TiO2-xNx抗菌托槽的抑菌性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.34.008

摘要/Abstract

摘要：

背景：有研究表明TiO_2-xN_x薄膜对变形链球菌、黏性放线菌及白色念珠菌具有良好的抗菌效果。

目的：进一步评价TiO_2-xN_x薄膜托槽的抗菌性能。

方法：纳入10例正畸患者，将口内牙齿以上下中线分为左右两侧，分别粘接普通金属托槽和TiO_2-xN_x薄膜托槽，在矫治前、矫治后1，2，3，4周检测正畸菌斑指数、牙龈指数、龈沟出血指数及釉质脱矿指数。

结果与结论：普通金属托槽组矫治后1，2，3，4周的正畸菌斑指数、牙龈指数、龈沟出血指数及釉质脱矿指数均高于矫治前(P < 0.05)；TiO_2-xN_x薄膜托槽组矫治后3周的牙龈指数高于矫治前(P < 0.05)，矫治后1，2，3周的龈沟出血指数高于矫治前(P < 0.05)，矫治后2，3，4周的釉质脱矿指数高于矫治前(P < 0.05)；TiO_2-xN_x薄膜托槽组矫治后1-4周的正畸菌斑指数、龈沟出血指数均低于普通金属托槽组(P < 0.05)，矫治后2-4周的牙龈指数、釉质脱矿指数均低于普通金属托槽组(P < 0.05)。表明TiO_2-xN_x薄膜托槽具有较好的抗菌效果，可更好地控制和清除菌斑。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 托槽, TiO_2-xN_x薄膜, 菌斑指数, 牙龈指数, 龈沟出血指数, 釉质脱矿指数, 甘肃省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: TiO_2-xN_x film has good antibacterial effects on Streptococcus mutans, Actinomyces viscosus and Candida albicans.

OBJECTIVE: To investigate the antimicrobial property of TiO_2-xN_x bracket.

METHODS: Ten orthodontic patients were selected, and their teeth were divided into two parts by oral midline and respectively treated with ordinary metal brackets and TiO_2-xN_x bracket. Orthodontic plaque index, gingival index, gingival sulcus bleeding index and enamel demineralization index were detected before, and at 1, 2, 3, 4 weeks after orthodontic treatment.

RESULTS AND CONCLUSION: For the ordinary metal brackets, the orthodontic plaque index, gingival index, gingival sulcus bleeding index and enamel demineralization index were all increased after orthodontic treatment (P < 0.05); for the TiO_2-xN_x bracket, the gingival index was increased at 3 weeks after treatment (P < 0.05), the gingival sulcus bleeding index was increased at 1, 2, 3 weeks after treatment (P < 0.05), and the enamel demineralization index was increased at 2, 3, 4 weeks after treatment (P < 0.005). Compared with the ordinary metal brackets, the orthodontic plaque index and gingival sulcus bleeding index were lower in the TiO_2-xN_x bracket group at 1-4 weeks after treatment (P < 0.05), and the gingival index and enamel demineralization index were lower in the TiO_2-xN_x bracket group at 2-4 weeks after treatment (P < 0.05). These findings indicate that the TiO_2-xN_x film bracket has excellent antibacterial properties, which is better to control and removal dental plaques.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Dental Plaque Index, Periodontal Index, Orthodontic Appliances

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 3

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引言

材料方法

设计：对比观察实验。

时间及地点：于2013年1至10月在兰州大学完成。

对象：选择于2013年2至5月就诊于兰州大学口腔医院的正畸患者10例，其中男4例，女6例。

病例选择标准：①男女不限，年龄12-22岁。②牙列完整，无固定正畸治疗史，无牙周疾患，牙冠完整无大面积充填，无龋坏、无脱矿、无釉质发育不良等牙体疾患。③龈沟出血指数< 0.3，2个月内未使用抗生素。④无全身系统性疾病。⑤无明显口腔不良习惯。

材料：直丝弓托槽0.022″标准型(杭州三比医疗器械有限公司)；TiO_2-xN_x薄膜托槽黏结剂为京津牙釉质黏合树脂化学固化双糊剂型(天津市合成材料工业研究所)；酸蚀剂为Gluma齿科酸蚀凝胶35%釉质型(上海贺利氏-古莎公司)；0.012inch镍钛圆丝(北京有研亿金新材料股份有限公司)；Chrom-O-Red 2%赤藓红牙菌斑显示剂(加拿大Germiphene Corporation公司)。

普通金属托槽：杭州星辰三比齿科器材有限公司产品，产品标准：YZB/1989-2014《正畸托槽》。托槽所有不锈钢材料0Cr18Ni9(304)、00Cr17Ni14Mo2(316)的化学成分符合GB/T1220-2007、GB3280-2007标准中所规定的要求，产品表面光滑、平整，无锋棱、缺损等缺陷。托槽两翼上表面粗糙度≤1.6 μm，正常使用条件下，产品表面不应出现变色或锈蚀现象。托槽在牙釉面的固位强度不小于20 N；托槽细胞毒性≤1级，无迟发型超敏反应，无口腔黏膜刺激反应，无遗传毒性及亚急性全身毒性；托槽由托槽体或底板两部分组成，底板的黏结面采用金属网底、整体网底或燕尾底的结构。

