殼聚糖及其衍生物在牙本質(zhì)粘接修復(fù)中的研究進(jìn)展

關(guān)嵐曦,蔡 辰,黃雨婷,李 陽,江千舟

牙本質(zhì)粘接修復(fù)時(shí),磷酸或粘接劑中的酸性單體使牙本質(zhì)發(fā)生脫礦。粘接劑樹脂滲透進(jìn)入蓬松多孔的三維膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,包裹裸露的膠原纖維形成混合層,它為牙本質(zhì)粘接提供微機(jī)械固位力[1]?；旌蠈邮菦Q定牙本質(zhì)粘接修復(fù)成敗的重要因素,也是牙本質(zhì)-樹脂粘接界面的薄弱環(huán)節(jié)[2]。研究表明若粘接劑無法完全滲透進(jìn)入脫礦膠原纖維網(wǎng)底部和膠原纖維的空隙內(nèi)[3-5],裸露的膠原纖維在殘留水分提供的濕潤環(huán)境下,極易受到內(nèi)源性蛋白酶的水解,使得混合層的完整性被破壞,導(dǎo)致微滲漏的發(fā)生[1,5],最終影響牙本質(zhì)粘接的耐久性[6]。因此,近年來有學(xué)者提出利用外源性膠原交聯(lián)劑進(jìn)行牙本質(zhì)生物改性?？梢栽鰪?qiáng)膠原纖維網(wǎng)機(jī)械性能,同時(shí)控制細(xì)胞外基質(zhì)生物降解[7-9],提高牙本質(zhì)-樹脂粘接界面的耐久性。殼聚糖及其衍生物作為天然交聯(lián)劑,被認(rèn)為有助于提高牙本質(zhì)-樹脂間的粘接效果,具有良好的應(yīng)用前景,為臨床新材料研發(fā)提供了新方向。本文對殼聚糖及其衍生物其在牙本質(zhì)粘接修復(fù)中的作用及其改善牙本質(zhì)粘接效果的作用機(jī)制作一綜述。

1 殼聚糖及其衍生物的特性

1.1 分子特性及溶解性

殼聚糖(聚-2-氨基-2-脫氧-8-D-葡萄糖)是一種天然直鏈多糖,由甲殼素脫乙酰而得。甲殼素源于甲殼動(dòng)物外殼、昆蟲表皮和真菌細(xì)胞壁[10-11],是自然界中僅次于纖維素外最廣泛存在的生物聚合物[12],具有低成本、低細(xì)胞毒性等特點(diǎn)[13]。脫乙酰度和分子質(zhì)量(molecular weight,MW)是影響殼聚糖生物活性的重要因素,脫乙酰度越大或分子質(zhì)量越小,則殼聚糖的生物活性越強(qiáng)且水溶性越大[12,14]。由于殼聚糖微溶于水而易溶于有機(jī)酸,臨床常用醋酸溶液溶解殼聚糖[12]。

殼聚糖含有易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性官能團(tuán),對殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性可以得到殼聚糖衍生物[15]。常見的殼聚糖衍生物包括季銨化殼聚糖、羧基化殼聚糖、?；瘹ぞ厶?、糖?；瘹ぞ厶堑萚16]。通過對殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性,引入功能基團(tuán)或金屬納米粒子形成殼聚糖衍生物,可以改善殼聚糖的物理、化學(xué)性質(zhì),滿足特定研究領(lǐng)域的特殊性能要求。如通過殼聚糖的羧甲基化而獲得的羧甲基殼聚糖具有較高的pH敏感性、溶解性、可吸收性和可降解性,在藥物控釋過程中可用作高效的藥物輸送載體[16]。殼聚糖的氨基和羥基與有機(jī)酸或酸酐、酰氯等反應(yīng)生成的季銨鹽殼聚糖作為免疫增強(qiáng)劑可以促進(jìn)體液免疫和細(xì)胞免疫,利用其制作的疫苗具有毒性低、安全性好的特點(diǎn)[17]。

