大氣壓低溫等離子體在口腔醫(yī)學(xué)中應(yīng)用進(jìn)展

謝娜，劉飛，李子夏，唐成芳，贠寧，姬小婷，王丹楊

1.西安醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院，陜西西安710021；2.西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院，陜西西安710004；3.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院口腔科，陜西咸陽712000

前言

等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以外的第4 種物質(zhì)形態(tài)。1879年Wiliam Crookes初次提出“物質(zhì)第四態(tài)”用來描述氣體放電時(shí)所產(chǎn)生的電離氣體，“等離子體”這個(gè)專業(yè)術(shù)語則由Irving Langmuir 在1928年首次定名。等離子體是指氣體被加熱或置于高頻高壓電場中，形成了高度電離的氣體云，獲取巨大能量的氣體云外層電子脫離原子核的束縛成為自由電子，原子核所帶正電荷與自由電子所帶負(fù)電荷總量相等，整體呈現(xiàn)出電中性狀態(tài)，故稱之為等離子［1-3］。宇宙中99.9%的物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)，例如恒星、極光以及蠟燭的火焰等［4］。近年來，隨著等離子體技術(shù)的不斷深入研究，等離子體已經(jīng)逐漸成為一門包羅萬象的學(xué)科。

1 等離子體相關(guān)介紹

1.1 等離子體形成相關(guān)原理

等離子體產(chǎn)生及其存在的本質(zhì)是氣體分子在加熱或強(qiáng)電磁場作用下獲得高能量后轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娮雍碗x子群所組成的近似電中性的電離氣體。這種高度電離的氣體中包含了電子、離子、原子、分子、活性自由基、激發(fā)態(tài)粒子以及射線等［5］。

1.2 等離子體的分類

根據(jù)等離子體產(chǎn)生的溫度，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體兩種類型。高溫等離子體是指溫度達(dá)108～109K下完全電離產(chǎn)生的電離度接近于1的等離子體，并且重粒子和電子的溫度都很高。低溫等離子體則是在低溫下（≤104K）實(shí)現(xiàn)，只有部分氣體電離（電離度為10-7～10-4），而大多數(shù)氣體分子仍然處于未電離狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)狀態(tài)不同，低溫等離子體又可分為熱平衡等離子體（也稱熱等離子體）和非熱平衡等離子體（也稱冷等離子體），在非熱平衡等離子體中，因?yàn)橹仉x子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子的溫度，因此其溫度相對較低，故這樣的等離子體十分適合應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［6］。本文主要介紹大氣壓低溫等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 大氣壓低溫等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，大氣壓低溫等離子體技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大地推動(dòng)了等離子體技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。Sladek等［7］在研究過程中發(fā)現(xiàn)等離子體對口腔中的大腸桿菌和變異鏈球菌具有很高的滅活能力，開啟了等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中的新篇章。至此，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如口腔致病微生物的滅活、齲病治療、牙齒美白、材料表面改性等，等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。

2.1 大氣壓低溫等離子體在口腔滅菌方面的應(yīng)用

大氣壓低溫等離子體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最初應(yīng)用于殺菌方面的研究。例如口腔治療器械的消毒、牙齒根管消毒、口腔致病微生物的滅菌等［8］。

口腔治療器械的表面清潔包含了朊病毒/病原微生物的滅活、有機(jī)物的移除等［8］。Whittaker等［9］應(yīng)用等離子體對器械表面進(jìn)行處理，利用掃描電鏡等檢測方法確定等離子體處理前后器械表面有機(jī)物的存留程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用等離子體處理后，器械表面的有機(jī)物數(shù)量降低至檢測儀器能夠測量到的最低極限值之下。這項(xiàng)工作表明，等離子體清洗為牙科器械的去污提供了一種安全有效的方法。

在臨床治療中，根管治療失敗的主要原因是沒有完全清除感染根管內(nèi)壞死的牙髓組織和病原微生物，從而導(dǎo)致根管系統(tǒng)的再次感染。作為一種氣態(tài)介質(zhì)，等離子體具有穿透不規(guī)則齲洞/裂隙和殺滅細(xì)菌的能力。等離子體治療齲齒或牙齒表面能夠避免污染，可以有效的抑菌，對于細(xì)菌侵蝕的齲洞可以去除玷污層。Lu等［10］根據(jù)牙齒根管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出一種可以在根管內(nèi)直接放電產(chǎn)生等離子體的等離子針裝置，利用此裝置幾分鐘內(nèi)即可有效殺滅引起根管治療失敗的主要致病菌-糞腸球菌，從而大大增強(qiáng)了根管內(nèi)滅菌效率。Pan等［11］通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，等離子體射流能夠到達(dá)感染根管的深部，可以更加有效的殺滅糞腸球菌。