方法：

TiO_2-xN_x薄膜托槽的制备：利用辽宁聚智科技发展有限公司生产的JZCK-580高真空多功能磁控溅射设备，在普通金属托槽上沉积TiO_2-xN_x薄膜。镀膜的制备采用射频溅射法，靶为成都超纯公司生产的纯度为99.99%氧化钛陶瓷靶(75 mm×5 mm)，托槽采用杭州三比医疗器械有限公司生产的0.022″标准型直丝弓托槽。

沉积前，将普通金属托槽用40 g/L NaOH、25 g/L NaCO₃、50 g/L Na₃PO₄•12H₂O和7.5 g/L Na₂SO₃配制而成的混合液在恒温90 ℃时清洗25 min，观察表面无水珠，然后把托槽放入盛有丙酮溶液的烧杯，超声清洗20 min，将清洗干净的托槽浸泡在装有丙酮的烧杯内备用。

溅射前氩气预溅射10 min，去除靶表面污染物。实验中本底真空为1.0×10^-³Pa，工作气压1.0 Pa，通入氩气和氮气两种气体，质量流量比为30∶1，射频溅射功率300 W，衬底温度300 ℃。将制得TiO_2-xN_x薄膜的托槽置于高温箱式电阻炉内，在氮气气氛(保护气体)中进行退火处理，退火温度控制在450 ℃，控制退火温度的上升速度，防止温度变化过快而导致的薄膜剥落。保温2 h后，托槽随炉降温，以使薄膜有足够的时间充分结晶。

试验分组：要求患者保持良好口腔卫生习惯，在治疗开始前对患者进行了刷牙方法及日常口腔卫生维护方法的指导，并统一了志愿患者的牙膏和牙刷。将10例正畸患者口内牙齿以上下中线分为左右两侧，随机从一侧中切牙至第二前磨牙粘接普通金属托槽10颗，另一侧则粘接TiO_2-xN_x薄膜托槽10颗，10例患者总共粘接普通托槽和TiO_2-xN_x薄膜托槽各100颗。

检测时间梯度为治疗前及托槽粘接后1，2，3，4周。清水漱口后将10滴牙菌斑显示剂添加到10 mL清水中，在口腔中用力漱口10 s后吐出，观察并记录各牙唇颊面牙菌斑染色结果。

主要观察指标：

正畸菌斑指数：将每颗牙颊侧以托槽4条边延长线为边界分成9个区域(图1)，每个区域的菌斑情况分5度纪录，该数值越小代表菌斑清除的效率越高。评价指标如下：0，代表染色剂被全部清除；1，代表染色剂覆盖被检测区域的面积小于1/3；2，代表染色剂覆盖被检测区域的面积在1/3 至2/3；3，代表染色剂覆盖被检测区域的面积大于2/3；4，代表染色剂全部覆盖检测区域。记录所有测试牙齿各部位菌斑情况记分的总和/全部测试牙齿区域数，全部测试牙齿区域数=全部测试牙齿数×9。

牙龈指数：根据牙龈病变的程度分为4级，0分，代表牙龈正常；1分，代表牙龈轻度炎症，颜色轻度改变，轻度水肿，探诊不出血；2分，代表牙龈中度炎症，色红、水肿、光亮，探诊出血；3分，代表牙龈炎症明显，红肿，有溃疡、自动出血倾向

龈沟出血指数：分为4级，1分，代表不出血；2分，代表轻探龈沟时出血，龈外观正常；3分，代表探龈沟时出血，牙龈变红，无肿胀：4分，代表牙龈有溃疡或其他症状。

釉质脱矿指数：将牙齿以正畸托槽为中心被分为4个区域，分别为龈方、牙合方、近中和远中(图2)。脱矿程度分为4级：0度，代表牙釉质表面光滑、透明，没有病损；1度，代表牙釉质表面出现轻度的白垩色斑(斑块面积小于其所在牙齿分区面积的50%)；2度，代表牙釉质表面出现中度自垩色斑(斑块面积大于其所在牙齿分区面积的50%，但尚未达到100%)；3度，代表牙釉质表面出现重度白垩色斑(斑块面积占有全部其所在牙齿分区的面积)或釉质表面出现龋洞(不论其面积大小）。记录所有测试牙齿各部位脱矿程度记分的总和/全部测试牙区域数，全部测试牙区域数=全部测试牙齿数×4。

