纳米银羟基磷灰石涂层正畸陶瓷托槽的抗菌与力学性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.52.011

摘要/Abstract

摘要：

背景：临床口腔正畸过程中，陶瓷托槽存在抗菌性能和力学性能不足的情况，容易导致各种不良事件的出现，影响正畸效果。
目的：观察纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽的抗菌与力学性能。
方法：制备纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽，采用扫描电镜观察涂层表面，并进行涂层表面定量抗菌实验。将50颗离体人上颌前磨牙随机分为2组，实验组(n=25)粘接纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽，对照组(n=25)粘接普通陶瓷托槽，检测两组抗剪切强度。
结果与结论：纳米银羟基磷灰石涂层整体结构有序，均匀致密，羟基磷灰石具有多孔状结构，孔径属于微纳米级别，其中均匀分布大量纳米银颗粒。定量抗菌实验显示，纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽对大肠杆菌、白色葡萄球菌有较强的抑制作用，抗菌率均在95%以上。实验组抗剪切强度低于对照组(P < 0.05)。表明纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽具有良好的抗菌和力学性能，满足临床正畸过程中力学变化的需求。

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

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 口腔正畸, 陶瓷托槽, 纳米银, 羟基磷灰石, 表面特性, 力学性能

Abstract:

BACKGROUND: In the clinical orthodontics, ceramic brackets have deficiencies in the aspects of antibacterial and mechanical properties, which easily lead to the emergence of a variety of adverse events and influence the orthodontic effect.
OBJECTIVE: To observe the antibacterial and mechanical properties of nano silver hydroxyapatite coating ceramic brackets.
METHODS: The nano silver hydroxyapatite coating ceramic brackets were prepared. Scanning electron microscopy was used to observe the coating surface. Coating antibacterial experiment was conducted. Totally 50 in vitro human maxillary premolars were randomly divided into two groups (n=25 per group): experimental and control groups. Premolars in the experimental group were bonded to nano silver coating hydroxyapatite ceramic brackets, and premolars in the control group were bonded to ordinary ceramic brackets. The shear strength was detected in these two groups.

RESULTS AND CONCLUSION: The overall structure of nano silver hydroxyapatite coating was order, uniform and compact. Hydroxyapatite had a porous structure with a micro-nanometer aperture and there were a large number of nano-silver particles uniformly distributed. Quantitative antibacterial experiments showed that nano silver hydroxyapatite coating ceramic brackets had a strong inhibition to Escherichia coli and Staphylococcus albus, with an antibacterial rate of more than 95%. The shear strength in the experimental group was lower than that of the control group (P < 0.05). These results demonstrate that the nano silver hydroxyapatite coating ceramic brackets have good antibacterial and mechanical properties, which meet the requirement of mechanical change in the clinical orthodontics.

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

中图分类号:

R318

周冠军，杨大鹏，刘新芳，胡博. 纳米银羟基磷灰石涂层正畸陶瓷托槽的抗菌与力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(52): 8423-8427.

Zhou Guan-jun, Yang Da-peng, Liu Xin-fang, Hu Bo. Antibacterial and mechanical properties of ceramic orthodontic brackets with nano silver hydroxyapatite coating[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(52): 8423-8427.

