无机纳米抗菌材料抗菌性能在口腔正畸中的作用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.12.028

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (12): 1953-1957.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.12.028

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无机纳米抗菌材料抗菌性能在口腔正畸中的作用

李娜^1，2，韩冰^1，2，张乾^1，2

1西北民族大学口腔医学院，甘肃省兰州市 730000
2西北民族大学口腔医学国家民委重点实验室，甘肃省兰州市 730000

修回日期:2015-02-08 出版日期:2015-03-19 发布日期:2015-03-19
通讯作者: 韩冰，硕士，副教授，西北民族大学口腔医学院，甘肃省兰州市 730000
作者简介:李娜，女，1981年生，甘肃省兰州市人，汉族，2011年兰州大学口腔医学院毕业，硕士，主要从事口腔功能材料研究。
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金(31920130068，31920130032)；甘肃省自然科学基金(1208RJZA236)

Antibacterial properties of inorganic nano-antibacterial materials in orthodontics

Li Na^{1, 2}, Han Bing^{1, 2}, Zhang Qian^{1, 2}

1College of Stomatology, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
2Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China

Revised:2015-02-08 Online:2015-03-19 Published:2015-03-19
Contact: Han Bing, Master, Associate professor, College of Stomatology, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
About author:Li Na, Master, College of Stomatology, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
Supported by:
the Fundamental Research Funds for the Central Universities, No. 31920130068, 31920130032; the Natural Science Foundation of Gansu Province, No. 1208RJZA236

摘要/Abstract

摘要：

背景：口腔正畸患者口内通常存在各种活动和固定矫治器，容易发生牙周炎。无机抗菌剂因具有安全性高、耐热性好、作用时间长、不易产生耐药性、抗菌谱广等优点，成为研究的热点。
目的：综述无机纳米抗菌材料在口腔正畸中的应用及研究进展。
方法：应用计算机检索PubMed数据和CNKI数据库2001年1月至2014年12月之间，有关无机纳米抗菌材料在口腔正畸治疗相关领域应用的文献，英文检索词为“Orthodontic，antibacterial agent”，中文检索词为“正畸，抗菌”。
结果与结论：无机纳米抗菌材料对口腔常见细菌均具有较好的抗菌性能，是一种比较理想的生物抗菌材料。通过对无机纳米抗菌材料的改性，可以使托槽釉质粘接剂、活动矫治器树脂材料、托槽等在发挥矫治作用的同时具有抑菌作用，降低龋坏等并发症的发生。但纳米抗菌材料在口腔正畸学中的应用研究尚处于起步阶段，改性后的材料颜色问题、物理化学性能、生物安全性等都需要进一步研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 无机抗菌剂, 纳米材料, 抗菌机制, 正畸, 应用, 甘肃省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: There are usually removable appliances and fixed appliances in the mouth of orthodontic patients, resulting in periodontitis. Because of its high security, good heat resistance, long action time, not easy to produce resistance and wide antimicrobial spectrum, inorganic antibacterial agents have become a research hotspot.
OBJECTIVE: To review the application and research progress of inorganic nano-antibacterial materials in orthodontic treatment.
METHODS: A computer-based search of PubMed and CNKI databases was performed for articles about applications of inorganic nano-antibacterial materials in orthodontic treatment published from January 2001 to December 2014 using the keywords of “orthodontic, antibacterial agent” in English and Chinese, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: Inorganic nano-antibacterial materials for oral bacteria have good antibacterial properties, and are a kind of ideal biological material. Bracket enamel adhesive, removable appliance resin material and bracket can play correct and antibacterial roles by modification of inorganic nano-antibacterial materials, so as to reduce complications such as dental caries. However, the application of nano-antibacterial materials is still in its infancy, the modified materials need to be studied further in terms of color problems, physical and chemical properties and biological security.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

Key words: Nanostructures, Orthodontics, Mouth

中图分类号:

R318

李娜，韩冰，张乾. 无机纳米抗菌材料抗菌性能在口腔正畸中的作用[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(12): 1953-1957.

Li Na, Han Bing, Zhang Qian. Antibacterial properties of inorganic nano-antibacterial materials in orthodontics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(12): 1953-1957.

