牙科修复材料的抗菌作用研究进展*

张月如 侯亚娟 王宏远

龋病是口腔常见病，继发龋是修复后的主要并发症之一，变异链球菌的检出率被认为是龋病活动性的参照依据[1]。龋病产生的因素除了修复体与牙体组织之间的微渗漏引起细菌生物膜在此沉积外，另一个主要原因是修复材料不具备抗菌性或抗菌性能欠佳[2]，因此，在不打破口腔微环境动态平衡的前提下，研发具有长效抗菌功能的口腔修复材料对降低龋病的发病率具有重要意义。

现已有无机、有机及天然抗菌剂可赋予口腔修复材料抗菌性能，相较于另外两种抗菌剂，无机抗菌剂具有更高的稳定性及生物安全性、不易产生耐药性等优点[3,4]。本文就无机抗菌剂的抗菌机理及抗菌特性，对口腔修复材料的抗菌、理化性能影响及其在防龋方面的研究进展进行综述，展望其应用前景。

1.银离子抗菌剂

纳米银粒子（Silver nanoparticles，Ag NPs）是一种直径为1-100 nm的银单质粒子，具有化学性质活泼、吸附性强、生物安全性高、抗菌谱广、不易产生耐药性等优点。通过研究，发现添加Ag NPs的抗菌材料对变异链球菌、黏性放线菌以及白色念珠菌等都拥有显著的抗菌作用[5,6]。其可能的抗菌原理有：（1）释放Ag+：释放出来的Ag+能与细胞膜中的含硫、氮或氧的官能团结合形成络合物，破坏细胞膜，影响细胞的新陈代谢，产生杀菌作用；除此之外，Ag+还能与细菌的遗传物质DNA相互作用，使DNA的正常功能遭到破坏，使细胞凋亡[7]。（2）纳米银粒子能够诱导细胞产生过量活性氧，活性氧的过量累积会引发细胞发生氧化应激反应，导致细胞膜、DNA损伤，使细胞凋亡[8]。

基于上述特点，纳米银粒子树脂基托材料及树脂充填材料中用以防龋得到了广泛的应用与研究，分述如下。

1.1 基托材料 活动义齿是临床中较为广泛的修复方法，但是由于患者在使用义齿的过程中，口腔的自洁功能受到一定影响，不仅增加了患者患义齿性口炎的几率，也增加了基牙患龋的风险。近年来，有学者将载银纳米抗菌剂添加到义齿基托材料中，以防止基牙龋坏，延长义齿使用寿命。在抗菌方面，肖月[9]等将不同质量的载银纳米二氧化钛添加到树脂基托材料中，采取薄膜密贴法测得该抗菌树脂基托对白色链球菌及变异链球菌均有抗菌作用。机械性能方面，柳文娟[10]等将不同质量分数的载银磷酸锆添加到基托树脂中发现：添加质量分数为2%～3%的抗菌剂时，脂基托的弯曲性能最好，添加2%的质量分数时，材料的拉伸性能最好，而质量分数为1%～2%时，抗菌树脂基托的压缩性能最好。在生物安全性方面，有研究发现：只要银纳米粒子浓度不超过50 g每升，那么该物质不会对小鼠纤维细胞产生破坏，不干扰正常生物细胞的功能，符合生物相容性的要求，但其在体内代谢、转化、排泄的深入研究仍不够，因此其生物安全性还需进一步研究[11]。

1.2 复合树脂充填材料 继发龋及基牙龋坏仍然是树脂修复后失败的主要原因之一，据统计，因继发龋导致的十年内树脂修复的成功率低于50%[12]，因此，抗菌材料对抑制龋病的发生及延长修复体的使用时间有着重要的临床意义。研究证实，0-0.175wt.%的银纳米粒子改性复合树脂可明显减低生物膜的代谢活性和生长速度，随着银纳米粒子添加量的增加，复合树脂的抗菌活性也随之增强，在添加0-0.088wt.%时，与商品化树脂的弹性模量和挠曲强度无显著的差别，但其达到0.175wt.%时，抗菌复合树脂的挠曲强度表现出明显的下降现象[13]，因此，使复合树脂具有抗菌性时，还需要关注其机械性能。还有学者将纳米载银二氧化硅、纳米载银二氧化锆等添加到复合树脂中，使其增强机械性能的同时兼具抗菌活性[14]。因此，基托树脂材料和复合树脂材料中添加银系抗菌剂可以抑制龋病致病菌，但纳米银具有一定的细胞毒性，因此还需要进一步的临床前评估及研究。

