【正文】 1 第 12 章 納米材料在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 概述 口腔材料在口腔科學(xué)的發(fā)展過程中起著巨大的推動作用，每一次口腔材料的進(jìn)步都會推動口腔科學(xué)向前邁進(jìn)一大步，口腔科學(xué)的每次劃時代的進(jìn)步都是和新的口腔材料在口腔科的應(yīng)用聯(lián)系在一起的。由于目前新的口腔生物材料不斷涌現(xiàn)，口腔醫(yī)學(xué)臨床取得了舉世矚目的進(jìn)步，同時也促進(jìn)了口腔生物材料不斷更新，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。如現(xiàn)代可摘局部義齒修復(fù)技術(shù)是基于有機玻璃的發(fā)現(xiàn)，光固化修復(fù)技術(shù)是基于復(fù)合樹脂的出現(xiàn)，烤瓷牙修復(fù)技術(shù)是基于對烤瓷材料的深刻認(rèn)識，種植牙技術(shù)的發(fā)展是基于金 屬鈦和烤瓷材料的出現(xiàn) [1,2]。 納米技術(shù)又稱分子納米技術(shù)或分子工程是指通過各種物理或化學(xué)方法制造出 ，當(dāng)前納米技術(shù)的革命性發(fā)展使其成為科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域最活躍的學(xué)科。對于納米材料開發(fā)與應(yīng)用的強烈興趣在于它們有可能通過對材料結(jié)構(gòu)的處理在材料的電學(xué)、化學(xué)、機械和光學(xué)性能產(chǎn)生令人驚奇的提高[3]。 應(yīng)用納米技術(shù)制成的納米金屬和納米生物材料具有許多令人驚奇的特性。如納米金屬毒性低，其傳感特性和彈性模量可接近正常的天然生物組織，可使細(xì)胞在其表面生成，并具有修復(fù)病變組織的功能。在醫(yī)學(xué)方面 ，納米技術(shù)提供的可塑性納米溶膠制劑超越了外科植入手術(shù)的局限性，使植入體具有與天然材料相同的表面特性和同質(zhì)性 。作為藥物載體或診斷試劑等的納米材料，由于是一種多分散系統(tǒng)，或膠體分散系統(tǒng)，其中分散相顆粒的大小尺度為納米數(shù)量級 。利用納米技術(shù)就可將生物材料制成納米級的膠體顆?；蛑瞥沙⑿⊙b置或納米器械等，在藥物載體、醫(yī)用材料或醫(yī)用設(shè)備等方面給醫(yī)藥學(xué)帶來一場新的革命 [2]。 理論上，應(yīng)用于牙體修復(fù)及充填的口腔材料均可通過納米化提高材料的性能。例如，在牙托粉和造牙粉中加入適量納米材料，可改善縮性，增加耐磨性、光澤度，提高 牙托或牙冠的美觀、耐磨性能。在防齲涂料中加入納米化粘結(jié)劑及防齲組分，可大大提高材料的粘結(jié)能力。在陶瓷牙冠修復(fù)材料中復(fù)合納米材料，可大大提高全瓷牙冠、橋修復(fù)體的美觀、耐磨、高強高韌性能。在牙種植體表面噴涂納米級羥基磷灰石，可大大提高納米磷灰石與牙根表面積及牙槽面的接觸，提高其活性 [4]。 2 隨著人們對天然生物體性能與細(xì)微結(jié)構(gòu)的逐步認(rèn)識 ,相信 21 世紀(jì)的納米材料將在口腔醫(yī)學(xué)中占有非常重要的位置 ,在口腔醫(yī)學(xué)中可用于人造骨、人造牙齒、牙齒的修復(fù)、牙病的治療等，因此納米材料的發(fā)展將極大地推動口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為口腔材料的改 進(jìn)和創(chuàng)新提供了巨大的發(fā)展空間。納米材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用剛剛開始，隨著人們對納米材料所具有的獨特性能的深入認(rèn)識和開發(fā)，預(yù)期將會有更快、更大的發(fā)展。目前納米微粒的研究已取得巨大的突破，為此，應(yīng)用納米微粒可以制備性能優(yōu)秀的納米陶瓷材料、無機 有機納米復(fù)合材料、納米表面涂層等，這些材料均能應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。如圖 121所示 [2]。 