聚氨酯在根管充填材料中的应用

刘增一，刘尔黎，张剑

(遵义医科大学附属口腔医院仁怀门诊部，贵州 遵义 563000)

根管治疗又称牙髓治疗，是通过一系列对感染牙髓的治疗操作，清除根管内的微生物以及感染组织，避免剩余牙体组织进一步感染[1]。根管在经过机械性的清理后，需要应用牙髓封闭剂，这是一个常规的操作，已经被用于预防和治疗根尖周炎[2]。然而，有报道，在经过机械性清理后，牙本质小管、侧支根管、根尖分歧等结构中感染的微生物不能完全被清除[3]。如果开髓口不能被完全封闭，且根管不能形成紧密的三维充填，则容易使细菌、口腔内的唾液等化学物质进入通道，导致二次感染[4]。目前应用的充填树脂(如聚甲基丙烯酸甲酯、Resilon、Epiphan)最主要的缺点是聚合反应过程中的体积收缩[5]。即使是目前临床上最常使用的热塑牙胶尖根管充填材料，在加热后冷却的过程中也会造成体积收缩。体积收缩产生的微小间隙可使口腔内的微生物快速进入并生长，再次导致根尖周的感染。聚氨酯作为生物材料已经引起了学者的关注。聚氨酯主要由软段和硬段两部分组成，软段为聚醚多元醇或聚酯多元醇，硬段主要是异氰酸酯和小分子扩链剂。硬段之间存在很强的氢键作用，形成微区，产生微相分离现象，使聚氨酯具有良好的性能。通过调节硬段与软段的比例，可以得到特定性能的聚氨酯材料。现就聚氨酯在根管充填材料中的应用予以综述。

1 普通型聚氨酯根管充填材料

聚氨酯具有良好的机械性能、血液相容性以及多功能的分子结构，因此广泛应用于角膜接触镜、热敏材料和口腔材料领域[6-7]。在口腔领域中，聚氨酯根管充填材料具有多种优势(如流动性可控和快速固化)，而且在聚合反应后体积会轻微增加，可以实现根管充填的严格密封性[8]。由此，Sun等[8]提出一种新型的根管充填材料，即自固化可注射的聚氨酯根管充填材料，实验结果表明，新型的聚氨酯根管充填材料展现出轻微的体积膨胀(达到1.4%)，但该膨胀率并不满足国际标准组织的标准(0.1%)。然而，牙齿断裂的危险因素主要与切向的应力有关，主要包括牙本质和材料的弹性模量以及材料的膨胀率。牙本质的杨氏模量为(13.2±4.0) GPa，而聚氨酯封闭剂的杨氏模量为(3.70±0.42) MPa(1 GPa=1 000 MPa)[8]。固化的聚氨酯封闭剂的杨氏模量较低，可以减少由材料体积膨胀导致的根管断裂的危险。综合考虑，新型的聚氨酯封闭剂可以很好地满足根管充填材料的要求，且该新型的自固化可注射聚氨酯根管充填材料具有优良的理化性能。此外，自固化可注射聚氨酯根管充填材料还具有良好的生物相容性，在聚氨酯根管充填材料聚合反应过程中，较高的单体-聚合物转化率在短时间内即可实现，傅立叶变换红外光谱显示，4 h内，异氰酸酯基团有90%反应完成，24 h后异氰酸酯基团反应达到95%[8]。良好的生物相容性离不开材料较高的单体-聚合物转化率。

