鈣硅基生物材料的抗菌性能及在根管感染控制中的研究進展

冷迪雅，李 謹，朱慶萍，吳大明

鈣硅基生物材料(calcium silicate cements，CSCs)含有Ca和Si，具有良好的理化性能、生物相容性和誘導骨再生的能力，在醫療領域中得到了廣泛的關注。CSCs釋放Ca2+和Si4+顯著升高溶液的pH值[1]，產生抗菌性能。介孔CSCs比傳統的CSCs有更高的比表面積/體積、可控的孔隙率，能夠有效加載藥物、蛋白和生長因子，顯著增強了抗菌性和生物活性。納米CSCs能生成活性氧(reactive oxygen species，ROS)[2]，抗菌性提高且不易出現細菌耐藥性，對銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa，P.aeruginosa)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，S.aureus)和大腸桿菌(Escherichiacoli，E.coli)等耐藥菌都顯示出良好的抗菌效果。本文就代表性CSCs的抗菌性及在根管感染控制中的研究進展進行綜述。

1 三氧化物聚合物(mineral trioxide aggregate, MTA)

MTA主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、氧化鉍，以及少量鐵和鋁元素組成，能夠誘導硬組織生成并形成理想的根尖封閉。1993年，Lee等[3]首次將MTA應用于根管側穿的修復，目前已廣泛應用于蓋髓術、牙髓切斷術、根尖誘導成形術、穿孔修補和根尖屏障等牙髓治療中。

MTA與組織液或水接觸釋放Ca2+和OH-，提高溶液pH值，從而破壞細胞質膜和DNA，導致蛋白變性并殺死細菌[4]。MTA連續釋放氫氧化鈣(Ca(OH)2，CH)，維持強堿性環境，對變形鏈球菌(Streptococcusmutans，S.mutans)和S.aureus等都有良好的抗菌作用[5]。Shin等[6]認為MTA的抗菌性可能與新鮮混合狀態下離子的擴散和pH值的升高有關，而在凝固狀態下MTA對兼性厭氧菌(如S.mutans)和厭氧菌(如牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis，P.gingivalis))等都無抗菌性。MTA對白色念珠菌(Candidaalbicans，C.albicans)的抗真菌作用具有濃度依賴性，高濃度MTA的抗真菌性能維持較長時間而低濃度則無抗真菌性[7]。MTA對頑固性根尖周炎最常分離出的糞腸球菌(Enterococcusfaecalis，E.faecalis)的抗菌效果有限，可能是因為E.faecalis細胞膜和細胞質的緩沖作用及質子泵降低細胞內pH值，從而維持了細胞內pH穩態。此外，牙本質的緩沖作用使MTA在根管內不能保持理想的高pH環境[8]。

改性的MTA抗菌能力有所提高。Kim等[9]報道加入氟化物的Endocem MTA能夠抑制E.faecalis的生長，而不含氟化物的MTA-Angelus和ProRoot MTA對E.faecalis無抑制。添加氯己定(chlorhexidine，CHX)的MTA抗菌作用顯著增加，對感染根管或根尖周感染灶中常見的E.faecalis、C.albicans和血鏈球菌(Streptococcussanguis，S.sanguis)等都有更強的抑菌性[10]。納米改性的MTA顯著增加Ca2+的釋放，產生高堿性環境和高反應性的ROS，增強了對根管內微生物及其生物膜的抗菌活性[11]。

然而，MTA存在凝固時間長和潛在變色等缺點。當MTA暴露在酸性環境中時，其顯微硬度、密封能力和粘合強度都會降低。另外，改性的MTA雖然抗菌性得到提高，但理化性質和生物相容性出現改變。例如，CHX改性的MTA細胞毒性增加，會誘導細胞凋亡，而傳統MTA則不表現細胞毒性[12]。

