毛馭川, 張璐斯, 陳紅艷, 王瑞莉, 朱美芳

(1.東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))，上海 201620)

齲齒是人類口腔中最常見(jiàn)的慢性疾病之一，主要源于日常飲食攝入的細(xì)菌性發(fā)酵物質(zhì)產(chǎn)生的酸性副產(chǎn)物對(duì)牙齒硬組織的腐蝕，其病理形成過(guò)程復(fù)雜且漫長(zhǎng)[1]。全球疾病負(fù)擔(dān)報(bào)告表明，全球每年因永久性齲齒引發(fā)急性后遺癥的發(fā)病率超過(guò)2億例[2]，受其影響的人數(shù)超過(guò)世界人口的10%[3]。若齲病進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生齲洞會(huì)引起病患極大的疼痛和不適，若擴(kuò)散至牙髓，還會(huì)引起感染，并誘發(fā)敗血癥和牙齒脫落[4]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。充填修復(fù)法是臨床治療齲病最常用和最有效的方法，主要是通過(guò)使用修復(fù)材料對(duì)齲壞組織進(jìn)行充填、固化和拋光等操作，最終達(dá)到對(duì)牙齒缺損部位的修復(fù)。銀汞合金作為早期使用的齲洞充填材料距今已有150多年的歷史[5]，該材料耐磨且價(jià)格便宜，但因其美觀性欠佳以及金屬汞對(duì)人體產(chǎn)生危害等缺點(diǎn)逐漸被淘汰[6]。自20世紀(jì)60年代起，復(fù)合樹(shù)脂憑借優(yōu)異的美觀性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代銀汞合金，成為牙體缺損治療的重要材料[7]。然而，繼發(fā)齲是導(dǎo)致復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)失敗的主要原因之一[8]，抑制繼發(fā)齲的發(fā)生對(duì)阻止齲病發(fā)展和延長(zhǎng)修復(fù)體壽命具有重要意義。

近年的大量研究表明，復(fù)合樹(shù)脂與牙體組織邊緣存在的縫隙中易積存食物殘?jiān)?，從而滋生?xì)菌，進(jìn)而產(chǎn)生繼發(fā)齲。因此，使用抗菌型復(fù)合樹(shù)脂進(jìn)行齲病治療可在一定程度上降低繼發(fā)齲的發(fā)生，并延長(zhǎng)復(fù)合樹(shù)脂的使用壽命。目前，主要通過(guò)添加具有抗菌功能的無(wú)機(jī)填料或者有機(jī)單體以制備抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂[9]。本文重點(diǎn)聚焦于近年報(bào)道的抗菌型無(wú)機(jī)粒子以及具有抗菌性能的有機(jī)單體在牙科復(fù)合樹(shù)脂中的應(yīng)用?；趯?duì)牙科復(fù)合樹(shù)脂表面細(xì)菌生物膜形成機(jī)理的闡釋，本文比較了不同抗菌劑的抗菌機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)各自存在的缺陷綜述了國(guó)內(nèi)外科研工作者提出的解決方案和最新研究進(jìn)展，最后總結(jié)了抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)牙科復(fù)合樹(shù)脂用抗菌劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 牙科復(fù)合樹(shù)脂

1.1 復(fù)合樹(shù)脂的組成

牙科復(fù)合樹(shù)脂主要由有機(jī)基質(zhì)和無(wú)機(jī)填料構(gòu)成，經(jīng)外界刺激 (光、熱等) 作用下交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，有機(jī)基質(zhì)包括有機(jī)單體和引發(fā)劑等，其含量大約占復(fù)合樹(shù)脂的20 wt.%～80 wt.%，主要作用是粘附復(fù)合樹(shù)脂的各組成部分，并在引發(fā)劑作用下賦予樹(shù)脂可塑性和固化成型性[10]。常用的有機(jī)單體主要為丙烯酸酯類，如雙酚A甲基丙烯酸縮水甘油酯 (Bisphenol A diglycidylether methacrylate, Bis-GMA)、氨基甲酸酯雙甲基丙烯酸縮水甘油酯 (Urethane dimethacrylate, UDMA)和雙甲基丙烯酸三乙二醇酯 (Tetra-ethyleneglycol dimethacrylate, TEGDMA)，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。此外，無(wú)機(jī)填料作為分散相和增強(qiáng)相主要影響復(fù)合樹(shù)脂的力學(xué)性能，包括彎曲強(qiáng)度[11]、楊氏模量[11]、硬度[12]等，以及聚合收縮率[13]和X射線阻射性[14]等。常用的無(wú)機(jī)填料包括二氧化硅、羥基磷灰石、二氧化鈦和氧化鋁等，部分填料的形貌如圖2所示[15-18]。

