生物活性材料诱导牙本质再矿化和仿生矿化的研究进展

杨庆祎, 王 端, 徐晓薇

（吉林大学口腔医院牙周科，吉林 长春 130021）

牙本质敏感症是指牙齿受外界刺激，出现短暂和尖锐的疼痛或不适的现象。刺激的类型有机械（摩擦或咬硬物）、温度（冷或热）、化学（酸或甜）及渗透压等。牙本质敏感症是一种症状，而不是一种独立的疾病［1］。牙本质敏感症患者在口腔门诊患者中占14.3%～25.0%，40 岁左右患者多见。患者在日常刷牙、饮用冷饮或酸性液体时都可能会产生疼痛，疼痛是短暂的，但会长期反复发生。长期反复的疼痛对患者的身体、情感和工作产生的影响是显而易见的［2］。因此，缓解牙本质敏感症所引发的疼痛是口腔医生亟待解决的问题。牙本质敏感症的治疗原理是基于其疼痛机制提出的。关于其疼痛机制，最为广泛接受的是流体动力学说，即作用于牙本质表面的刺激会引起牙本质小管内的液体发生多向流动，该流动传到牙髓，会引起牙髓神经纤维的兴奋而产生痛觉。因此，牙本质敏感症的治疗原理：降低牙髓神经的反应性和堵塞暴露的牙本质小管［3］。堵塞牙本质小管的方式因起效更快，在临床中被广泛应用。常用的堵塞方法有沉积填塞、黏接剂覆盖和激光熔融无机物等。但传统简单沉积堵塞的方法并不能维持长久的疗效。理想状态下的堵塞材料不仅能严密封闭牙本质小管，还能诱导牙本质发生再矿化或仿生矿化。近年来，口腔材料的研究取得了重大进展，生物活性材料因能与牙体硬组织成键结合，促进羟基磷灰石晶体的形成以及具有良好的生物相容性，为牙体的保护与修复提供了新的选择。目前国内外尚未见对其诱导牙本质再矿化或仿生矿化的系统性综述报道。现对采用生物活性材料治疗牙本质敏感症的研究进展进行综述。

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］将其定义为在材料界面引发特定的生物反应，从而导致组织和材料之间形成结合的物质。在不同的学科中，“生物活性”的具体表现不尽相同。从生物学角度来看，生物活性材料可以通过功能化配体或结合生长因子来调节蛋白质的表达过程［5］。在种植学中，材料的生物活性还包括材料与受体骨之间成键结合的特性。而在牙体修复方面，生物活性指的是一种材料在其表面形成羟基磷灰石晶体的能力［6］。由于牙本质的主要成分为羟基磷灰石，因此可以将生物活性材料应用于牙本质敏感症的治疗之中。现将能够诱导牙本质再矿化或仿生矿化以治疗该疾病的生物活性材料分为无机非金属材料与有机材料2 类分别进行阐述。

2 无机非金属材料

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，通过释放钙、钠和磷酸盐离子来提高局部pH 值，使磷酸钙沉淀并矿化成羟基磷灰石，在牙本质敏感症治疗中是一种很好的选择［7］。目前已商品化的生物活性玻璃材料有NovaMin 和Nanoseal 等，其在治疗牙本质敏感症中均取得了良好的效果［8-9］。其中，NovaMin 以磷硅酸钙钠作为活性成分，在与唾液接触后Na+迅速扩散，随着pH 值的升高，Ca2+与PO43－释放并沉积，最后结晶形成羟基磷灰石［10］。Nanoseal 是含有氟铝硅酸钙玻璃离子以及磷酸的牙本质脱敏剂。Nanoseal 不仅可用于牙本质敏感症的治疗，在体外实验中还表现出有效防止根部牙本质脱矿的能力［11］，可能是由于Nanoseal 与牙本质相互作用时产生的磷酸铝、磷酸钙、氟化钙及硅酸盐化合物，不仅堵塞了牙本质小管，还沉积保护了牙面，因此Nanoseal 有望成为预防根面龋的有效产品［11］。