2 iRoot

iRoot是一種新型的硅酸鈣根管充填材料，其成分與MTA的主要區別為不含鋁和氧化鉍，減少了牙齒變色的可能。另外，iRoot含有五氧化二鉭和氧化鋯，能對X線產生阻射。iRoot可注射，不溶解收縮，封閉性好，具有良好的生物相容性。目前臨床常用的產品主要包括iRoot BP、iRoot BP Plus、iRoot SP和iRoot FS等，它們成分相似，都是預混即用型材料，操作方便。iRoot BP、iRoot BP Plus主要應用于直接或間接蓋髓、活髓切斷術、根尖倒充填、髓腔穿孔修補等治療[13]。iRoot SP由于良好的流動性和滲透性，常用作牙髓炎、根尖周炎治療中的封閉劑[14]。iRoot FS為改良的快速固化型iRoot糊劑，在1 h內就能完全凝固，是有利的牙髓覆蓋材料[15]。

iRoot為納米粒徑，遇到來自牙本質和根尖周組織的水分時，其含有的硅酸鈣會產生硅酸鈣水凝膠和CH，迅速升高pH值，產生抗菌效應。Nirupama等[16]報道iRoot SP的pH值可高于12，對E.faecalis、S.aureus和C.albicans有明顯的抑菌活性。Bi等[17]報道iRoot FM對P.gingivalis具有抗菌活性，可能是因其釋放的CH改變細胞膜的完整性和細菌營養物的傳輸，抑制細菌代謝生長和增殖；含有的氧化鋯通過氧化還原反應產生抗菌效果。然而iRoot的抗菌性隨時間的延長而減弱，新鮮的和應用1天的iRoot對E.faecalis和C.albicans具有顯著的抗細菌和抗真菌作用，而混合7 d的iRoot抗菌活性不佳，不利于根管感染長期徹底的控制[16]。

iRoot有望成為MTA的替代品。但是 iRoot的固化時間、流動性、多孔性隨溫度升高而顯著降低，這影響了熱牙膠垂直加壓充填的臨床操作和充填質量，使得可操作時間變短，對根管充填的密封性也有不利影響[18]。iRoot在國內應用不久，價格較昂貴，其臨床療效仍需大量的病例和更長時間的追蹤來客觀評價。

3 生物玻璃(bioactive glass，BG)

BG是上世紀70年代Hench教授研制的一種具有良好生物相容性、能促進骨組織修復的玻璃材料，以Bioglass?45S5為代表，主要成分為SiO2、Na2O、CaO和P2O5[19]。

BG本身具有一定的抗菌性，對需氧菌和厭氧菌如S.aureus、E.coli、P.gingivalis、S.mutans和S.sanguis等都有抑菌能力[20-22]。BG的抗菌機制主要包括：①BG溶解釋放Na+、Ca2+和 Si4+等離子，與H+或H3O+發生質子化，提高溶液的pH值；②釋放離子使溶液滲透壓升高，產生滲透效應；③引起環境中Ca、P沉積，使組織鈣化而產生抗菌效果；④BG形成針樣碎片，破壞細菌的細胞壁及細胞結構，導致細菌的死亡[21-22]。

Waltimo等[23]發現BG的抗菌能力與它的粒徑有關，粒徑越小抗菌性越佳且生物相容性越好。納米BG表面積是微米BG的12倍，在液體中釋放Si4+的量增加10倍，使溶液pH值上升3個單位，殺菌性能顯著增強。BG還可以載入銀、銅、金、鋅等金屬離子增強其抗菌性。載入Zn的BG可通過抑制細菌細胞中的糖酵解、跨膜質子轉位和耐酸性來提供抗菌活性，同時促進骨組織的形成和增長[24]。

然而，Zehnder等[25]研究發現BG對人牙根管E.faecalis感染的抗菌性能比CH糊劑差，且BG不能預防根管發生細菌再感染。此外，BG存在降解速率慢和不完全轉化為羥基磷灰石(HA)的問題，這可能會導致降解速率與新組織形成速率不匹配，以及人體內長期存在未轉化的玻璃材料，不利于組織的愈合[26]。

4 介孔生物玻璃(mesoporous bioactive glass，MBG)

