纳米氧化锆对PMMA义齿基托性能影响的研究进展

    1. 引言
    在我国，尚存在相当数量的人群未建立正确的口腔健康观，口腔保健意识薄弱，部分居民尤其老年人口腔健康知识相对欠缺，因此，老年人牙齿缺失现象普遍。对于老年人来说，缺牙不仅会影响面容、咀嚼和发音功能，长期以来还会导致颞下颌关节和肠胃受损，甚至引发多种疾病。
    因此，选择合理的修复方式恢复牙列的功能及完整性，保护余留牙、牙槽骨及其他口腔组织的健康，以防继续引发口腔疾病或其他健康问题，才能将缺牙的危害降至最低。目前，由于经济以及老年人身体原因，缺牙修复主要以活动义齿修复为主。聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）是目前临床最常用的义齿修复材料，作为可摘局部义齿修复体的主要材料，以其色泽良好、易成形、易修理、价格便宜在我国广泛应用。但其在使用中也存在着许多问题，包括硬度、弯曲强度、韧性和弹性模量的不足，使这种材料在使用过程中极易断裂。
    为了改善其不足，大量研究发现通过加入不同形状、大小的添加剂对PMMA 义齿基托树脂的性能有一定的改善。随着纳米技术的发展，发现纳米材料具有优异的化学、物理和抗菌性能，因此在生物医学和纳米医学领域有着良好的应用前景。特别是纳米氧化锆颗粒，因其具有良好的机械性能、生物相容性及耐腐蚀性受到越来越多的关注。
    同时，Gad 等人研究发现，纳米氧化锆颗粒可以有效改善PMMA 义齿基托的性能。因此纳米氧化锆成为了增强PMMA 义齿树脂基托理化性能的理想材料之一。本文对添加纳米氧化锆后对PMMA义齿基托性能的影响作一综述，以期为口腔修复材料的临床选择及相关研究提供参考。
    2. 纳米氧化锆（ZrNp）对PMMA 义齿基托性能的影响
    纳米氧化锆（nano zirconia， ZrNp）是一种金属陶瓷氧化物，有3种不同的晶体结构：立方体其形状是方形的直棱柱，在2370℃以上时结构稳定并具有良好的力学性能）、四方体（四方体也是直棱柱的形状，但有矩形的边。在1170℃-2370℃可以改善材料的机械性能）和单斜体（具有平行管道的变形棱柱形状，这种结构会降低材料机械性能，在室温高达11700℃才能稳定）。
    最常用的晶体结构是四方氧化锆多晶体（Y-TZP），因其具有优异的机械性能。目前，共沉淀法、溶胶-凝胶法、以及水热法常用于ZrNp 粉末的制备。ZrNp 具有良好的生物相容性、光学特性、机械性能、抗低温降解（LTD）敏感性等，将ZrNp 与其他材料复合，可以极大地提高材料的性能参数，因此ZrNp 被广泛用于口腔材料中，在应用于PMMA 义齿基托时可以改变其性能以解决其在临床使用中的不足。
    2.1 物理性能
    2.1.1 断裂韧性与弯曲强度
    断裂韧性是指材料在外加载荷下抵抗裂纹扩展的程度。它表示在裂纹开始并在材料中扩散之前，材料可以承受多大应力的能力。添加了ZrNp 的PMMA 义齿基托的断裂韧性增加可以归因于弱聚合物基体与硬质填充颗粒之间的应力传递，这可能是由于低含量（低于3%）的改性纳米颗粒均匀分布以及与PMMA基体之间的结合从而使得断裂韧性得到提高。
    当ZrNp 浓度增加到3% 以上时，断裂韧性通常会降低，这可能是由于ZrNp 的团聚程度随着浓度增加发生了变化，以及ZrNp 可能在聚合物基体内形成应力集中点导致其分布的均匀性被中断，从而降低基体与纳米颗粒之间的界面结合水平。此外，Zhang 等人使用了不同浓度的改性ZrNp 评估对PMMA 义齿基托的加固作用及其对弯曲强度的影响，发现含2% 和3% 的改性ZrNp 显著提高了PMMA义齿基托的弯曲强度；同时，与只含PMMA 的义齿基托相比，添加质量分数为3% 的ZrNp 提高PMMA 义齿基托的弯曲强度的效果最佳。