为了使生物活性玻璃的脱敏效果能够长期保持，近年来的研究还集中在对生物活性玻璃的修饰方面，主要包括：①通过加入二氧化硅和钙组成的纤维纳米支架来增加磷酸钙的附着，促进羟基磷灰石的形成和提高脱敏剂的抗酸性及耐磨性；②制备具有2～50 nm 介孔的生物活性玻璃来增加其比表面积，提高诱导羟基磷灰石沉积的能力并且加快反应速率；③介孔生物活性玻璃还可以通过加载不同金属元素或者化合物来提升材料的性能，如在介孔生物活性玻璃纳米颗粒中涂覆纳米级氧化石墨烯量子点，可以使材料的物理密封性能及再矿化能力得到增强［7，12-13］。

2.2 介孔二氧化硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）MSNs 一种具有有序多孔结构的纳米材料，其合成方法简单、稳定性高且细胞毒性低。研究［14］表明：单分散MSNs 能够抵抗膳食酸，并充填在牙本质小管中以治疗牙本质敏感症。此外，介孔颗粒的表面及孔内还可以被官能团修饰从而具备不同的性能。TIAN 等［15］将Ca2+和PO43−分别搭载在MSNs 表面制成Ca2+@MSNs 和PO43−@MSNs，2 种颗粒以1∶1 比例混合后粒子直径约为50 nm，堵塞牙本质小管深度可达105 μm，而临床常用脱敏剂极固宁仅能堵塞5 μm 的深度。并且Ca2+@MSNs 和PO43−@MSNs 还可以为长期矿化过程提供Ca2+和PO43−，以实现牙本质小管的长效堵塞。JUNG 等［16］将具有更高生物活性及抗菌性的载银生物活性玻璃纳米颗粒（silver-doped bioactive glass nanoparticles，Ag-BGNs）与 具 有 更大比表面积和耐酸性的MSNs 2 种材料加以复合，制备出Ag-BGN@MSNs。Ag-BGN@MSNs 对牙本质小管的堵塞效果优于MSNs，且不会影响牙本质与粘接系统之间的微拉伸粘结强度［15］。该科研团队还合成了不同粒径的生物活性玻璃包覆MSNs（bioactive glass nanoparticle-coated mesoporous silica nanoparticles，BGN@MSNs）复合材料。制备出直径约为150 和400 nm 2 种粒径的MSNs 后，用生物活性玻璃纳米颗粒分别进行包裹。研究［17］显示：与生物活性玻璃和MSNs 比较，2 种粒径BGN@MSNs 均成功堵塞了暴露的牙本质小管，且耐酸性及再矿化能力更强，而直径150 nm 的BGN@MSNs 因其粒径小，比表面积和孔容大，推测在治疗牙本质敏感症的临床应用中具有更好的治疗效果。

2.3 酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙（casein phosphopeptides-amorphous calcium phosphate，CPP-ACP）CPP-ACP 是一种以乳制品为基础的生物活性剂，由CPP 和ACP 两部分组成。CPP 由牛奶蛋白酪蛋白制成，具有稳定溶液中磷酸钙的能力并且能够明显提高牙菌斑中磷酸钙水平。ACP是从高度过饱和的磷酸钙溶液中沉淀形成的，易转化为稳定的结晶相。ACP 具有良好的生物活性、较强的细胞黏附性且无细胞毒性，被广泛应用于生物医学领域［18］。

有研究者采用视觉模拟量表评估患者的牙本质敏感程度，在每天使用含有CPP-ACP 的摩擦剂刷牙3 min 并持续21 d 后，患者的牙本质敏感症状有很 大 的 改 善［18］。CAO 等［19］研 究 表 明：CPP-ACP可以通过使磷酸化的牙本质胶原纤维形成羟基磷灰石来诱导仿生矿化，其机制可能是在使用三偏磷酸钠酸化脱矿的牙本质胶原基质后，三偏磷酸钠的磷酸基团附着在胶原原纤维上成为了钙离子的结合位点，磷酸化的牙本质胶原通过静电作用吸引来自CPP-ACP 的钙离子，促进磷灰石在胶原上成核［19］。该矿化方式为纤维内矿化，与纤维间矿化比较更有利于重现天然牙本质的结构与力学性能。