图/表（结果） 2

参考文献

[1] 杨燕子.牙颌畸形患者正畸中自锁托槽矫治器对降低牙周指数、龈沟液AST含量的作用[J].中国伤残医学,2015,23(12):69-70.
[2] 董玉婉,赵秋颖,贾芳芳,等.纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽的研制及力学性能研究[J].口腔颌面修复学杂志,2014,15(3): 134-136.
[3] 董玉婉,赵秋颖,贾芳芳,等.纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽的抗菌性研究[J].中华老年口腔医学杂志,2013,11(6):330-332.
[4] 董玉婉.纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽的力学及抗菌性能研究[D].解放军医学院,2014.
[5] Ma'mani L,Sheykhan M,Heydari A,et al.Nanosilver embedded on hydroxyapatite-encapsulated γ-Fe2O3: Superparamagnetic catalyst for chemoselective oxidation of primary amines to N-monoalkylated hydroxylamines.Appl Catal A Gen.2011;395(1/2):34-38.
[6] 郑学斌,季珩,黄静琪,等.等离子喷涂抗菌羟基磷灰石涂层研究[J].无机材料学报,2006,21(3):764-768.
[7] 徐伏秋,陈华军,丁梧秀,等.载银羟基磷灰石抗菌粉体和陶瓷的制备及抗菌性能[J].无机化学学报,2013,29(12):2582-2586.
[8] 杨辉,蔡日强,王栋,等.抗菌羟基磷灰石的一步合成及其表征[J].功能材料,2010,41(3):406-409.
[9] 朱梓园,张富强,郑学斌,等.含银抗菌羟基磷灰石涂层银离子的缓释性能[J].上海口腔医学,2009,18(1):66-68.
[10] [李轩琦,孙康宁,卢志华,等.载银羟基磷灰石复合抗菌材料的研究[J].硅酸盐通报,2008,27(1):12-15,25.
[11] 师彩丽,苏炳煌,邱艳静,等.载银羟基磷灰石抗菌陶瓷粉体的应用研究[J].功能材料,2004,35(z1):2381-2382,2385.
[12] 陈有应,耿彬,王金清,等.含氟、锌、银羟基磷灰石涂层的制备与结构表征[J].材料导报,2012,26(z1):267-269.
[13] Saravanan S,Nethala S,Pattnaik S,et al.Preparation, characterization and antimicrobial activity of a bio-composite scaffold containing chitosan/nano-hydroxyapatite/nano-silver for bone tissue engineering.Int J Biol Macromol. 2011; 49(2): 188-193.
[14] 李箐,冯希平,廖运茂,等.钛表面载银HA-TCP溶胶凝胶涂层的制备及其抗茵性的研究[J].中国口腔颌面外科杂志,2008,6(2): 127-130.
[15] 朱梓园,张富强,郑学斌,等.钛种植体载银抗菌羟基磷灰石涂层的制备及结构特征[J].上海口腔医学,2006,15(5):543-546.
[16] 胡苏宁,张敏.钛表面载银硅羟基磷灰石镀膜对口腔常见菌抑菌作用的研究[C].//第七次全国口腔材料学术交流会论文集,2011: 73-74.
[17] 史建陆,魏婷婷,林奕真,等.微种植钉表面含银羟基磷灰石涂层的制备及溶血试验[J].临床口腔医学杂志,2012,28(6):336-339.
[18] 张敏,史建陆,林昌建,等.含银羟基磷灰石种植体的细胞毒性研究[J].临床口腔医学杂志,2009,25(3):139-141.
[19] Stanic V,Janackovic D,Dimitrijevic S,et al.Synthesis of antimicrobial monophase silver-doped hydroxyapatite nanopowders for bone tissue engineering.Appl Surf Sci.2011; 257(9):4510-4518.
[20] 彭伟伟,翟万银,江龙,等.人牙髓细胞复合不同孔径羟基磷灰石/磷酸三钙支架材料的生物学行为[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(51):9567-9571.
[21] Oudadesse H,Mostafa A,Legal Y,et al.Elaboration and physicochemical behaviour of Nano Hydroxyapatite / Silver Nanoparticles biocompsite after 'in vitro' assays[C].//Recent advances in applied & biomedical informatics and computational engineering in systems applications.2011: 71-76.
[22] 王宇华,朱梓园,张富强,等.单质银应用于等离子喷涂抗菌涂层的研究[J].上海口腔医学,2009,18(3):317-319.
[23] Nirmala R,Nam KT,Park DK,et al.Structural, thermal, mechanical and bioactivity evaluation of silver-loaded bovine bone hydroxyapatite grafted poly(ε-caprolactone) nanofibers via electrospinning.Surf Coat Technol. 2010; 205(1):174-181.
[24] Nirmala R,Kanjwal MA,LeeJH,et al.Synthesis and characterization of bovine femur bone hydroxyapatite containing silver nanoparticles for the biomedical applications. J Nanopart Res.2011;13(5):1917-1927.
[25] 张敏,应志敏,史建陆,等.钛表面电化学沉积羟基磷灰石/纳米银涂层及体外细胞毒性评价[J].口腔颌面修复学杂志, 2010, 11 (5):312-315.
[26] 张敏,施更生,林海升,等.纳米银羟基磷灰石复合涂层的生物安全性研究[J].口腔医学,2010,30(9):541-543.
[27] 张敏,史建陆,林昌健,等.纳米银/羟基磷灰石涂层的制备与表征[J].中国口腔种植学杂志,2010,15(1):14-16,47.
[28] 陈梦云,陈素华,陈昆达,等.银离子羟基磷灰石糊剂治疗狗慢性根尖周炎的实验研究[J].口腔材料器械杂志,2006,15(1):47,50.
[29] 王晨,王朝俭,张焱,等.羟基磷灰石涂层种植体植入生物体内结合过程的动物实验观察[J].宁夏医学杂志,1999,21(6):341-342.
[30] 王臻,刘伟强.纳米复合树脂口腔修复材料的研制及性能表征[C].//第八届中国纳米科技西安研讨会论文集,2009:51-58.
[31] Nida Iqbal,Mohammed Rafiq Abdul Kadir,Nik Ahmad Nizam Nik Malek,et al.Rapid microwave assisted synthesis and characterization of nanosized silver-doped hydroxyapatite with antibacterial properties.Mater Lett.2012;89:118-122.
[32] 白丁,刘筱琳.Nd:YAG激光辅助去除陶瓷托槽对托槽的粘接强度及髓腔温度影响的研究[J].华西口腔医学杂志, 2004, 22(4): 287-289.
[33] Sheikh FA,Barakat NA,Kanjwal MA,et al.Electrospun titanium dioxide nanofibers containing hydroxyapatite and silver nanoparticles as future implant materials.J Mater Sci Mater Med.2010;21(9):2551-2559.
[34] Marsich E,Bellomo F,Turco G,et al.Nano-composite scaffolds for bone tissue engineering containing silver nanoparticles: preparation, characterization and biological properties.J Mater Sci Mater Med.2013;24(7):1799-1807.
[35] Pishbin F,Mouriño V,Gilchrist JB,et al.Single-step electrochemical deposition of antimicrobial orthopaedic coatings based on a bioactive glass/chitosan/nano-silver composite system.Acta Biomaterialia.2013;9(7):7469-7479.
[36] 仇玲玲,白玉兴,厉松,等.不同陶瓷托槽与金属弓丝间摩擦力的研究[J].北京口腔医学,2011,19(5):280-282.
[37] Koizhaiganova M,Lkhagvajav N,Ya?a I,et al.New gelatin-hydroxyapatite nanocomposite films containing nano silver: Synthesis, and, mechanical and antimicrobial properties. J Bionanosci.2011;5(2):130-137.
[38] 王卫东,董苁蓉,李蒙,等.陶瓷托槽与金属托槽对牙周指数的影响及其脱落率比较[J].广东牙病防治,2014,22(6):328-330.
[39] 王卫东,董苁蓉,李蒙,等.多晶氧化铝陶瓷托槽与金属托槽对牙周指数的影响及其脱落率的对比观察[J].临床口腔医学杂志, 2014, 30(6):374-375.