2004年，Yan等[27]使用嵌段共聚物表面活性劑(P123)為模板劑，通過溶劑揮發誘導自組裝技術和溶膠-凝膠法首次合成MBG。MBG的主要成分為CaO、SiO2和P2O5，具有高度有序的介孔通道(4～7 nm)和高比表面積(150～500 m2/g)。與傳統BG相比，MBG擁有更好的體外HA礦化能力和細胞相容性，其內部的介孔通道能有效負載藥物、蛋白和生長因子，因此MBG被認為是優良的生物載體。MBG可用于制造支架，提供生物相容性機械支持，促進血管化組織的修復和/或再生[28]。

趙存挺[29]制備了MBG(M58S)，發現M58S抗菌性較弱，作用于大腸桿菌1 h后，抑菌率僅為13.73%。但MBG特有的介孔結構可以負載各種金屬離子或抗菌素(如慶大霉素、萬古霉素和氧氟沙星等)，增加抗菌效果。Bari等[30]報道載入Cu的MBG對E.coli、S.aureus和表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis，S.epidermidis)都有良好的抑制作用，且能破壞S.epidermidis生物膜。Fan等[31]合成載Ag的MBG，能釋放Ag+，對根管內E.faecalis生物膜有較強的抗菌作用。MBG還可以通過兩性離子化，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)胺化MBG隨后錨定賴氨酸，使得MBG表面S.aureus粘附減少99.9%，防止再感染的發生[32]。

然而，通過增加載入元素的濃度能提升MBG的抗菌性，但高劑量的金屬離子會引起細胞毒性[33]，所以在抗菌活性和生物相容性之間取得平衡是必須的。此外，由于介孔結構的存在，使得MBG脆性高，機械強度降低。MBG的高降解速率和不穩定的表面，也會對細胞附著和生長產生負面影響。如何改善MBG的機械性能而不影響其生物活性和藥物傳遞能力，成為了亟待解決的問題。

5 介孔鈣硅納米粒子(mesoporous calcium-silicate nanoparticles, MCSNs)

2012年，Wu等[34]利用模板法首次合成MCSNs。MCSNs是由Ca、Si和O組成的具有有序介孔通道的球形納米顆粒，直徑為100～250 nm[35-36]。MCSNs能誘導HA礦化、促進干細胞增殖、調節細胞周期蛋白的表達及成骨誘導[37]。MCSNs可注射使用[36]，可與其他材料混合通過3D打印技術制造復合生物支架，促成HA沉積，還能載入地塞米松等藥物并持續釋放以輔助骨再生[38]。

MCSNs可以作為生物分子的載體并協調其釋放，應用于各種生物工程，例如細胞因子的釋放，靶向藥物的傳遞和基因靶向等，為根管內感染控制，骨缺損修復，甚至腫瘤治療等提供了新的思路。然而，MCSNs具有降解速率快的不足，快速降解的硅酸鈣有急劇增加周圍環境堿度的傾向，在植入早期階段可能會誘導免疫和炎癥反應[41]。MCSNs自身的抗菌能力有限，需要通過添加抗菌藥物來增強，但有些添加物可能對MCSNs的生物相容性產生不利影響。

6 結 語

MTA與iRoot材料的抗菌性主要通過釋放Ca2+和OH-提高溶液pH值實現，存在濃度依賴性與時間依賴性，MTA對難治性根尖周炎中存在的厭氧菌和兼性厭氧菌的抗菌效果較差。MTA通過結構或表面改性、或混合目的性材料形成復合材料，可提高其抗菌效果，但改性后材料的理化性能和生物相容性的改變還需要進一步探究。BG、MBG與MCSNs具有良好的生物相容性，能誘導HA礦化、促進細胞增殖和誘導成骨。MBG和MCSNs特殊的介孔結構，能夠為根尖骨缺損的修復提供良好的生物支架，也可載入其他藥物或生物因子以增強其生物活性。BG、MBG與MCSNs自身的抗菌能力有限，可通過載入抗菌性藥物來增強，但所載入的藥物是否產生細胞毒性、抗菌性和生物相容性之間的平衡如何掌控仍需加強研究。雖然，BG、MBG與MCSNs被認為是極具潛力的用于根管感染控制及骨缺損修復的材料，但它們的抗菌效果研究多數是體外實驗, 難以模擬真實的根管狀況, 且抗菌的長效性還需要進一步的觀察。