圖 121 口腔納米材料體系 （口腔生物材料學(xué) 陳治清主編 108 頁 圖 52） 納米材料在口腔修復(fù)學(xué)中的應(yīng)用 口腔納米復(fù)合樹脂材料（ 高分子材料） 復(fù)合樹脂在口腔臨床上廣泛用于各類牙體缺損的直接和間接修復(fù)，但其在后 3 牙和前牙切緣、切角修復(fù)中仍存在機械強度不夠的局限性?？谇粡?fù)合樹脂材料是一種由樹脂基質(zhì)加入經(jīng)過表面處理的無機填料和引發(fā)體系復(fù)合而成的粘結(jié)性修復(fù)材料。目前的口腔復(fù)合樹脂使用過程繁瑣 ,首先，口腔醫(yī)生運用粘結(jié)劑處理經(jīng)過酸處理粗化的牙面以促進(jìn)粘結(jié)，然后將材料分層填入窩洞中并分層光固化等一系列的過程，使每一次的堆塑和光固化都必然產(chǎn)生由于聚合收縮所導(dǎo)致的界面應(yīng)力集中。另外，目前的復(fù)合樹脂還存在其他缺陷，如果樹脂層厚度不當(dāng)時，在固化過程中造成聚 合物從表面分離，減弱對牙體的粘接或在牙體和充填物界面發(fā)生微小裂隙，并導(dǎo)致微生物的積聚。由于牙本質(zhì)是濕潤的，并富含蛋白成分，使尋找最佳的粘接修復(fù)材料變得困難，而且目前的高分子充填材料也易于著色、變色，影響美觀。再是口腔的化學(xué)和機械環(huán)境金玉苛刻，唾液中的各種酶和微生物，來自食物的酸，都將侵蝕牙齒和破壞修復(fù)物，牙體和牙體修復(fù)物還要承受咀嚼行為帶來的壓力等諸多因素的影響，就必須重點考慮選擇有效的修復(fù)材料，才能達(dá)到修復(fù)牙體缺損的目的。理想的牙科充填修復(fù)材料應(yīng)是零聚合收縮材料和強的粘接性，具有與牙釉質(zhì)相似的抗磨耗性，易 于達(dá)到的界面封閉性，以及早期的固化強度和牙色一致，因為收縮導(dǎo)致的應(yīng)力集中會引起滲漏和微生物的侵蝕，導(dǎo)致松動而失敗。到目前為止，還沒有一種復(fù)合樹脂修復(fù)材料達(dá)到理想的要求，因此，由于材料的缺陷引起的修復(fù)物破碎、脫落、變色成為了口腔臨床的共同難題 [2,5]。 齒科復(fù)合樹脂的性能是由其填料類型、樹脂組成、填料基質(zhì)結(jié)合方式以及固化條件決定的。三十多年來復(fù)合樹脂已在基質(zhì)、無機填料、固化方式等方面做了許多改進(jìn)，其物理機械性能和操作性能已得到很大提高，但仍然存在收縮大、耐磨性差、強度低的缺點。因此國內(nèi)外的學(xué)者的研究集中在 增加耐磨性，無機填料表面處理和晶須增強、有機基體的改性以增強機械性能、增加體積穩(wěn)定性、減少微漏幾方面。復(fù)合樹脂中無機填料的種類、數(shù)量和粒度直接影響其機械性能。無機填料的不斷改進(jìn)，填料粒度由 10~100181。m 到 5~，無機填料的含量和粒度對復(fù)合樹脂的物理機械性能有直接的影響，特別是對材料的聚合體積收縮、耐磨性、熱膨脹系數(shù)和吸水性影響較大。納米復(fù)合材料與常規(guī)的無機填料／聚合物體系不同，不是有機相與無機相的簡單混合，而是兩相在納米尺寸范圍內(nèi)復(fù)合而成。最近有文獻(xiàn)報道納米材料的應(yīng)用是因為這些材料中納米粒子和納 米小團作為填料直接與收縮率減?。?reducedshrinkage）的樹脂結(jié)合形成的復(fù)合物類似于 4 通用的或雜化（ universal or hybrid）復(fù)合樹脂而不僅是微米級填料的。納米材料的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)使其具有下列性能：①剛性無機粒子填充聚合物材料可以提高聚合物材料的剛性、硬度和耐磨性，由于無機粒子的粒徑小，與機體材料間有很強的結(jié)合力，所以還可以起到增韌的作用。②納米微粒可以通過“微軸承”作用，減小摩擦力，并可填充摩擦副表面的微坑和損失部位，起到修復(fù)作用。③無機納米粒子具有能量傳遞裂紋，不致發(fā)展為 破壞性開裂。④隨著納米粒子粒徑的減小，納米微粒與基體接觸面積增大，材料受沖擊時產(chǎn)生更多的微裂紋，故可吸收更多的沖擊力。利用無機－有機納米復(fù)合材料具有的低收縮性和出眾的機械性能制備的牙科修復(fù)材料，與以前的材料相比，無機－有機納米復(fù)合材料收縮更小，顯示了很強的粘接性和低的體積收縮，從而提高了充填修復(fù)的成功率。