引言

临床正畸治疗过程中，托槽正畸是一种常用的方法。优质的矫治托槽，不仅可以减少患者复诊次数，缩短口腔正畸治疗疗程，并且可以带来准确、美观、舒适的口腔正畸效果^[1]。传统托槽矫正无论是美观度、佩戴体验、复查频率及矫正周期，都已全面落后。传统的矫治器托槽部分主要是采用金属材质，视觉效果不佳。随着人们对美观的要求越来越高，陶瓷托槽应运而生^[2]。陶瓷矫是目前最流行、最高效的矫治技术，继承了传统矫治器的优点，自身美观舒适。陶瓷托槽与牙齿本身颜色很相近，透明的质感与牙齿颜色浑然一体，当托槽贴在牙齿表面上时，几乎看不见其存在，起到了隐形效果^[3]。高强度陶瓷托槽的棱角比金属托槽要光滑些，而且不容易造成口腔溃疡，所以整体来说适应性更强^[4]。陶瓷托槽晶粒大，透明性好，具有良好的抗污染性和抗变色能力，只要患者注意口腔卫生，就可以使托槽一直保持透明状态。陶瓷托槽还具有极高的硬度，因而不会变形，具有很好的尺寸稳定性。陶瓷托槽基底与牙齿之间为化学结合，受力均匀，不易脱落，可明显减少复诊次数与疗程^[5]。但在具体的正畸治疗过程中，陶瓷托槽也存在一定的不足之处，其易出现菌斑堆积现象，导致牙釉质脱矿等的出现是一个十分突出的问题。另外，还存在陶瓷材料质地硬脆，容易出现牙釉质折断等问题^[6-7]。为此，做好相应的抗菌处理工作并改善其力学性能，成为一个十分重要的问题。但目前关于改善陶瓷托槽抗菌性能和力学性能方面的研究和报道相对较少。为此，此次实验即针对这一问题，尝试利用纳米银羟基磷灰石涂层对陶瓷托槽的表面特性和力学性能予以改善，以更好地发挥出陶瓷托槽的作用，达到更好的正畸效果。

