您现在的位置: 医学论文网 > 呼吸系统疾病 > 口腔医学材料学应用及新进展

口腔医学材料学应用及新进展

来源:
时间:2019-10-02 03:31
作者:admin666
最新杂志:
  • 中国林业产业
  • 贵金属
  • 科学种养
  • 环境昆虫学报
  • 安徽消防
  • 河北科技大学学报
  • 上海海运学院学报
  • 机械制造
  • 中学教学参考
  • 中国疫苗和免疫
  • 安徽医科大学学报
  • 北京城市学院学报

材料科学在口腔医学中的应用,随着人类知识与科学技术的进步,正方兴未艾,生生不息蓬勃发展。在此对材料科学在口腔医学各主要领域中的应用、相关知识与研究现状,作一归纳复习和整理分析,以臻新的研发思路。

1关于口腔医用材料的生物安全性

医用新材料在应用于临床之前,首先需要进行系列生物安全性评价,其参照依据为《医疗器械生物学评价标准和要求》ISO10993和GB/T16886。体内外试验[1-2]是目前评价材料生物安全性的主要方法,包括口腔黏膜刺激试验、细胞毒性试验、急性全身毒性试验和致敏试验等等,进行初步评价[3]。口腔黏膜刺激试验[2]:主要用于评估牙科材料对于口腔黏膜组织的刺激程度,可在临床应用试验中应用,辅助评价材料的生物安全性。细胞毒性试验[3]:是运用体外细胞培养技术检测医疗器械和(或)其浸提液可能造成的细胞生长抑制、细胞变异、细胞溶解、细胞死亡等影响细胞正常功能和生物学行为的作用。如四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT法)是应用材料浸提液的溶出物来检测其细胞毒性[4],具有简便灵敏、适用范围广、试验结果精确、重复性好等优点,是较理想的体外评价材料细胞毒性的方法。其中L-929细胞作为细胞毒性试验中应用最早、使用最广泛的细胞,具有繁殖迅速、传代稳定、体外培养条件低等优点。全身急性毒性试验[2-4]:主要采用静脉注射法将材料浸提液注入动物体内(常采用啮齿类动物),以动物出现的生物学反应来评估材料的毒性作用。测定半数致死量和最大耐受量常采用小鼠作为实验对象,因为小鼠具有体型小易掌控、饲养管理方便且生长繁殖快等优点,可采用经小鼠尾静脉进行注射。致敏试验[2-4]:主要由外来抗原诱导T细胞致敏和致敏T细胞-抗原再接触两个阶段组成,称为诱导-激发法,表现为动物皮肤局部红斑,水肿等炎症反应。而且动物体的淋巴细胞对抗原非常敏感,许多低于一般毒性阈剂量的致敏物即可引发动物体内免疫功能变化,因此致敏潜力是医疗器械生物学评价三项基础项目之一。

2用于牙体缺损充填的复合树脂材料

双酚甲基丙烯酸缩水甘油酯和二甲基丙烯酸三甘醇酯是复合树脂材料的基质,SiO2则是制备口腔复合树脂中的增强填料。复合树脂中SiO2含量升高,其聚合体积收缩率则越低,而其弯曲强度会呈现先增加后降低的趋势[5-6],当SiO2含量为7Owt%时,树脂的聚合体积收缩率为2.4%;而当SiO2含量达到60wt%时,树脂的弯曲强度达到最高(80.7±6.4MPa)[5]。复合树脂的聚合收缩致使修复体边缘产生微渗漏,成为细菌侵入的通道,导致继发龋。研究表明,复合树脂内并没有具有防龋作用的组分,因此树脂内加入抗菌成分以期获得良好的抗菌性能是目前研究的热点[7]。铵盐修饰纳米二氧化硅颗粒具有较好的抗菌性能,可以用来提高牙用复合树脂的抗菌性[8-9]。