2 抗菌型聚氨酯根管充填材料

由根管充填材料体积收缩导致的细菌渗漏，继而发生再感染的问题，可以应用具有抗菌性能的根管充填材料解决。因为抗菌性能的根管充填材料可以有效防止微生物的渗漏，进而防止由渗漏导致的充填的整体失败。然而，目前所使用的封闭剂，如环氧树脂封闭剂和氧化锌丁香油封闭剂固有的抗菌性能均较短暂(不超过1周)，这对于长期预防细菌感染是远远不够的[2]。口腔的生态环境复杂，由许多不同种类的细菌组成，而目前使用的抗菌封闭剂只对其中某些种类的细菌敏感[1]。银离子和银的复合物表现出很强的抗菌活性，并且具有较宽的抗菌谱[9]，而这些复合物已经应用于杀菌产品中，包括医用导管、伤口敷料、纺织制品、复合材料涂层、骨水泥以及口腔材料等。先前的研究已经证实，银离子可以对口腔内的细菌产生抑制作用，如中间普氏菌和牙龈卟啉单胞菌等[10]。因此，在根管封闭剂中掺入银离子或银的复合物可能会有一定的优势。Wang等[11]在此基础上提出了一种新型的可注射自固化聚氨酯基抗菌根管封闭剂，通过掺入磷酸银颗粒的方式，使磷酸银颗粒能够均匀地分散在材料中，实验结果表明，银离子的释放能够产生令人满意的抗菌效果。重金属通过与巯基结合而与蛋白质反应，导致蛋白质的失活，巯基基团是蛋白质中重要的基团，与酶的活性密切相关，因此，银离子进入细菌的细胞可以导致蛋白质在细胞内沉积[12]。有报道，银离子与巯基的相互作用在细菌的失活中具有重要的作用[13]。DNA分子的复制只有在DNA分子松弛状态下有效，在凝聚状态下，DNA分子会失去复制能力[12]。释放的银离子穿过细胞壁进入细胞内，继而将DNA转变为凝聚状态，抑制DNA的复制[11]。上述方法均会导致微生物的损伤甚至死亡。银离子多水平的抗菌模式使细菌对银离子的抗性不能仅通过简单的单点突变获得，并且使含有磷酸银颗粒的聚氨酯基自固化封闭剂具有较宽的抗菌谱。考虑到兼性厌氧菌和厌氧菌在失败的牙髓治疗中广泛存在，对于通过机械预备和根管内药物冲洗不能被完全清除的微生物，根管封闭剂的抗菌活性可能有助于消除残余的微生物，也有助于控制感染。新型聚氨酯基抗菌根管封闭剂具有较好的生物相容性和机械性能，且在短时间内即能达到较高的转化率，实验表明，掺有3wt%和5wt%浓度硝酸银颗粒的聚氨酯根管充填材料在7 h内的转化率分别达到95%和98%，可能的原因是硝酸银是聚氨酯基封闭剂的催化剂，能够提高其单体转化率；异氰酸酯基团的高转化率可以避免聚合反应过程中残余的单体产生，减少单体渗出产生的细胞毒性[14]。增高的转化率不仅能够减少未固化的单体及其造成的有害的生物性反应，还可以获得优良的机械性能(如表面硬度、弯曲强度、断裂韧性)[7,15]。同时，也可以避免因较低的转化率导致的与牙本质黏结强度的降低[16]。因此，将抗菌剂掺入聚氨酯封闭剂中能够保持聚氨酯基牙髓封闭剂的优势，同时赋予封闭剂以抗菌性能，防止残留微生物的生长。

根管充填材料除了聚合反应过程中的体积收缩，还有一些其他的缺点。例如，常用于牙髓治疗的传统的充填材料牙胶尖缺乏和牙本质的黏结性、硬度不够等[17]。与牙胶尖相比，新型的聚合物基充填材料Resilon的微生物渗漏较少，对根管牙本质的黏结强度较强，根尖炎症减轻，且经过牙髓治疗后牙的抗断裂性增强[18]，但仍有一些不理想的性能，如推出黏结强度、黏结强度及硬度较低等[19]，而且Resilon不能实现对根尖的完全封闭[20]。这些缺点促使研究人员不断开发更合适的根管充填材料。Lee等[15]先后进行了两个实验，提出将热塑聚氨酯/氧化锌用作根管封闭剂，并先后进行了机械性能以及推出黏结强度等测试，结果显示，热塑聚氨酯/氧化锌根管充填材料具有良好的机械性能，其拉伸强度和弹性模量显著高于其他对照组(Resilon组和牙胶尖组)，分别达到(22.6±2.8) MPa和(137.6±27.6) MPa，此外，其推出黏结强度也较其他两组显著增高，达到(10.92±3.88) MPa。黏结强度的提高可能与聚氨酯中的氨基甲酸酯基团有关，因其具有亲水性，可与牙本质的胶原基质形成混合层，增强黏结强度。

3 纳米羟基磷灰石型聚氨酯根管充填材料

理想的封闭材料应对根尖周组织无刺激，而且对根管壁具有良好的适应性。然而，目前的充填材料具有刺激组织的潜在风险，并且不能与根管壁结构形成稳定的连接。临床上应用的Gutta-percha/AH Plus、Resilon/Epiphany与牙本质之间的连接较弱，根充物和牙本质之间不能形成一个整体。