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

材料方法

1.1 设计体外观察性实验。

1.2 时间及地点实验于2015年6至7月在河北医科大学第二医院实验室完成。

1.3 材料上颌前磨牙50颗，由河北医科大学第二医院口腔正畸科提供，均为人类健康新鲜牙齿，均因正畸需求拔除的废弃牙，经检查不存在裂痕与龋洞，且未经过任何物理化学处理。大肠杆菌和白色葡萄球菌由河北医科大学第二医院实验室提供。

陶瓷托槽：由德国Dentaurum J.P.Winkelstroeter KG提供，商品名：DENTAURUM，注册号：国食药监械(进)字2006第2631803号。产品由高纯氧化铝陶瓷材料制成，一次性使用，外观光滑，透明，无气泡，无任何肉眼可见的异物，具有较好的抗氧化性及腐蚀性能够与生物体内的组织和血液中的生化成份相容，具有良好的机械强度，且经测试，无细胞毒性和血液毒性(图1)。

羟基磷灰石：由四川大学生物材料工程研究中心提供，产品化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，产品标准:YZB/国 0193-2006《羟基磷灰石粉料》。产品为白色粉末，难溶于水，易溶于酸(图2)。

纳米银：由深圳市源兴纳米医药科技有限公司提供，产品为纳米级的金属银单质。

1.4 实验方法

纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽的制备：将质量分数98%的羟基磷灰石和质量分数2%的纳米银球磨均匀混合2 h，研磨成粉。利用无水乙醇对陶瓷托槽进行超声清洗，利用蒸馏水进行冲洗，之后吹干备用。在托槽干燥之后，利用微束等离子喷涂技术对其进行喷涂，获得纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽。利用扫描电镜观察纳米银羟基磷灰石涂层表面成分构成和纳米银颗粒分布情况等。

纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽表面抗菌实验：将大肠杆菌和白色葡萄球菌分别接种在LB培养基上，置于恒温培养箱中培养。培养24 h后，利用接种环获取适量菌体放入液体培养基试管中，置于摇床中培养，培养12 h以备接种。取若干个已灭菌含有PBS的试管，每个试管中加入10 μL菌悬

液，分别将纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽(实验组)与普通陶瓷托槽(对照组)加入不同的菌悬液试管中，置于培养皿中进行培养。观察细菌菌落数，并计算抗菌率。

抗菌率=(对照组样菌落数-实验组菌落数)÷对照组菌落数×100%。

纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽力学性能检测：将50颗上颌前磨牙随机分为实验组和对照组，每组25颗,均浸泡于蒸馏水中，15 d后将根部被包埋固定于自凝丙烯酸树脂中。待树脂完全结固之后打磨牙冠颊面，蒸馏水冲洗后吹干，实验组粘接纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽，对照组粘接普通陶瓷托槽。两组操作均由同一组实验人员负责完成。利用电子万能实验机对两组试件进行生物力学测试，检测两组抗剪切强度。

1.5 主要观察指标纳米银羟基磷灰石涂层扫描电镜观察结果；纳米银羟基磷灰石的涂层陶瓷托槽抗菌率与抗剪切强度。

1.6 统计学分析数据均利用统计学软件SPSS 19.0进行处理分析，对P 值进行检测，将存在统计学意义的标准设定为P < 0.05。

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

讨论

在人类进化过程中，食物由生到熟、由粗到细、由硬到软，咀嚼器官的功能日益减弱^[8]。而咀嚼器官退化、减少出现不平衡现象，即肌肉居先，颌骨次之，牙齿再次之，颌骨减少而牙齿的数量没有减少，因而颌骨容纳不下所有的牙齿，导致出现牙齿拥挤等畸形^[9-11]，需要积极的进行正畸治疗，以免对患者的咀嚼功能等产生影响。