圖1 牙科復(fù)合樹(shù)脂常用有機(jī)單體的結(jié)構(gòu)式

圖2 牙科復(fù)合樹(shù)脂中無(wú)機(jī)填料的SEM圖像

1.2 復(fù)合樹(shù)脂存在的問(wèn)題

臨床研究表明，銀汞合金的使用壽命大約為13 y，平均修復(fù)失敗率為1.6%；而復(fù)合樹(shù)脂的使用壽命僅為7年，平均修復(fù)失敗率為2.9%。由此可見(jiàn)，復(fù)合樹(shù)脂的使用壽命較短、修復(fù)失敗率較高[19-22]，這主要由修復(fù)體斷裂和繼發(fā)齲兩大因素所致[8]。近年來(lái)，隨著混合填充技術(shù)和增強(qiáng)-增韌填料的發(fā)展，復(fù)合樹(shù)脂的強(qiáng)度、模量和耐磨性得到顯著提高，有效地減少了修復(fù)體斷裂導(dǎo)致的修復(fù)失敗[23]，但繼發(fā)齲仍是齲病治療中導(dǎo)致復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)失敗的主要原因和最大挑戰(zhàn)[24]。繼發(fā)齲的發(fā)生主要有以下兩個(gè)原因。1) 丙烯酸酯基復(fù)合樹(shù)脂在光固化過(guò)程中產(chǎn)生的聚合收縮。在自由基聚合反應(yīng)時(shí)，單體分子間會(huì)形成共價(jià)鍵，導(dǎo)致單體單元間距離減小，同時(shí)伴隨著自由體積減小[25]，進(jìn)而導(dǎo)致修復(fù)樹(shù)脂與牙本質(zhì)之間或復(fù)合樹(shù)脂與混合層之間形成間隙，為口腔中細(xì)菌和食物殘?jiān)忍峁┳甜B(yǎng)空間。2) 復(fù)合樹(shù)脂不具備抗菌性能或抗菌性能欠佳。上述兩個(gè)因素最終引起繼發(fā)齲，并導(dǎo)致修復(fù)體結(jié)構(gòu)喪失和功能退化[26]。經(jīng)由復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)治療的繼發(fā)齲病例的發(fā)病率在20%～44%，且需要反復(fù)治療[8,27]。

近期的一項(xiàng)德?tīng)柗品ㄕ{(diào)查對(duì)未來(lái)20年口腔修復(fù)治療進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)，并明確指出“預(yù)防繼發(fā)齲”是未來(lái)口腔修復(fù)治療中最重要的項(xiàng)目[28]。繼發(fā)齲產(chǎn)生的主要因素是牙齒與修復(fù)體間的微滲漏所引起的細(xì)菌生物膜在修復(fù)體表面的沉積[27,29]。Svanberg等人[30]通過(guò)個(gè)體間/個(gè)體內(nèi)臨床實(shí)驗(yàn)分別比較了銀汞合金、復(fù)合樹(shù)脂和玻璃離子水門(mén)汀修復(fù)體邊緣的菌斑中S.mutans的水平，研究表明，細(xì)菌生物膜在復(fù)合樹(shù)脂材料上的沉積量明顯高于其他修復(fù)材料。這種現(xiàn)象源于復(fù)合樹(shù)脂中單體轉(zhuǎn)化不完全。該研究還表明，復(fù)合樹(shù)脂中殘留并滲出的未反應(yīng)單體，即雙甲基丙烯酸乙二醇酯 (Ethyleneglycol dimethacrylate, EGDMA)和TEGDMA可能會(huì)促進(jìn)致齲細(xì)菌的生長(zhǎng)，如變形鏈球菌 (Streptococcus mutans, S.mutans)、乳酸桿菌 (Lactobacillus)和內(nèi)氏放線菌 (Actinomyces naeslundii, A.naeslundii)，并會(huì)增強(qiáng)遠(yuǎn)緣鏈球菌 (Streptococcus sobrinus, S.sobrinus) 的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性，從而增加細(xì)菌生物膜在復(fù)合樹(shù)脂表面沉積的可能性[31-32]。同時(shí)，細(xì)菌生物膜的存在增加了修復(fù)體表面的粗糙度，將繼續(xù)吸引生物膜的附著，形成惡性循環(huán)，進(jìn)一步感染鄰近的軟組織和硬組織，包括牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙齦[29]，引發(fā)其他口腔疾病。