近年來，越來越多的實(shí)驗(yàn)研究顯示，等離子體可有效殺滅口腔中的致病微生物，例如與齲病發(fā)生相關(guān)的致病菌，如變異鏈球菌以及嗜酸乳桿菌等［12-13］。Blumhagen等［14］用氬氣等離子體刷對接種于牙釉質(zhì)類似物上的變異鏈球菌進(jìn)行處理，13 s內(nèi)即可將低濃度細(xì)菌（＜1.7×107CFU/cm2）完全殺滅。Abonti等［15］應(yīng)用氧氣作為冷常壓等離子體射流的工作氣體處理變異鏈球菌時(shí)，獲得了比其他工作氣體更好的殺菌效果，可快速有效地殺滅變異鏈球菌。Yang等［13］證實(shí)氬氣等離子體刷處理15 s即可殺滅變異鏈球菌，5 min可殺滅嗜酸乳桿菌。不僅如此，等離子體還可以有效地清除生長在牙齒和口腔黏膜上的耐藥性生物膜，減少由口腔生物膜造成的齲齒、牙周炎和口腔黏膜相關(guān)的口腔疾病［16-17］。牙齦卟啉單胞菌是目前公認(rèn)的導(dǎo)致牙周炎和種植體周圍炎的可疑致病菌，周鑫才等［18］通過制備與氯已定相結(jié)合的等離子體，有效的殺滅牙齦卟啉單胞菌，為牙周炎以及種植體周圍炎的臨床治療提供新的思路。

因此低溫等離子體在致病性微生物滅活中的作用可能是一種更新、更便捷、更經(jīng)濟(jì)的替代方法，其在口腔臨床滅菌中具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

3 大氣壓低溫等離子體在口腔材料表面改性中的應(yīng)用

通過改善材料本身機(jī)械以及物理性能從而提高材料與機(jī)體生物相容性是材料改性非常重要的目的，而低溫等離子體可在不改變材料基本性能的基礎(chǔ)上，對材料的表面起到活化的作用，從而改變材料的濕潤性以及細(xì)胞生物相容性［19］。

3.1 口腔種植材料的表面改性

種植體植入機(jī)體后未能與機(jī)體周圍骨組織形成很好的骨結(jié)合，常常是導(dǎo)致種植手術(shù)失敗的重要原因，通過改變種植體表面性能，增加種植體與周圍組織的生物相容性，降低植入后的感染從而提高種植成功率一直是廣大學(xué)者研究的方向。

Lee等［20］利用大氣壓低溫等離子體射流對鈦片表面處理10 s，發(fā)現(xiàn)等離子體處理后可增加鈦片表面的潤濕性，還可促進(jìn)牙齦成纖維細(xì)胞在鈦片表面的早期附著，從而增強(qiáng)種植體與周圍軟組織的密封效果，降低致病菌的感染，增強(qiáng)種植體與周圍組織骨結(jié)合的能力。Matos等［21］發(fā)現(xiàn)等離子體處理可極大提高鈦片表面的親水性能、促進(jìn)成骨細(xì)胞在其表面的黏附能力，進(jìn)而提高植體骨結(jié)合能力。謝艷婷等［22］也在隨后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步印證了這一結(jié)論。

3.2 口腔修復(fù)材料的表面改性

口腔內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，多種因素制約著口腔材料的修復(fù)效果。等離子體在不影響材料本身基本特性的情況下，在材料表面形成一個(gè)惰性的表面保護(hù)層，從而提高材料表面本身的潤濕性、分子極性、粘接性以及生物相容性［23-24］。

修復(fù)材料中常用的氧化鋯與樹脂粘接強(qiáng)度的高低與其本身親水性能密切相關(guān)［25］。廖宇等［26］使用等離子體處理氧化鋯后發(fā)現(xiàn)，材料表面形態(tài)并未明顯改變，但其表面的潤濕性增加，進(jìn)而材料與樹脂之間的粘接強(qiáng)度顯著提高。

熱固化丙烯酸樹脂是制作全口義齒和可摘局部義齒基托的常用材料，而此種材料表面親水性較低，因此在臨床中常導(dǎo)致義齒的吸附效果不好。王萍等［27］利用低溫等離子體對熱凝基托樹脂進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)等離子的活性物質(zhì)可在材料表面引入氧極性基團(tuán)，使材料表面潤濕性顯著增加，增強(qiáng)了義齒基托與黏膜之間的吸附力。馬小青等［28］發(fā)現(xiàn)等離子體對老化的熱凝樹脂基托處理后可增加材料表面的親水性能，并且可以提高樹脂材料與硅橡膠軟襯材料之間的粘接力，從而改善了義齒重襯技術(shù)，有效延長樹脂基托的使用壽命。等離子體為口腔修復(fù)材料的表面改性提供了新的思路和方法。

