牙本質敏感癥治療材料的研究進展

陳 諾,衛(wèi) 彥

近年來生物材料的創(chuàng)新及臨床應用已成為醫(yī)學材料領域高精尖前沿研究陣地,其與人體細胞、組織和器官發(fā)生作用以達到診斷、修復或治療的作用,以及材料的性能評價都是醫(yī)學材料的重點研究范疇[1-3]。在口腔醫(yī)學領域,生物材料已被用于牙本質敏感癥的治療[4-5]、牙體組織防齲抗菌[6]、牙周用藥治療[7]、牙髓組織再生[8]等熱點問題。而牙本質敏感癥作為臨床上常見的口腔疾病,我國的患病率為33.5%～40.7%[9-10],表現為暴露的牙本質對外界刺激,如冷熱、機械力、吹氣等產生的短而尖銳的疼痛,嚴重影響患者日常生活,且致病機制仍存爭議,導致傳統(tǒng)治療效果難以令人滿意[11-13]。近來,生物材料在牙本質敏感癥的治療研究中成為創(chuàng)新重點,獲得較好的效果,學者們也提出了牙本質敏感癥的離子電流傳導致病機制,并開發(fā)新型電荷材料[14],極大推進了生物材料在口腔疾病治療中的應用研究。

1 直接堵塞牙本質小管的礦化材料

1.1 草酸鹽

草酸鹽能夠在牙本質表面及牙本質小管內形成草酸鈣晶體沉淀,起到緩解牙本質敏感癥的作用[15]。與氯化鈣聯合使用時,這種作用會增強[16]。研究表明,草酸鹽治療后牙本質小管內的流體流動減少,從而減輕疼痛感覺[15,17-20]。另一項研究表明,草酸鹽通過在牙本質小管內形成沉淀物來阻斷牙本質液的流動[21]。然而,關于草酸鹽治療牙本質敏感的有效性還需系統(tǒng)評價驗證。

1.2 納米羥基磷灰石

羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)是人牙齒硬組織及骨組織的主要無機成分,目前作為生物材料被廣泛使用[22]。而納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HAP)在誘導細胞的自然反應和礦化過程中表現出優(yōu)異的生物活性,克服了傳統(tǒng)的羥基磷灰石難塑形、脆性大、降解慢等缺點[23]。n-HAP自身的粒徑特點能使其更易進入牙本質小管內部并沉積,機械性阻塞小管從而隔絕外界刺激[24]。Chiang等[25]、Lee等[26]的研究表明,脫敏劑中加入n-HAP能夠取得較好的療效,也有研究者將n-HAP與多肽E8DS、二氧化硅生物復合材料和功能樹狀大分子材料相結合使用[24,27]。這些研究表明n-HAP通過表面再礦化,在牙本質表面形成仿生磷灰石涂層,具有抗降解的性能,對牙本質小管的封閉效果較好。

1.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃(bioactive glasses,BGs)通常定義為能與活體組織結合或誘導新組織生長的非晶陶瓷。自20世紀60年代以來,其已被開發(fā)出不同的用途,如骨組織再生、耳疾病的治療及胃腸道的干預等[28-29]。近年來,BGs被引入用于治療牙本質敏感。P2O5-Na2O-CaO-SiO2能夠釋放出鈉、鈣和磷酸根離子,在唾液中能夠發(fā)生離子反應置換出水中的氫離子以提高pH值并為再礦化創(chuàng)造理想的環(huán)境[30-31],形成羥基磷灰石涂層,但形成的礦化涂層本身強度低。Jung等[32]研究了生物活性玻璃納米顆粒涂層介孔二氧化硅納米顆粒(BGN@MSNs)。介孔二氧化硅納米粒子(mesoporous silica nanoparticles, MSNs)是一種直徑為50～300 nm、具有2～6 nm螺旋狀的多孔粒子,由于其結構穩(wěn)定、表面積大、吸附力強以及熱和化學穩(wěn)定性良好[33-34],能夠減少酸刺激后的牙本質小管的重新開放?？紤]到MSN的大表面積和高BGN的生物活性[35]。BGs介孔結構和納米顆粒尺寸的變化增加了鍵合性能[36-37]。因此,預計粒徑和表面積越小,牙本質小管閉塞和再礦化就會增強。