因此，抗菌型復(fù)合樹(shù)脂的研發(fā)對(duì)抑制繼發(fā)齲、提高復(fù)合樹(shù)脂使用壽命具有重要意義。目前主要通過(guò)使用抗菌劑賦予牙科復(fù)合樹(shù)脂抗菌性能[9]?？咕鷦┦且活惸軌驓⑺乐虏∥⑸锏幕衔颷33]，用于牙科復(fù)合樹(shù)脂的抗菌劑可分為抗菌型無(wú)機(jī)粒子和抗菌型有機(jī)單體。近年來(lái)，關(guān)于抗菌型無(wú)機(jī)粒子的研究主要包括銀系抗菌劑、金屬氧化物系抗菌劑和氟化物系抗菌劑等；關(guān)于抗菌型有機(jī)單體的研究主要包括氯己定、三氯生和季銨鹽類化合物，其中季銨鹽類化合物因其特殊的“接觸型抑制”抗菌機(jī)理受到了尤為廣泛的關(guān)注，這類抗菌劑在沒(méi)有抗菌成分釋放的條件下依然能夠產(chǎn)生持久的抗菌作用，避免了抗菌劑溶出對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。表1匯總了上述抗菌劑應(yīng)用于牙科復(fù)合樹(shù)脂的實(shí)例，同時(shí)將抗菌劑進(jìn)行歸類，并對(duì)其抗菌測(cè)試方法和結(jié)果進(jìn)行了梳理，表中所示例子將在后文詳述。表1結(jié)果表明，在合理選擇抗菌劑的條件下，經(jīng)由復(fù)合樹(shù)脂修復(fù)的繼發(fā)齲發(fā)病率有望大幅度降低。

表1 抗菌型牙科復(fù)合樹(shù)脂中抗菌劑類型、組成及抗菌性能

2 抗菌型無(wú)機(jī)粒子

通過(guò)向牙科復(fù)合樹(shù)脂中添加抗菌型無(wú)機(jī)粒子或?qū)o(wú)機(jī)填料進(jìn)行抗菌功能改性是制備抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂的一類方法。相較于有機(jī)抗菌劑易遷移、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，無(wú)機(jī)抗菌劑因其具有良好的生物相容性、快速殺菌性和廣譜抗菌性能等優(yōu)點(diǎn)，在牙科復(fù)合樹(shù)脂中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 銀系抗菌劑

銀系抗菌劑是指銀離子由吸附或離子交換等方式固定到無(wú)機(jī)載體上所得的物質(zhì)，其抗菌性能與自身價(jià)態(tài)關(guān)聯(lián)緊密，高價(jià)態(tài)的銀離子比低價(jià)態(tài)的銀離子具有更強(qiáng)的抗菌能力，即Ag3+>Ag2+>Ag+>Ag0[65-66]。目前,用于牙科復(fù)合樹(shù)脂中的銀系抗菌劑主要為一價(jià)銀離子(Ag+)和銀單質(zhì)(Ag0)，尚未見(jiàn)高價(jià)態(tài)銀離子的研究報(bào)道。