图/表（结果） 1

2.1 无机纳米抗菌材料的应用

2.1.1 正畸粘接剂 直接粘接技术发明以来，由于高效、临床操作程序简化而被迅速广泛应用到正畸固定矫治，成为近50年来正畸学最重要的进展之一^[10]。正畸粘接剂的性能是直接粘接技术成功与否的重要影响因素。临床研究发现，由于固定矫治器在口腔中存留时间较长，经常在托槽周围发生牙釉质表面脱矿，甚至出现龋损^[11]。学者们研究了一系列改性粘接剂的预防措施，将氟化物加入到树脂复合材料中、用含氟玻璃离子黏固剂等，期望通过材料释放F^-促进再矿化，对于预防托槽周围脱矿也具有一定的功能作用。但研究表明，氟的释放只能维持很短的时间，另外，抗菌成分的加入是否会影响粘接剂的机械性能也是一个要考虑的问题^[12]。

目前临床常用的口腔正畸粘接剂主要包括磷酸锌水门汀黏固剂、树脂粘接剂、树脂改良型玻璃离子等。磷酸锌水门汀主要用于临床正畸黏固带环。张林琪等^[13]用球磨机将纳米载银无机抗菌剂混入磷酸锌水门汀粉剂，其质量分数分别为0.005，0.010，0.015，0.020，然后将该抗菌粉体按粉液比例1.0 g/0.5 mL调拌混匀，放入模具中制成抗菌实验试件，扫描电镜观察抗菌磷酸锌黏固剂表面结构致密、颗粒均匀散布，以普通磷酸锌黏固剂作为对照，该抗菌粉体对变异链球菌、白假丝酵母菌、牙龈卟啉单胞菌均表现出较好的抗菌性能，而且随着抗菌剂质量分数的不断增加，抗菌磷酸锌黏固剂的抗细菌率也不断提高；此外粘接性能研究结果表明，纳米载银无机抗菌剂添加量对磷酸锌水门汀的粘接性能总体来说无明显影响，含质量分数0.020纳米载银抗菌剂添加量的牙科磷酸锌水门汀，由于过量的无机填料使其黏结性能有所下降；含质量分数0.015纳米载银无机抗菌剂的牙科磷酸锌水门汀性能较为稳定^[14]，能够长期广泛应用于口腔正畸粘接剂，有一定的意义。

付春茂^[15]利用介孔二氧化硅SBA-15吸附十六烷基吡啶化硫代硫酸银 (CTS)，并将其加入树脂粘接剂中合成了具有抗菌性能的树脂粘接剂，观察在蒸馏水中浸泡2-24周后的银离子释放量。在第2周时银离子释放最多，SBA-15含量为7.5%、10%、15%、20%的树脂粘接剂对变形链球菌的抑菌环范围相对稳定，其他质量分数的树脂粘接剂，随着时间的延长其抑菌范围也逐渐减少直至消失；生物安全性实验显示该材料无细胞毒性、无牙髓牙本质刺激性、无急性全身毒性，对口腔黏膜无刺激性，具有良好的生物相容性，提示利用介孔分子筛SBA-15吸附有机-无机复合抗菌剂是一种有效改善树脂粘接剂性能的方法。

李福军^[16]用研磨法将纳米银抗菌粉体(AgNaZr₂(PO₄)₃•H₂O)分别以1∶99、3∶97、5∶95、10∶90和15∶85的质量比与增强型玻璃离子粘接剂混合，复合纳米银正畸粘接剂和增强型玻璃离子正畸粘接剂无差异性，随着纳米银抗菌粉体掺入比例的增加，粘接强度呈下降趋势；所有新鲜复合纳米银材料对变形链球菌均呈现强抗菌性，但是随着老化时间的延长，其抗菌成分呈逐渐丧失趋势，在老化8周后完全丧失抗菌活性，结果显示复合纳米银玻璃离子粘接剂在不影响粘接强度的前提下，有助于减少托槽周围牙釉质脱矿出现的概率。