2.金属氧化物系列抗菌剂

2.1 二氧化钛 二氧化钛（titanium dioxide，TiO2）作为一种光催化抗菌材料，对多种口腔微生物具有抗菌活性，包含变异链球菌、牙龈卟啉单胞菌及伴放线杆菌等[15]。抗菌机理主要为光催化抗菌机理：在紫外光催化后，价带的电子能够转移到空能级的导电带，产生导带自由电子（e-）,在价带中留下带正电的电子空穴(h+)，新产生的（e-）及（h+)参与氧化还原反应，产生ROS，ROS会攻击微生物膜上的多不饱和磷脂，促进蛋白质和电子介质的变性，进而破坏微生物膜，使细胞死亡[16]。

二氧化钛常用于牙科粘结剂用抗菌剂，近年来也陆续用于复合树脂的抗菌性研究[17]，Dias[18]等通过微波水热法制的TiO2NPs 加入到复合树脂FiltekTM Z350XT(3M Brazil)中，证明2wt.%的TiO2NPs 就可以使树脂表面的变异链球菌明显减少。还有研究结果表明加入TiO2NPs 的复合树脂及玻璃离子水门汀粘接剂，能使这些材料不影响其他性能的同时获得抗菌性[29]。

但是二氧化钛存在电子与价带分离的效率较低的不足，需要在紫外线的照射下才能发生光催化反应，影响操作的方便性及安全性，因此，有学者通过添加光敏性物质以期增强二氧化钛的可见光催化效果。Zane[20]等人将氮掺杂TiO2(N-TiO2)在蓝光下照射1 h 后，结果显示其对大肠杆菌有显著的杀菌效果，且对牙龈上皮的危害性小。含氮纳米二氧化钛的实验粘接剂在黑暗条件下也能展现出较好的抗菌效果，但在义齿基托树脂材料中，有学者添加0.8wt.%的TiO2NPs 发现并不能够有效抑制表面生物膜的形成，因此，将二氧化钛抗菌剂添加到义齿基托材料中还需进一步研究[15]。除了抗菌性能的研究，也有研究表明TiO2能通过产生的ROS 提高复合树脂光引发聚合的单体转化率，也可改性树脂亲水性和力学性能[21]，从而提高修复质量，因此，含TiO2的抗菌材料有望用于牙科修复，用以防治基牙龋坏及继发龋。

2.2 氧化锌 氧化锌（Zincox ide nanoparticles，ZnO）是一类新型锌源，容易获得，价格低廉，形貌可控，在高温下不易变色，对G+、G-菌及真菌都具有抗菌活性，如变异链球菌和牙龈卟啉单胞菌等，还有避免耐药菌株产生、抗菌效果持久等优势[22]，且其生物相容性良好。还有研究表明氧化锌拥有抑制牙体组织脱矿和促进牙齿再矿化的巨大潜力[23]。

氧化锌的抗菌机理尚无定论，可能为以下两点：①Zn2+的溶解释放：ZnO在含水介质中释放的Zn2+吸附到带负电的细菌细胞表面，损害细胞壁并阻碍细胞壁形成，导致胞质外流[24]，同时，过剩的Zn2+与细菌内含硫、氮的官能团及蛋白质反应，抑制细菌正常的生长、繁殖；Zn2+与DNA反应，破坏功能系统的正常活动，阻碍其正常的代谢活动[25]，并且细菌被杀灭后，Zn2+再次被释放，起到持久的抗菌作用。也有研究表表示锌离子的溶出机理是氧化锌抗菌的一种辅助效应[26]。②ROS的产生：ZnO激发产生的活性氧可以使细菌的蛋白质、DNA及细胞膜受损。ZnO NPs则可通过“特洛伊木马机制”进入细胞，在细胞内溶酶体中的酸性环境中触发释放大量Zn2+，促进ROS的生成。此外ZnO还可通过光催化机制产生ROS。杀伤细菌细胞[27]。总之，氧化锌的抗菌作用可能是几种机制共同作用的结果，何种机制占主要作用还需进一步深入研究。

此外，研究表明ZnO的形貌对其抗菌性产生影响，Dias[28]等人制备了六方微棒状ZnO 填料，将其以0.2wt.%、0.5wt.%和1.0wt.%含量分别加入至商品化树脂FiltekTMZ350XT(3M Brazil)中，发现三者的菌落形成单位(colony forming unit,CFU)相较于未添加ZnO的树脂均表现出明显的降低。Collares[29]等人合成了针状ZnO NPs，填充20wt.%该填料的复合树脂表现出显著的抗菌性能，其CFU值较纯有机基体降低了9.8%。李益玲[30]在复合树脂中添加不同比例的四针状氧化锌晶须(Tetra-needle like ZnO whiskers T-ZnOw)发现，随着T-ZnOw的添加量增加，复合树脂对变异链球菌的抗菌率随之增加。且变异链球菌对氧化锌形貌的尺寸更为敏感，可能与微生物产生H2O2的能力及固有抗性的差异有关[31]。因此，了解ZnO形貌对抗菌性能的影响，可以促进ZnO在口腔科抗菌材料用于防龋的应用。