2.4 羟基磷灰石生物材料羟基磷灰石是一种无机矿化物，化学式为Ca10（PO4）6（OH）2，晶体结构为六方晶系。羟基磷灰石是人体硬组织的主要成分，其晶体构造与牙本质中羟基磷灰石的晶体结构相同。毕良佳等［20］研究证实：同质相吸现象可以使人工补充的羟基磷灰石附着于牙本质表面以及堵塞牙本质小管。利用羟基磷灰石微粒可以治疗牙本质敏感症，且已取得较好的脱敏效果［21］。与羟基磷灰石比较，纳米羟基磷灰石具有更高的表面能以及更好的生物活性。BESINIS 等［22］研究显示：粒径小、分散性好和非团聚的颗粒能够更好地渗透进牙本质小管的胶原蛋白结构上，使牙本质小管的闭塞深度增加，反絮凝剂六偏磷酸钠的加入还可以使纳米羟基磷灰石的渗透程度进一步增加。有研究者评估纳米羟基磷灰石与二氧化硅纳米胶体在牙釉质和牙本质中的再矿化功效，结果表明：纳米羟基磷灰石可以更深地渗透到脱矿牙釉质与牙本质中，并且可以更好地恢复丢失的矿物质［23］。研究者以介孔二氧化钛纳米颗粒作为载体，搭载纳米羟基磷灰石，合成了介孔二氧化钛复合羟基磷灰石材料［24］。介孔二氧化钛纳米颗粒中的含氧官能团可以有效吸引来自人工唾液中的Ca2+和PO43－，促进牙本质小管的封闭。同时该复合材料的表面接触角小于羟基磷灰石材料，润湿性好，可以更好地与牙本质表面接触，对牙本质小管的堵塞效果优于纳米羟基磷灰石。由于纳米羟基磷灰石在酸性环境下会缓慢溶解，YU 等［14］以MSNs 作为载体，负载纳米羟基磷灰石和表没食子儿茶素没食子酸酯，合成具有抗菌性、抗酸稳定性及耐磨性能的多功能生物活性材料，在治疗牙本质敏感症及防龋方面具有较大潜力。

2.5 磷酸盐糊剂三斜磷钙石是羟基磷灰石的一种前驱物，因具有优异的生物活性和生物相容性常用作可吸收的骨替代材料。近年来逐渐开始应用于修复牙体硬组织的研究。汤皓等［25］合成了一种含有锶、聚乙二醇微结构的三斜磷钙石糊剂，并且成功堵塞了牙本质小管。材料中锶离子增加羟基磷灰石的溶解度，从而释放钙离子和磷酸盐离子，促进再矿化物的形成。由于牙本质敏感症是牙齿漂白后常见的并发症之一，LI 等［26］制备了一种酸性三斜磷钙石复合糊剂以预防该疾病的发生。该糊剂中含有过氧化氢及钙磷酸盐，在治疗牙齿着色时不仅能够漂白牙齿，还能在暴露的牙本质表面形成矿化层并且深度闭塞牙本质小管。磷酸二钙也是一种具有良好生物相容性的硬组织替代材料。有研究者［27］将酸性磷酸二钙糊剂与鞘氨醇联合使用，鞘氨醇能够吸引电离的磷酸盐，保护羟基磷灰石晶体，再矿化的晶体不仅严密封闭牙本质小管，还具有一定的抗酸稳定性［27］。

3 有机材料

与简单沉积堵塞牙本质小管相比，诱导牙本质再矿化来堵塞牙本质小管会使治疗效果更加持久。脱矿牙本质的再矿化比牙釉质的再矿化更为复杂，且由于残余晶体的数量有限，再矿化效果较差［28］。传统的再矿化更趋于是由酸碱调节的无机离子的沉积过程，通过补充钙和磷酸盐离子使晶体在胶原表面成核成长，促进再矿化。然而，该矿化方式忽略了非胶原蛋白在生物矿化过程中的关键作用，未能实现牙本质胶原纤维的纤维内矿化。牙本质的矿化是典型的有机基质介导下的生物矿化过程，因此有机基质作为模板的调控作用对于再矿化过程尤为重要。通过在体外模拟机体环境，在基质材料表面形成无机矿化物，并通过控制无机矿化物的形成过程及成分，从而制备出具有独特细微结构及优异生物学性能的复合材料的过程，称为仿生矿化［29］。