在进行正畸治疗时，托槽治疗是常用的方式。以往大多使用金属托槽，但存在视觉效果不佳及不良反应发生率较高的情况^[12]。随着临床医学的不断发展，陶瓷托槽开始被积极应用于临床正畸治疗之中^[13]。另外，陶瓷托槽与一般的金属托槽相比最显著的特点就是美观。无色、透明的陶瓷托槽完美地实现了矫治过程的隐蔽性，其良好的生物相容性也避免了因长时间使用属托槽引起的牙面发暗、牙龈发炎、口腔溃疡等不良反应，更利于口腔健康^[14-15]。但陶瓷托槽也存在一定的不足之处，包括易出现菌斑堆积现象，导致牙釉质脱矿等的出现是一个十分突出的问题，以及因为陶瓷材料质地硬脆容易出现牙釉质折断等问题^[16]。为此，需要做好相应的抗菌处理工作，改善其力学性能。纳米级银以纳米技术为基础，是一种新型的抗菌材料，材料的银颗粒尺寸达到纳米级，可显著提高其表面效应及抗菌活性等^[17]。

羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，具有良好的生物相容性和生物活性，能与骨形成很强的化学结合，在体液作用下会发生部分降解，游离出钙和磷，并被人体组织吸收、利用，生长出新的组织，产生骨传导作用^[18-20]。齿骨的结构也类似于自然骨，但齿骨中羟基磷灰石的含量高达97%。长期以来，医学领域广泛使用的金属有机高分子等生物医学材料，其成分和自然骨完全不一样，用来作为齿骨的替代材料填补骨缺损，其生物兼容性和人体适应性尚不令人满意^[21-22]。羟基磷灰石因其特有的表面多孔型结构、比表面积大、吸附能力强等性能应用效果更佳^[23]。羟基磷灰石粒子溶解度较高，表面能较大，生物活性更好，具有抑癌作用等，作为药物载体用于疾病的治疗，是一种生物兼容性良好的治疗材料，且羟基磷灰石有着良好的空间网状结构和良好的组织、细胞相容性^[24-26]。本次实验过程中，扫描电镜观察可见纳米银羟基磷灰石涂层整体呈现出十分结构有序、均匀致密的状态，羟基磷灰石具有多孔状结构，孔径属于微纳米级别，其中均匀分布有大量的纳米银颗粒。而大量纳米级晶体分布在羟基磷灰石中，可以进一步增强材料的活性^[27]。材料表面的微孔则有利于各种物质的吸附和交换，显著提高细胞早期黏附能力。

另外，在对陶瓷托槽抗菌能力予以改善方面，纳米银是一种粉末状银单质，有强大杀菌、修复再生能力，对大肠杆菌等数十种致病微生物具有强烈的抑制和杀灭作用^[28]。羟基磷灰石对口腔细菌如变形链球菌、血链球菌、黏性放线菌的生长繁殖均有抑制作用，有助于控制牙周炎症，具有促进骨缺损修复和防治根面龋的作用等^[29]。另外，在人体口腔内，牙釉质表面的脱矿和再矿化是一个双向交替的动态过程，即牙釉质表面的羟基磷灰石处于沉淀-溶解的动态平衡。当牙釉质表面因牙菌斑中致龋菌的产酸作用，使局部的pH值降低，溶解牙釉质表面的矿物质，使牙釉质表面受损脱矿，并逐步产生龋洞^[30-34]。当牙釉质表面的pH值升高，Ca²⁺、PO₄³^-的浓度过饱和时，反向促使牙釉质表面再矿化。对于早期牙釉质脱矿，如果强化再矿化作用，修补早期龋洞和修复受损牙釉质完全可能^[35-37]。羟基磷灰石具有良好的溶解性能，使Ca²⁺、PO₄³^-局部浓度增加，到良好的牙釉质再矿化及修复受损牙釉质的效果。因此，将二者复合起来对陶瓷托槽进行涂层处理，可以达到很好的抗菌效果^[38-39]。此次实验结果显示，实验组在大肠杆菌及白色葡萄球菌菌落数方面均显著低于对照组(P < 0.05)，即表明纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽具有良好的抗菌效果；在抗剪切强度方面，实验组托槽显著小于对照组(P < 0.05)，即提示较之单纯的陶瓷托槽，纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽具有更好的力学性能，可以更好地满足临床正畸过程中力学变化的需求。

综上所述，正畸中纳米银羟基磷灰石涂层陶瓷托槽具有良好的表面特性和力学性能，可以达到很好的抗菌效果，很好地满足临床正畸治疗的需求，具有一定的临床应用价值。

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