在聚合物中加入納米微粒比一般的復(fù)合樹脂具有更好的耐磨性 [2,610]。如圖 122和表 121所示 圖 122 納米填充技術(shù) [3] 5 表 121 納米復(fù)合樹脂與五種商品復(fù)合樹脂的機械性能比較 研究結(jié)果 [3] 產(chǎn)品名稱 填料種類 生產(chǎn)商 機械性能 (177。 SD) 拉伸強度 （ MPa） 壓縮強度 （ MPa） 彎曲強度 （ MPa） 抗折強度 （ MPa/m1/2） Filtek A110 超微填料 3M ESPE Dental Products, St. Paul, Minn () () () () Filtek Z250 混合填料 3M ESPE () () () () TPH Spectrum 混合填料 Dentsply Caulk, York, Pa. () () () () Esthetx 超微混合填料 Dentsply Caulk () () () () Point4 超微混合填料 Kerr, Orange, Calif. () () () () Filtek Supreme Standard 納米填料 3M ESPE () () () () Filtek Supreme Translucent 納米填料 3M ESPE () () () () (1) 納米金剛石填料 [5,11]：目前使用的無機填料主要有石英、玻璃粉、陶瓷粉和氣相二氧化硅，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為 35%~90%或體積分?jǐn)?shù)為 20%~77%，粒度一般在 ~ m之間。納米金剛石平均粒度 為 ，除具有金剛石的高硬度、高耐磨、生物安全性等優(yōu)點外，還具有顆粒尺寸小、表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等納米材料的特點，表面具有強極性基團（ —OH、 — C=O、 — COOH— C— O— C、 — CN）。由于納米金剛石的小顆粒減少了較大顆粒填料之間的空間，增加填料間的延續(xù)性，同時納米金剛石表面具有的極性基團與樹脂基質(zhì)極性基團發(fā)生分子間作用力，再加上納米金剛石的高硬度，將納米金剛石作為無機填料以適當(dāng)比例加入復(fù)合樹脂中可以大大提高復(fù)合樹脂的耐磨性能和撓曲強度。有研究發(fā)現(xiàn)納米金剛石的添加比例在%~%之間抗壓強度、顯微硬度明顯提高， %比例提高最為明顯。 （ 2）納米羥基磷灰石填料 [1219]：復(fù)合樹脂在濕潤環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性是保證材料在口內(nèi)長期使用的關(guān)鍵因素，以避免長期暴露于口腔環(huán)境中細(xì)胞毒性物質(zhì)的滲出對患者產(chǎn)生的毒副作用，同時確保良好的機械性能和無孔隙的光滑表面。水在復(fù)合樹脂材料中的擴散會影響其機械性能，比較理想的狀態(tài)是在口腔環(huán)境中復(fù)合 6 樹脂能很快達(dá)到水的溶脹平衡，而實驗發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石填料復(fù)合樹脂的吸水和洗提值（ elution value）高于微米級羥基磷灰石填料復(fù)合樹脂，這是因為納米粒子有非常巨大的表面能，遇水分短期內(nèi)就會形成非常大的團塊，不僅由于聚合體的腫脹，而且由于這些團塊吸收了水分，造成復(fù)合樹脂最初就吸收了大量水分。由于這些團塊與基質(zhì)粘接不良造成在水中填料粒子很易游離出來，隨著時間的推移，以納米粒子作填料的樹脂表面出現(xiàn)缺陷和孔隙，這通常被認(rèn)為是填料粒子的松解。紅外光譜研究結(jié)果顯示合成的納米羥基磷灰石形成介孔樣團塊，具有極強的親水性，保留吸附水分，在聚合前吸附的水分與樹脂混合大大降低了光轉(zhuǎn)化的程度，固化不全會增加單體殘留物的數(shù)量，而后單體殘留物逐漸滲透進(jìn)入水相。納米粒子填料的樹脂 其他優(yōu)點如具有巨大的表面積易于與有機相反應(yīng)等無法掩蓋這些缺陷，而且其機械性能均不理想，實驗發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石填料復(fù)合樹脂的強度和彈性模量均比微米級羥基磷灰石填料復(fù)合樹脂小，因而認(rèn)為而將納米羥基磷灰石和微米級羥基磷灰石混合作為復(fù)合樹脂的填料則復(fù)合樹脂的性能得到大大改善。