3.1 非胶原蛋白模拟物牙本质基质蛋白1（dentin matrix protein 1，DMP1）是一种存在于牙本质和骨中的酸性磷蛋白，在牙本质的矿化过程中对羟基磷灰石的成核成长起着积极的调节作用。DMP1 可以稳定溶液中的钙和磷酸盐离子，形成无定形磷酸钙纳米颗粒，最终在胶原纤维内的间隙中形成磷灰石晶体。胶原纤维内磷灰石晶体形成后，牙本质细胞外基质的机械性能得到增强，同时保护胶原蛋白分子免受酶和酸的破坏［30］。由于天然DMP1 的提取和纯化较为困难，研究人员对DMP1衍生的仿生肽进行了牙本质矿化的研究，证实来自DMP1 的衍生肽能够促进牙本质基质的矿化［31-32］。LING 等［33］制备了一种模拟DMP1 新型寡肽，并合成了含有DMP1 模拟寡肽、三氧矿物聚合物和琼脂糖凝胶的仿生矿化复合物，结果显示：其处理过的牙本质表面形成了均匀而致密的晶体，并形成了釉质样组织，从而堵塞了所有的牙本质小管。因此，仿生矿化复合物可以作为一种治疗牙本质敏感症的潜在治疗手段。

牙骨质蛋白1（cementum protein 1，CEMP1）是一种在牙骨质发生过程中特异性表达的产物。CEMP1 主要通过其极性残基和磷酸丝氨酸来调控牙骨质的胶原矿化。WANG 等［34］合成了一种新型的两亲性寡肽，由模拟CEMP1 的亲水性肽以及硬脂酸衍生的疏水性尾部构成。模拟CEMP1 寡肽能够自组装成丝状结构，并结合在胶原原纤维表面，结合后的自组装寡肽吸引钙离子并且沿着胶原原纤维表面形成丝状矿化物，促进纤维内矿化的发生。上述过程主要是由氢键以及静电作用驱动的，并能在96 h 内形成约30 μm 厚的再矿化层。进一步研究［35］显示：在人工唾液环境下模拟CEMP1 寡肽再生牙体硬组织的能力，在经模拟CEMP1 寡肽处理脱矿牙本质96 h 后，脱矿牙本质表面形成了约15 μm 厚的釉质样组织，并且堵塞牙本质小管深达30 μm。这种釉质样组织与牙本质连接紧密，并且可以抵抗咀嚼压力以及口腔环境中的化学磨损。但其局限性在于模拟CEMP1 寡肽无法立即形成矿化组织来缓解疼痛，还需要更进一步的探索。

釉原蛋白（amelogenin，AM）是在釉质形成中起重要作用的釉基质蛋白。AM 通过其羧基端亲水尾部基团TD7（TKREEVD）与钙离子发生交联反应，开启矿化过程［36］。研究人员设计了一种由TD7 及5 个AM 中的高度保守序列Gln-Pro-X（QPYQPVQPHQPMQPQ）串联得到的新型多肽QP5 （QPYQPVQPHQPMQPQTKREEVD），并证实QP5 可以促进釉质龋的再矿化［37-38］。TVH-19（TKRQQVVGLLWHLLHHLLH-NH2）也是一种AM 衍生多肽，其包含一个α-螺旋肽和一个修饰后的羧基序列TV7（TKRQQVV）。TVH-19 能够有效封闭牙本质，且矿化形成的羟基磷灰石晶体与天然牙本质成分非常相似［39］。但该多肽是否能够促进纤维内矿化还有待进一步研究。

3.2 聚酰胺-胺 树枝状分 子［poly（amidoamine），PAMAM］PAMAM 是由TOMALIA 等用发散法合成的第一种商业化的完整树枝状分子家族，与传统的线性聚合物比较，PAMAM 为高度支化的合成大分子，此结构内部存在空腔，可携带不同的官能团［40］。PAMAM 通过模拟非胶原蛋白在生物矿化过程中的功能来促进再矿化，即矿物离子的封存以及随后的模板化作用。氨基改性的聚酰胺-胺树枝 状 分 子［amine-terminated poly （amidoamine），PAMAM-NH2］能够有效地再生牙本质及胶原纤维表面的矿物质；羧基改性的聚酰胺-胺树枝状分子 ［carboxylic-terminated poly （amidoamine），PAMAM-COOH］可以吸收胶原原纤维中的钙和磷酸盐离子，形成纤维内矿物质；磷酸改性的聚酰胺- 胺 树 枝 状 分 子 ［phosphate-terminated poly（amidoamine），PAMAM-PO3H2］则成功在动物模型中实现了人类牙本质的再矿化［41］。ZHU 等［42］还将芹菜素加载至PAMAM-PO3H2中，所制得的材料在堵塞牙本质小管的同时还具有较强的抗菌性。基于PAMAM 对胶原纤维的交联能力，有研究者［43］应用PAMAM 对纳米羟基磷灰石表面进行修饰以堵塞牙本质小管，结果显示：与纳米羟基磷灰石比较，PAMAM 修饰的纳米羟基磷灰石展现出了更高的堵塞率与堵塞深度。

