纳米填料改性玻璃离子水门汀的研究进展

    玻璃离子水门汀（GIC）因具有氟释放性、强粘接性和低聚合收缩性能等诸多优点，在临床上被广泛应用于口腔修复治疗。然而，由于机械性差和易磨损等问题，GIC无法用于受力区的永久性充填修复。其次，GIC本身的组成和凝固机理往往造成内部不均匀孔洞的形成，易导致材料受力后破损脱离、粘接性能下降及与牙体间发生微渗漏。
    此外，传统GIC的氟释放量不足，且所释放氟化物不足以抵抗细菌的侵袭，填充后窝洞内残留菌可长期生存，导致继发龋感染也会造成治疗失败。针对这些缺点，许多学者通过向GIC添加不同纳米填料来改善玻璃离子水门汀的机械性能和抗菌性能。本文就此进行综述，以期为研制性能更加优良的GIC提供思路，拓宽其在口腔临床中的应用。
    1.力学增强填料
    近年来，用于增强玻璃离子水门汀力学强度的纳米填料主要包括:金属粒子类、纤维素类、羟基磷灰石、镁橄榄石和一些其他填料。
    1.1金属粒子类（metallic）
    为了增强GIC的机械性能，学者们尝试向GIC粉剂中添加不同的纳米金属粒子填料。纳米金属粒子可填充至固化后GIC基质的孔隙中，防止不均匀裂隙的产生并增强材料的机械强度和耐磨性。同时，部分纳米金属粒子本身具有抗菌性，可以进一步改善GIC的抗菌性能。但是这类复合材料往往会出现变色、牙髓刺激性大、金属粒子与GIC基质结合较差等问题。
    1.2纤维素类
    纤维素（cellulose）主要构成植物的细胞壁，是一种自然界中含量最多的大分子多糖。纤维素纳米晶体（CNC）是从植物中提取出的纳米级纤维素，具有韧性好、密度高和刚性大的优点，广泛用于组织工程领域。Silva等将CNC以不同的质量分数加入GIC粉体中，结果显示，添加少量CNC可后材料的抗压强度、径向拉伸强度和弹性模量分别增加110%、53%和161%。因此，CNC有潜力成为一种牙科修复材料永久性填充粒子。
    1.3羟基磷灰石
    羟基磷灰石纳米粒子（nHA）与牙体中的羟基磷灰石晶体十分相似，其骨结合性、生物相容性以及物化性能好，并有促进牙釉质再矿化的特点，已经广泛应用于口腔医学领域。大量研究证明，nHA改性的GIC能够与牙本质长期稳固结合，降低自身细胞毒性，并且不妨碍氟离子的持续释放。
    Moshaverinia等使用纳米羟磷灰石/氟磷灰石改性GIC，其抗压强度达到177~179MPa，径向拉伸强度增强70%，双轴弯曲强度增强90%以上。Sharafeddin等还发现，nHA可以显著改善牙体与GIC的边缘封闭性，纳米晶体渗透到牙本质和牙釉质中，降低了牙体与玻璃离子材料之间微渗漏，有效防止继发龋的发生。
    1.4镁橄榄石
    镁橄榄石（Mg2SiO4）是一种镁硅系材料，具有比HA更高的断裂韧性和体外成骨细胞粘附性，近年来成为组织工程领域的研究热点。Sayyedan等将镁橄榄石纳米颗粒加入到GIC粉体中。结果显示1wt%的镁橄榄石可显著提升GIC的压缩、弯曲和径向拉伸强度，但轻微降低材料的氟释放性。该研究表明了镁橄榄石应用于GIC改性的可行性。
    1.5其他材料
    如蒙托粘土、生物活性玻璃、五氧化二铌等纳米填料也被尝试加入GIC进行改性。然而这些材料不仅难以改善GIC的抗压强度，还会对GIC的其他性质产生负面效应，故本文不作详细介绍。
    2.抗菌填料
    继发龋感染是导致口腔修复治疗失败的另一大重要原因。传统GIC的氟释放能力不足，致龋菌可由GIC与牙体间的微渗漏侵入材料界面并长期存活，引起继发龋感染，最终导致治疗失败。因此，提升GIC的抗菌性能成为改性GIC的另一主要研究思路。然而如季铵盐、抗菌肽、卤代胺等抗菌剂直接加入无机材料中会打破无机材料的完整性，造成GIC力学性能下降，并且这些抗菌剂存在性能不稳定且生物相容性不高等问题，无法很好适用于口腔领域。
    随着材料技术的快速发展，复合抗菌纳米粒子的出现为口腔材料改性提供了新的方向，其在大幅增强材料抗菌性能的同时依然可以保持原有力学强度。目前研究最广的纳米抗菌粒子主要包括氯己定类、季铵盐类和壳聚糖类。
    2.1氯己定类
    氯己定（CHX）是一种释放型广谱抗菌剂，短期内具有强大的抗菌活性，广泛应用于牙菌斑预防和感染控制。Yan等将包裹氯己定的介孔二氧化硅纳米粒子（CHX-pMSN）添加进GIC粉剂中。实验结果显示，添加量为1wt%时材料实现了CHX的缓释，可长期有效地抑制变形链球菌生物膜形成，且不影响材料的力学性能。