1.2 螯合性能

殼聚糖及其衍生物具有良好的螯合性能[11],在酸性條件下對不同的金屬離子(包括Ni2+、Zn2+、Co2+、Fe2+、Mg2+、Cu2+)具有較強(qiáng)的螯合能力,在不同領(lǐng)域中被用于金屬離子的去除或回收[18]。殼聚糖的螯合性能主要依靠氨基上的氮原子與金屬陽離子發(fā)生反應(yīng)來體現(xiàn)。由于在弱酸或酸性環(huán)境下氮元素上的自由電子才可與金屬離子發(fā)生反應(yīng)[19],因此溶液的pH值會影響殼聚糖的可進(jìn)行螯合作用的氨基數(shù)量,進(jìn)而影響其螯合能力。殼聚糖與金屬離子發(fā)生螯合作用的模式可分為:①“橋”模型,1個(gè)金屬離子與殼聚糖多個(gè)氨基發(fā)生配位,其中氨基來自相同或不同聚合鏈的不同氨基葡萄糖單位;②“吊墜”模型,1個(gè)金屬離子僅與1個(gè)殼聚糖氨基發(fā)生配位[19-20]。殼聚糖的螯合性能已在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用,例如在根管預(yù)備時(shí),殼聚糖可通過與羥基磷灰石中的鈣離子形成絡(luò)合物從而去除玷污層中的牙本質(zhì)碎屑等無機(jī)組織[21]。Zhou等[22]研究表明,利用0.2%殼聚糖溶液進(jìn)行根管沖洗可以去除根管內(nèi)絕大多數(shù)的玷污層和牙體硬組織碎屑,使大部分牙本質(zhì)小管口呈開放狀態(tài)。

1.3 抑菌性能

殼聚糖及其衍生物具有良好的抑菌性能[23],對細(xì)菌、真菌、病毒等病原微生物具有廣泛的抑菌活性[20,23-24]。殼聚糖及其衍生物的抑菌機(jī)制可能為:①靜電作用,殼聚糖C-2位上的氨基在pH<6時(shí)帶正電,可以通過靜電吸引與帶負(fù)電的細(xì)菌壁或細(xì)胞膜發(fā)生結(jié)合[13,25],導(dǎo)致細(xì)菌膜的滲透性和屏障性能受到損害,細(xì)菌內(nèi)容物漏出而致死[10,26],同時(shí)可以阻斷細(xì)菌與外界的物質(zhì)交換通道,抑制菌體生長[27];②抑制RNA和蛋白質(zhì)的合成,低分子質(zhì)量的殼聚糖可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部與病原體的DNA或RNA結(jié)合,阻礙DNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成,以此達(dá)到抑菌的效果[25-27];③金屬離子螯合作用,具有螯合性能的殼聚糖及其衍生物可以與病原微生物細(xì)胞中的金屬離子和營養(yǎng)物質(zhì)中的微量元素發(fā)生螯合,抑制細(xì)胞的生長代謝[25-27]。

殼聚糖的抑菌性能和抑菌模式受到多重因素的影響。內(nèi)源性因素包括:殼聚糖的來源、濃度、相對分子質(zhì)量、脫乙酰度等。外源性因素包括:環(huán)境pH值、微生物的種類、溫度等[20]。Gu等[28]的研究表明,1%高分子(MW>40 ku)殼聚糖對變異鏈球菌、放線菌和糞腸球菌的活性均有抑制作用。Stenhagen等[29]的研究表明,0.025%和0.050%的殼聚糖溶液均可減少變異鏈球菌生物膜的形成,且0.050%的殼聚糖溶液抑菌效果更強(qiáng)。Machado等[13]比較了殼聚糖及其一種衍生物(三氯生-殼聚糖)的抑菌效果,結(jié)果顯示殼聚糖組未能減少菌斑生物膜的生成。這可能是由于該實(shí)驗(yàn)中殼聚糖以粉末形式直接加入粘接劑,而殼聚糖需要以有機(jī)酸作為溶劑以激活其氨基并發(fā)揮抑菌作用。三氯生-殼聚糖組在粘接即刻及6個(gè)月后均有良好的抑菌效果,且5%濃度組的抑菌效果明顯優(yōu)于2%組,表明三氯生-殼聚糖的抑菌效果可能與濃度有關(guān)。

體外實(shí)驗(yàn)已證實(shí)殼聚糖及其衍生物有較強(qiáng)的抑菌性能。然而其在臨床實(shí)踐中的可行性,即作為抑菌劑應(yīng)用于牙本質(zhì)粘接過程以減少或抑制繼發(fā)齲發(fā)生,需要更多臨床試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 殼聚糖及其衍生物在牙本質(zhì)粘接修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 作為牙本質(zhì)粘接預(yù)處理劑

殼聚糖及其衍生物可以作為預(yù)處理劑,配合全酸蝕粘接系統(tǒng)或自酸蝕粘接系統(tǒng)進(jìn)行牙本質(zhì)濕粘接[30-31]、干粘接[28]或乙醇濕粘接[32]。殼聚糖及其衍生物溶液作為預(yù)處理劑,可以增強(qiáng)牙本質(zhì)粘接強(qiáng)度[31],抑制牙本質(zhì)內(nèi)源性蛋白酶的活性[33],進(jìn)而增強(qiáng)牙本質(zhì)粘接界面的穩(wěn)定性。然而,目前關(guān)于殼聚糖及其衍生物的使用濃度、預(yù)處理時(shí)間、沖洗方式等因素對臨床效果的影響仍少見文獻(xiàn)報(bào)道,其臨床操作的流程及參數(shù)有待統(tǒng)一規(guī)范。

