生物活性材料誘導牙本質再礦化和仿生礦化的研究進展

楊慶祎, 王 端, 徐曉薇

（吉林大學口腔醫院牙周科，吉林 長春 130021）

牙本質敏感癥是指牙齒受外界刺激，出現短暫和尖銳的疼痛或不適的現象。刺激的類型有機械（摩擦或咬硬物）、溫度（冷或熱）、化學（酸或甜）及滲透壓等。牙本質敏感癥是一種癥狀，而不是一種獨立的疾病［1］。牙本質敏感癥患者在口腔門診患者中占14.3%～25.0%，40 歲左右患者多見。患者在日常刷牙、飲用冷飲或酸性液體時都可能會產生疼痛，疼痛是短暫的，但會長期反復發生。長期反復的疼痛對患者的身體、情感和工作產生的影響是顯而易見的［2］。因此，緩解牙本質敏感癥所引發的疼痛是口腔醫生亟待解決的問題。牙本質敏感癥的治療原理是基于其疼痛機制提出的。關于其疼痛機制，最為廣泛接受的是流體動力學說，即作用于牙本質表面的刺激會引起牙本質小管內的液體發生多向流動，該流動傳到牙髓，會引起牙髓神經纖維的興奮而產生痛覺。因此，牙本質敏感癥的治療原理：降低牙髓神經的反應性和堵塞暴露的牙本質小管［3］。堵塞牙本質小管的方式因起效更快，在臨床中被廣泛應用。常用的堵塞方法有沉積填塞、黏接劑覆蓋和激光熔融無機物等。但傳統簡單沉積堵塞的方法并不能維持長久的療效。理想狀態下的堵塞材料不僅能嚴密封閉牙本質小管，還能誘導牙本質發生再礦化或仿生礦化。近年來，口腔材料的研究取得了重大進展，生物活性材料因能與牙體硬組織成鍵結合，促進羥基磷灰石晶體的形成以及具有良好的生物相容性，為牙體的保護與修復提供了新的選擇。目前國內外尚未見對其誘導牙本質再礦化或仿生礦化的系統性綜述報道。現對采用生物活性材料治療牙本質敏感癥的研究進展進行綜述。

1 生物活性材料

生物活性材料的概念提出可以追溯至1969 年，HENCH 等［4］將其定義為在材料界面引發特定的生物反應，從而導致組織和材料之間形成結合的物質。在不同的學科中，“生物活性”的具體表現不盡相同。從生物學角度來看，生物活性材料可以通過功能化配體或結合生長因子來調節蛋白質的表達過程［5］。在種植學中，材料的生物活性還包括材料與受體骨之間成鍵結合的特性。而在牙體修復方面，生物活性指的是一種材料在其表面形成羥基磷灰石晶體的能力［6］。由于牙本質的主要成分為羥基磷灰石，因此可以將生物活性材料應用于牙本質敏感癥的治療之中。現將能夠誘導牙本質再礦化或仿生礦化以治療該疾病的生物活性材料分為無機非金屬材料與有機材料2 類分別進行闡述。

2 無機非金屬材料

2.1 生物活性玻璃生物活性玻璃是人工合成的可降解材料，通過釋放鈣、鈉和磷酸鹽離子來提高局部pH 值，使磷酸鈣沉淀并礦化成羥基磷灰石，在牙本質敏感癥治療中是一種很好的選擇［7］。目前已商品化的生物活性玻璃材料有NovaMin 和Nanoseal 等，其在治療牙本質敏感癥中均取得了良好的效果［8-9］。其中，NovaMin 以磷硅酸鈣鈉作為活性成分，在與唾液接觸后Na+迅速擴散，隨著pH 值的升高，Ca2+與PO43－釋放并沉積，最后結晶形成羥基磷灰石［10］。Nanoseal 是含有氟鋁硅酸鈣玻璃離子以及磷酸的牙本質脫敏劑。Nanoseal 不僅可用于牙本質敏感癥的治療，在體外實驗中還表現出有效防止根部牙本質脫礦的能力［11］，可能是由于Nanoseal 與牙本質相互作用時產生的磷酸鋁、磷酸鈣、氟化鈣及硅酸鹽化合物，不僅堵塞了牙本質小管，還沉積保護了牙面，因此Nanoseal 有望成為預防根面齲的有效產品［11］。