2.1.2 自凝基托树脂材料 自凝基托树脂粉在口腔正畸矫治中常应用于活动矫治器、功能矫治器及保持器等的制作。由于这些矫治器在口内戴用时间较长，黏附在矫治器表面的菌斑等微生物不易清除，易引起牙龈炎、牙周炎及口腔组织炎症的发生。此外，由于矫治器的戴入，正畸儿童的龋病活跃性明显高于非正畸儿童^[17]。

张学鹏等^[18]对替牙期儿童佩戴含纳米二氧化钛基托功能矫治器和普通基托功能矫治器，发现含纳米二氧化钛基托功能矫治器组变形链球菌菌落测定值下降接近非正畸儿童组，普通基托功能矫治器组变形链球菌菌落测定值明显高于非正畸儿童组，可见纳米二氧化钛具有强大的抗菌性。但TiO₂的光催化活性对可见光的利用率较低，有学者将具有可见光活性的TiO_2-xN_y纳米粉体按照不同的比例加入基托树脂制成试件，抑菌圈实验发现试样对变形链球菌、白色念珠菌均明显抑菌作用，且随着抑菌剂浓度的增加，抑菌圈变大、抑菌性增强^[19]。

贾春丽^[20]发现在添加不同含量纳米载银无机抗菌剂的自凝基托树脂研究中，各组试件对白色念珠菌和变形链球菌均表现了一定的抗菌效果，尤其是抗菌剂含量在2.5%-3.0%之间组抗菌率达到90%以上；机械性能方面，随着抗菌剂含量的增加其机械性能先增强后降低，小于2%的范围内不会对室温固化自凝基托树脂材料的机械性能产生显著影响。

肖月等^[21]将四针状氧化锌晶须抗菌剂掺入室温固化甲基丙烯酸甲酯，发现随着氧化锌增加，自凝基托树脂抗菌能力明显提高，在3%时已达到了满意的抗菌效果，且相对比纳米载银系自凝基托树脂，四针状氧化锌抗菌剂的抗菌效果更好。

2.1.3 托槽 正畸托槽是固定矫治的核心装置。根据材料不同，托槽可以分为金属托槽、陶瓷托槽等；根据结扎方式不同，托槽可分为自锁托槽和普通托槽。在正畸患者口腔内不同托槽的菌斑黏附情况具有明显差异。研究显示，金属托槽对变形链球菌的黏附少于陶瓷托槽，且两种托槽均使周围菌斑的致病性增加，但二者致病性无明显差异^[22]；自锁托槽比传统托槽牙周指数和牙龈卟啉单胞菌构成比均低，更利于维护患者口腔卫生，但粘接该托槽后对患者口腔卫生仍有不利影响^[23]。
刘永红等^[24]利用银的抗菌性能，在金属托槽表面用射频磁控溅射法镀银薄膜，并通过强流脉冲电子束辐照使银合金化于不锈钢表面，细菌计数结果显示在黑暗环境下3 h后对变形链球菌的抗菌率达到99%，改性前后样品表面对变形链球菌的抗菌性有显著性差异。有学者将具有较强抗菌活性的纳米银和具有高生物相容性的羟基磷灰石结合起来，用等离子喷涂技术在陶瓷托槽上制备得到纳米银羟基磷灰石涂层，随着时间的延长银离子浓度增加，释放速度减慢，缓释量在第14天后基本持平，抗菌率达到99.99%，认为该纳米银羟基磷灰石涂层是一个良好的银缓释抗菌系统^[25]。

Shah等^[26-27]开发研制纳米TiO₂陶瓷涂层托槽，比较其与普通金属托槽的菌落清除率发现，两组托槽菌落计数均较粘接前增大，而纳米TiO₂陶瓷涂层托槽组菌落清除率优于普通金属直丝托槽。Cao等^[28]采用物理溅射将纳米TiO₂进行氮掺杂，在金属托槽表面制备得到TiO_2-xN_y涂层托槽，对口腔常见致病菌变形链球菌、乳酸杆菌、黏性放线菌和白色念珠菌有较强的抗菌性，抗菌率均在65%以上，尤其对于白色念珠菌更是达到98%；扫描电镜观察TiO_2-xN_y涂层托槽表面变形链球菌黏附明显少于普通托槽。

