納米氧化鋯對PMMA義齒基托性能影響的研究進展*

賀紫涵 楊成雪 陳林

1.引言

在我國，尚存在相當數(shù)量的人群未建立正確的口腔健康觀，口腔保健意識薄弱，部分居民尤其老年人口腔健康知識相對欠缺，因此，老年人牙齒缺失現(xiàn)象普遍。對于老年人來說，缺牙不僅會影響面容、咀嚼和發(fā)音功能，長期以來還會導致顳下頜關(guān)節(jié)和腸胃受損，甚至引發(fā)多種疾病。因此，選擇合理的修復方式恢復牙列的功能及完整性，保護余留牙、牙槽骨及其他口腔組織的健康，以防繼續(xù)引發(fā)口腔疾病或其他健康問題，才能將缺牙的危害降至最低。目前，由于經(jīng)濟以及老年人身體原因，缺牙修復主要以活動義齒修復為主［1］。聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）是目前臨床最常用的義齒修復材料,作為可摘局部義齒修復體的主要材料,以其色澤良好、易成形、易修理、價格便宜在我國廣泛應用［2］。但其在使用中也存在著許多問題，包括硬度、彎曲強度、韌性和彈性模量的不足，使這種材料在使用過程中極易斷裂［3］。為了改善其不足，大量研究發(fā)現(xiàn)通過加入不同形狀、大小的添加劑對PMMA 義齒基托樹脂的性能有一定的改善［4］。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)納米材料具有優(yōu)異的化學、物理和抗菌性能，因此在生物醫(yī)學和納米醫(yī)學領(lǐng)域有著良好的應用前景［5,6］。特別是納米氧化鋯顆粒，因其具有良好的機械性能、生物相容性及耐腐蝕性［7］受到越來越多的關(guān)注。同時，Gad等人［8］研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋯顆粒可以有效改善PMMA 義齒基托的性能。因此納米氧化鋯成為了增強PMMA 義齒樹脂基托理化性能的理想材料之一。本文對添加納米氧化鋯后對PMMA 義齒基托性能的影響作一綜述，以期為口腔修復材料的臨床選擇及相關(guān)研究提供參考。

2.納米氧化鋯（ZrNp）對PMMA 義齒基托性能的影響

納米氧化鋯（nano zirconia,ZrNp）是一種金屬陶瓷氧化物，有3種不同的晶體結(jié)構(gòu)：立方體其形狀是方形的直棱柱，在2370℃以上時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有良好的力學性能）、四方體（四方體也是直棱柱的形狀，但有矩形的邊。在1170℃-2370℃可以改善材料的機械性能）和單斜體（具有平行管道的變形棱柱形狀，這種結(jié)構(gòu)會降低材料機械性能，在室溫高達11700℃才能穩(wěn)定）［9］。最常用的晶體結(jié)構(gòu)是四方氧化鋯多晶體（Y-TZP），因其具有優(yōu)異的機械性能。目前，共沉淀法、溶膠-凝膠法、以及水熱法常用于ZrNp 粉末的制備［10］。ZrNp 具有良好的生物相容性、光學特性、機械性能、抗低溫降解（LTD）敏感性等，將ZrNp與其他材料復合，可以極大地提高材料的性能參數(shù)，因此ZrNp 被廣泛用于口腔材料中，在應用于PMMA 義齒基托時可以改變其性能以解決其在臨床使用中的不足。

2.1 物理性能

2.1.1 斷裂韌性與彎曲強度 斷裂韌性是指材料在外加載荷下抵抗裂紋擴展的程度［11］。它表示在裂紋開始并在材料中擴散之前，材料可以承受多大應力的能力［12］。添加了ZrNp 的PMMA 義齒基托的斷裂韌性增加可以歸因于弱聚合物基體與硬質(zhì)填充顆粒之間的應力傳遞，這可能是由于低含量（低于3%）的改性納米顆粒均勻分布以及與PMMA基體之間的結(jié)合從而使得斷裂韌性得到提高［13］。當ZrNp濃度增加到3%以上時，斷裂韌性通常會降低，這可能是由于ZrNp 的團聚程度隨著濃度增加發(fā)生了變化［14］，以及ZrNp 可能在聚合物基體內(nèi)形成應力集中點導致其分布的均勻性被中斷，從而降低基體與納米顆粒之間的界面結(jié)合水平［15］。此外，Zhang等人［16］使用了不同濃度的改性ZrNp評估對PMMA 義齒基托的加固作用及其對彎曲強度的影響，發(fā)現(xiàn)含2%和3%的改性ZrNp 顯著提高了PMMA 義齒基托的彎曲強度；同時，與只含PMMA 的義齒基托相比，添加質(zhì)量分數(shù)為3%的ZrNp 提高PMMA 義齒基托的彎曲強度的效果最佳。彎曲強度的改善可能與ZrNp在聚合物基體中的均勻分布促進了填充聚合物鏈的間隙空間有關(guān)。一方面，ZrNp 具有一種稱為相變增韌的特性，通過這種特性，ZrNp 從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，吸收裂紋的能量；另一方面，在此過程中發(fā)生的ZrNp晶體膨脹可能會使裂紋處于壓縮狀態(tài)，從而阻止其擴展［17］。此外，納米顆粒與樹脂基體之間的粘附性改善可顯著提高機械性能［14］。因此，均勻的顆粒分布與基體的粘附相結(jié)合可以防止裂紋通過PMMA擴展。

