新型快速硬固型根尖倒充填材料的研究进展

2020-10-9 15:10  来源:口腔医学
作者:屠美洁 宿凌恺 何福明 邓淑丽 阅读量:1923

    三氧化矿物聚合物(mineral trioxide aggregate,MTA)是一种硅酸钙基生物活性材料,其主要成分包括硅酸三钙、铝酸三钙、氧化三钙、氧化硅及其他氧化物。MTA是临床上常用的根尖倒充填材料,不仅具有良好的生物相容性、封闭性,而且具有良好的抗菌和成骨效果。

    MTA在显微根尖手术临床应用中取得了非常好的效果,成功率90%以上。然而MTA因为硬固时间长和操作性差的缺点使其在根尖手术的临床应用受到了限制。MTA硬固时间大约需要2h45min,因此充填后抗冲刷能力差且易受周围组织液、血液的影响降低充填密实性。MTA对操作要求较高,使用时需调拌,水粉比难以控制,且需专门的成型器。MTA的硬固时间受许多因素的影响,如粉液比、环境温度和湿度,同时粒径大小及粒度分布也能通过影响颗粒的比表面积和反应性影响硬固时间,通常粒径越小,比表面积越大,硬固速度越快。

    近年来,出现了大量基于缩短MTA硬固时间的材料的研究及应用,包括含加速剂的MTA材料(主要为钙盐、磷酸二氢钠等)和基于MTA材料进行改进的新型快速硬固型硅酸钙基材料,下文将对此类新型材料进行综述。

    1.含不同加速剂的MTA材料

    近年来,许多研究通过在MTA材料中添加加速剂来改善MTA硬固时间长及操作性差的缺点,多为体外实验,主要以探究加速机制为主。添加剂主要为钙盐、磷酸二氢钠,次氯酸钠因具有较大细胞毒性本文不作介绍。这些新型材料虽然缩短硬固时间,但多以牺牲机械性能为代价。

    1.1钙盐

    MTA的粉剂与水混合后,释放钙离子和氢氧根离子,二者在溶液中达到临界浓度后形成氢氧化钙析出,同时形成硅酸钙水合凝胶(C-S-H凝胶),并进一步生成羟磷灰石。根据化学反应动力学分析,钙离子浓度越高,氢氧化钙越易析出,从而加快MTA材料硬固速率,且钙离子有利于羟磷灰石沉积。

    研究表明,5%氯化钙、硝酸钙(1%~10%)/亚硝酸钙(25%~50%)、5%甲酸钙、23.1%乳酸葡萄糖酸钙(calcium Lactate gluconate,CLG)等钙盐与MTA材料混合后能减少MTA材料的硬固时间,且不影响其生物相容性、尺寸稳定性,而且其pH和温度的变化在可接受范围内,成骨效果也有所增强,但机械性能有所下降。然而,高浓度钙离子添加剂的实验发现:MTA材料和10%氯化钙混合后,细胞活力下降,细胞附着率下降;和43.4%CLG混合第1天表现为更高的细胞活力,但在第4天和第7天细胞活力下降。这表明过高的钙离子浓度会影响细胞活性。

    氯化钙是此类研究中最常使用且效果最好的加速剂,在许多新型材料中都含有氯化钙,如波兰水泥、Biodentine等。研究发现少量氯化钙能作为硅酸三钙水化反应的催化剂,大大加速硅酸三钙的早期水化,其机制如下:当溶液中氯化钙和水的质量比小于0.3时,易产生亚稳型物质氧氯化钙(3CaO·CaCl2·nH2O),加速氢氧化钙的溶解,同时有利于钙离子的释放并迅速离开颗粒表面,使溶液中氯化钙浓度下降,从而使氧氯化钙重新分解释放氯化钙。许多研究对与5%氯化钙混合后是否会影响MTA的物理性能、生物活性进行了研究分析。

    Jafarnia等、Wilkbank等研究表明MTA的生物相容性不会受到影响。Bortoluzzi等通过体外染料渗透实验发现MTA密封性增强,Wilkbank等发现MTA与5%氯化钙混合后有轻度扩展,增强其边缘适应性。Lee等通过检测成骨相关因子的表达,发现材料混合后能促进成骨细胞分泌OCN、BSP等因子,增强成骨矿化能力。MTA与5%氯化钙混合后pH能稳定在10~12,不影响其抗菌作用。然而,Lee研究发现材料混合后的抗压能力下降。可见MTA与5%氯化钙混合后能加快硬固,不影响其生物相容性、密封性、成骨能力、抗菌性,尽管抗压能力有所下降,但并不影响其作为倒充填材料。

    1.2磷酸二氢钠

    许多研究证明磷酸二氢钠作为液相和MTA材料混合可以加速硬固,Huang研究发现15%磷酸二氢钠可以将MTA硬固时间减少至26min,同时抗拉伸能力增强,且抗压能力不受影响。有研究者认为磷酸盐作为缓冲剂能消耗酸,使MTA结构稳定,且不影响临床效应。磷酸盐通过影响化学反应动力学,促进硅酸钙水合物的生成,从而加速硬固。pH不是影响其硬固速率的因素,研究发现15%磷酸二氢钠pH为9.5或4.4时其硬固时间没有显著差异,但研究者出于酸性环境可能影响MTA性质的考虑更倾向于使用pH高者。