2.1.1 Ag+

在具有抗菌效果的重金屬離子中，Ag+抗菌活性最高，并且對(duì)人體組織的毒性較低[67]，因此成為最常用的一類無(wú)機(jī)抗菌劑。Ag+的抗菌機(jī)理主要有兩種：1) Ag+能與細(xì)菌酶中含硫、氮或氧的官能團(tuán)形成絡(luò)合物，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁不穩(wěn)定以及新陳代謝紊亂，產(chǎn)生殺菌作用[68]；2) Ag+與細(xì)菌DNA相互作用，使其失去復(fù)制能力，阻止細(xì)胞繁殖，起到抑菌作用[69]。Zhu等人[34]利用酸化改性的介孔材料吸附Ag+得到載銀介孔材料，并將其用作抗菌型無(wú)機(jī)填料制備牙科復(fù)合樹(shù)脂。研究表明，所制得的樹(shù)脂材料對(duì)變形鏈球菌、金黃色葡萄球菌(S.aureus) 和大腸桿菌(E.coli) 的抗菌率均在90%以上。但是，該類復(fù)合樹(shù)脂通常表現(xiàn)出離子釋放快、抗菌活性短暫等缺點(diǎn)，無(wú)法提供穩(wěn)定且長(zhǎng)期的抗菌性能[70]，限制了基于釋放機(jī)理的Ag+抗菌劑在牙科復(fù)合樹(shù)脂領(lǐng)域的應(yīng)用。

除上述兩種抗菌機(jī)理外，近年來(lái)出現(xiàn)了銀離子接觸抗菌機(jī)理的報(bào)道，具體以磺胺嘧啶銀為例說(shuō)明?；前粪奏な且环N廣泛用于燒傷創(chuàng)面的抗菌藥物，Srivastava 等人[35]將磺胺嘧啶銀通過(guò)共價(jià)鍵接到鋇硼硅酸鹽玻璃粉表面 (圖3)，獲得了具有高效持久抗菌效果的牙科復(fù)合樹(shù)脂，這得益于銀與磺胺嘧啶之間形成的穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，分別用5wt.%和10wt.% 的經(jīng)磺胺嘧啶銀改性的玻璃粉代替未改性玻璃粉，所制得復(fù)合樹(shù)脂在直接接觸式抗菌試驗(yàn)(接觸時(shí)間30 min)中，使S.mutans的數(shù)目降低了3～4個(gè)對(duì)數(shù)單位，且該填料用于Bis-GMA/TEGDMA基樹(shù)脂中可持續(xù)至少8周以上的抗菌活性。因此，磺胺嘧啶銀修飾無(wú)機(jī)填料有望成為臨床應(yīng)用中的新型長(zhǎng)效抗菌劑。

圖3 磺胺嘧啶銀改性鋇硼硅酸鹽玻璃粉的合成路線[35]

2.1.2 銀單質(zhì)粒子

相較于Ag+抗菌劑，目前銀單質(zhì)作為抗菌劑的應(yīng)用更為廣泛，盡管銀單質(zhì)抗菌活性低于銀離子，但銀單質(zhì)可以儲(chǔ)存并經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)釋放大量的銀離子。因此，用銀單質(zhì)填充的聚合物材料可以起到長(zhǎng)效抗菌作用。根據(jù)式(1)可知，銀單質(zhì)與水和溶解在水中的氧氣接觸時(shí)會(huì)釋放少量Ag+[71]。

(1)

根據(jù)該反應(yīng)方程式可知，單質(zhì)銀經(jīng)氧化反應(yīng)形成Ag+，因此，Ag+釋放的濃度和速率可以由銀單質(zhì)的比表面積，即粒徑來(lái)控制[71]。相較于傳統(tǒng)的銀粉，納米銀粒子 (silver nanoparticles, Ag NPs)是一種粒徑為1～100 nm的銀單質(zhì)粒子，比表面積高，被視為一種廣譜且高效的抗菌劑，其可能的抗菌機(jī)理有以下3種(圖4)： 1) 與細(xì)胞膜、膜蛋白、DNA堿基結(jié)合，導(dǎo)致正常功能的破壞(藍(lán)色虛線); 2) 釋放銀離子，影響膜、DNA、蛋白(紅色虛線); 3) 產(chǎn)生活性氧(ROS) 也可能影響DNA、細(xì)胞膜、膜蛋白(黑色虛線)[72]。需要注意的是，將Ag NPs引入牙科復(fù)合樹(shù)脂需考慮納米粒子的分散性問(wèn)題，避免Ag NPs因團(tuán)聚而喪失抗菌性能。