為了使生物活性玻璃的脫敏效果能夠長期保持，近年來的研究還集中在對生物活性玻璃的修飾方面，主要包括：①通過加入二氧化硅和鈣組成的纖維納米支架來增加磷酸鈣的附著，促進羥基磷灰石的形成和提高脫敏劑的抗酸性及耐磨性；②制備具有2～50 nm 介孔的生物活性玻璃來增加其比表面積，提高誘導羥基磷灰石沉積的能力并且加快反應速率；③介孔生物活性玻璃還可以通過加載不同金屬元素或者化合物來提升材料的性能，如在介孔生物活性玻璃納米顆粒中涂覆納米級氧化石墨烯量子點，可以使材料的物理密封性能及再礦化能力得到增強［7，12-13］。

2.2 介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）MSNs 一種具有有序多孔結構的納米材料，其合成方法簡單、穩定性高且細胞毒性低。研究［14］表明：單分散MSNs 能夠抵抗膳食酸，并充填在牙本質小管中以治療牙本質敏感癥。此外，介孔顆粒的表面及孔內還可以被官能團修飾從而具備不同的性能。TIAN 等［15］將Ca2+和PO43?分別搭載在MSNs 表面制成Ca2+@MSNs 和PO43?@MSNs，2 種顆粒以1∶1 比例混合后粒子直徑約為50 nm，堵塞牙本質小管深度可達105 μm，而臨床常用脫敏劑極固寧僅能堵塞5 μm 的深度。并且Ca2+@MSNs 和PO43?@MSNs 還可以為長期礦化過程提供Ca2+和PO43?，以實現牙本質小管的長效堵塞。JUNG 等［16］將具有更高生物活性及抗菌性的載銀生物活性玻璃納米顆粒（silver-doped bioactive glass nanoparticles，Ag-BGNs）與 具 有 更大比表面積和耐酸性的MSNs 2 種材料加以復合，制備出Ag-BGN@MSNs。Ag-BGN@MSNs 對牙本質小管的堵塞效果優于MSNs，且不會影響牙本質與粘接系統之間的微拉伸粘結強度［15］。該科研團隊還合成了不同粒徑的生物活性玻璃包覆MSNs（bioactive glass nanoparticle-coated mesoporous silica nanoparticles，BGN@MSNs）復合材料。制備出直徑約為150 和400 nm 2 種粒徑的MSNs 后，用生物活性玻璃納米顆粒分別進行包裹。研究［17］顯示：與生物活性玻璃和MSNs 比較，2 種粒徑BGN@MSNs 均成功堵塞了暴露的牙本質小管，且耐酸性及再礦化能力更強，而直徑150 nm 的BGN@MSNs 因其粒徑小，比表面積和孔容大，推測在治療牙本質敏感癥的臨床應用中具有更好的治療效果。

2.3 酪蛋白磷酸肽-無定形磷酸鈣（casein phosphopeptides-amorphous calcium phosphate，CPP-ACP）CPP-ACP 是一種以乳制品為基礎的生物活性劑，由CPP 和ACP 兩部分組成。CPP 由牛奶蛋白酪蛋白制成，具有穩定溶液中磷酸鈣的能力并且能夠明顯提高牙菌斑中磷酸鈣水平。ACP是從高度過飽和的磷酸鈣溶液中沉淀形成的，易轉化為穩定的結晶相。ACP 具有良好的生物活性、較強的細胞黏附性且無細胞毒性，被廣泛應用于生物醫學領域［18］。

有研究者采用視覺模擬量表評估患者的牙本質敏感程度，在每天使用含有CPP-ACP 的摩擦劑刷牙3 min 并持續21 d 后，患者的牙本質敏感癥狀有很 大 的 改 善［18］。CAO 等［19］研 究 表 明：CPP-ACP可以通過使磷酸化的牙本質膠原纖維形成羥基磷灰石來誘導仿生礦化，其機制可能是在使用三偏磷酸鈉酸化脫礦的牙本質膠原基質后，三偏磷酸鈉的磷酸基團附著在膠原原纖維上成為了鈣離子的結合位點，磷酸化的牙本質膠原通過靜電作用吸引來自CPP-ACP 的鈣離子，促進磷灰石在膠原上成核［19］。該礦化方式為纖維內礦化，與纖維間礦化比較更有利于重現天然牙本質的結構與力學性能。