2.1.2 表面硬度 義齒基托材料還應具有足夠的耐磨性，以防止義齒清潔劑、食物或一般功能性作用力對材料造成磨損。如果義齒基托的硬度越高，那么相應的磨損就會越小。高硬度值通常對應更高的耐磨性。Lung 等［18］評估了分別在牙科樹脂中添加未經(jīng)處理和改性的納米顆粒的效果，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的改性增加了復合材料的表面硬度。這可以歸因于納米顆粒比樹脂基質(zhì)剛性更高，基質(zhì)和納米顆粒之間形成了強大的化學鍵，需要更多的能量來打破這些鍵。此外，Zhang 等人［16］的研究結(jié)果表明，隨著ZrNp含量的增加，ZrNp復合PMMA 義齒基托的表面硬度增加，當ZrNp 質(zhì)量分數(shù)為3%時，硬度達到最佳。

2.1.3 顏色穩(wěn)定性 顏色穩(wěn)定性被認為是所有牙科材料最重要的臨床優(yōu)點之一，顏色的變化表明了材料的老化或損壞［19］，這在臨床上會降低患者的接受度。顏色穩(wěn)定性是一種無論環(huán)境影響如何，材料都能保持其顏色的狀態(tài)。牙科聚合物的顏色變化可能是由內(nèi)在和外在因素共同作用下引起的。研究者們發(fā)現(xiàn)，未添加ZrNp 與添加ZrNp 的PMMA 義齒基托在不同的溶液和溶液中存在顯著的顏色差異，并隨著ZrNp 濃度的增加而增加［20］。添加ZrNp 后減少了顏色變化可能是由于PMMA 義齒基托的密度增加，孔隙率降低從而減少了有色物質(zhì)的吸收［21］。因此從臨床角度來看，使用ZrNp 改性PMMA 義齒基托能減少顏色的變化，這有助于延長可摘義齒的壽命，并提高患者的接受度。

2.2 抗菌性ZrNp 具有抗菌作用，其抗菌作用是由于ZrNp 形成的活性氧（reactive oxygen species，ROS）抑制了金黃色葡萄球菌細胞的生長。形成的ROS 對脂質(zhì)過氧化有影響，這會影響細菌膜的完整性從而導致膜滲漏［22］。同時，這些ROS也會終止基因表達并導致DNA 的損傷。除了阻止基因表達外，ZrNp 離子還可以通過中斷金屬蛋白中的金屬離子而導致蛋白質(zhì)變性，最終使細菌死亡。納米顆粒在細菌膜內(nèi)的分散度與納米顆粒的大小完全成正比。由于活性氧的作用和細胞膜的紊亂導致膜滲透性的增加，ZrNp 已被證明可以消除大腸桿菌和金黃色葡萄球菌［23］。Jangra 等人［5］的研究結(jié)果表明ZrNp及其復合物具有晶面導向的抗菌作用,這可能是由于各種暴露的表面區(qū)域的不同的原子排列造成的。由于ZrNp 的高表面積，它們還具有明顯的抗真菌作用。研究表明，ZrNp 可以抑制曲霉菌［5］、真菌以及白色念珠菌的生長［24］。這種抗真菌作用是由于干擾了細胞的功能，使真菌的菌絲變形［25］。研究發(fā)現(xiàn)［24］，ZrNp 在材料表面的聚合物鏈的間隙,由于與聚合物基體的適當結(jié)合，它導致了光滑的表面，最終抑制了白色念珠菌粘附。Gad 等人的研究也發(fā)現(xiàn)了添加ZrNp 的PMMA 義齒基托對白色念珠菌具有抗菌作用［24］。因此可以在PMMA 義齒基托中加入ZrNp 來預防義齒性口炎。