2.2 與粘接劑混合應(yīng)用

殼聚糖及其衍生物也可以與全酸蝕或自酸蝕粘接劑混合使用,不影響臨床常用的牙本質(zhì)粘接修復(fù)流程,較為簡易方便。Neves等[34]的研究表明,將殼聚糖納米粒子加入粘接劑后,粘接強(qiáng)度沒有出現(xiàn)明顯的下降,且具有優(yōu)異的抑菌性能和抑酶性能。Stenhagen等[29]研究表明,將殼聚糖的一種衍生物(丙烯酸甲酯殼聚糖)加入粘接劑中進(jìn)行牙本質(zhì)粘接修復(fù),牙本質(zhì)粘接強(qiáng)度與對照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而將其加入復(fù)合樹脂進(jìn)行粘接后所得的粘接強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯下降。

3 殼聚糖及其衍生物改善牙本質(zhì)粘接效果的機(jī)制

3.1 通過交聯(lián)作用增強(qiáng)牙本質(zhì)膠原纖維的機(jī)械性能

粘接過程中,牙本質(zhì)脫礦會造成Ⅰ型膠原纖維的裸露,形成脫礦牙本質(zhì)基質(zhì)(demineralized dentin matrix,DDM),力學(xué)性能顯著下降。若混合層未被樹脂浸潤,在咬合負(fù)荷下易被破壞,導(dǎo)致牙本質(zhì)粘接修復(fù)的失敗[35]。殼聚糖是一種天然化學(xué)交聯(lián)劑,可與牙本質(zhì)膠原纖維發(fā)生交聯(lián)作用,即通過其富含的大量游離羥基與氨基和牙本質(zhì)纖維產(chǎn)生纖維內(nèi)或纖維間的共價(jià)結(jié)合[33]。形成的微納米纖維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可使處理后的膠原纖維的生物力學(xué)特性得到增強(qiáng)[33,36-38],同時(shí),牙本質(zhì)拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率、彈性模量等物理性能得到提升,樹脂-牙本質(zhì)界面的壽命得到延長[39]。

Almeida Curylofo-Zotti等[40]研究表明,在激光或高速渦輪機(jī)處理后進(jìn)行綠茶殼聚糖納米粒子處理,可以使皮革樣牙本質(zhì)的顯微硬度得到顯著增強(qiáng)。Mohamed等[41]研究表明,殼聚糖納米粒子的應(yīng)用可以提升牙本質(zhì)-樹脂修復(fù)體的即刻微拉伸強(qiáng)度,且在粘接后3個(gè)月和6個(gè)月后均維持在較高水平。Paschoini等[31]研究表明,使用2.5%殼聚糖溶液作為預(yù)處理劑應(yīng)用于全酸蝕粘接或自酸蝕粘接時(shí),均可提升牙本質(zhì)-樹脂修復(fù)體的即刻微拉伸強(qiáng)度,且在粘接后6個(gè)月微拉伸粘接強(qiáng)度沒有出現(xiàn)下降。然而,Baena等[30]研究表明,使用0.1%殼聚糖作為預(yù)處理劑應(yīng)用于全酸蝕粘接或自酸蝕粘接時(shí),牙本質(zhì)-樹脂修復(fù)體的即刻和熱循環(huán)后的微拉伸強(qiáng)度相對對照組均沒有出現(xiàn)提高。此種差異的出現(xiàn)可能與使用不同殼聚糖溶液濃度、溶劑及不同的粘接系統(tǒng)有關(guān)。