2.4 羥基磷灰石生物材料羥基磷灰石是一種無機礦化物，化學式為Ca10（PO4）6（OH）2，晶體結構為六方晶系。羥基磷灰石是人體硬組織的主要成分，其晶體構造與牙本質中羥基磷灰石的晶體結構相同。畢良佳等［20］研究證實：同質相吸現象可以使人工補充的羥基磷灰石附著于牙本質表面以及堵塞牙本質小管。利用羥基磷灰石微粒可以治療牙本質敏感癥，且已取得較好的脫敏效果［21］。與羥基磷灰石比較，納米羥基磷灰石具有更高的表面能以及更好的生物活性。BESINIS 等［22］研究顯示：粒徑小、分散性好和非團聚的顆粒能夠更好地滲透進牙本質小管的膠原蛋白結構上，使牙本質小管的閉塞深度增加，反絮凝劑六偏磷酸鈉的加入還可以使納米羥基磷灰石的滲透程度進一步增加。有研究者評估納米羥基磷灰石與二氧化硅納米膠體在牙釉質和牙本質中的再礦化功效，結果表明：納米羥基磷灰石可以更深地滲透到脫礦牙釉質與牙本質中，并且可以更好地恢復丟失的礦物質［23］。研究者以介孔二氧化鈦納米顆粒作為載體，搭載納米羥基磷灰石，合成了介孔二氧化鈦復合羥基磷灰石材料［24］。介孔二氧化鈦納米顆粒中的含氧官能團可以有效吸引來自人工唾液中的Ca2+和PO43－，促進牙本質小管的封閉。同時該復合材料的表面接觸角小于羥基磷灰石材料，潤濕性好，可以更好地與牙本質表面接觸，對牙本質小管的堵塞效果優于納米羥基磷灰石。由于納米羥基磷灰石在酸性環境下會緩慢溶解，YU 等［14］以MSNs 作為載體，負載納米羥基磷灰石和表沒食子兒茶素沒食子酸酯，合成具有抗菌性、抗酸穩定性及耐磨性能的多功能生物活性材料，在治療牙本質敏感癥及防齲方面具有較大潛力。

2.5 磷酸鹽糊劑三斜磷鈣石是羥基磷灰石的一種前驅物，因具有優異的生物活性和生物相容性常用作可吸收的骨替代材料。近年來逐漸開始應用于修復牙體硬組織的研究。湯皓等［25］合成了一種含有鍶、聚乙二醇微結構的三斜磷鈣石糊劑，并且成功堵塞了牙本質小管。材料中鍶離子增加羥基磷灰石的溶解度，從而釋放鈣離子和磷酸鹽離子，促進再礦化物的形成。由于牙本質敏感癥是牙齒漂白后常見的并發癥之一，LI 等［26］制備了一種酸性三斜磷鈣石復合糊劑以預防該疾病的發生。該糊劑中含有過氧化氫及鈣磷酸鹽，在治療牙齒著色時不僅能夠漂白牙齒，還能在暴露的牙本質表面形成礦化層并且深度閉塞牙本質小管。磷酸二鈣也是一種具有良好生物相容性的硬組織替代材料。有研究者［27］將酸性磷酸二鈣糊劑與鞘氨醇聯合使用，鞘氨醇能夠吸引電離的磷酸鹽，保護羥基磷灰石晶體，再礦化的晶體不僅嚴密封閉牙本質小管，還具有一定的抗酸穩定性［27］。

3 有機材料

與簡單沉積堵塞牙本質小管相比，誘導牙本質再礦化來堵塞牙本質小管會使治療效果更加持久。脫礦牙本質的再礦化比牙釉質的再礦化更為復雜，且由于殘余晶體的數量有限，再礦化效果較差［28］。傳統的再礦化更趨于是由酸堿調節的無機離子的沉積過程，通過補充鈣和磷酸鹽離子使晶體在膠原表面成核成長，促進再礦化。然而，該礦化方式忽略了非膠原蛋白在生物礦化過程中的關鍵作用，未能實現牙本質膠原纖維的纖維內礦化。牙本質的礦化是典型的有機基質介導下的生物礦化過程，因此有機基質作為模板的調控作用對于再礦化過程尤為重要。通過在體外模擬機體環境，在基質材料表面形成無機礦化物，并通過控制無機礦化物的形成過程及成分，從而制備出具有獨特細微結構及優異生物學性能的復合材料的過程，稱為仿生礦化［29］。