2.3 抗老化性能 當PMMA 義齒基托浸入水中時，未反應的單體、增塑劑和其他可溶性成分可能會滲出，由此產(chǎn)生的微孔被吸收的水分子填滿［25］。這會導致PMMA 義齒基托在唾液或水中浸泡時出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和尺寸的變化。此外，由于潮濕的口腔內(nèi)環(huán)境和溫度波動，可能有助于水吸附到樹脂中。這些都會影響臨床上PMMA 義齒基托的使用年限。因此，必須預測老化對PMMA 義齒基托性能的影響以及尋找能夠使義齒具有更長使用年限的材料。

Machado［26］使用熱應力循環(huán)后發(fā)現(xiàn)PMMA 義齒基托樹脂的彎曲和沖擊強度都顯著降低。Gad等人［27］研究中使用的ZrNp的均勻分布允許它們填充聚合物鏈之間的空間，從而限制大分子鏈的移動，提高樹脂的強度和剛度，最終改善了拉伸強度,并發(fā)現(xiàn)在水浸泡和熱循環(huán)下不會影響ZrNp 復合PMMA 義齒基托的拉伸弧度。另外，抗菌劑需要具備的條件之一是它應該具有長期抗菌活性［28］。在對ZrNp 改性的PMMA 義齒基托人工老化下檢測其抗真菌的作用，結(jié)果表明，用ZrNp 改性的PMMA 義齒基托的白色念珠菌的粘附力長期顯著降低并具有長期抗真菌作用［29］。

添加ZrNp 后的PMMA 義齒基托具有長效性能可能是由于ZrNp 降低了低溫降解（low temperature degradation，LTD）的敏感性。LTD是指PMMA 義齒基托在口腔唾液或其它液體中，加上機械力造成的壓力，會導致PMMA 義齒基托失效［30］。相關(guān)研究闡明了ZrNp晶粒的大小和耐水熱老化之間的相關(guān)性，通過使用納米晶粒的微觀結(jié)構(gòu)可以降低LTD 的敏感性［31］。Paul 等人［32］的研究發(fā)現(xiàn)，納米晶粒尺寸小于100 nm 的ZrNp 具有抗LTD 敏感性。該研究結(jié)果表明通過減小納米晶粒尺寸的ZrNp 可以具有抗LTD 性能，使ZrNp 復合PMMA義齒基托具有長效性。

2.4 生物相容性 研究表明，當ZrNp不含放射性成分時，它具有良好的生物相容性［33］。因為ZrNp 是惰性材料，所以其通常不會出現(xiàn)任何不良反應。但濃度較高且暴露時間較長的納米顆粒具有毒性作用。研究表明，濃度為100 μg/ml-1 的ZrNp 有對骨誘導特性的抑制。由于大量的氧化破壞作用，成骨細胞的凋亡作用影響了成骨細胞的成骨作用［34］。同時，ZrNp 對人類真皮上皮細胞的DNA 和凋亡有不利影響［35］。另一項研究表明，大鼠暴露在高劑量的ZrNp 下肝臟酶的濃度明顯上升［36］。造成ZrNp 的毒性原因可能是由于氧化應激、細胞凋亡等［37］。然而，目前對ZrNp的毒性作用的科學基礎(chǔ)闡述不足，對各種機制的認識仍然有限。此外，大多數(shù)為測試細胞毒性而進行的長期研究缺乏隨機性，而且在體外的方法設(shè)置上也有差異。但總的來說，與氧化鈦和氧化鋁相比，ZrNp 的毒性效果最小［38］。

3.展望

綜上所述，通過對目前研究涉及所用ZrNp 復合PMMA 義齒基托材料的性能的有限分析，我們發(fā)現(xiàn)ZrNp 的加入增加了PMMA 義齒基托的物理性能、抗菌性及抗老化性能等，并且多篇文獻都發(fā)現(xiàn)添加3%的ZrNp 對其物理性能的提升最佳。然而，目前對于ZrNp 的毒性作用仍需進一步研究以促進其臨床應用的實施進展。同時，現(xiàn)有的研究都是在模擬口腔環(huán)境的條件下對樣本進行評估，該條件的局限性在于無法完全模擬口腔溫度和PH值的變化，以及作為浸泡介質(zhì)的人工唾液也無法完全模擬含有多種微生物的天然唾液。因此應在未來的研究中應該考慮這些局限性，為義齒基托材料的研究提供新的思路。