納米技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李云霞，付之光 綜述 溫 寧 審校

綜述

納米技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李云霞1,2，付之光1綜述 溫 寧1審校

納米技術(shù)；口腔醫(yī)學(xué)

納米(nanometer，nm)，又稱毫微米，1 nm=10-9m。納米技術(shù)(nanotechnology)是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)材料性能和應(yīng)用的技術(shù)，直接以原子或分子來構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)概念大概可以分為三類：(1)任意組合所有種類分子，制作任何分子結(jié)構(gòu)；(2)以納米精度“加工”各種人工結(jié)構(gòu)；(3)從生物學(xué)的納米級結(jié)構(gòu)提出構(gòu)思[1-3]。納米技術(shù)的飛速發(fā)展，并在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也為口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展注入了新動力。筆者針對納米技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用熱點(diǎn)進(jìn)行綜述。

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用?？梢苑譃槿N：(1)納米材料和設(shè)備應(yīng)用于診斷和治療，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)藥物輸送和智能藥物；(2)基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)現(xiàn)的分子醫(yī)學(xué)；(3)分子機(jī)械系統(tǒng)和醫(yī)用納米機(jī)器人協(xié)助診斷和治療，增強(qiáng)和改善生理功能。納米口腔醫(yī)學(xué)(Nanodentistry)則是通過納米材料、生物技術(shù)、組織工程，以及納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面口腔健康的維護(hù)。現(xiàn)有的多種新型產(chǎn)品和技術(shù)，已經(jīng)覆蓋了口腔醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域[1]。

1 在口腔醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

1.1 口腔疾病預(yù)防 現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)更注重預(yù)防與微生物相關(guān)的疾病，納米技術(shù)可以阻斷并部分逆轉(zhuǎn)病程進(jìn)展。

1.1.1 預(yù)防口腔內(nèi)細(xì)菌生長 一些納米顆粒，如氧化鋅、銀和聚乙醇胺等，添加到牙膏或粘接劑中抑制細(xì)菌生長，主要機(jī)制包括破壞細(xì)菌膜、干擾跨膜電轉(zhuǎn)運(yùn)、抑制糖代謝、產(chǎn)生活性氧、置換口腔生物膜酶活性所需鎂離子、阻斷DNA復(fù)制等。研究表明，抗菌納米涂層還能有效抑制細(xì)菌粘附并殺滅細(xì)菌，同時(shí)保持唾液生物膜的完整性。這些納米顆粒的抗菌作用與顆粒大小相關(guān)[4]。

1.1.2 預(yù)防脫礦和促進(jìn)牙體硬組織再礦化 逆轉(zhuǎn)牙體硬組織脫礦，可以有效預(yù)防和控制齲病進(jìn)展。碳酸鈣納米仿生膜有良好的附著性，緩慢釋放高濃度鈣離子，提高周圍環(huán)境pH值，有效促進(jìn)早期損傷牙釉質(zhì)再礦化。納米磷酸鈣填充劑與脫礦牙釉質(zhì)或牙本質(zhì)結(jié)合，形成一層保護(hù)膜，阻斷菌斑酸性物質(zhì)的破壞。納米鈣氟化鈣(CaF2)能代羥基磷灰石的羥基，形成氟磷灰石，參與牙釉質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，形成氟磷灰石保護(hù)層，提高牙齒強(qiáng)度，增強(qiáng)抗酸能力。此外，氟對細(xì)菌和酶有抑制作用，可減少細(xì)菌活動產(chǎn)酸，更有利于齲病預(yù)防。納米顆粒加入牙膏中，均勻分布，有利于進(jìn)一步清潔牙齒，預(yù)防牙結(jié)石生成[5, 6]。多西環(huán)素納米凝膠可能會預(yù)防牙槽骨喪失[7, 8]。

1.1.3 防齲疫苗 學(xué)者們一直致力于研發(fā)防齲疫苗。DNA疫苗有效、安全、穩(wěn)定，可以誘導(dǎo)體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)。許多候選DNA疫苗已經(jīng)或正在進(jìn)行測試，例如DNA3-Pac、p-CIA-P、pGJGLU/VAX 和pGLUA-P。大多數(shù)防齲疫苗通過阻斷PAc表面蛋白抗原或失活葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶來防止菌斑堆積。納米技術(shù)還用于疫苗載送系統(tǒng)研發(fā)，例如在甲殼素/DNA納米復(fù)合材料使用脂質(zhì)體作為運(yùn)載工具，并實(shí)現(xiàn)pH值響應(yīng)釋放疫苗[9]。但防齲疫苗還處于早期研究階段，尚未有防齲疫苗用于臨床[10]。