4 大氣壓低溫等離子體對牙體組織表面改性的影響

等離子體中富含基態(tài)或者是激發(fā)態(tài)的活性粒子成分，這些活性成分可對生物材料的表面產(chǎn)生轟擊和熱蝕刻效應(yīng)［29］。通過這些效應(yīng)可有效改變牙本質(zhì)表面的物理、化學(xué)以及生物等相關(guān)性能，從而提高牙本質(zhì)表面的濕潤性、增加牙本質(zhì)膠原纖維表面含氧官能團(tuán)的嫁接并且促進(jìn)粘接樹脂的滲透性、形成粘接耐久性能更高的混合層結(jié)構(gòu)［30］。

Chen等［31］利用等離子體刷對牙本質(zhì)進(jìn)行處理，通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)等離子體處理前后牙本質(zhì)膠原纖維中的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且等離子體處理后明顯增強(qiáng)了牙本質(zhì)-復(fù)合樹脂的粘接性能。Zhu等［32］利用低溫等離子體裝置處理脫礦后的牙本質(zhì)發(fā)現(xiàn)，等離子體處理后可顯著降低等離子體射流中活性粒子成分對脫礦后牙本質(zhì)表面膠原纖維“轟擊”的蝕刻效應(yīng)，大大增強(qiáng)了牙本質(zhì)-復(fù)合樹脂即刻的粘接強(qiáng)度。Ayres等［33］用等離子體作用于酸蝕后的牙本質(zhì)表面后測定樹脂和牙本質(zhì)的微拉伸結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果顯示等離子體處理組與未使用等離子處理組未有明顯差異，1年后的測量結(jié)果顯示等離子體處理組仍能維持較高的結(jié)合強(qiáng)度，與未使用等離子體處理組存在顯著差異。因此等離子體對牙本質(zhì)處理后可增加牙本質(zhì)表面粗糙度及親水性，從而獲得更高的粘接強(qiáng)度。

5 大氣壓低溫等離子體在牙齒美白中的應(yīng)用

目前臨床中對于牙齒的美白主要借助過氧化物（過氧化氫、過氧化脲、過硼酸鈉等）的漂白來完成。牙齒漂白的主要原理是過氧化物在特殊光源局部照射下，其活化時(shí)可分解產(chǎn)生羥基等自由基，這些自由基能夠切斷著色牙內(nèi)部的有機(jī)大分子中未飽和的二價(jià)鍵（著色分子鎖），將這些不飽和二價(jià)鍵氧化分解成小分子物質(zhì)，從而達(dá)到牙齒脫色或者使牙面顏色變淺的目的。但是目前這些漂白方法存在著一些不良反應(yīng)。一方面，高濃度的過氧化物易引起牙頸部硬組織的吸收，從而造成術(shù)者在處理后對外部刺激敏感。另一方面，這些光源可引發(fā)牙體組織升溫，進(jìn)而對牙髓組織造成不可逆的損傷。低溫等離子體操作過程中產(chǎn)生的熱量屬于牙髓組織可接受的正常范圍之內(nèi)，并且射流中的活性粒子可作為過氧化物的催化劑，可激發(fā)過氧化物的分解并且釋放大量羥基，從而提高臨床美白效率［2］。近些年來越來越多的研究者將等離子體技術(shù)應(yīng)用于牙齒美白研究中，為牙齒美白帶來了新的臨床治療思路。

Sun等［34］將大氣壓直流低溫等離子體應(yīng)用于牙齒的美白研究中，結(jié)果顯示在20 min的處理時(shí)間內(nèi)，等離子體處理H2O2后的·OH自由基峰值是單純雙氧水組的兩倍，等離子體可以加速過氧化氫分解，生成更多的可以促進(jìn)氧化著色大分子分解的·OH自由基，進(jìn)而增強(qiáng)過氧化氫凝膠的美白功效，并且對處理時(shí)的溫度進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)等離子體處理時(shí)牙齒表面的溫度僅為37 ℃左右，此溫度屬于牙齒可耐受的正常溫度，因此在利用等離子體對牙齒進(jìn)行美白時(shí)可減輕對牙髓組織的損傷。Lee等［35］將H2O2單獨(dú)處理和等離子體與H2O2聯(lián)合處理過后牙齒的美白效果進(jìn)行了對比，通過掃描電鏡等檢測方法發(fā)現(xiàn)，與僅使用H2O2相比，利用等離子體與H2O2相結(jié)合處理牙齒，較單純使用H2O2進(jìn)行處理，可使美白效果提高3倍，且掃描電鏡下觀測到牙齒表面的蛋白可被明顯移除，因此證實(shí)等離子可有效促進(jìn)牙齒美白效果。但是目前等離子應(yīng)用于牙齒美白的過程仍然需要借助過氧化物的參與，因此怎樣更好的利用等離子本身自有的自由基和活性物質(zhì)仍然是學(xué)者們進(jìn)一步研究的問題。