    弯曲强度的改善可能与ZrNp 在聚合物基体中的均匀分布促进了填充聚合物链的间隙空间有关。一方面，ZrNp 具有一种称为相变增韧的特性，通过这种特性，ZrNp 从四方相转变为单斜相，吸收裂纹的能量；另一方面，在此过程中发生的ZrNp 晶体膨胀可能会使裂纹处于压缩状态，从而阻止其扩展。此外，纳米颗粒与树脂基体之间的粘附性改善可显著提高机械性能。因此，均匀的颗粒分布与基体的粘附相结合可以防止裂纹通过PMMA 扩展。
    2.1.2 表面硬度
    义齿基托材料还应具有足够的耐磨性，以防止义齿清洁剂、食物或一般功能性作用力对材料造成磨损。如果义齿基托的硬度越高，那么相应的磨损就会越小。高硬度值通常对应更高的耐磨性。Lung 等评估了分别在牙科树脂中添加未经处理和改性的纳米颗粒的效果，发现纳米颗粒的改性增加了复合材料的表面硬度。
    这可以归因于纳米颗粒比树脂基质刚性更高，基质和纳米颗粒之间形成了强大的化学键，需要更多的能量来打破这些键。此外，Zhang 等人的研究结果表明，随着ZrNp 含量的增加，ZrNp 复合PMMA 义齿基托的表面硬度增加，当ZrNp 质量分数为3% 时，硬度达到最佳。
    2.1.3 颜色稳定性
    颜色稳定性被认为是所有牙科材料最重要的临床优点之一，颜色的变化表明了材料的老化或损坏，这在临床上会降低患者的接受度。颜色稳定性是一种无论环境影响如何，材料都能保持其颜色的状态。牙科聚合物的颜色变化可能是由内在和外在因素共同作用下引起的。研究者们发现，未添加ZrNp 与添加ZrNp 的PMMA义齿基托在不同的溶液和溶液中存在显著的颜色差异，并随着ZrNp 浓度的增加而增加。
    添加ZrNp 后减少了颜色变化可能是由于PMMA 义齿基托的密度增加，孔隙率降低从而减少了有色物质的吸收。因此从临床角度来看，使用ZrNp 改性PMMA 义齿基托能减少颜色的变化，这有助于延长可摘义齿的寿命，并提高患者的接受度。
    2.2 抗菌性
    ZrNp 具有抗菌作用，其抗菌作用是由于ZrNp 形成的活性氧（reactive oxygen species，ROS）抑制了金黄色葡萄球菌细胞的生长。形成的ROS 对脂质过氧化有影响，这会影响细菌膜的完整性从而导致膜渗漏。同时，这些ROS也会终止基因表达并导致DNA 的损伤。除了阻止基因表达外，ZrNp 离子还可以通过中断金属蛋白中的金属离子而导致蛋白质变性，最终使细菌死亡。纳米颗粒在细菌膜内的分散度与纳米颗粒的大小完全成正比。由于活性氧的作用和细胞膜的紊乱导致膜渗透性的增加，ZrNp 已被证明可以消除大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。
    Jangra 等人的研究结果表明ZrNp 及其复合物具有晶面导向的抗菌作用，这可能是由于各种暴露的表面区域的不同的原子排列造成的。由于ZrNp 的高表面积，它们还具有明显的抗真菌作用。
    研究表明，ZrNp 可以抑制曲霉菌、真菌以及白色念珠菌的生长。这种抗真菌作用是由于干扰了细胞的功能，使真菌的菌丝变形。研究发现，ZrNp 在材料表面的聚合物链的间隙，由于与聚合物基体的适当结合，它导致了光滑的表面，最终抑制了白色念珠菌粘附。Gad 等人的研究也发现了添加ZrNp 的PMMA义齿基托对白色念珠菌具有抗菌作用。因此可以在PMMA 义齿基托中加入ZrNp 来预防义齿性口炎。