张晟等^[29]将纳米银与无机抗菌载体纳米TiO₂结合制备纳米Ag/TiO₂涂层托槽，抗菌实验结果表明黑暗环境下该涂层对实验口腔常见菌均有抗菌活性，30-60 min可完全杀死浓度为1×10⁶ CFU/mL菌液中的细菌，而纳米TiO₂ 涂层作用未见抗菌活性，推断纳米银的载入赋予了TiO₂可见光催化抗菌性能。

2.2 无机纳米抗菌材料作用机制研究 口腔正畸矫治中，学者们尝试将纳米抗菌材料引入正畸所用材料，以减少釉质脱矿、龋和牙周炎的发生。发现其中研究较多的有纳米载银、纳米二氧化钛、氧化锌这3类无机抗菌剂，分析其作用机制有利于更好地发挥抗菌性能。

2.2.1 纳米载银 自然界中有不少金属离子具有抑制和杀灭微生物的作用，而在所有的金属离子中银离子的抗菌能力是最强的，并且安全无毒。但银离子在接触水时释放速度加快，导致抗菌有效期缩短，因此必须借助于内部有多孔结构而能牢固负载银离子的材料(比如羟基磷灰石、沸石、磷酸复盐等)作为载体，才能够有效控制银离子的释放并提高其抗菌效率。

银离子的杀菌机制目前有4种学说：静电杀菌机制、金属溶出杀菌、光催化杀菌、接触式抑菌^[30]。综合起来有2种解释，其一催化反应说，银离子具有较高的氧化还原电位，在光的作用下能激活水或空气中的氧，产生羟基自由基及活性氧离子，破坏、抑制或杀灭细菌^[31]；其二接触反应说，银离子带正电荷，几乎所有细菌的细胞壁和细胞膜都带负电荷，由于异种电荷相吸，细菌很容易吸附银离子，可导致胞壁包膜变形溶解破裂，此外银离子可穿透细胞膜进入细胞内部，影响微生物能量及物质代谢^[30]。纳米银直径小于100 nm，能更容易破坏细胞膜进入细胞内部，同时释放大量银离子损害细胞内部组分，抗菌性能更为优越。

2.2.2 纳米TiO₂ 纳米TiO₂ 是一种n型半导体材料，有很强的还原性和氧化性，当在波长小于387.5 nm(紫外光波长)的光照射下，形成高活性空穴(h⁺)—电子(e^-)对，分布在表面的空穴h⁺ 可以将TiO₂表面的OH^-和H₂O分子氧化成OH自由基，OH自由基是水体中存在的最强氧化剂，能氧化大部分的有机污染物及无机污染物，将其最终降解为CO₂、H₂O等无害物质；电子则与表面吸附的氧分子反应生成超氧离子(O₂•^-) ，超氧离子可与水进一步反应生成过羟基(•OOH) 和双氧水(H₂O₂)^[32]。活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水都可与微生物大分子如脂类、蛋白质、酶类及核酸大分子反应，直接损害或通过一系列氧化链式反应而对生物细胞结构引起广泛的损伤性破坏。另外，H₂O₂可通过细菌细胞膜杀灭细菌的同时分解细菌死亡后释放出的内毒素等脂类物质，且存在的时间较长^[33]。因此，纳米TiO₂在光催化作用下不但能使细胞失去活性，同时能够降解细菌死亡后释放的有毒组分。

但TiO₂吸收波段局限于波长小于387 nm的紫外光区，只能利用在太阳光中占4%的紫外光，而通过掺杂改性可以使其在可见光区也具有催化活性，提高了其对可见光的利用率和光催化效率^[34]。研究发现N掺杂是目前最为理想的方法，在不降低紫外光催化活性的基础上具有优异的可见光活性^[35]。目前TiO₂光催化材料的研究主要集中在如何提高材料的光催化活性。