3用于牙髓根管治疗中的材料

3.1化学材料

抗菌剂从材料性质上划分,包括有机、无机和天然抗菌剂3类。有机抗菌剂是杀菌力较强的传统抗菌剂,但因毒性大、安全性低,在应用上有较大的局限性。如酚类抗菌剂会刺激根尖周组织甚至可能引发过敏;甲硝唑、替硝唑类抗菌剂也有一定的毒副作用;而相对于另外两种,无机抗菌剂具有长效广谱抗菌、灭菌效率高、不易耐药以及安全性能好等特点,其中Ag+抗菌能力强,毒副作用小,对微生物都有显著的抑制作用,且在Ag+浓度较低的情况下即可发挥良好的抗菌效果[10]。根管充填的终极目标是彻底消灭根管内死腔,杜绝再感染,是根管治疗的关键步骤。目前应用于临床的根管充填材料仍不能实现完全封闭根管,如环氧树酯类材料以及热塑性根管充填糊剂会产生体积收缩,造成根尖微渗漏,细菌及其代谢产物可能会经缝隙进入根尖组织,造成根管治疗的失败。理想标准是:良好的根管封闭性以及抗菌作用,才能杜绝感染再次发生[10]。聚氨酯[10]是一种结构灵活可调控的嵌段聚合物,因其优良的机械性能和生物组织相容性,被广泛应用于医用生物材料领域。虽然目前并没有聚氨酯应用于根管充填的报道,但未来制备出以聚氨酯为基础自固化可注射根管充填材料的可能性是很大的。在这种可注射材料中添加无机抗菌剂Ag3PO4,制备具有抗菌性能的根管充填材料,以ISO标准研究其理化性能;并通过抑菌环、抗粘附和抑菌率实验,评价其抗菌性能。通过表面接触和Ag+溶出的双重抗菌机制,无机抗菌剂可以获得高效抗菌性能,因此从实验结果可得知,载Ag3PO4聚氨酯基材料是一种有潜力的可注射、自固化同时兼有抗菌性能的根管充填封闭材料[10]。

3.2器械材料

根管预备器械材料主要分为不锈钢及镍钛。不锈钢器械因弹性模量较大而较难弯曲,如遇阻力会产生较强的回复力,易出现台阶、管壁侧穿及器械折断等[11]。镍钛根管器械采用镍钛材料进行制作,具有弹性和柔韧性,切削效率较高,由于在37℃体温下的相变稳定性而不具有超弹性,无论是细直锥度的传统手扩型,还是工艺锥度为0.04和0.06的现代机用型,在遇到过大应力和扭矩时易出现解螺旋等形变[12],缓解应力增强抗疲劳折断性能,同时也可作为临床预警信号;但存在发生疲劳折断即器械分离而没有形变预警的风险,影响临床使用的最大安全性[13]。值得一提的是,目前市场上唯一由控制记忆型合金(CMWire)结合电火花蚀刻工艺制造的镍钛根管锉HyFlexEDM,在扫描电子显微镜下可以观察到其表面熔蚀样、均匀分布孔洞样结构,周围材料表面致密均匀[14],不产生车磨工艺导致的卷边、缺口和刀痕沟纹等缺陷[15],电火花蚀刻工艺有效提高了其抗疲劳折断性能。CMWire是传统镍钛合金经过特殊热处理制备而成,相较于其他镍钛锉中Ni的体积比重多在54.5%~57.0%[16],CMWire中Ni的体积比重为52.1%,其内部疲劳累积较少,具有优越的柔韧性和抗疲劳折断性能[13]。高温灭菌(121℃)若使器械变形恢复,则提示可以重复使用,若相反则应丢弃。

4关于在正畸领域中的应用方面

支抗控制贯穿了整个正畸治疗过程,是正畸成败的重要因素之一。通过种植钉与骨的组织学锁结与结合机制,支抗可一定限度地抵抗矫治力。种植钉周围组织愈合过程中,新生血管的内皮细胞的相关调节因子可以调控成骨细胞趋化、增殖与分化,而不同种植材料很可能会影响种植体与骨界面血管内皮细胞的生物学行为。例如,中科院金属研究所研发的含铜不锈钢具有优良抗菌性能和生物相容性,该种材料可有效预防种植体周围感染[17]。因为用浸提液培养血管内皮细胞之后,含铜不锈钢与比316L不锈钢更有利于细胞黏附与增殖,并且明显降低细胞早期凋亡,其中Cu与血管内皮细胞的具体作用机制则仍有待进一步探究[17]。