    2.3 抗老化性能
    当PMMA 义齿基托浸入水中时，未反应的单体、增塑剂和其他可溶性成分可能会渗出，由此产生的微孔被吸收的水分子填满。这会导致PMMA 义齿基托在唾液或水中浸泡时出现结构和尺寸的变化。此外，由于潮湿的口腔内环境和温度波动，可能有助于水吸附到树脂中。这些都会影响临床上PMMA 义齿基托的使用年限。因此，必须预测老化对PMMA 义齿基托性能的影响以及寻找能够使义齿具有更长使用年限的材料。
    Machado使用热应力循环后发现PMMA 义齿基托树脂的弯曲和冲击强度都显著降低。Gad等人研究中使用的ZrNp 的均匀分布允许它们填充聚合物链之间的空间，从而限制大分子链的移动，提高树脂的强度和刚度，最终改善了拉伸强度，并发现在水浸泡和热循环下不会影响ZrNp 复合PMMA 义齿基托的拉伸弧度。另外，抗菌剂需要具备的条件之一是它应该具有长期抗菌活性。
    在对ZrNp 改性的PMMA 义齿基托人工老化下检测其抗真菌的作用，结果表明，用ZrNp 改性的PMMA 义齿基托的白色念珠菌的粘附力长期显著降低并具有长期抗真菌作用。添加ZrNp 后的PMMA 义齿基托具有长效性能可能是由于ZrNp 降低了低温降解（low temperature degradation，LTD）的敏感性。LTD 是指PMMA 义齿基托在口腔唾液或其它液体中，加上机械力造成的压力，会导致PMMA 义齿基托失效。
    相关研究阐明了ZrNp 晶粒的大小和耐水热老化之间的相关性，通过使用纳米晶粒的微观结构可以降低LTD 的敏感性。Paul 等人的研究发现，纳米晶粒尺寸小于100 nm 的ZrNp 具有抗LTD 敏感性。该研究结果表明通过减小纳米晶粒尺寸的ZrNp 可以具有抗LTD 性能，使ZrNp 复合PMMA 义齿基托具有长效性。
    2.4 生物相容性
    研究表明，当ZrNp 不含放射性成分时，它具有良好的生物相容性。因为ZrNp 是惰性材料，所以其通常不会出现任何不良反应。但浓度较高且暴露时间较长的纳米颗粒具有毒性作用。研究表明，浓度为100 μg/ml-1 的ZrNp 有对骨诱导特性的抑制。由于大量的氧化破坏作用，成骨细胞的凋亡作用影响了成骨细胞的成骨作用。
    同时，ZrNp 对人类真皮上皮细胞的DNA 和凋亡有不利影响。另一项研究表明，大鼠暴露在高剂量的ZrNp 下肝脏酶的浓度明显上升。造成ZrNp 的毒性原因可能是由于氧化应激、细胞凋亡等。然而，目前对ZrNp 的毒性作用的科学基础阐述不足，对各种机制的认识仍然有限。此外，大多数为测试细胞毒性而进行的长期研究缺乏随机性，而且在体外的方法设置上也有差异。但总的来说，与氧化钛和氧化铝相比，ZrNp 的毒性效果最小。
    3. 展望
    综上所述，通过对目前研究涉及所用ZrNp 复合PMMA 义齿基托材料的性能的有限分析，我们发现ZrNp 的加入增加了PMMA 义齿基托的物理性能、抗菌性及抗老化性能等，并且多篇文献都发现添加3% 的ZrNp 对其物理性能的提升最佳。然而，目前对于ZrNp 的毒性作用仍需进一步研究以促进其临床应用的实施进展。
    同时，现有的研究都是在模拟口腔环境的条件下对样本进行评估，该条件的局限性在于无法完全模拟口腔温度和PH 值的变化，以及作为浸泡介质的人工唾液也无法完全模拟含有多种微生物的天然唾液。因此应在未来的研究中应该考虑这些局限性，为义齿基托材料的研究提供新的思路。