1.2 口腔疾病診斷 納米技術(shù)對口腔醫(yī)學(xué)所產(chǎn)生的貢獻(xiàn)主要是在三個(gè)領(lǐng)域：原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)、成像增強(qiáng)劑和生物芯片。

1.2.1 原子力顯微鏡 AFM利用微懸臂感受器和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測樣品原子之間的作用力進(jìn)行檢測，具有原子級的分辨率，可以直接對活細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)高靈敏度掃描，采集細(xì)胞彈性和膜分子信息[11]。生物膜是不同細(xì)菌嵌入的多聚糖和蛋白質(zhì)基質(zhì)膜，其附著力主要取決于菌種、基質(zhì)及周圍環(huán)境，并決定其耐藥性和機(jī)械移除抵抗力。了解細(xì)菌黏附、定植及生物膜形成機(jī)制，掌握抗菌藥物與細(xì)菌生物力學(xué)作用信息，有助于口腔細(xì)菌感染性疾病的防治[4, 12]。

1.2.2 成像增強(qiáng)劑 在癌癥診斷和治療中，對病變圖像的識別至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)臨床成像技術(shù)，如計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、分子共振成像(MRI)和超聲波，歸為結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，能夠識別解剖結(jié)構(gòu)，提供腫瘤位置、大小和分布等基本信息。對于直徑小于5 mm的原發(fā)腫瘤或轉(zhuǎn)移灶，就需要特殊成像增強(qiáng)劑輔助診斷，如對X射線高吸收金納米粒子(GNPs)，可作為CT成像活體血管造影增強(qiáng)劑，對GNPs進(jìn)行涂層(如聚合物、脂質(zhì)和DNA)或靶向修飾(如EGF、HER2和葉酸)，可在腫瘤組織積累，增強(qiáng)顯影[1, 3, 4, 13, 14]。

另一納米技術(shù)是利用近紅外(NIR)發(fā)光量子點(diǎn)(Ds)探測腫瘤。Ds納米級半導(dǎo)體晶體，與GNPs類似，與生物大分子(如核酸和蛋白質(zhì))尺寸相當(dāng)，是一種無機(jī)熒光體，發(fā)光穩(wěn)定、發(fā)射光譜窄、對稱，允許單波長多個(gè)激發(fā)，是一種非常有效的體內(nèi)標(biāo)記物。功能化的Ds熒光探針，可以特異性結(jié)合目標(biāo)受體。Ds技術(shù)并不局限于腫瘤診斷，也用于常見疾病，如齲病和牙周病的診斷。2007年，有學(xué)者使用發(fā)光探測器，單克隆抗體結(jié)合Ds分辨鏈球菌。盡管這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但目前僅限于實(shí)驗(yàn)室，尚未應(yīng)用于臨床[4, 15, 16]。

1.2.3 生物芯片 用于疾病診斷的納米技術(shù)還有生物芯片，這是應(yīng)用前景最好的DNA分析技術(shù)之一，分析對象可以是核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織等。相對于傳統(tǒng)方法，更高效、準(zhǔn)確[4]。2002年，美國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，正常人群和患者唾液中的mRNA不同，并研發(fā)了口腔體液納米傳感器測試，快速檢出mRNA、miRNA和各種蛋白標(biāo)記物，高敏感性分辨特異性惡性腫瘤細(xì)胞，以及牙周病相關(guān)炎性生物標(biāo)記物，已經(jīng)用于部分疾病的診斷[17-19]。

1.3 口腔疾病的治療 納米技術(shù)在口腔疾病治療的應(yīng)用涉及藥物、材料、組織工程等，覆蓋了頜面外科、牙體牙髓、牙周、種植、修復(fù)、正畸等多個(gè)學(xué)科。