3.1 非膠原蛋白模擬物牙本質基質蛋白1（dentin matrix protein 1，DMP1）是一種存在于牙本質和骨中的酸性磷蛋白，在牙本質的礦化過程中對羥基磷灰石的成核成長起著積極的調節作用。DMP1 可以穩定溶液中的鈣和磷酸鹽離子，形成無定形磷酸鈣納米顆粒，最終在膠原纖維內的間隙中形成磷灰石晶體。膠原纖維內磷灰石晶體形成后，牙本質細胞外基質的機械性能得到增強，同時保護膠原蛋白分子免受酶和酸的破壞［30］。由于天然DMP1 的提取和純化較為困難，研究人員對DMP1衍生的仿生肽進行了牙本質礦化的研究，證實來自DMP1 的衍生肽能夠促進牙本質基質的礦化［31-32］。LING 等［33］制備了一種模擬DMP1 新型寡肽，并合成了含有DMP1 模擬寡肽、三氧礦物聚合物和瓊脂糖凝膠的仿生礦化復合物，結果顯示：其處理過的牙本質表面形成了均勻而致密的晶體，并形成了釉質樣組織，從而堵塞了所有的牙本質小管。因此，仿生礦化復合物可以作為一種治療牙本質敏感癥的潛在治療手段。

牙骨質蛋白1（cementum protein 1，CEMP1）是一種在牙骨質發生過程中特異性表達的產物。CEMP1 主要通過其極性殘基和磷酸絲氨酸來調控牙骨質的膠原礦化。WANG 等［34］合成了一種新型的兩親性寡肽，由模擬CEMP1 的親水性肽以及硬脂酸衍生的疏水性尾部構成。模擬CEMP1 寡肽能夠自組裝成絲狀結構，并結合在膠原原纖維表面，結合后的自組裝寡肽吸引鈣離子并且沿著膠原原纖維表面形成絲狀礦化物，促進纖維內礦化的發生。上述過程主要是由氫鍵以及靜電作用驅動的，并能在96 h 內形成約30 μm 厚的再礦化層。進一步研究［35］顯示：在人工唾液環境下模擬CEMP1 寡肽再生牙體硬組織的能力，在經模擬CEMP1 寡肽處理脫礦牙本質96 h 后，脫礦牙本質表面形成了約15 μm 厚的釉質樣組織，并且堵塞牙本質小管深達30 μm。這種釉質樣組織與牙本質連接緊密，并且可以抵抗咀嚼壓力以及口腔環境中的化學磨損。但其局限性在于模擬CEMP1 寡肽無法立即形成礦化組織來緩解疼痛，還需要更進一步的探索。

釉原蛋白（amelogenin，AM）是在釉質形成中起重要作用的釉基質蛋白。AM 通過其羧基端親水尾部基團TD7（TKREEVD）與鈣離子發生交聯反應，開啟礦化過程［36］。研究人員設計了一種由TD7 及5 個AM 中的高度保守序列Gln-Pro-X（QPYQPVQPHQPMQPQ）串聯得到的新型多肽QP5 （QPYQPVQPHQPMQPQTKREEVD），并證實QP5 可以促進釉質齲的再礦化［37-38］。TVH-19（TKRQQVVGLLWHLLHHLLH-NH2）也是一種AM 衍生多肽，其包含一個α-螺旋肽和一個修飾后的羧基序列TV7（TKRQQVV）。TVH-19 能夠有效封閉牙本質，且礦化形成的羥基磷灰石晶體與天然牙本質成分非常相似［39］。但該多肽是否能夠促進纖維內礦化還有待進一步研究。

3.2 聚酰胺-胺 樹枝狀分 子［poly（amidoamine），PAMAM］PAMAM 是由TOMALIA 等用發散法合成的第一種商業化的完整樹枝狀分子家族，與傳統的線性聚合物比較，PAMAM 為高度支化的合成大分子，此結構內部存在空腔，可攜帶不同的官能團［40］。PAMAM 通過模擬非膠原蛋白在生物礦化過程中的功能來促進再礦化，即礦物離子的封存以及隨后的模板化作用。氨基改性的聚酰胺-胺樹枝 狀 分 子［amine-terminated poly （amidoamine），PAMAM-NH2］能夠有效地再生牙本質及膠原纖維表面的礦物質；羧基改性的聚酰胺-胺樹枝狀分子 ［carboxylic-terminated poly （amidoamine），PAMAM-COOH］可以吸收膠原原纖維中的鈣和磷酸鹽離子，形成纖維內礦物質；磷酸改性的聚酰胺- 胺 樹 枝 狀 分 子 ［phosphate-terminated poly（amidoamine），PAMAM-PO3H2］則成功在動物模型中實現了人類牙本質的再礦化［41］。ZHU 等［42］還將芹菜素加載至PAMAM-PO3H2中，所制得的材料在堵塞牙本質小管的同時還具有較強的抗菌性。基于PAMAM 對膠原纖維的交聯能力，有研究者［43］應用PAMAM 對納米羥基磷灰石表面進行修飾以堵塞牙本質小管，結果顯示：與納米羥基磷灰石比較，PAMAM 修飾的納米羥基磷灰石展現出了更高的堵塞率與堵塞深度。