5关于骨组织生长的结合方面

由于钛金属是生物惰性材料,缺乏生物活性,不易与骨组织形成化学性结合,因此阻碍了钛和钛合金在临床医学的进一步发展。羟基磷灰石[18-23]是人体骨组织主要组成部分中的无机成分,有较好的骨诱导活性,仅用于相对弱承力部位,与骨形成化学键结合。微弧氧化[20]制备的陶瓷膜与基体结合牢固、结构致密,且膜层的微孔状表面有利于植入材料与骨组织的结合。所以实验采用微弧氧化技术,在纯钛表面制备一层含有羟基磷灰石的陶瓷膜,分析和确定了膜层在模拟体液(simulatebodyfluid,SBF)中诱导形成羟基磷灰石的能力及特点[20]。惰性、表面活性、可吸收性生物陶瓷(生物降解性)3种生物陶瓷种植体[19]中的生物活性陶瓷具有骨传导性,可做成支架诱导周围的成骨活动,也可作为填充材料填充骨缺损。在生理环境下,生物活性陶瓷的选择化学反应使表面形成一层羟基磷灰石层,促使其与周围组织形成化学键结合,键接的界面可延缓植入材料的降解[19]。a.惰性羟基磷灰石纳米颗粒可采用乙二醇作氢氧化钙的溶剂与磷酸中和反应制备得到,但由于强度低,只能用于人体受力不大的部位比如耳骨恢复听力。b.生物活性玻璃主要采用溶胶-凝胶法制备,比表面积较大,具有特殊的纳米团簇结构和微孔[19]。溶胶-凝胶法制备得出的材料不仅纯度高、均匀性好,而且生物活性高,尤其是生物活性玻璃多孔材料在骨组织支架方面具有较高的研究应用价值。c.β-磷酸三钙(β-TCP)是目前应用最广泛的三方晶系可降解陶瓷[19],它最大优势就是生物相容性好,可以通过正常的新陈代谢途径降解。完全可吸收生物陶瓷植入体内后,可以与骨直接融合,无任何局部炎性反应及全身毒副作用,起到临时骨架和填充的作用,并在后续过程中可被逐步降解,由新形成的组织替换。β-TCP植入体内后的降解速率根据其结晶构型、表面构造、含孔率及植入动物种类的不同而异,同时强度也相应递减,现已有研究发现改变材料孔径及纯度能改变其降解速度,降低生物强度减弱的速率[19]。另外,β-TCP陶瓷的特性比其他陶瓷更接近人骨与天然牙。羟基磷灰石在生物体内的溶解对人体无害,且依靠从体液里补充钙和磷酸根离子等还能形成新骨,在材料-骨骼接合界面发生代谢反应,实现牢固结合[19]。另外,关于种植体表面涂层的研究也层出不穷,源自瑞典技术的而然科技有限公司正已经率先研发釉锆种植体和基台并优化涂层以及进行韧度改性研究。

6关于牙体缺损的冠修复材料方面

6.1关于底瓷核瓷的着色

氧化锆陶瓷具有优异的物理和化学性能,是重要的口腔全瓷修复材料。但氧化锆只有一种白垩色,与其他全瓷材料的基底颜色体系相较单一,因此氧化锆修复体的色泽与其他陶瓷材料相比较差[24-25]。Lombardi等学者们[26-28]认为,假如氧化锆基底瓷色泽接近牙本质,那修复体所需的饰瓷厚度就能降低,牙体预备量即可减少,能更多地保留牙体组织。而然科技有限公司研发和已经临床使用的釉锆是目前强度和性能最佳的氧化锆材料,而且目前正致力于推进涂层遮色和最佳粘接性材料技术的临床应用。尖牙的平均咬合力为200N,前磨牙为300N,而磨牙区咬合力则达到400~800N,健康年轻人的后牙最大咬合力可达700N或更高,因此应用于后牙修复体的口腔陶瓷材料抗弯强度需要超过800MPa。实验观察表明添加着色剂(稀土氧化物CeO2、Er2O3)的氧化锆材料,其抗弯强2018年139期出什么马度与氧化物含量呈反相关,说明了这二种添加剂对氧化锆的机械性能有一定的负面影响。但为了迎合临床需求,一定剂量的着色剂仍是有必要的,而具体着色剂种类和添加比例有待后续实验的推进[24]。

