納米生物活性玻璃在牙體硬組織再礦化作用中的研究進展

李佳晨，黃雨夢，李雨蕾，張梓瑋，李恩光，伍廷蕓

（荊楚理工學院醫學部，湖北 荊門 448000）

牙體硬組織包括牙釉質、牙本質和牙骨質。在口腔所能看到的牙體部分為臨床牙冠，牙冠最表面覆蓋牙釉質，是人體高度礦化的組織。刷牙方式不當、口腔衛生不潔、飯后食物殘留等因素會導致口腔菌群失調，致齲菌產酸，在酸性環境下，牙釉質可以溶解，即為脫礦，表現為牙面白堊色改變，即白堊斑，這不僅影響美觀，且可能發展為齲齒，易發展為牙體缺損危害口腔健康［1-2］。臨床上通常采用再礦化的方法來抑制牙體硬組織脫礦過程，牙體的硬組織主要成分是羥基磷灰石，脫礦過程中羥基磷灰石溶解，在人體的口腔唾液中存在一種能夠防止鈣沉淀的磷蛋白，并對磷灰石有親和性，能促進磷鈣與牙釉質結合，即再礦化［3］。生物活性玻璃較傳統的口腔修復材料具有更良好的生物相容性，并且可以促進牙體硬組織再礦化過程。本文就納米生物活性玻璃在牙體硬組織各部分的再礦化作用進行綜述。

1 納米生物活性玻璃的分子結構

CaO-SiO2-P2O5是組成生物活性玻璃的三元系統，同時，也有部分含有MgO、K2O、Al2O3、B2O3、TiO2等（圖1）。玻璃之所以具有生物活性，是因為生物活性玻璃具有特殊的網絡結構，玻璃網絡通過非橋氧所連接的Na+、Ca2+等陽離子以網絡外體的形式存在，使得網絡結構的完整性遭到破壞，玻璃溶解性增加，加快了離子釋放的速度，同時增強了玻璃的生物活性［4］。

圖1 生物活性玻璃的結構示意圖［3］

2 納米生物活性玻璃的制備方法

2.1 溶膠-凝膠法以正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯和硝酸鈣為原料，作為Si、P、Ca的前體，在催化劑作用下發生水解反應形成溶膠，最后在低于800 ℃的條件下干燥制成生物活性玻璃［5-6］。通過調節制備條件、溶液的補充比例等，可以控制納米生物活性玻璃的化學成分、粒徑、分子結構等［7］。

2.2 模板合成法其產生機理是首先把表面活性劑作為結構導向物和形態模板劑添加在反應系統中，隨著溶液蒸發后的溫度逐漸升高，由表面活性劑—無機分子所產生的自重組凝聚體的含量也相應增加，隨后再經過熱加工去掉形態模板，最后獲得帶有特定分子結構的納米生物活性材料。余承忠等［8］首先通過形態模板法制得一種新型的納米生物活性玻璃復合材料，與常規的材料比較，其介孔結構更為合理。若被醋酸等酸性物質催化，還能夠使納米顆粒表面的介孔高度有序［9］。

2.3 火焰噴霧法將已霧化的前體溶液冷凝合并，產生分子核，經過上千攝氏度的高溫火焰加熱，形成納米粒子，進而可制備納米生物活性玻璃［10］。

2.4 3D打印法近幾年，利用計算機輔助設計/計算機輔助制造技術，能夠對納米生物反應玻璃的形態、孔徑、孔隙率等進行精密控制［11］。

3 納米生物活性玻璃與牙體硬組織的相互作用機制

生物活性玻璃與唾液接觸后迅速發生反應，可以持續釋放出Ca2+和PO43-，提高了周圍溶液的pH值，且經過離子交換反應形成大量Si（OH）4、Si-OH基團縮聚，玻璃結構的Si-O-Si鍵斷裂，可溶性硅溶出。生物活性玻璃與體液形成更多硅羥基，使pH值升高，形成弱堿性環境，在此環境下硅羥基聚合能形成帶負電的富硅凝膠層，從而吸附Ca2+和PO43-沉積在硅凝膠層表面，形成磷酸鈣層，磷酸鈣晶化變為羥基磷灰石，這種成分與牙體硬組織的成分十分相似［12］。隨著生物活性玻璃的降解，磷灰石相繼形成，形成后可吸附周圍環境中的蛋白分子，利于細胞黏附、增殖及分化后形成骨基質［5，13］。

4 納米生物活性玻璃對牙體硬組織的再礦化作用研究

生物活性玻璃的主要成分是SiO2、CaO、P2O5等，當暴露于水介質中時，形成的羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP）可以沉積在組織和玻璃之間的界面上，說明生物活性玻璃脫礦的牙齒組織具有再礦化的潛力［14］。生物活性玻璃具有獨特形態結構，可以提高細胞活性和生物礦化速率。隨著生物活性玻璃礦化機制研究深入，生物活性玻璃在牙科修復領域的應用研究也逐漸增多［15］。