    2.新型硅酸钙基快速硬固型根尖倒充填材料

    2.1生物活性牙本质替代物Biodentine

    2010年出现了一种商业化的生物活性牙本质替代物Biodentine(Septodont,Saint Maurdes Fosse’s,法国)。Biodentine为粉液混合物,粉末主要成分包括硅酸三钙、碳酸钙、氧化锆、硅酸二钙、氧化钙和氧化铁,液体为含有高分子聚合物还原剂和氯化钙的水溶液,其中氯化钙起加速硬固的作用,氧化锆为X射线阻射剂。Biodentine为胶囊制剂,有固定的水液比,临床上常用于盖髓、穿孔修补、根尖倒充填等,其抗压强度与牙本质类似。除通过添加氯化钙外,Biodentine通过增加颗粒比表面积和粉液比来增加硬固速率。

    制造商称其硬固仅需9min,各研究中Biodentine的硬固时间不同(6.5~45.0min),这可能和不同的测试方法与使用环境有关。Caron认为Biodentine的操作性并没有制造商说的便利,不能方便制作成锥形放入倒预备后的根管内。Biodentine是一种具有高度生物相容性的非细胞毒性硅酸钙基水泥,大部分学者认为其生物相容性和MTA无显著性差异,并通过MTT实验等发现Biodentine对人成骨样细胞、单核细胞、牙龈成纤维细胞、成牙本质细胞、牙周膜细胞等均有极高生物相容性。

    同时Biodentine具有生物活性,能诱导牙髓细胞分化成成牙本质样细胞,能增强组织矿化、修复性牙本质形成,增强人牙髓干细胞的增殖、迁移和粘附能力。Biodentine的密封性良好,能与牙本质相互作用延伸到牙本质小管中,大多数文献认为其密封性优于MTA。此外,Biodentine显示出良好的机械性能、抗菌效果、成骨效果,且抑制破骨细胞分化。

    Caron等报道了Biodentine作为倒充填材料的2例根尖周炎病例,均在1年随访时获得完全愈合,原根尖区低密度影完全消失且根尖区牙周膜形成良好的重建,在2年随访时亦无明显不适症状。Biodentine作为根尖倒充填材料具有临床局限性,其成分氧化锆作为X射线阻射剂阻射性低,与牙本质相近,不利于术后观察评估。Biodentine作为根尖倒充填材料虽然具有良好的生物相容性、良好的生物活性、完全硬固时间短等优点,但目前在临床应用较少,仍缺乏大量长期随访评价其疗效及发现可能存在的问题。

    2.2iRoot系列生物活性陶瓷材料

    iRootBPPlus(Innovative BioCeramix Inc. Vancouver,BC,加拿大)和iRootFS(Innovative BioCeramix Inc.,Vancouver,BC,加拿大)均为生物活性陶瓷材料。iRoot系列材料为预混合即用型纳米颗粒生物陶瓷材料,具有卓越的机械性能和水合性能。iRootBPPlus主要成分包括硅酸钙、氧化锆、硫酸钙、氧化钽和填料,iRootFS是在iRootBPPlus的基础上略有改进,两者成分相似,含有磷酸二氢钙,后者相较于前者具有快速硬固的特性,具有更小的粒径。

    根据制造商的说明,iRootFS可在20min内完成硬固,根据近几年的研究,iRootBPPlus和MTA完全硬固需要12h~7d。iRootBPPlus和iRootFS均具有一定抗冲刷性,术中冲洗以及血液污染对两者的硬固没有影响。大量实验研究证明iRootBPPlus性能与MTA相似,具有良好的生物相容性、根尖封闭性,无细胞毒性,且具有抗菌、成骨效果。iRootBPPlus作为倒充填材料短期成功率高于90%。

    王萌萌等研究发现iRootBPPlus倒充填的时间短于MTA,说明iRootBPPlus操作性能更佳,使用更便捷。Lv等对iRootFS、iRootBPPlus及ProRootMTA的生物相容性进行比较,实验发现,三者均具有良好的生物相容性,但iRootFS的生物相容性更高。细胞活力测定实验表明三者均能促进MC3T3-E1成骨细胞的增殖;流式细胞术表明与MTA、iRootBPPlus相比,iRootFS能产生更多的活细胞和更少的凋亡细胞;免疫荧光染色显示,经iRootFS处理的成骨细胞处于拉伸状态,其纤维扩散程度更高,更利于细胞迁移,MTA、iRootBPPlus亦可优化成骨细胞纤维的生成,其程度弱于iRootFS;扫描电子显微镜显示,iRootFS相连的细胞伸出更多伪足,进入基质间隙,作为拉动细胞的锚点。可见,iRootFS较其余两者更能促进成骨细胞的增殖、附着、迁移。