    Hook等发现加入六偏磷酸氯己定纳米颗粒的GIC抗菌性显著提升，氟释放性和机械性能不受影响。以上研究提示，构建氯己定类纳米粒子是制备抗龋GIC的可行办法。但氯己定对人成纤维细胞具有细胞毒性，长期接触会造成牙齿疼痛、味觉障碍等不良反应。因此，如何控制口腔环境中氯己定的剂量有待进一步研究。
    2.2季铵盐类
    季铵盐型抗菌剂是一种阳离子表面活性剂，带正电荷的季铵盐单体与带负电的细菌细胞膜结合，使细菌裂解死亡。临床常用于皮肤、口腔黏膜的消毒。Beyth等制备交联季铵盐聚乙烯亚胺的纳米颗粒加入GIC粉剂。实验结果显示，1wt%添加量时材料具有长效抗菌活性。黄芳等构建季铵盐包裹溴化银纳米复合颗粒改性GIC。
    实验结果表明添加量达5wt%时材料的抗菌性较好。然而细胞毒性实验结果显示，纳米粒子达4wt%时细胞增殖率即降至约80%。以上研究提示，季铵盐包裹溴化银纳米粒子改性GIC具有良好的抗菌活性。但抗菌剂的剂量或释放量超过一定量时，材料易对周围组织产生不良影响。因此，临床上应用含有季铵盐类抗菌剂的GIC时，要考虑材料的安全性。
    2.3壳聚糖类
    壳聚糖（CH）是从动植物甲壳中提取的一种碱性多糖，具有储量丰富、抗菌性好和可降解性等优点。大量研究表明，CH的氨基能与GIC液体中的羧酸基团发生静电相互作用紧密结合，形成聚电解质复合物，改性材料的抗菌性能、釉质粘接强度和离子释放性显著提升。
    2017年，SenthilKumar等添加10wt%纳米壳聚糖粉入GIC粉剂，实验结果表明，改性材料不仅抗菌性能良好，其压缩强度、弯曲强度、耐磨性均得到显著提升，且改性GIC在7d内的氟离子释放能力显著高于传统GIC。因此，用纳米壳聚糖制备高强度、强抗菌的新型GIC可能更具应用前景。
    然而，有研究表明CH改性GIC的生物相容性并不理想，复合材料造成周围环境的低pH值，试件浸提液在低浓度即体现出明显的细胞毒性。因此，纳米壳聚糖应用于改性玻璃离子水门汀的可行性仍有待进一步研究。
    3.多功能填料
    近年来，越来越多的学者希望通过全新的纳米填料设计来使GIC兼具强机械性和高抗菌性，这些措施包括采用新型纳米材料及不同纳米材料的共掺。另外，还有学者尝试添加某些纳米填料来改性GIC的其他性质。这些研究可能对未来GIC的改性提供新的思路。
    3.1氟化石墨烯
    氟化石墨烯（FG）是一种新型二维材料，在口腔领域具有广阔应用前景。Sun等发现，FG添加量为2wt%时GIC的显微硬度和抗压强度分别增加60.81%和59.56%，对金黄色葡萄球菌和变形链球菌的抑菌率达75%以上。此外，改性材料的颜色、溶解性和氟离子释放性能不受影响。
    3.2CNC/TiO2
    孙兢等将1wt%CNC和2wt%TiO2共掺加入GIC粉剂，测试发现改性材料的抗压强度、牙釉质剪切强度分别提升18.9%和151%，且溶解率和磨损率下降。因此，CNC/TiO2复合改性GIC具备一定的应用潜力。
    3.3酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙（CPP-ACP）
    CPP-ACP被证实可以防止脱矿和促进釉质再矿化。Zalizniak等发现在GIC中掺入3%的CPP-ACP能显著增强材料钙、磷离子的释放，促进酸性环境下牙体组织再矿化。并且CPPACP对GIC的氟离子释放性及材料的显微硬度没有负面影响。
    3.4锶
    锶（Sr）与Ca的理化性质类似，并具有矿化能力，近年来被广泛应用于口腔材料的改性。有学者用Sr取代GIC粉剂中的镁离子制备了新型粉剂，实验发现改性GIC的力学性能和生物相容性显著提高。Shahid等还发现，用Sr代替粉剂中钙离子可以提升X线阻射性和氟释放性，且不影响颜色。
    4.结论与展望
    综上所述，虽然基于纳米填料改性GIC的研究已经取得了较好的成果，但是大部分力学增强填料改性研究缺乏对改性后GIC粘接强度和边缘封闭性的评估，而大多数抗菌填料改性研究往往没有评价抗菌材料在远期作用范围内的释放持续性和稳定性。此外，对于复杂口腔环境下GIC使用寿命的研究较为缺乏，且GIC各项性能指标没有统一标准。相信随着进一步研究，人们会探索出更加完善的GIC改性方案，从而拓宽其在口腔医学领域的应用。