1.3.1 納米藥物 納米藥物或納米載藥系統(tǒng)的粒徑小，通?？梢赃M(jìn)入細(xì)胞膜，有時(shí)甚至是進(jìn)入細(xì)胞核，能夠增強(qiáng)藥物在體內(nèi)的溶解速率及口服生物利用度，具有靶向性，并延長其在作用部位的作用時(shí)間，同時(shí)可以減輕藥物的不良反應(yīng)。目前主要有抗腫瘤藥物納米化、納米載藥系統(tǒng)、腫瘤放療和光熱療增敏劑，納米藥物還可以進(jìn)行靶向標(biāo)記(如RGD、NLS、VEG等)，并實(shí)現(xiàn)不同響應(yīng)方式(pH響應(yīng)、谷胱甘肽響應(yīng)、溫度響應(yīng))，特殊的納米結(jié)構(gòu)和形狀(如納米棒、納米球和納米粒子)也將進(jìn)一步誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，同時(shí)，產(chǎn)生的活性氧可以殺死腫瘤細(xì)胞[4, 14]。

除此之外，納米藥物還用于疼痛管理和牙周、牙髓疾病治療。納米載藥系統(tǒng)快速有效的將阿片類鎮(zhèn)痛輸送至目標(biāo)組織，減低過量用藥風(fēng)險(xiǎn)，免于接受注射，并且降低了口服制劑首過效應(yīng)[20]。研究人員還在納米載體系統(tǒng)中加入抗生素(如四環(huán)素，多西環(huán)素等)和生長因子(如BMP、TGF-1等)，用于治療和預(yù)防感染性牙周牙體疾病，促進(jìn)組織修復(fù)，其中含有四環(huán)素微球的Arestin?凝膠已證實(shí)可以有效地控制牙周炎性反應(yīng)[3, 13]。

1.3.2 納米材料 納米復(fù)合材料顆粒小于100納米，均勻分布，與傳統(tǒng)的材料相比，性能更穩(wěn)定，改善了彈性模量、減少了聚合收縮(50%)、延長了操作時(shí)間、具有持久高拋光性和良好光學(xué)性能。納米粘接劑也由分散的納米粒子構(gòu)成，具有高強(qiáng)度粘接力、高應(yīng)力吸收、更長保質(zhì)期、良好密封性，無需單獨(dú)酸蝕，并且持續(xù)釋放氟。光固化納米玻璃水門汀美學(xué)效果好、耐磨，已用于乳牙充填、臨時(shí)修復(fù)、Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ類洞充填及樁核制作。傳統(tǒng)瓷質(zhì)耐磨，但易碎，不易粘合，不易拋光，納米陶瓷修復(fù)體光學(xué)效果更佳，顏色多、導(dǎo)熱系數(shù)低、強(qiáng)度好、耐磨。此外，新型納米不銹鋼正畸矯正鋼絲具有優(yōu)異的抗變形性、耐腐蝕性、表面光潔度好等優(yōu)點(diǎn)[1, 15, 21]。

一些納米顆粒，如氧化鋅和(或)殼聚糖，對根管封閉劑的流動性沒有影響，但抗菌作用增強(qiáng)，可以顯著減少糞腸球菌并抑制生物膜形成。此外，試驗(yàn)也證實(shí)，與傳統(tǒng)的NaOCl溶液(5.25%)相比，金屬氧化物(如氧化鎂納米粒子，5 mg/L)可以長期顯著減少糞腸球菌的附著[22]。含有納米碳酸鹽磷灰石的牙膏也是治療牙本質(zhì)過敏的有效方法之一[15]。

1.3.3 組織工程 組織工程在口腔醫(yī)學(xué)中潛在應(yīng)用包括頜面部骨折、骨擴(kuò)增、顳下頜關(guān)節(jié)軟骨再生、牙髓修復(fù)、牙周韌帶再生和骨整合。干細(xì)胞主要來源于牙髓組織，牙周韌帶(PDL)和牙槽骨。納米技術(shù)對支架材料進(jìn)行了改進(jìn)，為細(xì)胞和組織生長提供獨(dú)特的三維基質(zhì)條件，而且可以結(jié)合許多生物蛋白和活性分子，誘導(dǎo)干細(xì)胞分化，控制細(xì)胞行為，創(chuàng)造出類似牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓和牙槽骨等組織的結(jié)構(gòu)[23, 24]。骨組織再生是組織工程領(lǐng)域研究的重要組成部分。骨是一種由有機(jī)化合物(主要是膠原蛋白)和無機(jī)化合物(如羥磷灰石)構(gòu)成的一種天然納米合成物。納米仿生骨替代材料將模擬這種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于頜面外科、牙周治療和種植修復(fù)。這種骨替代材料全人工合成，隨著粒子尺寸減小，表面積增加，具有骨誘導(dǎo)、非燒結(jié)、滲透性良好、不能被破骨細(xì)胞降解，易塑形等優(yōu)點(diǎn)，最重要的可以刺激牙周組織再生。已應(yīng)用于臨床的骨修復(fù)材料有Ostim? HA、VITOSS? HA+ TCP、 NanOssTMHA等[13, 15]。