3.2 抑制內(nèi)源性蛋白酶活性,增強(qiáng)牙本質(zhì)膠原纖維的抗酶解性能

內(nèi)源性蛋白酶主要以酶原的形式存在于礦化的牙本質(zhì)基質(zhì)中,當(dāng)?shù)V物質(zhì)被酸性單體溶解時(shí)酶原會被激活[6,33]。內(nèi)源性蛋白酶包括基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)和半胱氨酸組織蛋白酶(cysteine cathepsins,CC)。MMP和CC在牙本質(zhì)基質(zhì)降解中發(fā)揮重要作用[35,42],降低牙本質(zhì)-樹脂界面穩(wěn)定性。因此,抑制MMP對膠原纖維的降解有利于提升牙本質(zhì)混合層的完整性并減少微滲漏的發(fā)生[30],從而提高牙本質(zhì)-樹脂粘接界面的耐久性。殼聚糖可通過直接抑制內(nèi)源性蛋白酶的活性或通過增強(qiáng)牙本質(zhì)交聯(lián)度間接避免內(nèi)源性蛋白酶對牙本質(zhì)-樹脂界面的水解。殼聚糖及其衍生物抑制內(nèi)源性蛋白酶的機(jī)制可能為:殼聚糖及其衍生物與酶的(非)催化區(qū)的氨基酸發(fā)生交聯(lián),引起酶的三維結(jié)構(gòu)的不可逆改變,削弱酶識別和裂解底物的能力[30,33,43]。此外,在殼聚糖與牙本質(zhì)膠原纖維形成分子內(nèi)或分子間共價(jià)鍵時(shí),膠原纖維分子間的交聯(lián)度提高,使得膠原纖維與酶的結(jié)合位點(diǎn)被隱藏,阻礙了酶與牙本質(zhì)膠原纖維的結(jié)合[6],從而提升了膠原纖維對酶解的抗性[2,31,38,43]。

有研究表明,0.1%的殼聚糖溶液在原位酶譜實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出較強(qiáng)的牙本質(zhì)內(nèi)源性酶活性抑制能力;可抑制牙本質(zhì)粉末中MMP-2和MMP-9的活性[33]。但也有研究發(fā)現(xiàn),0.1%的殼聚糖溶液作為預(yù)處理劑應(yīng)用在牙本質(zhì)粘接時(shí),MMP的活性沒有得到明顯的抑制,也沒有改善即刻或熱循環(huán)后的粘接強(qiáng)度[30]。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是粘接系統(tǒng)中的酸性單體會重新激活內(nèi)源性蛋白酶,或粘接系統(tǒng)與殼聚糖之間的相互作用削弱了殼聚糖的抑酶作用[30]。值得注意的是,交聯(lián)作用的發(fā)生受限于牙本質(zhì)膠原纖維特定的氨基酸種類和數(shù)量。當(dāng)交聯(lián)劑與全部特定氨基酸結(jié)合后,交聯(lián)劑提升牙本質(zhì)膠原纖維的機(jī)械性能和抗水解性能的作用會停止,而被激活的內(nèi)源性蛋白酶仍可發(fā)生酶解作用[35]。殼聚糖集交聯(lián)劑與膠原酶抑制劑的功效于一體,在交聯(lián)作用失效后仍能保護(hù)膠原纖維不被膠原酶降解破壞,因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 大分子殼聚糖在選擇性纖維外脫礦技術(shù)中的應(yīng)用

纖維外脫礦技術(shù)是由Mai等[3]提出的新型牙本質(zhì)粘接技術(shù)。其原理為:牙本質(zhì)中的Ⅰ型膠原纖維具有分子篩效應(yīng),使得分子質(zhì)量>40 ku的螯合劑無法進(jìn)入膠原纖維內(nèi)空隙[44]。因此,大分子螯合劑可以選擇性地通過脫礦僅去除膠原纖維外的磷灰石晶體,從根本上避免了膠原纖維內(nèi)晶體脫礦造成的MMPs激活及膠原纖維結(jié)構(gòu)破壞[3,45-47]。多項(xiàng)研究證實(shí)高分子(MW>40 ku)殼聚糖或殼聚糖衍生物作為鈣離子螯合劑可實(shí)現(xiàn)選擇性纖維外脫礦,使膠原纖維保持直立蓬松的形貌并阻止混合層內(nèi)MMP的暴露及活化[28,32,44,48]。此外,使用殼聚糖進(jìn)行纖維外脫礦使干粘接的操作流程得以實(shí)現(xiàn),從而進(jìn)一步減少樹脂水解及MMP活化的風(fēng)險(xiǎn),避免粘接的技術(shù)敏感性問題[3]。

4 總結(jié)與展望

綜上,殼聚糖及其衍生物因其具有良好的生物相容性、溶解性、抑菌性、螯合性及抑制內(nèi)源性蛋白酶活性之作用,且其降解產(chǎn)物對人體無害,在醫(yī)療領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用日益廣泛、成熟。殼聚糖及其衍生物可通過提升膠原纖維的機(jī)械性能、抑制酶解和抑制粘接界面細(xì)菌的活性達(dá)到提升牙本質(zhì)粘接的效果。此外,大分子量殼聚糖及其衍生物可對牙本質(zhì)進(jìn)行纖維外脫礦,從而使牙本質(zhì)干粘接成為可能。殼聚糖及其衍生物的臨床應(yīng)用效果受多種因素影響,如粘接系統(tǒng)、粘接流程的選擇及殼聚糖衍生物種類、濃度、處理時(shí)間等。不同因素對其作用效果的影響仍需進(jìn)一步研究以為臨床實(shí)踐提供參考。