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小议口腔医学中生物活性玻璃的运用

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发布日期:2019-01-15 15:30

早期的生物活性玻璃制法是将氧化物的混合物放入钛坩埚内高温(>1300℃)熔化,随后置于石墨铸模中冷却成杆状或块状,或在水中冷却成玻璃料[3]。生物活性玻璃45S5和另外一些商业性生物活性玻璃即通过此方法制成。这一方法的优点是生物活性玻璃制成的种植体形状可调节,缺点是高温会影响材料活性。1991年,Li等[4]采用溶胶-凝胶法制成稳定的生物活性凝胶玻璃。研究者将含有组分前体的溶液在室温下进行聚合反应,形成凝胶。后者为一种湿的共价结合二氧化硅无机网格,干燥加热至600℃成为玻璃。这种生物活性玻璃又分为三组分系统(58S、77S)[4]或者双组分系统(70S30C)[5]。与传统的熔融法相比,溶胶-凝胶法热处理温度低,材料的组成成分可以按需控制,获得的生物活性玻璃更均匀,纯度更高,比表面积高,表面活性增加[6]。而且,结构更加多样,可制成颗粒、纤维、泡沫、多孔支架、涂层和大块网状结构等。但也存在一定的缺点,如难以获得直径超过1cm的无裂缝生物活性玻璃。大块的生物活性玻璃在干燥过程中容易出现裂缝,原因有两个:①干燥过程中出现的较大收缩;②缩聚反应液体副产物的蒸发。通过增加孔隙直径,获取直径较均一的孔隙以减少弯曲可减少裂缝的产生[3]。制成粉末、涂层等时蒸发途径短,干燥应力小,材料能适应细微的改变。

根据组分不同,可分为硅酸盐基、磷酸盐基和硼酸盐基生物活性玻璃(表1)[1]。近年来,硼酸盐生物活性玻璃在针对慢性伤口(如糖尿病引发的溃疡)的治疗方面受到广泛关注,主要是由于其溶解速率快,远远超过硅酸盐生物活性玻璃,从而取得优于其他传统方法的疗效[7]。磷酸盐生物活性玻璃的优点同样与其快速溶解有关,而并非与生物活性直接相关[8]。

生物活性玻璃的生物学性能

1生物活性

生物活性材料被定义为:“能在表面诱导特定生理反应,从而使组织与之结合的一种材料[9]。”它介于可吸收性材料和生物惰性材料之间,能够创造适宜骨生长的环境,在生物体与材料接触面形成类似天然结合的矿化层。随后,生物活性材料的概念被扩大应用到一系列与组织有不同结合速率以及不同结合界面厚度的材料中[1]。生物活性玻璃植入活体后,经过12个反应阶段与组织间形成结合(表2)[11]。在最初的5个反应阶段,可溶性离子成分快速释放,在生物玻璃表面形成硅酸盐和多晶碳酸羟基磷灰石(hydroxycarbonateapatite,HCA)双层。在后期的反应阶段,反应层增强了生长因子的吸收和解吸作用,影响了巨噬细胞作用时间、成骨细胞吸附以及成骨细胞的同期增殖和分化。此后,基质很快矿化,6~12d后,体内和体外试验都能在胶原-HCA基质中观察到成熟的骨细胞[2]。

2生物相容性

Wilson等[12]研究生物活性玻璃粉末对于鼠及兔软组织的毒性反应,证实其无毒性反应。而Ben-dall等[13]发现在1.0~10mg/mL的浓度范围内,生物活性玻璃对于人类滑膜细胞仅有低毒性。此外,Kuo等[14]和Bakry等[15]学者分别研究了用于治疗牙本质过敏症的生物活性玻璃DP-bioglass与30%磷酸混合物、45S5生物活性玻璃与50%磷酸混合物对于人类牙髓细胞的细胞毒性,结果表明它们对细胞活性没有影响。这些研究都表明生物活性玻璃是一种高度生物相容性的材料,可以安全地用于口腔临床。

生物活性玻璃在口腔临床的应用

1牙周疾病的治疗

牙周骨缺损的治疗。治疗牙周骨缺损常需要进行骨移植。虽然自体骨是目前骨缺损重建的最佳选择,但其存在取骨时疼痛、骨量有限等缺点;而同种异体骨则有传播疾病的危险,且冻干、深冻等处理会减少骨再生所需的活性蛋白数量。近年来,生物活性玻璃已经被广泛用于再生性牙周治疗以及修复由牙周疾病引起的骨缺损。这归因于某些生物活性玻璃的骨传导和成骨特性、骨结合以及促进新牙骨质形成的潜能。其中的一些产品包括倍骼生(NovaBone,美国)和NovaMin(NovaMin,美国)。Wilson等[16]将生物活性玻璃类材料用于治疗牙周疾病引起的骨缺损时发现,这类材料具有止血、促进牙槽骨和牙周韧带再生的能力,同时能抑制牙周上皮退缩。Lovelace等[17]通过比较生物活性玻璃与异体骨治疗牙周骨缺损后的软硬组织恢复情况,发现在短期(6个月)内两者对于中度到重度牙周骨缺损均有效,作者认为更大样本量的统计结果可能揭示两者的差别。对于生物活性玻璃治疗牙周根分叉疾病的研究也有报道。Yukna等[18]比较了生物活性玻璃骨替代移植材料PerioGlas与膨化聚四氟乙烯(expandedpolytetrafluoroethylene,ePTFE)屏障膜治疗下颌中到重度牙周炎伴根分叉病变的效果,结果表明两者临床效果无明显差异,但PerioGlas同时具有易操作及无需额外去除材料的优点。