4.1 納米生物活性玻璃的再礦化機制生物活性玻璃在修復中的主要優點是其與骨表面接觸時具有高反應性。當材料與水溶液接觸時，顆粒將變為介孔形狀［16］迅速釋放Ca2+、P5+，然后在骨表面形成，產生磷灰石樣富集層（類似于骨骼或其他硬組織的成分），在此過程中通過釋放Na+，與溶液中的H+進行化學反應，使局部pH值升高，從而達到抑制脫礦、加速再礦化的目的。來自生物活性玻璃和唾液中礦化劑的Ca2+、PO43-也可以增強礦化作用［17］。

4.2 納米生物活性玻璃對牙釉質的再礦化作用釉質為覆蓋在牙冠外層極堅硬的物質，成分主要為Ca3（PO4）2和CaCO3，能夠承受咀嚼壓力，保護牙體內部組織。牙釉質中96%是羥基磷灰石，HAP在口腔中與唾液、食物接觸過程中處于礦化和再礦化的動態平衡狀態［18］。細菌產酸、進食酸性食物等會使口腔內環境pH值降低，當pH值低于5.5時，牙釉質脫礦，進而促進釉質齲的形成［19］。而齲病作為一種兒童常見慢性病正影響著全球數百萬6歲以下的兒童［20］。近年來研究發現，生物活性玻璃具有再礦化和廣譜抗菌作用［21］。因此生物活性玻璃在防治齲病方面具有重要的臨床應用價值。張芮等［22］研究表明，經生物活性玻璃處理后的釉質表面可以觀察到大量呈片狀分布的納米微球覆蓋在脫礦部位，提示生物活性玻璃具有吸附鈣磷離子沉積的能力，即生物活性玻璃能促進牙釉質再礦化。方謙等［23］研究表明，生物活性玻璃溶液促進牙釉質再礦化的最佳濃度為6%。王首力等［24］選用6%的生物活性玻璃進行實驗，結果顯示，使用生物活性玻璃組的牙釉質表面的脫礦孔洞較少，且在牙釉質上的沉積物呈現分層的均勻分布，證明生物活性玻璃有利于礦物質沉積，能夠促進再礦化。

4.3 納米生物活性玻璃對牙本質的再礦化作用牙本質過敏是口腔臨床的一種常見疾病，臨床表現為受到外界刺激時，裸露的牙本質會產生短暫的銳痛。目前發病機制尚不明確，最為廣泛接受的是Brannstrom提出的流體動力理論［25］。

納米生物活性玻璃具有特殊的結構和組分，因此擁有形成礦物質的潛能，即在牙本質表面發生再礦化作用。封閉暴露的牙本質小管，可起到緩解或消除牙本質過敏的癥狀［26］。一般情況下，口腔環境中與牙齒硬質組織中的鈣磷離子含量處于動態平衡，當唾液中的鈣磷離子達到過飽和時，容易形成結晶，當結晶沉積在硬質組織表面就會發生再礦化［27］。BioMinF粉末和奧敏清粉末均為45S5型生物活性玻璃，BioMinF可以緩慢釋放F-、Ca2+、PO43-，可有效改善牙齒脫礦、促進牙體硬組織再礦化［28］。奧敏清是一種不含氟的45S5型生物活性玻璃，能在唾液環境下發生迅速而持久的化學反應，釋放Ca2+、PO43-等，最終產生HAP層，使牙本質實現再礦化［28］。

岳陽麗等［29］研究顯示，BioMinF和奧敏清都能促進牙本質再礦化。黃賢圣等［30］研究表明，生物活性玻璃組在完全脫礦后，礦化晶體層在牙本質表面形成，完全地封閉了暴露的牙本質小管。以上結果均表明，生物活性玻璃能促進牙本質再礦化，并能在牙本質表面形成與牙本質結構相似的礦物質沉積層，對預防和治療牙本質過敏具有重大意義。

4.4 納米生物活性玻璃對牙骨質的再礦化作用高鵬等［31］研究表明，經生物活性玻璃處理后的牙骨質表面粗糙度降低，凹坑減少或消失，即表面形成了礦物質沉積層。由此可知生物活性玻璃能夠促進牙骨質的再礦化作用。孫旸等［32］研究顯示，增加氟化鈉+生物活性玻璃涂漆后牙骨質表面粗糙度明顯比未涂漆時低，礦物質濃度比涂漆前高。由此可以證實生物活性玻璃通過使礦物質沉積在牙骨質表面而促進再礦化。

5 小結與展望

近年來納米生物活性玻璃因其良好的生物相容性被廣泛應用于口腔醫學眾多領域，在未來也具有廣闊的應用前景，它不僅能夠促進牙體硬組織的再礦化，且具有廣譜抗菌作用，有利于提升口腔種植體留存率及植入效果，相比傳統氟制劑的再礦化效能更高。生物活性玻璃更健康、安全，可以在6歲以下兒童口腔內使用。生物活性玻璃的成分復雜多變，加入不同物質如各種功能離子、藥物及人造聚合物可導致其性能各不相同。但目前生物活性玻璃的成分及制備沒有統一標準，如何調整材料成分、比例、添加物質才能使其在口腔環境中達到令人滿意的效果，仍需深入探究。此外，材料在體內不同酸堿環境下的適應性及使用效果也需進一步探索。