圖4 銀納米材料抗菌活性的潛在機(jī)制 [72]

因此，Liu和Shi等人[36,73]對(duì)Ag NPs表面進(jìn)行了有機(jī)功能化改性，將油酸和烷基胺組成的單層表面活性劑包覆于Ag NPs表面，得到易于分散在有機(jī)介質(zhì)，即有機(jī)可溶Ag納米晶 (Nanocrystals, NCs)，制備流程如圖5(a)所示，進(jìn)而研究了添加Ag NCs對(duì)牙科復(fù)合樹(shù)脂力學(xué)性能和抗菌性能的影響。研究結(jié)果表明，Ag NCs具有較高的比表面積，并在有機(jī)溶劑 (如正庚烷、環(huán)己烷和甲苯) 中分散性良好，且含1×10-4wt.%Ag NCs的復(fù)合樹(shù)脂對(duì)S.aureus、Lactobacillus和E.coli的抗菌率分別達(dá)到64.6%、66.5%和69.1%[36]。因此，對(duì)Ag NPs進(jìn)行表面處理，可以有效提高其在有機(jī)基體中的分散性以及避免納米粒子的團(tuán)聚問(wèn)題，但該研究中Ag NPs僅通過(guò)機(jī)械混合的方式與復(fù)合樹(shù)脂中的無(wú)機(jī)填料共混，兩者之間缺少化學(xué)吸附，不易得到均質(zhì)的未固化樹(shù)脂材料。此外，直接將Ag NPs摻入在復(fù)合樹(shù)脂中易導(dǎo)致納米顆粒的快速浸出，降低樹(shù)脂的抗菌潛力。

為了解決上述問(wèn)題，微粒載體法引起科研工作者的廣泛關(guān)注。該方法可將Ag NPs通過(guò)化學(xué)鍵/靜電吸附作用負(fù)載于無(wú)機(jī)填料上，進(jìn)而通過(guò)載銀無(wú)機(jī)填料向牙科復(fù)合樹(shù)脂中引入抗菌成分。為了在無(wú)機(jī)填料上提供吸附Ag NPs的位點(diǎn)，可利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)無(wú)機(jī)填料表面進(jìn)行氨基化改性，其中,3-氨基丙基三乙氧基硅烷 ((3-aminopropyl) trimethoxysilane, APTES)是最常見(jiàn)的氨基化試劑[74-76]。由于銀原子有一個(gè)空軌道，氮原子有一對(duì)孤對(duì)電子，因此，-NH2基團(tuán)可以與銀原子形成配位鍵，使Ag NPs與無(wú)機(jī)填料之間形成化學(xué)鍵合，得到載銀無(wú)機(jī)填料，且該配位鍵的形成可有效避免Ag NPs的快速浸出。He等人[37]將以納米SiO2球?yàn)檩d體制備得到的載銀SiO2抗菌劑用于牙科粘結(jié)劑，其對(duì)大腸桿菌的抗菌率最高可達(dá)98%。Pei等人[38]將以介孔SiO2為載體制得的載銀介孔SiO2抗菌劑用于牙科粘結(jié)劑，其對(duì)S.mutans的抗菌活性可達(dá)99%。Barot等人[39]以埃洛石納米管(Halloysite nanotubes, HNTs)作為載體制備載銀HNTs抗菌劑 (圖5(b))，實(shí)驗(yàn)表明，使用HNTs為載體可保證抗菌劑的持續(xù)釋放，隨著時(shí)間的推移，抗菌活性持續(xù)增加，并充分減少了抗菌劑對(duì)口腔粘膜細(xì)胞的不利影響。