1.4 生物活性玻璃陶瓷

BGs的最大缺點是機械強度及斷裂韌性不足。Kokubo等[38]通過熱處理MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃制出了高強度的生物玻璃陶瓷,它們可以是完全結晶或含大量殘留的玻璃相,也可以由一個以上的結晶相組成。Peitl等[39]發(fā)現對P2O5-Na2O-CaO-SiO2體系的玻璃陶瓷與母體玻璃相比,玻璃陶瓷表現出更強的機械性能,而另一重要特征是可改進玻璃陶瓷微結構以增強其斷裂韌性,例如由針狀硅灰石晶體增強的磷灰石基質組成[40]。生物硅酸鹽是P2O5-Na2O-CaO-SiO2體系的一組完全結晶的玻璃陶瓷的特定組成的名稱,并添加了Li2O和K2O,兼具較高的機械性能與生物活性。研究表明微米級生物活性玻璃陶瓷(生物硅酸鹽)顆粒能夠在開放的牙本質小管中誘導HCA沉積[41](圖1),有臨床研究證明了生物硅酸鹽治療牙本質敏感的有效性、即時性和持久性[42],這表明該材料可以為治療牙本質敏感癥提供新的選擇。

圖1 直接堵塞牙本質小管的礦化材料

2 引導礦化堵塞牙本質小管的大分子材料

2.1 氟化物

氟化物具有較好的防齲效果,容易被牙齒硬組織吸收。氟離子能夠滲透并吸附至牙本質小管的內壁上與其中的鈣鹽相結合,形成不溶性的氯化鈣、氟磷灰石等化合物,從而形成物理屏障[43-44],縮小小管直徑,封閉牙本質小管。氟化物的單一應用效果較差,如氟化鈉與小管中的鈣鹽相結合,形成微小尺寸的氯化鈣晶體,易溶于唾液[45]。因繼發(fā)性牙本質的形成需要的時間較長,所以需要較長的時間才能起到臨床效果,且外界因素對其影響較大,難以起到長時間封閉牙本質小管的作用。氟化物可與其他具有牙本質小管封閉作用的材料組合,例如金屬離子、二氧化硅、硝酸鹽以及草酸鹽,可以改進封閉效果[46-47]。而含氟化亞錫的牙膏雖在脫敏治療中顯示出較好的效果,但其顯著的缺點是導致牙齒變色[48]。

2.2 精氨酸

精氨酸在口腔內主要分布在唾液中,是一種天然氨基酸。研究發(fā)現其能夠參與細菌代謝產生氨,提高并穩(wěn)定環(huán)境pH,對防齲有著積極作用[49-50]。并且因其表面帶有正電荷基團,能夠與負電荷的牙本質小管內壁、牙本質表面相結合來提高pH值,促進鈣和磷離子在牙齒表面沉積,封閉牙本質小管(圖2),以達到緩解牙本質敏感癥狀的效果[51-52]。國內外的臨床研究表明,與含鉀或含氟的牙膏相比較,含精氨酸的牙膏脫敏效果更好[53-55]。

圖2 引導礦化堵塞牙本質小管的大分子材料

2.3 聚乙二醇化溶菌酶

溶菌酶(lysozyme)可以在二硫鍵還原劑(tris(2-carboxyethyl)phosphione hydrochloride,TCEP)作用下發(fā)生快速淀粉樣轉變[56],而親水性的聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)分子共價接枝到溶菌酶分子上(lyso-PEG),抑制解折疊溶菌酶之間的疏水作用力,得到富含lyso-PEG淀粉樣寡聚體的乳液體系[57]。蛋白質基底賦予涂層豐富的電荷從而使涂層抗污染性能進一步提升,除了PEG分子外,蛋白質分子上大量的氨基羧基可以螯合鈣離子從而為牙本質再礦化提供了成核位點,進入小管形成涂層并封閉牙本質小管[58]。

2.4 聚氨基胺樹枝狀聚合物

樹枝狀聚合物是一種具有從核心分子開始反復擴散的分枝狀單位結構的大分子。三維空間中,它的結構接近球形,分子核心具有相對較低的密度,離核心越遠,分支的密度越高,表面具有大量的終端功能組,可引入各種官能團[59-61]。氨基胺樹枝狀聚合物(poly(amidoamine),PAMAM)因其優(yōu)秀的二級結構在生物礦化領域得到應用,在牙本質表面,PAMAM因其呈現液態(tài)及表面帶有大量正電荷能夠吸附并進入牙本質小管,誘導羥基磷灰石原位成核、結晶促進礦化,以達到封閉牙本質小管,治療牙本質敏感癥的作用[62-64]。