纳米羟基磷灰石(nanohydroxyapatite，nHA)因优良的生物相容性和生物活性已被广泛应用于生物医学领域。Khan等[21]将聚氨酯与nHA结合提出了新型的聚氨酯/nHA复合材料，用于根管充填。nHA是有生物活性的，因为nHA与牙齿和骨中的矿物质具有相似的化学成分和大小，因此可以在材料和牙齿结构(如牙釉质、牙本质)之间产生生物活性的黏结，而且nHA具有较高的表面积与体积比、良好的化学同质性以及微结构的一致性，能够提供较好的机械性能[22]。钙离子的存在会刺激成骨细胞的增殖，通过负反馈环路抑制破骨细胞介导的骨吸收，抑制磷诱导的成骨细胞凋亡[23]。高浓度的钙离子可促进成骨细胞的分化，促进骨的矿化，而nHA有利于骨稳定性的保持和分化的活跃性[24]。Khan等[25]对新型聚氨酯/nHA复合材料进行了相关的实验，对其拉伸强度、弹性模量和推出粘接强度进行了测试，结果表明，聚氨酯/nHA复合材料具有良好的机械性能，而且此性能随着nHA在复合材料中浓度的升高而升高。理论上，与牙本质黏结的材料应与牙本质有相似的弹性模量，以避免界面间的应力集中。而聚氨酯/nHA20复合材料的拉伸强度(33.4 MPa)比牙胶尖(6.0 MPa)和Resilon(8.1 MPa)更接近牙本质的拉伸强度[25]。除了良好的机械性能，聚氨酯/nHA复合材料还具有良好的生物相容性，纳米结构提供了致密的表面，提高了表面能，以促进细胞最初的黏附和铺展[26]。nHA每单位体积有更大的表面积提供给细胞生长，这会导致细胞黏附和细胞增殖增强[27]，因此，能够刺激成骨细胞增殖。同时，聚氨酯/nHA复合材料还可以减弱细菌的黏附。研究表明，材料表面改性可以减少细菌的黏附，表面特性(如表面位阻、表面粗糙度和表面形貌)也会影响细菌的附着[24]。聚氨酯/nHA复合材料具有良好的机械性能、生物相容性、能够减弱细菌的黏附等性能，但试验中用于评价材料生物相容性所用的成骨细胞和评价材料细菌黏附性所用的血链球菌并不能代表体内真实的情况，因此，需要进行进一步的试验研究来评价聚氨酯/nHA20复合材料的性能。

4 氟磷灰石型聚氨酯根管充填材料

牙齿主要的成分碳磷灰石中含有氟，以氟磷灰石的形式存在。氟磷灰石是六角形的，在磷灰石矿物质中有着最高的对称性[空间群：P6/m (175)，晶胞常数(a) 9.368 4 Å(1 Å=10-10m)和(c) 6.884 1 Å][28]。其他离子对氟离子(F-)的取代(如OH-、Cl-和CO32-)常会导致对称性的降低和原子的移位，因此，会损害氟磷灰石的化学稳定性[29]。氟磷灰石具有抗龋性，它能将部分碳磷灰石转化为热动力学更加稳定的氟磷灰石，在龋病发生时氟从氟磷灰石中游离出来，改变了脱矿/再矿化的过程，而且F-取代的羟基磷灰石比羟基磷灰石的溶解度更低，这也是其具有抗龋作用的原因[30]。由于氟磷灰石具有良好的生物相容性和再矿化能力，Khan等[28]在聚氨酯/nHA复合材料的基础上，将nHA替换成纳米氟磷灰石(nano-fluorapatite，nFA)，合成了聚氨酯/nFA根管充填材料，并对新型的氟磷灰石基复合材料进行了相关的测试，结果表明，聚氨酯/nFA具有良好的氟释放能力。氟的释放可抑制细菌酶的活性，氟与口腔细菌通过两种方式作用，即氟在高浓度时具有杀菌作用，在低浓度时具有抑菌作用。除了氟的释放能力，聚氨酯/nFA也具有较好的黏结强度，聚氨酯/nFA20复合材料与天然牙本质的黏结强度在90 h达到1.10 MPa(浸泡在去离子水中)和1.49 MPa(浸泡在人工唾液中)[28]。F-具有很小的离子直径，很高的电荷，能够形成较强的离子键和氢键，这使得F-具有与矿物质和有机大分子结合的潜能[31]。这些复合材料中存在的钙离子和磷可能增强磷灰石层，与浸润在去离子水中的样品相比，浸润在人工唾液中的样品可形成更多的磷灰石层[28]。牙本质胶原可能与钙离子具有亲和力，这些胶原可以作为钙聚集的聚集器和存储器，以利于磷灰石结晶。氟磷灰石是一种稳定的材料，吸水率低。吸水率对于黏结作用非常重要，因为吸水率高的材料(如磷酸三钙)比吸水性较低的材料(氟磷灰石和羟基磷灰石涂层)稳定性低，氟磷灰石每年的吸水率接近20%，因此对周围组织不会造成有害影响[32]。目前聚氨酯/nFA复合材料在黏结强度方面与先前的研究一致[33]，但聚氨酯/nFA复合材料具有能够直接黏结以及避免微渗漏的能力，因此将其应用于口腔领域具有良好的应用前景。

5 小 结

在口腔领域中，聚氨酯根管充填材料逐渐兴起，普通型聚氨酯根管充填材料、抗菌型聚氨酯根管充填材料、nHA型聚氨酯根管充填材料、氟磷灰石型聚氨酯根管充填材料相继被报道。这些充填材料虽然能够弥补现有材料的缺点，但某些性能也影响了其在临床的应用，如固化条件较为复杂、固化时间较长等不利于临床医师的操作。而且一些聚氨酯根管充填材料的研究条件与患者体内的真实条件有一定的差异，研究结果还需进一步验证。因此，将聚氨酯根管充填材料应用于临床还需进一步的探索和研究。