2.2.3 ZnO ZnO抗菌材料的抗菌机制尚不明确，目前有3 种假设：活性氧抗菌机制，通过生成过氧化氢，过氧化氢进入细菌内部损伤细胞结构，致细菌死亡^[36]；光催化抗菌机制，当纳米ZnO受到能量大于其禁带宽度的光照射时，发生如同TiO₂的一系列氧化还原反应，起到杀菌作用；金属离子溶出抗菌机制，ZnO在含水介质中缓慢释放锌离子，锌离子与蛋白质上的某些基团反应，破坏细菌细胞和生理活性，达到杀菌目的^[37]。由于ZnO抗菌材料的抗菌原理目前还不是很明确，因此在口腔医学领域的研究受到了限制。

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引言

口腔正畸患者在治疗过程中，口内通常存在各种活动和固定矫治器，这些设备的存在往往会导致口腔内菌群失调，在牙齿表面出现牙釉质脱矿后的白垩色斑、牙面龋、牙龈炎症，甚至牙周炎。使用固定矫治器12个月的正畸患者46%的人将会出现至少一个牙釉质脱矿^[1]，釉质脱矿好发于托槽周围的釉质。另有调查显示，正畸患者会出现不同程度的牙龈炎^[2]。此外，各种活动矫治器尤其是功能矫治器，会有大面积的义齿树脂基托材料聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，由于戴用时间较长，结构复杂，不易清洁，导致菌斑附着、食物残渣滞留，在一定程度上增加了患者脱矿、龋病、牙周病的发病率。

正畸患者矫治器的使用造成患者自洁能力下降，导致菌斑附着与滞留。同时，各种矫治器的戴入改变了口腔内微生态环境，使牙菌斑内微生物平衡失调，促进了致病菌(如变形链球菌、乳酸杆菌)过度增殖而成为致病性菌斑，正畸患者龈上菌斑的pH值明显下降，菌斑中的碳水化合物含量明显增高，钙、磷含量下降^[3]。因此，细菌是导致牙釉质脱矿和牙龈炎症的直接原因。

目前，预防矫治过程中牙釉质脱矿、龈炎主要通过对正畸患者进行口腔健康教育、控制菌斑、使用氟化物，但这些方法在整个治疗阶段需要患者的积极配合，效果不确定，同时含氟粘接材料的长期临床效果还需进一步观察^[4]。许多临床正畸医生开始寻找能够不依赖患者配合，同时又能保持良好口腔卫生的方法，抗菌生物材料的研究给正畸治疗提供了一个挑战^[5]。

抗菌剂是指能够在一定时间内，使某些微生物(细菌、真菌、酵母菌等)的生长或繁殖保持在必要水平以下的化学物质^[6]。目前，抗菌材料主要有天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂两大类。有机抗菌剂主要有天然抗菌剂、合成有机抗菌剂、高分子抗菌剂，而无机抗菌剂包含光催化型抗菌剂和金属离子抗菌剂。天然抗菌剂是指从自然界的植物、动物及微生物中提取出来的具有抗菌性能的物质，虽然安全性高，但高温下易分解，耐热性差，性能不稳定，因此使用受到限制。有机抗菌剂比如季铵盐类等，杀菌力强，但耐热性差、易水解，可产生耐药性，且在消灭致病菌的同时也会影响正常机体细胞，长时间使用对人体有害，这些因素均阻碍了有机抗菌剂的发展。近来，无机抗菌剂因具有安全性高、耐热性好、作用时间长、不易产生耐药性、抗菌谱广等优点，成为研究的热点^[7]。目前无机抗菌剂中研究比较成熟的有光催化型抗菌剂和金属离子型无机抗菌剂等。

纳米材料是指组成微粒的粒径< 100 nm的材料。纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及表面效应，这些纳米效应使纳米材料表现出特殊的物理、化学性质。研究显示，随着纳米材料微粒直径的变小，比表面积增大，与致病菌接触的概率越大，抗菌效果越好^[8]。纳米无机抗菌材料相比于传统的无机抗菌剂有更强的抗菌能力^[9]。随着纳米技术的不断进步，制作纳米抗菌剂的技术越来越成熟，在众多领域被广泛应用，但在口腔正畸学领域应用较少，正处于探索和研发阶段。文章就纳米无机抗菌材料在口腔正畸材料中的应用及研究进展作一综述，为进一步的深入研究和临床应用提供理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程
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Antibacterial properties of inorganic nano-antibacterial materials in orthodontics

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