3 高分子/礦化物復合堵塞牙本質小管的材料

3.1 酪蛋白磷酸肽-無定形磷酸鈣

非晶態(tài)磷酸鈣(amorphous calcium phosphate,ACP)是礦化中非經典結晶途徑中的前驅體,本身不穩(wěn)定[61]。而酪蛋白磷酸肽(casein phosphopeptides,CPP)是由牛奶蛋白酪蛋白經胰蛋白酶消化而來。CPP含有-Pse-Pse-gl-glu-序列,其中Pse是磷酸基殘基,可以穩(wěn)定水溶液中的鈣和磷酸鹽離子,并使這些必需的營養(yǎng)物質具有生物可利用性[65]。因此在堿性條件下,磷酸鈣以堿性無定形相與CPP絡合存在,稱為酪蛋白磷酸肽-無定形磷酸鈣(casein phospho-peptides-amorphous calciumphosphate,CPP-ACP)。且CPP-ACP具有液態(tài)性質能夠吸附在牙本質的膠原表面,誘導牙本質的仿生礦化來關閉開放的牙本質小管[66-67]。

3.2 精氨酸和碳酸鈣

表面帶正電荷的精氨酸與碳酸鈣結合后,在帶負電荷的牙本質表面及小管內部沉積,礦化形成涂層以達到關閉牙本質小管的作用,此技術稱為ProArgin技術[68]。許多臨床研究表明,含精氨酸和碳酸鈣的牙膏具有脫敏效果,8%精氨酸和碳酸鈣的牙膏較其他類型的脫敏牙膏,具有更好的脫敏效果[69-71](圖3)。

圖3 高分子/礦化物復合堵塞牙本質小管的材料

4 降低神經敏感性材料

4.1 鉀鹽材料

含鉀離子的材料包括硝酸鉀、氯化鉀、草酸鉀、檸檬酸鉀等鉀鹽,一般應用于牙膏中[72-73]。有學者認為硝酸鉀能夠提高神經纖維周圍外鉀濃度使其去極化并阻止其重新極化來阻止刺激通過神經通路,而同時鉀鹽能阻塞牙本質小管[74-75]。Jalalian等[76]的臨床研究表明硝酸鉀能夠緩解全冠預備后產生的牙本質敏感癥狀。鉀鹽可與草酸鹽結合形成草酸鉀,可以在牙本質表面及牙本質小管內生成晶體沉淀,封閉開放的牙本質小管(圖4),并緩解牙本質敏感癥。

圖4 降低神經敏感性材料

4.2 鉀鹽合并治療

氟化物和硝酸鉀聯合使用能夠通過氟化物在小管內產生沉積并且鉀離子干擾牙髓神經沖動的傳導來緩解牙齒敏感癥的癥狀[77],但臨床效果還需進一步研究證明。

極固寧為臨床常用的鹽類脫敏劑,所含的碳酸鉀、磷酸鉀、氟化鈣、氟化鍶、苯甲酸鈉和羥苯甲酯混合之后,涂布在牙本質表面上,可以形成不溶的鈣鹽、鍶鹽和鉀鹽,達到堵塞牙本質小管以及降低神經纖維興奮性的效果[78-80]。

二甲基異山梨酯(DMI)和硝酸鉀(KNO3)聯合使用比KNO3單獨使用更有效。KNO3/DMI協同工作,能夠更有效、更持久地治療牙本質敏感[81]。

5 蛋白質變性堵塞牙本質小管材料

戊二醛能與牙本質小管中的內容蛋白產生作用使其沉淀,從而封閉牙本質小管,達到脫敏的作用。如Gluma脫敏劑是親水性甲基丙烯酸-β羥乙基酯(HEMA)和戊二醛組成[82]。HEMA可溶于牙本質小管液,協助戊二醛進入牙本質小管,降低小管的通透性[83](圖5)。但在測試條件下,它仍具有細胞毒性。目前,少有研究評估戊二醛脫敏劑對細胞培養(yǎng)的生物相容性。稀釋或施加在厚度為1.0 mm的牙本質盤表面上,也能夠殺死哺乳動物細胞[84]。但不能否定Gluma脫敏劑在牙本質敏感治療上的效果,許多臨床研究均表明其脫敏效果較好[85-86]。