微米粒子的存在避免了團塊的形成，可以想象到微小粒子可以填塞到較大粒子之間，雖然加入的納米粒子所占比例較小，但由此大大增加了用于反應(yīng)的無機相的表面積，使復(fù)合樹脂的機械性能得到提高。 (3) 納米 SiO2填料 [2,20]：納米 SiO2的問世，為牙科 樹脂基復(fù)合材料的合成提供了一條新的途徑。納米 SiO2為無定形白色粉末（指其非團聚體），如圖 122 所示因表面欠氧而偏離了穩(wěn)態(tài)的硅氧結(jié)構(gòu)，是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料。經(jīng)電鏡分析，這種材料呈現(xiàn)絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，其顆粒尺寸?。?5~15nm），比表面積大（達(dá) 640~700㎡ /g），表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵和狀態(tài)的羥基，分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)。將納米 SiO2 顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中，就完全能達(dá)到全面改善樹脂基材料的各種性能的目的（見圖 123） ①提高強度和延伸率：納米 SiO2 由于表面 含有大量的羥基而嚴(yán)重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點，使它表現(xiàn)出極強的化學(xué)活性，提高了分子間的鍵和力，所以與樹脂有較好的結(jié)合力，能充分吸附、鍵和，并有利于應(yīng)力傳導(dǎo)，因而可承擔(dān)一定的載荷，具有增強、增韌的能力；同時尚有一部分納米SiO2顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中，表現(xiàn)出很高的流動性，從而使納米 SiOx添加的樹脂材料強度、韌延展性均大幅度提高。 7 經(jīng)處理過的 SiO2 粒子表面與基體間有較好的界面結(jié)合，黏合力高。在一定的應(yīng)力條件下，少量 SiO2 粒子的空洞化過程將吸收一部分能量，使基體的沖擊強度提高。另 外，當(dāng) SiO2 粒子與基體間表面黏結(jié)較好時，之間存在一個由柔性高分子鏈組成的界面層，受到?jīng)_擊時會產(chǎn)生塑性變形，吸收一部分能量，使沖擊強度增高。 SiO2粒子使基體樹脂模量與強度提高的原因在于： SiO2粒子本身模量、強度較高，隨著加入量的增加，使樹脂的模量和強度升高；另一方面， SiO2粒子表面含有大量的硅羥基，可能使樹脂交聯(lián)度增加，也會增加基體的模量與強度。 ②提高耐磨性和改善材料表面的光潔度：由于納米 SiO2 的高流動性和小尺寸效應(yīng)，使材料表面更加致密細(xì)潔，摩擦系數(shù)變小，加之納米顆粒的高強度，使材料的耐磨性明顯提 高。 ③抗老化性能：樹脂基復(fù)合材料使用過程中一個致命的弱點是抗老化性能差，其原因主要是受 280~400nm波段的紫外線的中、長波的作用，它對樹脂基復(fù)合材料的破壞是十分嚴(yán)重的，高分子鏈的降解致使樹脂基復(fù)合材料迅速老化，而納米 SiO2 可以強烈地反射紫外線，在樹脂中可大大減少紫外線對樹脂的降解作用，從而達(dá)到延緩材料老化的目的。 (4)納米二氧化鈦 [6,20]：含量在 1%~3%間， EMA 樹脂（順丁烯酸酐改性的環(huán)氧 甲基丙烯酸酯）的沖擊強度和彎曲強度隨著納米 TiO2 含量的增加而增加，而彎曲模量在 2%時最高。一般認(rèn)為， 超微無機粒子增韌的機制為：剛性無機粒子的存在產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，易引發(fā)周圍樹脂產(chǎn)生微開裂，吸收一定的變形功；剛性粒子使基體樹脂裂紋擴展受阻和鈍化，最終終止裂紋不致發(fā)展為破壞性開