基于这些特点，氧化锌吸引研究者们将其应用于粘接剂和牙科复合树脂中，以优化修复质量。

2.2.1 粘接剂Guti érrez[32,33]等通过研究表明：将5wt.% ZnONPs 和0.2wt.%的铜纳米颗粒（Copper nanoparticles,CuNPs）添加到粘接系统中，可以改善粘接界面的稳定性。Isadora[34]等将ZnO NPs掺入到树脂粘接剂中，发现粘接剂的化学和机械性能在符合国际标准化组织范围内，添加7.5wt.%的ZnO可以显著破坏菌斑生物膜。Javed[35]等制备了壳聚糖包覆的ZnO NPs，并将其掺入到粘接剂中，结果表明不仅减少了变异链球菌和乳酸杆菌的菌落数，还提高了粘接剂的力学性能。因此，将ZnO添加到粘接剂中，对主要致龋菌—变异链球菌有显著的抗菌效果。

2.2.2 复合树脂充填材料Aydin等[36]发现10%ZnO NPs改性复合树脂对致龋菌复合生物膜（变异链球菌、远缘链球菌和内氏放线菌）的抑制作用显著，且减少了细菌胞外多糖的合成。Angel等[37]将粒径为50纳米的ZnO NPs添加进渗透树脂中，涂于离体牙经脱矿处理造成的龋病病灶区域内，他们通过SEM观察到了存在于距牙齿表面深10-20 um 处的ZnO NPs。由此可见ZnO NPs可以抑制牙本质深层的细菌。ZnO NPs还可在不改变弯曲强度和弹性模量等物理性能的情况下赋予树脂抗菌性能,如Tavassoli[38]等将含量为0-5wt.%的ZnO NPs加入光固化流体复合树脂中，发现随着纳米ZnO NPs添加量的增高，变异链球菌的生长明显减弱，并且添加ZnO NPs还会显著增加树脂的压缩强度、弯曲模量和粘接强度,但该研究同时也表明，添加5wt.%ZnO NPs会降低树脂的固化深度。Brandâo[39]等将0.5wt.%-10wt.%的ZnO NPs加入了复合树脂中，发现添加2wt.%的ZnO NPs可以在不影响转化率、弯曲强度和弹性模量等理化性能的前提下赋予复合树脂抗菌性能。ZnO也可赋予垫底材料抗菌活性，如Esteban[40]等制备了亚微米ZnO玻璃纤维并将其加入树脂类垫底材料中，发现改性后该垫底材料可以使大肠杆菌、口腔链球菌、克柔念珠菌酵母菌的活力显著降低。因此，添加ZnO到复合树脂中，会增加其抗菌性能，不影响甚至增强压缩强度、弯曲模量等物理性能，有利于口腔材料的持久耐用。但是添加ZnO可能在一定程度上影响光固化复合树脂的色泽、固化深度和力学性能[41]。

有研究显示氧化锌掺杂稀土元素可以提高抗菌效果，是最常见的掺杂方式之一[42],唐晓宁[43]等研究者将研制出的具有抗菌性的铈-锌抗菌白炭黑添加到陶瓷中，获得了具有抗菌性优良的陶瓷，抑菌率可达到46%。毛华明[44]等研究者制备的锌型复合无机抗菌材料，以大肠杆菌作为菌种，抗菌实验结果表明稀土元素铽的添加使其抗菌性能显著提高。

3.展望

无机抗菌材料因其优异的抗菌和理化等性能，越来越多地被研究应用于口腔修复材料。纳米银粒子用于树脂基托材料和树脂充填材料可以有效抑制龋病致病菌，起到抑制基牙龋坏的作用。在金属氧化物系列抗菌剂中，二氧化钛在紫外光照条件下，可提高粘接剂和复合树脂的抗菌性能，光敏性物质的加入弥补了二氧化钛光催化反应效率低的不足；氧化锌应用到粘接剂和树脂充填材料中对变异链球菌有显著的抗菌效果，甚至可提高压缩强度等物理性能，有望用于口腔修复材料中，预防继发龋及基牙龋坏，同时，氧化锌中添加稀土元素也为口腔材料的抗菌性研究带来了新思路。