國內(nèi)尚未有牙科微納塑料概念的提出,同時該類微納塑料與人體健康效應研究也基本空白。值得指出的是,高分子材料在臨床上應用極其廣泛,例如牙科復合樹脂、粘接劑、基托樹脂和人工樹脂牙等。有文獻報道[7]2015 年全球約有8億顆牙齒進行了牙科復合樹脂充填治療,如假設每個牙科充填體的平均重量為0.3 g,可估算出當年多達約240 噸牙科塑料被放置于患者口腔內(nèi)長期使用。世界衛(wèi)生組織(WHO)2022 年也新報道了全球約有25億人有齲齒需要治療[8]。但是,牙科復合樹脂摻雜了無機填料、引發(fā)系統(tǒng)、阻聚劑和顏料等復雜成分[9],在口腔環(huán)境下會受咬合應力作用磨損生成微納塑料顆粒暴露于人體內(nèi),但具體機理不明。因此,該文提出牙科微納塑料的概念并簡要介紹了其人體暴露途徑、采樣分析方法及對人體健康效應的可能影響,希望以此引發(fā)對牙科微納塑料的重視,推動其與人體健康效應的研究工作。

1 微納塑料的概念

MPs最初定義是指直徑小于5 mm的塑料碎屑[10],2004 年英國學者Thompson[1]最早提出MPs概念時僅用于描述海水中塑料污染問題,后來隨著研究技術(shù)的發(fā)展和研究程度的深入,學者們發(fā)現(xiàn)尺寸更小的亞微米塑料(100 nm～1 μm) 和納米塑料(1～100 nm)的數(shù)量更多、與人體健康關(guān)系更為密切,故在此基礎上學者開始逐漸使用更為準確的MNPs概念[2,11-12]。大量科學研究證實了MNPs在全球水體、陸地和大氣生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在[13],并可由食物鏈上的動植物攝食和遷移,致使包括人類在內(nèi)的上千種物種活體中均檢出MNPs[3],由此引發(fā)全球?qū)τ贛NPs生物健康安全的高度關(guān)注,有學者形容MNPs既是危害地球環(huán)境的“微形殺手”,更是危害生物安全的“慢性殺手”[14-15]。

世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)按來源又將MNPs分成初生微納塑料(primary MNPs)和次生微納塑料(secondary MNPs)[16],前者是由工業(yè)化生產(chǎn)直接而來的塑料制品(例如生活中洗面奶、牙膏等個人護理用品中常添加的納米級塑料微珠[17-18]),后者則是由大的塑料成品(例如飲料瓶或一次性餐盒)在各種因素作用下產(chǎn)生的污染物。MNPs粒徑小(常為微米或亞微米級)、形態(tài)多樣(顆粒、碎片、纖維等)、生物可降解性低,可作為多種病原體、金屬、抗生素和有毒化學物質(zhì)的載體[14],許多研究證據(jù)已證明MNPs積累于生物體內(nèi)時會造成腸道菌群紊亂、基因表達失調(diào)、免疫毒性及生殖缺陷等健康問題[3,19-20]。目前關(guān)于MNPs對人體健康的系統(tǒng)影響尚不清楚,迫切需要盡快系統(tǒng)開展關(guān)于MNPs在人體內(nèi)的暴露機理、遷移規(guī)律和人體健康效應的研究。

2 牙科微納塑料的概念

在制作過程中或口腔內(nèi)使用過程中產(chǎn)生的微米、亞微米及納米尺度的高分子材料顆粒[7]。牙科微納塑料既可能是在治療過程中產(chǎn)生(例如醫(yī)師調(diào)磨義齒等)、也會在患者接受治療之后長期逐漸產(chǎn)生(例如進食導致材料磨損等),影響人群包括口腔醫(yī)護技人員和接受治療的患者。

牙科微納塑料主要表現(xiàn)為次生MNPs,臨床概括起來主要有“四種類型”牙科高分子材料產(chǎn)生MNPs:A:牙科復合樹脂(用于牙體缺損直接充填修復);B:成品人工樹脂牙/義齒基托樹脂(用于活動/全口義齒修復);C:窩溝封閉材料(用于年輕恒牙防齲保護);D:牙科粘接材料(用于固定義齒、正畸托槽等固定)。前兩類材料臨床用量最大,不同類型高分子材料的質(zhì)含量(如A類約為20%～40%,B類高達80%以上)、理化性能(強度、硬度、耐磨損性能等)差異顯著[9],會直接影響牙科MNPs顆粒的暴露水平(大小、速度、數(shù)量)和體內(nèi)遷移。