圖5 蛋白質變性堵塞牙本質小管材料

6 電荷材料

鄧旭亮研究團隊發(fā)現牙本質敏感癥是由于外界刺激引發(fā)牙本質小管內陽離子定向運輸產生陽離子電流,從而激發(fā)牙髓神經產生動作電位引起疼痛癥狀[15]。在牙本質小管內,成牙本質細胞突起伸入牙本質小管,與牙本質小管壁形成環(huán)形不對稱限域管道,神經纖維穿行在其中。牙本質小管壁附有糖胺聚糖,管道內富含有Ⅰ型膠原蛋白以及纖連蛋白組成的蛋白質纖維網絡結構。通過免疫熒光、開爾文探針力顯微鏡等方法證明牙本質小管內部呈現出不對稱的帶電環(huán)境,且負電勢由小管遠髓端向近髓端遞增。由于這一表面負電勢管道近心端孔徑僅約12 nm,接近雙電層厚度,導致管內溶液發(fā)生電離,由于極性作用,管壁表面負電荷選擇性促進陽離子通過而抑制陰離子通過,即產生離子整流效應。冷熱酸甜等外界刺激可以通過影響離子流速、離子擴散系數、離子濃度梯度等參數引發(fā)管內陽離子的定向移動,從而將刺激轉換成電流,高效傳遞感覺信號刺激牙髓神經產生動作電位,引起敏感的疼痛癥狀。

聚季銨鹽-10(polyquaternium-10,PQ-10)是具有優(yōu)越水溶性和吸附能力的陽離子纖維素聚合物。通過掃描電鏡的體外觀察,聚陽離子材料——PQ-10水凝膠能夠在1 min內達到較好的牙本質小管封閉率。通過激光共聚焦顯微鏡觀察,PQ-10水凝膠因其富含陽離子使其能夠在短時間內迅速滲入并吸附在呈現負電勢的牙本質小管內部,改變帶電環(huán)境(圖6)。通過離體牙的牙本質敏感模型電化學實驗證明,PQ-10水凝膠治療后,外界刺激引發(fā)的離子電流值較治療前有了明顯下降?；铙w動物的牙本質敏感模型電化學及電生理實驗證明,PQ-10水凝膠治療后,外界引發(fā)的離子電流值及神經動作電位較治療前同樣明顯下降。以上證明PQ-10水凝膠治療后能夠減弱外界刺激引發(fā)的管內陽離子電流,從而達到減輕和緩解牙本質敏感的疼痛癥狀。前期臨床試驗證明,聚陽離子材料的即刻治療有效率達90%以上,并且具有較長時間的療效維持。在生物安全性方面,PQ-10水凝膠的口腔黏膜刺激實驗證明,肉眼觀察及組織病理分析實驗動物的頰囊沒有發(fā)生紅斑、上皮完好、無血管充血及水腫等。體外細胞增殖和毒性分析實驗證明,PQ-10水凝膠材料并不影響人牙齦成纖維細胞的生長,表現出良好的生物安全性能。聚陽離子材料具有生物安全性高,療效持續(xù)時間長、操作簡便等特點,有望為臨床上治療牙本質敏感癥提供新思路和新技術。

圖6 電荷材料

7 展 望

雖然生物材料在牙本質敏感癥的治療中能夠獲得初步的療效和認可,但不可忽視的是,其起效速度、療效長期維持、生物相容性、生物安全性以及抗菌等性能仍需長期驗證及優(yōu)化。牙本質敏感癥作為臨床上常見的口腔疾病,目前大部分治療所用的生物材料是通過再礦化和礦物沉積來封閉牙本質小管,仍具有局限性。但流體力學尚未完全闡明牙本質敏感機制,而根據離子電流傳導學說所研發(fā)的電荷材料,具有生物安全性強、起效快,維持時間長等特點,在未來的治療中極具開發(fā)和應用價值。

生物材料在口腔醫(yī)學領域,因其優(yōu)秀的生物相容性和使用便捷、經濟、有效等優(yōu)點,必定是各類口腔疾病治療的研究和開發(fā)重點。目前仍需要有更詳細的生物材料性能評價指標和更長時間的臨床試驗來驗證其效果,而在將來的研究中,應進一步探索生物材料的作用持久性、智能化使用、細胞及分子生物學水平上的性能評價等問題。相信在多學科的協同發(fā)力下,理想的口腔生物材料將會在不久的將來應用在各類口腔疾病的治療當中。