1.3.4 種植修復(fù) 骨整合是種植修復(fù)成功的基礎(chǔ)，其決定性因素是表面接觸面積和表面形態(tài)。與傳統(tǒng)的微粗糙表面相比，納米級別種植體的表面積更大，納米顆粒有助于早期吸附蛋白質(zhì)，這對于早期骨結(jié)合非常重要。各種涂層技術(shù)，如羥磷灰石涂料、藥物涂層、金屬陶瓷涂層等，添加生長因子、蛋白，提高了成骨細(xì)胞的附著力，誘導(dǎo)成骨分化，在一定程度上促進(jìn)了種植體周圍骨形成，并且可以預(yù)防種植體周圍炎發(fā)生。然而，涂層與種植體結(jié)合力不足、斷裂韌度和彎曲強(qiáng)度低、負(fù)重不佳等限制其應(yīng)用[1, 15]。

2 存在的問題和不足

2.1 安全問題 盡管納米技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但臨床對各種產(chǎn)品的安全性擔(dān)憂也越來越多。納米粒子具有較大的表面積體積比，皮膚、肺或消化道的吸收率高。進(jìn)入肺泡后，主要危害是可能會引起呼吸道炎性反應(yīng)，組織損傷后，納米顆粒隨著血液循環(huán)被送到其他重要器官或全身組織，有可能引起心血管和其他器官受損[1-3]。

2.2 技術(shù)困難限制其發(fā)展 隨著研究的深入，對納米材料的設(shè)計(jì)、合成等技術(shù)要求也越來越高。例如：如何根據(jù)不同用途來選擇納米材料的最佳直徑、混合比例，在口腔內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中，物理性能會發(fā)生什么變化；納米系統(tǒng)有較好的包容性，但其所裝載離子的釋放速度、濃度怎樣評估和精確控制；納米粒子進(jìn)入體內(nèi)后如何示蹤等。這些技術(shù)困難在一定程度上限制了納米口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展[1-4]。

綜上所述，盡管很多研究處于起步階段，但預(yù)期結(jié)果非常值得期待，特別是納米載藥系統(tǒng)及納米材料，憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)和生物學(xué)優(yōu)勢，將會大量應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)。此外，納米設(shè)備也值得關(guān)注，如納米機(jī)器人(nanorobots)有可能應(yīng)用于牙本質(zhì)小管內(nèi)麻醉、過敏修復(fù)，正畸治療，感應(yīng)式口腔清潔及微創(chuàng)外科手術(shù)[3]。相信納米技術(shù)如同所有新技術(shù)一樣，在科學(xué)指導(dǎo)下，必將會給口腔醫(yī)學(xué)帶來巨大變化，為醫(yī)師和患者提供更多選擇，推動口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

[1] Abiodun-Solanke I, Ajayi D, Arigbede A. Nanotechnology and its application in dentistry [J].Ann Med Health Sci Res, 2014,4(Suppl 3):S171-177.

[2] Patil M, Mehta DS, Guvva S. Future impact of nanotechnology on medicine and dentistry [J].J Indian Soc Periodontol, 2008,12(2):34-40.

[3] Shetty NJ, Swati P, David K. Nanorobots: Future in dentistry [J].Saudi Dent J, 2013,25(2):49-52.

[4] Abou Neel EA, Bozec L, Perez RA,etal. Nanotechnology in dentistry: prevention, diagnosis, and therapy [J].Int J Nanomedicine, 2015,10:6371-6394.