6 大氣壓低溫等離子體在牙周病治療中的應(yīng)用

牙周病是口腔最常見的一種細(xì)菌感染性疾病，其可導(dǎo)致牙周支持組織的漸進(jìn)性破壞，從而引起牙齒缺失。牙周病與人體全身性疾病有著極大的關(guān)聯(lián)，其可誘發(fā)或加重心臟病、腎病、糖尿病等全身系統(tǒng)性疾病，因此對牙周病的治療一直是口腔學(xué)者們致力解決的問題。大量研究表明等離子體可以有效殺滅與牙周病致病密切相關(guān)的牙齦卟啉單胞菌，并且還可促進(jìn)裸露牙根表面成骨細(xì)胞的粘附能力［36］。因此，等離子體技術(shù)在牙周病治療中有著極大的應(yīng)用潛力，研究其治療牙周病的效果以及生物安全性具有十分重要的意義。

7 大氣壓低溫等離子體在口腔頜面部止血中的應(yīng)用

創(chuàng)傷治療中凝血是一個(gè)非常重要的概念，口腔頜面部因血運(yùn)豐富，快速有效地止血在口腔頜面部治療中就顯得尤為重要。目前臨床中應(yīng)用比較廣泛的止血方法是高頻電刀，但電刀溫度過高，易燒焦需處理的組織面。而低溫等離子體技術(shù)則是通過調(diào)節(jié)特定凝血機(jī)制來達(dá)到凝血作用，并且在處理過程中并不損傷其周圍組織，止血過程中不產(chǎn)生熱量、碳化、氣化以及細(xì)菌污染等負(fù)面效應(yīng)［2,37-38］。

Fridman等［39］利用單電極低溫等離子體進(jìn)行凝血實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，等離子體處理只需幾秒鐘即可使血液迅速凝結(jié)，極大節(jié)省了血液凝結(jié)所需的時(shí)間。并且等離子體短時(shí)間內(nèi)直接處理皮膚時(shí)，可在幾秒鐘之內(nèi)殺死皮膚菌群，但不會對皮膚正常組織造成傷害。

8 其他

等離子體在應(yīng)用過程中還需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)問題是等離子體是否會對口腔正常組織產(chǎn)生不利影響。研究證實(shí)，只要恰當(dāng)選擇等離子體源、劑量以及處理時(shí)間，無論是在體外以及在活體上直接應(yīng)用等離子體處理，都不會對人體正常的組織形成危害［40-41］。熊紫蘭等［42］使用大氣壓等離子體射流處理人體成骨細(xì)胞，通過熒光跟蹤等離子處理和未處理的成骨細(xì)胞生長狀態(tài)，激光共聚焦顯微鏡下可見與未處理的細(xì)胞相比，等離子體處理過的細(xì)胞數(shù)量沒有發(fā)生明顯改變，因此可以證實(shí)正常細(xì)胞經(jīng)適當(dāng)條件的等離子體處理后并不會造成死亡。熊紫蘭等［42］還對動(dòng)物進(jìn)行活體試驗(yàn)研究，他們利用等離子體對家兔口腔舌粘膜進(jìn)行處理，于處理后對相應(yīng)的黏膜做病理切片，可見試驗(yàn)組與對照組的上皮組織均屬于正常狀態(tài)。以上實(shí)驗(yàn)均表明，等離子體在應(yīng)用中并未對人體組織造成不利影響。

9 結(jié)論與展望

綜上所述，等離子體技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中擁有著極大的應(yīng)用前景，對于等離子體的研究不僅局限于消毒滅菌、牙齒美白、材料改性等方面，隨著等離子裝置的進(jìn)一步改善，它可以提供更為精細(xì)、安全和便捷的醫(yī)學(xué)治療手段。但是，將等離子體的研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍然還有很多難點(diǎn)需要攻破，主要是因?yàn)榈入x子體裝置目前沒有相關(guān)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，它在應(yīng)用中需要考慮到氣體種類、作用時(shí)間、發(fā)生功率、暴露方式等因素，不同的使用條件可能會產(chǎn)生不同的生物學(xué)效果。并且我們對等離子體應(yīng)用過程中與細(xì)胞、組織、器官乃至整個(gè)機(jī)體之間的機(jī)制仍在不斷探索之中。因此，將等離子體應(yīng)用于口腔領(lǐng)域的臨床治療過程仍然還要解決很多問題，但其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景是十分光明的。