牙周炎症的控制。目前已有很多关于生物活性玻璃内添加银制成粉末或者支架的研究[19-22]。研究证实,这些溶胶-凝胶来源的生物活性玻璃能够释放银离子,银离子对于大肠杆菌和革兰阳性及阴性细菌都有抑菌和杀菌效果,同时不损伤正常的人类细胞。另外,学者们研究了生物活性玻璃对于口腔细菌的抗菌效果,发现其对于一些口腔细菌具有抗菌效果,原因可能为生物活性玻璃表面反应为碱性,pH高,能影响口腔细菌的渗透压,同时残留在细菌表面的生物活性玻璃能抑制细菌的生长繁殖[23-25]。

2颌面外科骨缺损的治疗

拔牙后牙槽嵴的吸收对义齿修复和种植体植入有极大的影响。因此,如何保持牙槽嵴高度一直是口腔医生想要攻克的难题。有研究将45S5生物活性玻璃植入新鲜拔牙创以维持牙槽嵴形态,发现其能减缓牙槽嵴的吸收,提高义齿的适应性和功能[26-27]。Wilson等[28]观察了生物活性玻璃植入无牙颌牙槽嵴后的组织反应,植入物的4年平均保留率达到90%以上,尽管一些生物活性玻璃的周围存在X线透射影,但仍与牙槽嵴结合紧密。较大的颌骨损伤通常需要植骨,植骨来源包括自体骨、异体冻干骨、羟基磷灰石或者磷酸三钙,以及生物活性玻璃类材料。最初的45S5生物活性玻璃已经被用于超过100万名患者的下颌骨缺损修复和整形手术[29]。有学者采用动物实验研究比较了生物活性玻璃类材料与羟基磷灰石类材料对于下颌骨缺损的修复情况。3个月后的组织学检查结果表明:骨缺损腔没有植入任何材料时无骨组织形成;植入生物活性玻璃后骨缺损被新骨完全充填,生物活性玻璃颗粒几乎完全被吸收并被骨组织替代;而植入羟基磷灰石的骨缺损内没有新骨形成,缺损腔内的羟基磷灰石颗粒被结缔组织所包绕[30-31]。

3牙本质过敏症的治疗

Curtis等[32]将生物玻璃与人类唾液混合物涂抹于暴露的牙本质小管,可观察到小管表面紧密粘附的磷灰石层以及管内的磷灰石晶体,证实其能减轻牙本质过敏症状。另有实验将含有生物活性玻璃的牙膏与另外两种商业性脱敏牙膏比较,结果证实含有生物活性玻璃的牙膏在经过刷牙及人工唾液浸泡后表现出极佳的堵塞小管的效果[33]。此外,还有研究将生物活性玻璃与激光治疗相结合的报道,并提出了临床应用的可能性[34-35]。

4其他

生物活性玻璃作为一种复合材料基质的无机填料被应用于齿科修复治疗中。Yli-Urpo等[36]检测了玻璃离子水门汀添加生物活性玻璃粉末前后材料的抗压强度、弹性模量以及维氏硬度值。结果表明,添加生物活性玻璃会一定程度地降低玻璃离子水门汀材料的机械性能。临床应用时需考虑最大程度发挥材料的生物活性优势,如用于根面充填或作为衬垫材料,而避免将其用于对机械性能要求较高的区域。学者们对生物活性玻璃用作盖髓剂也做了相应研究。Oguntebi等[37]研究了生物活性玻璃、自体脱矿牙本质基质以及氢氧化钙三种材料治疗机械性露髓的效果,结果表明三种材料都能形成修复性牙本质,但修复性牙本质的结构随着所使用的盖髓材料和露髓处下方的牙髓情况不同而变化。另有学者研究将改良配方的生物活性玻璃用作盖髓剂,实验结果表明在唾液污染60s后使用生物活性玻璃与无菌生理盐水的糊剂作为盖髓剂能形成牙本质桥,而没有出现无菌性牙髓坏死的迹象[38]。生物活性玻璃复合物是将玻璃颗粒作为填料加入可生物降解的聚合物基质中获得。使用最为广泛的聚合物为聚乳酸(polylactide,PLA)、聚乙醇酸交乙酯(polyglycolide,,PGA)及其共聚物(polylactic-co-glycolicacid,PLGA),后者已在临床作为一种可降解材料使用多年[39-40]。将纳米生物活性玻璃与胶原蛋白混合后制成纳米复合物基质后,其诱导成牙本质细胞分化和生长的能力高于单独使用胶原蛋白基质[41]。

综上所述,生物活性玻璃拥有极佳的生物学活性和生物相容性,在口腔医学的各个领域有着广泛的应用,包括牙周疾病和牙本质过敏症的治疗、作为颌骨缺损的移植材料和盖髓材料等。随着生物活性玻璃的基础研究和临床应用越来越深入和广泛,其在口腔医学中的其他应用也将日益受到重视。(本文作者:史舒雅、陈亚明 单位:南京医科大学口腔医学研究所)

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