牙科MNPs通過“三個途徑”進入人體內(nèi)(經(jīng)口、經(jīng)鼻、經(jīng)皮膚/粘膜)(圖1),其中經(jīng)口腔進入消化系統(tǒng)是其主要暴露途徑?？谇画h(huán)境下食物、唾液、共生菌群、咬合應力等多因素長時間(數(shù)年甚至十余年[21])作用于牙科高分子材料,使其以磨損脫落和浸泡釋放“兩種方式”暴露生成大量牙科MNPs,臨床上當存在病理性咬合行為(例如夜磨牙)可能會加速牙科材料磨損產(chǎn)生更多MNPs。目前尚缺乏專門研究解答下面科學問題:不同牙科材料來源的MNPs在人體內(nèi)的暴露行為有無不同、劑量多少、形態(tài)如何、遷移至口腔甚至經(jīng)吞咽后會不會影響唾液/腸道菌群平衡等。

圖1 牙科微納塑料的3 種暴露途徑

3 微納塑料的采樣分析方法

現(xiàn)有文獻中報道了許多從環(huán)境水體、土壤和大氣中采集MNPs樣本的有效方法[22],卻不適用于人體內(nèi)牙科MNPs的醫(yī)學研究。咬合磨損行為是導致牙科MNPs釋放的特殊方式,因此需要真實模擬人咬合磨損過程才能準確獲取牙科MNPs樣本。以往文獻中牙科高分子材料摩擦學研究使用到的機械模擬裝置(如刷牙模擬裝置[23]、二體磨損實驗機[24]、三體磨損實驗機[25])源自工業(yè)化標準設計產(chǎn)品,并不能真實復現(xiàn)口腔內(nèi)咬合磨損行為。

牙科MNPs樣本分析研究需要準確獲取粒徑尺寸、微觀形貌以及聚合物類型三方面關(guān)鍵信息,目前主要采用體外分析方法進行(如目視分析法、紅外光譜、和熱裂解分析法等[22])。目視分析法一般用于觀察毫米級微納塑料的形態(tài)大小,激光直接紅外成像技術(shù)(LDIR)可以對20 μm粒徑以上的微納塑料聚合物類型和豐度進行無創(chuàng)快速測量,有學者使用了光學光熱紅外(O-PTIR)顯微光譜成像技術(shù)成功建立了微納塑料表面亞微米尺度化學變化表征方法[12],而對于更小粒徑的MNPs則只能通過熱裂解分析法(缺點是需要破壞樣本)檢測。作者在前期研究中利用LDIR技術(shù)觀察到臨床佩戴夜磨牙樹脂牙合板志愿者的唾液中的確存在MMA/PMMA牙科MNPs,約75%的樣本粒徑范圍集中在20～100 μm(圖2)。目前微納塑料的活體內(nèi)遷移和健康效應研究剛剛起步,尚缺乏可靠方法對MNPs進行標記示蹤。

圖2 本佩戴夜磨牙樹脂板志愿者唾液中的微納塑料粒徑分布情況

4 牙科微納塑料與人體健康效應

4.1 “內(nèi)釋外附”雙重效應

現(xiàn)有研究表明牙科高分子材料臨床上雖經(jīng)固化處理但內(nèi)部仍含有害添加劑(例如雙酚A,BPA)及未聚合單體(約為30%～50%)[26],當其受到咬合應力作用時表層材料不斷被磨除,內(nèi)部的有害物質(zhì)會不斷被暴露并進入口腔環(huán)境[27]。作者課題組前期工作已證實牙科粘接材料會浸泡釋放出未聚合單體,且對人牙周成纖維細胞具有顯著細胞毒性[28],BPA等也被證明具有內(nèi)分泌干擾作用和其他毒性[29]。

前期研究中作者也觀察到牙科MNPs大小為微米級甚至亞微米級,因此其比表面積大且系疏水性表面,具備較強從周圍環(huán)境中吸附有害物質(zhì)(微生物炎性介質(zhì)、重金屬等)的能力。最近文獻報道也觀察到MNPs為微生物提供了附著的內(nèi)核和生態(tài)位現(xiàn)象,使得微生物在其表面生長定殖形成生物膜,并將這種新的人造生態(tài)系統(tǒng)稱之為塑料圈(Plastisphere)[30]。國內(nèi)外許多文獻早已報道了海洋塑料圈中微生物群落(細菌、真菌、病毒和藻類等)的富集和演替現(xiàn)象[31],探索了微生物群落內(nèi)部的交互作用、代謝能力以及微生物群落如何影響周圍環(huán)境,但是來源自牙科高分子材料的MNPs是否存在塑料圈以及其表面形貌等尚不清楚。