3.3 儿茶酚基聚合物儿茶酚类化合物应用于生物医学领域的研究是受贻贝黏附现象启发得出的。贻贝可以在水环境中黏附于各种基材表面，该黏附性能依靠的是足蛋白5（mytilus edulis foot protein-5，Mefp-5）中不断重复的3，4-二羟基苯丙氨酸（3，4-dihydroxyphenylalanine，DOPA）基团。而多巴胺因其能在水溶液中发生氧化聚合形成类似DOPA 的聚多巴胺，逐渐应用于生物材料的表面修饰。近年来研究者［44］发现：聚多巴胺还能促进羟基磷灰石晶体的形成。ZHOU 等［45］研究证实聚多巴胺能够促进牙本质的再矿化，可实现牙本质小管的堵塞。多巴胺中具有黏附与交联的功能基团为儿茶酚（邻苯二酚），儿茶酚是通过模仿牙本质中非胶原蛋白的功能促进再矿化的。含有儿茶酚的分子发生氧化后，与暴露的胶原纤维结合起到螯合层的作用，使钙、磷酸盐、氟化物和羟基离子靠近暴露的胶原，最后作为模板促进羟基磷灰石的成核成长，完成再矿化。有研究者［46］在上述实验的基础上进行了扩展，结果显示：含有儿茶酚基团的聚多巴胺、聚多巴、聚咖啡酸和含多巴再矿化肽（DOPA-containing remineralization peptide，DOPA-RP）均可以诱导牙本质表面和牙本质小管的再矿化，具有良好的牙本质敏感症治疗前景。但在应用前还需要考虑口腔环境、材料的生物相容性及涂层抗性等多方面因素。

3.4 类淀粉样低聚物涂层纳米凝胶是一种由高分子聚合物交联形成的水凝胶纳米颗粒［47］。因颗粒尺寸较小，纳米凝胶能够进入牙本质小管内部并将其紧密封闭。SONG 等［48］合成了一种羧甲基壳聚糖/溶菌酶-ACP 纳米凝胶来实现牙本质小管的快速堵塞。溶菌酶所携带的正电荷与羧甲基壳聚糖携带的负电荷通过静电相互作用力形成纳米凝胶，不仅作为载体负载ACP，还起到稳定ACP 纳米粒子以及防止颗粒聚集的作用。研究［48］表明：羧甲基壳聚糖/溶菌酶-ACP 纳米凝胶能够快速有效地封闭牙本质小管，缓解牙本质敏感症引起的疼痛。研究［49］显示：溶菌酶中的二硫键在被三（2-羰基乙基）磷盐酸盐打破后，分子构象会发生转变，α-螺旋结构破坏，形成含有大量β-片层结构的类淀粉样蛋白低聚物。该低聚物能在固-液界面快速形成类淀粉样纳米薄膜，称为相转变溶菌酶膜。LI 等［50］将非极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）磷盐酸盐，形成了尺寸更小的相转变聚乙二醇化溶菌酶。相转变聚乙二醇化溶菌酶不仅具有良好的防污性和抗菌性，能够抑制口腔细菌在牙齿表面获得性薄膜上的定植，其活性官能团还能修饰牙本质小管壁并为螯合钙离子提供结合位点，诱导羟基磷灰石形成，严密封闭牙本质小管内部超过20 μm，因此类淀粉样蛋白表面改性技术有望成为一种理想的牙本质敏感症治疗手段［50］。

4 展 望

近年来，科研人员一直在努力研发具有再矿化潜力的智能修复材料。生物活性材料因能诱导牙本质小管中羟基磷灰石的形成并且具有良好的生物活性，在口腔材料研究领域中一直广受关注。尽管生物活性材料能够使牙本质中矿物质含量增加，但所形成矿物质的力学性能与天然牙本质的力学性能仍有差距。此外，目前多数研究都是在体外进行的，应用于口腔环境时可能会有不同的结果，同时还要考虑材料的生物活性、与牙本质小管的黏附效果、起效时间、髓腔压力和牙本质小管液的影响。