检测记录数据：采用双盲法测定各时段的各项指数值。随机选择5例患者进行调查者之间的一致性检验(Kappa检验)。

统计学分析：采用SPSS 19.0统计软件包处理数据，方差分析比较多组间菌斑指数值，组间两两比较采用t 检验，P < 0.05视为差异有显著性意义。

讨论

近年来研究发现，正畸托槽会引起口腔环境中pH值的降低、菌斑聚集的增加^[7-8]、变形链球菌及乳酸杆菌数量与种类的变化^[9-10]。这些因素有利于菌斑沉积、形成，进而导致龈组织的炎症^[11]。托槽粘接后牙面菌斑指数较托槽粘接前有显著增加^[12-13]。纳米TiO₂是一种具有光催化活性的半导体材料，在紫外线激发下能形成高活性空穴(h⁺)^-电子(e^-)对，空穴h⁺能吸附TiO₂表面的OH^-和H₂O分子，氧化形成具有强氧化性的自由基，将有机污染物和无机污染物最终降解为CO₂、H₂O等无害物质；电子e^-则与表面吸附的氧分子反应，生成超氧离子，超氧离子可与水进一步反应生成过羟基和双氧水^[14]，能对生物细胞结构引起损伤性破坏，不仅能杀死细菌，还能分解其释放产物^[15]。作为第2代光催化剂，锐钛矿相的TiO_2-xN_x具有良好的可见光催化活性^[16]，通过氮掺杂使TiO₂的光吸收带向可见光区(波长390-770 nm)红移，可以在不降低紫外光催化活性的基础上实现可见光催化作用^[4]。束嫘等^[17]首次将纳米TiO₂应用在托槽改性方面，以期来预防牙釉质脱矿的发生。李娜等^[5]首次利用磁控溅射法在MBT金属托槽上制备了TiO_2-xN_x薄膜，并对其进行了表征、表面性能测试及抗菌测试。结果显示改良TiO_2-xN_x薄膜托槽的薄膜与托槽衬底结合紧密、附着性好，托槽表面粗糙度降低，摩擦系数变小，对变形链球菌、黏性放线菌及白色念珠菌等口腔常见菌表现出了良好的抗菌效果^[6]。张颖杰等^[18]研究了TiO_2-xN_x薄膜金属托槽的生物相容性，结果显示TiO_2-xN_x薄膜托槽无口腔黏膜刺激性、无短期全身毒性、无溶血性及无遗传毒性，具有良好的生物相容性。从牙齿颊侧不同区域观察正畸患者的菌斑存留情况，黄晓峰等^[19]的临床观察表明正畸菌斑菌斑在牙面的堆积呈现左右对称的趋势，弓丝下区域的菌斑存留最多，其次是非弓丝下的牙齿邻间隙区域，托槽上方和下方菌斑清除效率较好。由于固定矫治器尤其是弓丝的存在，使牙刷很难进入弓丝下区域，造成图1中区域4和区域6处菌斑指数的增加，菌斑堆积。本实验数据显示，在实验4个周期内，普通托槽组的菌斑指数计分与粘接前及TiO_2-xN_x薄膜托槽组计分相比都有显著性差异，并且有明显随时间推移而上升的趋势；TiO_2-xN_x薄膜托槽的计分基本保持稳定，与粘接前比较差异无显著性意义，说明TiO_2-xN_x薄膜托槽对菌斑的清除率较高，与普通托槽相比对牙面的菌斑有明显的控制。龈下菌斑生态环境的改变，有利于致病型微生物的生长，使龈下菌群向致病型转变^[20]。矫治最初3个月，牙龈卟啉单胞菌、核梭杆菌和伴放线放线杆菌检出率线明显升高，之后明显下降，6个月时基本恢复至矫治前水平，且细菌阳性率与菌斑指数呈正相关关系^[21-22]。在牙龈指数数据中可以看出，在实验4个周期内，普通托槽组计分明显随时间的推移而上升，与粘接前相比差异都有显著性意义；TiO_2-xN_x薄膜托槽组的计分基本保持稳定，只在粘接后3周期与粘接前相比差异有显著性意义。龈沟出血指数数据显示，在实验4个周期内，普通托槽组的计分明显随时间的推移而上升，与粘接前相比差异均有显著性意义；TiO_2-xN_x薄膜托槽组的计分基本保持稳定，在粘接后4周分值明显下降，与粘接前相比差异无显著性意义。另一方面，托槽对口腔微生态环境有一定影响，导致菌斑内微生物平衡失调。研究发现托槽周围菌斑中变形链球菌的比例增高，并且随着治疗时间的延长呈直线上升趋势。唾液中的变形链球菌和乳酸杆菌数目也有上升，增加了釉质脱矿的危险系数。釉质脱矿指数数据表明，在实验4个周期内，普通托槽组和TiO_2-xN_x薄膜托槽组的计分从粘接后2周开始与粘接前相比差异均有显著性意义，但两种托槽对釉质脱矿指数的影响都不是很大，计分平均值较低，基本保持稳定。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程