3.3 兒茶酚基聚合物兒茶酚類化合物應用于生物醫學領域的研究是受貽貝黏附現象啟發得出的。貽貝可以在水環境中黏附于各種基材表面，該黏附性能依靠的是足蛋白5（mytilus edulis foot protein-5，Mefp-5）中不斷重復的3，4-二羥基苯丙氨酸（3，4-dihydroxyphenylalanine，DOPA）基團。而多巴胺因其能在水溶液中發生氧化聚合形成類似DOPA 的聚多巴胺，逐漸應用于生物材料的表面修飾。近年來研究者［44］發現：聚多巴胺還能促進羥基磷灰石晶體的形成。ZHOU 等［45］研究證實聚多巴胺能夠促進牙本質的再礦化，可實現牙本質小管的堵塞。多巴胺中具有黏附與交聯的功能基團為兒茶酚（鄰苯二酚），兒茶酚是通過模仿牙本質中非膠原蛋白的功能促進再礦化的。含有兒茶酚的分子發生氧化后，與暴露的膠原纖維結合起到螯合層的作用，使鈣、磷酸鹽、氟化物和羥基離子靠近暴露的膠原，最后作為模板促進羥基磷灰石的成核成長，完成再礦化。有研究者［46］在上述實驗的基礎上進行了擴展，結果顯示：含有兒茶酚基團的聚多巴胺、聚多巴、聚咖啡酸和含多巴再礦化肽（DOPA-containing remineralization peptide，DOPA-RP）均可以誘導牙本質表面和牙本質小管的再礦化，具有良好的牙本質敏感癥治療前景。但在應用前還需要考慮口腔環境、材料的生物相容性及涂層抗性等多方面因素。

3.4 類淀粉樣低聚物涂層納米凝膠是一種由高分子聚合物交聯形成的水凝膠納米顆粒［47］。因顆粒尺寸較小，納米凝膠能夠進入牙本質小管內部并將其緊密封閉。SONG 等［48］合成了一種羧甲基殼聚糖/溶菌酶-ACP 納米凝膠來實現牙本質小管的快速堵塞。溶菌酶所攜帶的正電荷與羧甲基殼聚糖攜帶的負電荷通過靜電相互作用力形成納米凝膠，不僅作為載體負載ACP，還起到穩定ACP 納米粒子以及防止顆粒聚集的作用。研究［48］表明：羧甲基殼聚糖/溶菌酶-ACP 納米凝膠能夠快速有效地封閉牙本質小管，緩解牙本質敏感癥引起的疼痛。研究［49］顯示：溶菌酶中的二硫鍵在被三（2-羰基乙基）磷鹽酸鹽打破后，分子構象會發生轉變，α-螺旋結構破壞，形成含有大量β-片層結構的類淀粉樣蛋白低聚物。該低聚物能在固-液界面快速形成類淀粉樣納米薄膜，稱為相轉變溶菌酶膜。LI 等［50］將非極性的聚乙二醇接枝到溶菌酶分子上，合成聚乙二醇化溶菌酶，再加入三（2-羰基乙基）磷鹽酸鹽，形成了尺寸更小的相轉變聚乙二醇化溶菌酶。相轉變聚乙二醇化溶菌酶不僅具有良好的防污性和抗菌性，能夠抑制口腔細菌在牙齒表面獲得性薄膜上的定植，其活性官能團還能修飾牙本質小管壁并為螯合鈣離子提供結合位點，誘導羥基磷灰石形成，嚴密封閉牙本質小管內部超過20 μm，因此類淀粉樣蛋白表面改性技術有望成為一種理想的牙本質敏感癥治療手段［50］。

4 展 望

近年來，科研人員一直在努力研發具有再礦化潛力的智能修復材料。生物活性材料因能誘導牙本質小管中羥基磷灰石的形成并且具有良好的生物活性，在口腔材料研究領域中一直廣受關注。盡管生物活性材料能夠使牙本質中礦物質含量增加，但所形成礦物質的力學性能與天然牙本質的力學性能仍有差距。此外，目前多數研究都是在體外進行的，應用于口腔環境時可能會有不同的結果，同時還要考慮材料的生物活性、與牙本質小管的黏附效果、起效時間、髓腔壓力和牙本質小管液的影響。