    Luo等研究发现iRootFS比Biodentine更能促进人牙周膜细胞(hPDLCs)的增殖、粘附和矿化能力。欧海强等通过实验发现iRootFS和MTA作为倒充填材料与根管壁之间间隙体积无显著差异,染料渗透深度亦无显著差异,表明iRootFS与MTA的根尖封闭性相当,认为iRootFS有望替代MTA成为首选的根尖倒充填材料。综上iRootBPPlus作为预混合材料,尽管完全硬固时间长,但其操作性良好,且具有良好的生物相容性、根尖封闭性、抗菌性、成骨效果等优良特性,是比MTA更具临床应用前景的根尖倒充填材料。而iRootFS基于iRootBPPlus进行改进,硬固时间短,生物相容性、成骨效果较iRootBPPlus、Biodentine更佳,有望成为根尖倒充填材料的首选,但目前在临床应用上少。

    2.3基于Pozzolan水泥的新型硅酸钙水泥Endocem

    Endocem(Maruchi,Wonju,韩国)是由小颗粒的Pozzolan水泥构成的,制造商称其硬固时间为3min15s。Pozzolan是一种MTA衍生的材料,主要成分为硅或硅和铝,本身不具备或具备极少水泥的性质,但在常温遇水和氢氧化钙反应,发生化学反应,形成具备水泥性质的化合物。其反应特点是氢氧化钙随时间逐渐减少,从而减轻氢氧化钙带来的机械性能、耐久性上的缺陷;逐渐生成硅酸钙、铝酸钙水合物,且具有高强度稳定的晶体。

    Endocem的主要成分和MTA相似,其比表面积大,大大加快了硬固速率。Choi等研究证明Endocem能快速硬固,其初始硬固时间为2min±30s,最终硬固时间为4min±30s。其研究通过MTT实验等表明Endocem和ProRootMTA都表现为低毒性,其细胞毒性远低于中间修补材料(intermediate restorative material,IRM);通过测量成骨细胞相关因子BSP、OC和OP等表明Endocem具备成骨能力,与ProRootMTA没有显著差异,且成骨能力远强于IRM;表明Endocem、IRM抗冲刷能力远强于ProRootMTA,可能与其硬固快有关;此外,在IRM与牙本质之间观察到形成间隙,而Endocem和ProRootMTA都能和牙本质紧密接触。Endocem、ProRootMTA和牙本质有很强的微机械嵌合力,粘结性强,小颗粒Pozzolan水泥并不会影响粘结强度。

    综上Endocem不但能快速硬固,操作性好,抗冲刷能力强于MTA,且具有低细胞毒性、成骨性、良好的边缘适应性,有望成为取代MTA成为倒充填材料,然而仍需大量临床研究及长期随访证明。

    2.4可光固化的硅酸钙MTA水泥lc-MTA

    Gandolfi等研制出一种光固化的基于甲基丙烯酸2-羟乙酯-三乙二醇二甲基丙烯酸酯(HEMATEGDMA)树脂修饰的硅酸钙MTA水泥———lc-MTA作为倒充填材料。其固相为硅酸钙粉末,由硅酸三钙和硅酸二钙、铝酸三钙、硫酸钡、硫酸钙和氯化钙构成;液相为亲脂有机光固化基质,含有甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA),二甲基丙烯酸三甘醇酯(TEGD-MA),樟脑醌(CQ)和4-(二甲基氨基)苯甲酸乙酯(EDMAB)。多聚HEMA-TEGDMA创造了一种能够稳定水泥外表面的聚合物网络,使水泥能够快速硬固,并获得初期稳定性。HEMA是一种有足够渗透性并可吸收水分的亲水基质,使硅酸钙矿物颗粒能够与足够的水反应,水合形成氢氧化钙和水合硅酸钙凝胶(CSH)。

    Gandolfi等检测到lc-MTA钙离子释放能力高于ProMTA,具有高生物活性;通过细胞活力试验发现lc-MTA提取物不影响细胞增殖分化,具有一定生物相容性;通过实验证明lc-MTA具有适当边缘适应性。lc-MTA能在2min内硬固,但是机械强度不够强,且具有一定细胞毒性,目前仍处于研究阶段。

    2.5Fast-SetMTA

    Chen等研制了一种新型Fast-SetMTA,由硅酸钙(Calcium Silicates,CaSi)、铝酸钙(Calcium Aluminates,CaAl)、氧化锆(Zirconium Oxide,ZrO2)等为固相,聚丙烯酸溶液和10%氢氧化钠溶液1∶3混合为液相。Chen通过X射线衍射、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱研究了硬化水泥的水合产物,该新型MTA能在混合10min后形成蜂窝状硅酸钙水合物凝胶加速硬固,而普通MTA形成无定型硅酸钙凝胶。此外,该新型MTA显示出足够的射线阻射性和良好的生物相容性,可能是牙科应用的有前途的材料,目前仍处于研究阶段。

    综上所述,以上新型硅酸钙基快速硬固型根尖倒充填材料有效改善了MTA带来的硬固时间长的问题,方便临床医生的操作,改善了抗冲刷性。其中Biodentine、iRootFS有望替代MTA成为方便操作且性能优良的根尖倒充填材料,但仍需进一步临床研究及随访。

编辑: 陆美凤

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