[5] Roveri N, Battistella E, Foltran I,etal. Synthetic Biomimetic Carbonate-Hydroxyapatite Nanocrystals for Enamel Remineralization [J].Advanced Materials Research, 2008,47-50:821-824.

[6] Hannig M, Hannig C. Nanotechnology and its role in caries therapy [J].Adv Dent Res, 2012,24(2):53-57.

[7] Lopez-Piriz R, Sola-Linares E, Rodriguez-Portugal M,etal. Evaluation in a Dog Model of Three Antimicrobial Glassy Coatings: Prevention of Bone Loss around Implants and Microbial Assessments [J].PLoS One, 2015,10(10):e0140374.

[8] Botelho MA, Martins JG, Ruela RS,etal. Nanotechnology in ligature-induced periodontitis: protective effect of a doxycycline gel with nanoparticules [J].J Appl Oral Sci, 2010,18(4):335-342.

[9] Chen L, Zhu J, Li Y,etal. Enhanced nasal mucosal delivery and immunogenicity of anti-caries DNA vaccine through incorporation of anionic liposomes in chitosan/DNA complexes [J].PLoS One, 2013,8(8):e71953.

[10] Kt S, Kmk M B,etal. Dental caries vaccine-a possible option? [J].J Clin Diagn Res, 2013,7(6):1250-1253.

[11] Yang X, Yang W, Wang Q,etal. Atomic force microscopy investigation of the characteristic effects of silver ions on Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis [J].Talanta, 2010,81(4-5):1508-1512.

[12] McKendry RA. Nanomechanics of superbugs and superdrugs: new frontiers in nanomedicine [J].Biochem Soc Trans, 2012,40(4):603-608.

[13] Ozak ST, Ozkan P. Nanotechnology and dentistry [J].Eur J Dent, 2013,7(1):145-151.

[14] Gupta J. Nanotechnology applications in medicine and dentistry [J].J Investig Clin Dent, 2011,2(2):81-88.

[15] Bhardwaj A, Bhardwaj A, Misuriya A,etal. Nanotechnology in dentistry: Present and future [J].J Int Oral Health, 2014,6(1):121-126.

[16] Datta M, Desai D, Kumar A. Gene Specific DNA Sensors for Diagnosis of Pathogenic Infections [J].Indian J Microbiol, 2017,57(2):139-147.

[17] Lee JM, Garon E, Wong DT. Salivary diagnostics [J].Orthod Craniofac Res, 2009,12(3):206-211.

[18] Lee YH, Wong DT. Saliva: an emerging biofluid for early detection of diseases [J].Am J Dent, 2009,22(4):241-248.

[19] Garcia-Contreras R, Argueta-Figueroa L, Mejia-Rubalcava C,etal. Perspectives for the use of silver nanoparticles in dental practice [J].Int Dent J, 2011,61(6):297-301.

[20] Sprintz M, Benedetti C, Ferrari M. Applied nanotechnology for the management of breakthrough cancer pain [J].Minerva Anestesiol, 2005,71(7-8):419-423.

[21] Aeran H, Kumar V, Uniyal S,etal. Nanodentistry: Is just a fiction or future [J].J Oral Biol Craniofac Res, 2015,5(3):207-211.

[22] Monzavi A, Eshraghi S, Hashemian R,etal. In vitro and ex vivo antimicrobial efficacy of nano-MgO in the elimination of endodontic pathogens [J].Clin Oral Investig, 2015,19(2):349-356.

[23] Mitsiadis TA, Woloszyk A, Jimenez-Rojo L. Nanodentistry: combining nanostructured materials and stem cells for dental tissue regeneration [J].Nanomedicine (Lond), 2012,7(11):1743-1753.

[24] Shi J, Votruba AR, Farokhzad OC,etal. Nanotechnology in drug delivery and tissue engineering: from discovery to applications [J].Nano Lett, 2010,10(9):3223-3230.

R781.05

863計(jì)劃(腫瘤治療用功能新型納米載體材料與靶向技術(shù)，課題編號：2013AA032201)

李云霞，博士，主治醫(yī)師。

1.100853 北京，解放軍總醫(yī)院口腔科；2.102211 北京，武警特警學(xué)院門診部

(2017-07-09收稿 2017-10-10修回)

(責(zé)任編輯 岳建華)