6.2关于底瓷与饰瓷的结合

微机械嵌合是饰瓷与氧化锆之间的主要结合方式。实验结果显示在修复体饰面前进行喷砂处理,表面残留的氧化铝晶粒会改变核瓷在饰面时热胀系数,对界面结合产生负性影响[29]。目前有研究者认为化学结合是双层瓷结合中的重要结合机制,在饰面瓷烧结时两者只要一种成分发生熔附就会产生化学结合。使用CAD/CAM系统,将氧化锆制成大小为30mm×20mm×2mm的长方体瓷块。800~850℃下低温烧结2mm饰瓷,加载速度l.0mm/min,测试界面抗剪切强度,通过肉眼观察、能谱分析、热冲击试验等方法研究其烧结结合性能[30-31]。肉眼观察结果显示,完全烧结后饰瓷与基底材料界面结合良好,强度达(31.12±5.15)MPa;能谱分析结果示:基底氧化锆区可检测到少量氧化铝和氧化硅,而饰瓷区均未见氧化锆及氧化钇。抗热冲击试验中试样在60~240℃温度下,均未出现层间或径向开裂或裂纹现象,试样开裂温度△T>240℃[31]。结论:氧化锆与饰瓷间可观察到化学元素渗透的情况,提示两者间可能存在化学结合。Upcera氧化锆基底材料与IPSE.maxCeram饰面瓷可达到良好匹配,符合临床使用要求[32]。衬底瓷的应用结合基底氧化锆的喷砂处理,能提高基底冠与饰面瓷之间的界面结合,争取其持久粘接力,从而保障修复的成功。

7关于粘接和抑菌以及钛锆铌锡新型合金修复材料

牙科氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷经过溶胶-凝胶法纳米硅涂层表面改性结合硅烷偶联剂的处理可以显著提高陶瓷和树脂的粘接强度,并保持较好的粘接耐久性,以30%硅溶胶提高粘接强度的效果最好[33-34]。利用真空等离子喷涂方式在铸造钴铬合金表面制备含银抗菌涂层,经扫描电镜、能谱分析和x射线衍射分析表明涂层的表面性能稳定,具有较好的抗菌性能和抗黏附性能[35]。Branemark首次将钛引入牙科研究领域以来,钛及钛合金因密度小,比强度高,耐腐蚀,耐高温等优点被广泛应用于口腔修复、颌面外科及口腔种植等医学领域。无镍合金的变态反应,钛及钛合金在口腔修复应用中具有耐腐蚀、不易变色、酸碱耐受力强、咀嚼时不改变食味等优点[2]。但目前临床应用的纯钛及钛合金材料含有人体健康有潜在影响的元素如铝、钒等,不仅如此,还有强度、耐磨性、加工性能、卡环易折断方面的缺陷与不足。各时间点钛铝钒合金的离子溶出量均高于钛锆铌锡合金。从极化曲线可知,与钛铝钒合金相比,钛锆铌锡合金和纯钛有更宽的钝化区间,更小的维钝电流密度,说明其在人工唾液中具有更高的耐蚀性,钝化膜稳定性更强[36]。

8关于口腔工艺学中的氧化类包埋材料

氧化铝、氧化镁和镁铝尖晶石是新型铸钛包埋材料的主要耐火骨料。在较高温度下(800℃)铸造的纯钛铸件,其硬化层较薄;而磷酸盐结合石英系,作为原常用铸钛包埋材料,在较低温度(430℃)下铸造,其硬化层则相对较厚[37]。即使在相对较低的铸模温度下进行铸造,传统石英包埋材料熔钛与包埋材料之间的相互作用反应仍较严重,且相对低温会明显影响石英铸模的热膨胀量相比之下。而所得冠修复体如进行喷砂清理,则会影响冠的适合性。但是,采用950℃降到600℃的铸造方式,则能极佳地补偿金属的膨胀收缩率[37]。