口腔材料的生物安全性是保證材料臨床應用安全性的重要保障之一[27]。關(guān)于其生物安全性的評價在國際標準化組織(International:Standard Organization,ISO)頒布的標準、國家頒布的標準(GB)、醫(yī)藥行業(yè)頒布的標準(YY)等中均有關(guān)于全身毒性試驗等的評價方式,如實驗動物口服、靜脈輸入等方式,關(guān)于微納塑料產(chǎn)物的生物安全性和人體健康效應亦可借鑒相關(guān)標準評價方式,對目前已廣泛應用的口腔高分子材料進行微納塑料的安全性驗證,并推動完善未來高分子材料研發(fā)與評價方式。

4.2 微納塑料體內(nèi)遷移路徑

經(jīng)口腔進入消化系統(tǒng)是人體接觸微納塑料最重要的途徑。2017 年之前學者們就關(guān)注到MNPs在生態(tài)食物鏈中存在遷移傳遞現(xiàn)象(如“水體→貝類→魚類→人類→水體”、“土壤→植物→動物→人類→土壤”等)[2,15],指出人類位于食物鏈頂端存在較高風險體內(nèi)攝入環(huán)境中的MNPs。Oluniyi等[32]觀察到塑料飲料瓶和外賣餐盒等會釋放出MNPs進入人體內(nèi)遷移,并估算出全球每年至少約有188 噸源自食品塑料容器的MNPs進入人體內(nèi)或排放到環(huán)境中。近三年來更多研究報道了周圍環(huán)境來源的MNPs在人體體內(nèi)遷移排出的結(jié)果(即糞便中MNPs檢出情況),例如南京大學環(huán)境學院Zhang[20]在人糞便中檢出15 種類型的MNPs,其中聚對苯二甲酸乙二醇酯(22.3%～34.0%)和聚酰胺(8.9%～12.4%)占比較高,形貌類型為片狀和纖維狀。MNPs還可能遷移至人循環(huán)系統(tǒng)中,2022年荷蘭學者首次證實在人類血液中發(fā)現(xiàn)了微納塑料[4],Wu等[5]在人活體血栓中檢出了MNPs顆粒并懷疑其與血栓形成有關(guān)。因而,人們越來越高度關(guān)注MNPs在人體內(nèi)的遷移路徑和轉(zhuǎn)歸行為。

與環(huán)境來源的普通塑料不同之處在于,牙科高分子材料在人體口腔內(nèi)長期存在(數(shù)年甚至十余年)、用量較大(例如活動義齒重達約十余克),并受咬合磨損作用下不間斷磨損釋出MNPs?？谇蛔鳛檠揽芃NPs進入人體的原發(fā)現(xiàn)場,顆粒有可能通過唾液遷移至牙齒和牙齦表面甚至長期存在,也會經(jīng)吞咽遠處遷移至人體胃腸。牙科塑料的主要成分多為聚甲基丙烯酸樹脂(PMMA),但在Zhang的研究中報道中正常人糞便中檢出極少(含量僅位列全部15 種MNPs中的第11位)。本課題組預實驗中發(fā)現(xiàn)在長期佩戴活動義齒患者口內(nèi)余留天然牙牙石中檢測出了高含量的PMMA成分(圖3),首次提供了牙科MNPs在口腔內(nèi)長期存在的證據(jù),至于其進入胃腸道后如何遷移、是否全部或部分被排泄出尚待后續(xù)研究。

圖3 長期佩戴活動義齒患者天然牙牙石的微納塑料相對豐度

綜上所述,微納塑料污染問題已成為全球關(guān)注的健康問題和環(huán)境問題,口腔醫(yī)學領(lǐng)域的牙科微納塑料污染問題應值得同行高度關(guān)注。牙科領(lǐng)域塑料材料的應用十分廣泛,患者在接受治療后長期使用牙科高分子材料有可能持續(xù)攝入牙科微納塑料,而目前對于牙科微納塑料的問題尚缺乏系統(tǒng)性研究,例如對于牙科微納塑料發(fā)生機制的模擬、牙科微納塑料進入人體的機制以及其口腔疾病、全身系統(tǒng)疾病是否存在關(guān)聯(lián)等等亟待深入探索研究。