9关于肿瘤和正常组织细胞学方面的新材料研发

生物活性上转换发光纳米纤维复合支架材料经808nm近红外照射5分钟,支架的温度可达到42.5℃,在此温度下,89.5%以上的肿瘤细胞被杀死[38]。同时,正常上皮细胞在这种支架上经37℃、72h孵育后,可以有效地促进上皮细胞增殖高达270%[38]。证明其具有良好的生物活性和优越的抗肿瘤活性。组织工程是基于生命科学和工程科学,对有缺陷或受到损害的组织进行修复或替换。主要包括种子细胞、支架材料和生长因子三要素[39]。因此在修复和重建颞下颌关节等口腔组织方面具有一定的研究。比如骨软骨复合组织工程修复技术[40]。10关于激光在口腔领域的应用口腔激光医学是口腔医学领域的新兴学科。“激光”[41]这一译名是60年代由我国著名科学家钱学森院士建议使用的,其体现了光的本质和特性,远优于音译。由于激光和普通光源的发光机理不同,激光具备一些有别于普通光的特性,如:高亮度、方向性好、高单色性、高相干性等。激光束对生物组织可产生光热、压强、光电磁效应,以及光化学反应和生物刺激等。激光可在口腔内进行非接触式操作,具有无痛微创、杀菌效果佳、组织反应轻等特点,已被欧美日等口腔医学事业发达的国家推广使用发挥作用。但由于口腔激光医学的特殊性,在我国口腔激光的临床应用还存在不少问题。如:缺乏临床技术和安全规范、缺乏正规的专业培训、缺乏有组织的专家团队和有组织的临床与基础研究、国际学术影响力不足等。铒激光[41]属固体、脉冲激光。根据发生器的不同分为Er:YAG(铒:钇、铝、石榴石)和Er,Cr:YSGG(铒和铬:钇、钪、镓、石榴石)两种铒激光,其波长分别是2940nm和2780nm,属中红外波段。水和羟基磷灰石对铒激光有很强的吸收作用,但其组织穿透深度及热损伤小,既能高效地切割硬组织,又能精确地切割软组织。可用于牙体窝洞预备、活髓切断、牙周手术,还包括系带、牙槽骨手术等外科手术。Nd:YAG(钕:钇、铝、石榴石)激光[34]属固体激光,可连续或脉冲式工作(多采用后者),可用光导纤维传输。波长为1064nm,属近红外波段。因操作简便且安全有效、水吸收弱、组织穿透深度较大、对色素的亲和力较强、止血效果好等特点,临床常用于根管消毒、牙本质过敏和治疗种植体周围炎、冠周炎、粘膜病、部分血管瘤及脉管畸形等等。Nd:YAG激光主要是应用选择性光热原理,可对有色素的区域进行选择性地消除,而对目标区域以外的正常组织不会有过多的热损伤,适用于治疗局部的组织病变,如色素沉着斑。色素沉着斑好发于血运丰富的部位如口周和上下唇黏膜等,传统手术以及冷冻、高频疗法术后都易出现出血、感染等不良反应,且容易造成色素沉着与瘢痕,而Nd:YAG激光治疗则可以降低这些不良反应的发生率,但其缺点则是术后易复发。半导体激光[41]体积小,结构简单,可连续或脉冲式工作。波长范围较宽(810~980nm)。该激光一般用于凝固、切割、汽化组织,也可用于理疗和诊断。CO2激光属气体激光,可连续或脉冲式工作。CO2激光波长为10600nm,属远红外波段。CO2激光组织穿透深度较浅,对周围正常组织影响小,切割、汽化效果较好。CO2激光主要侧重于口腔软组织的手术治疗[41-42]。

作者:何虹 李聪聪 夏昕雨 吴柯炯 吴清柱 单位:浙江大学医学院附属口腔医院 宁波市海曙区口腔医院