除了使用APTES對(duì)無(wú)機(jī)填料進(jìn)行接枝改性以外，聚多巴胺 (Polydopamine, PDA )也受到研究者的關(guān)注。Ai等人[40]使用P DA對(duì)羥基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)納米線進(jìn)行表面包覆，利用還原反應(yīng)制備了載銀HA納米線 (HA-PDA-Ag)。當(dāng)AgNO3質(zhì)量濃度為1.0 g/L時(shí)，所制備的HA-PDA-Ag-1.0可與樹(shù)脂基體均勻混合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了Ag NPs在樹(shù)脂基體中的均勻分布。此外，8 wt.% HA-PDA-Ag-1.0填充復(fù)合樹(shù)脂對(duì)S.mutans具有高抗菌活性，即在活/死細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)中基本看不到綠色活S.mutans。但Ai等人[77]同時(shí)也指出，微粒載體法制備的復(fù)合樹(shù)脂最好采用熱固化而不是光固化，這是由于Ag NPs的加入導(dǎo)致復(fù)合樹(shù)脂顏色加深呈棕色，影響了光的傳輸，繼而降低樹(shù)脂雙鍵轉(zhuǎn)化率、增加了未固化單體含量，因此降低了該類復(fù)合樹(shù)脂的生物相容性。

圖5 向復(fù)合樹(shù)脂中引入Ag NPs的方法：(a) Ag NPs的有機(jī)功能化：在水溶液中形成有機(jī)可溶Ag NCs封端油酸的機(jī)理示意圖[73]；(b) HNTs和Ag NPs反應(yīng)的示意圖[39]；(c) 在二甲基丙烯酸酯聚合物中原位制備銀納米粒子[41]； (d) 氰基肟及其銀配合物的合成路線[42]

上述Ag NPs添加影響復(fù)合樹(shù)脂光學(xué)性能這一問(wèn)題，可利用原位合成法解決，其實(shí)質(zhì)是使樹(shù)脂基體的光引發(fā)自由基聚合反應(yīng)與Ag+的光還原反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，從而解決化學(xué)還原造成的弊端。在該反應(yīng)過(guò)程中，Ag+被光激發(fā)使電子從溶劑分子遷移到Ag+生成Ag0，Ag0聚集生成Ag NPs[78]。Cheng等人[41]采用該方法將2-乙基己酸銀(2-(tert-butylamino)ethyl methacrylate,TBAEMA)分散至Bis-GMA/TEDGMA樹(shù)脂基體中，使Ag NPs經(jīng)可見(jiàn)光光照原位合成過(guò)程形成于聚合物中(圖5(c))。與空白樣相比，含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù) (0.03wt.%～0.37wt.%) TBAEMA的復(fù)合樹(shù)脂的細(xì)菌覆蓋總表面積比例表現(xiàn)出明顯下降(p≤0.05)。該方法不僅使Ag NPs均勻分散在樹(shù)脂基體中，同時(shí)對(duì)單體轉(zhuǎn)化率幾乎不產(chǎn)生影響。Riddles等人[42]合成了兩種含Ag+的氰基配合物 (圖5(d))，并將二者分別加入到Bis-GMA/ TEDGMA/UDMA基體中進(jìn)行Ag NPs的原位合成，制得的抗菌復(fù)合樹(shù)脂光照2～3 min后顏色無(wú)明顯變化，且Ag+氰基配合物添加量達(dá)1wt.% 時(shí)，能夠完全抑制S.mutans和S.aureus的生長(zhǎng)。除了上述在樹(shù)脂基體中分散有機(jī)銀鹽原位還原得到Ag NPs的策略之外，還可將無(wú)機(jī)銀鹽作為填料加入到樹(shù)脂基體中，同樣能夠通過(guò)光還原反應(yīng)得到Ag NPs。Natale等人[43]利用磷酸銀具有的光催化特性，制備了磷酸鈣/磷酸銀片狀填料顆粒，進(jìn)一步通過(guò)原位合成法得到兼具再礦化和抗菌性能的牙科復(fù)合樹(shù)脂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與純有機(jī)基體相比，填充CaP/Ag顆粒的復(fù)合樹(shù)脂上的活菌落數(shù)量減少了3個(gè)對(duì)數(shù)單位。由此可見(jiàn)，原位合成法的優(yōu)點(diǎn)：1) Ag NPs的添加不影響復(fù)合樹(shù)脂的光透過(guò)率；2) Ag NPs在樹(shù)脂基體中分散良好，但缺點(diǎn)是銀離子的還原反應(yīng)可能會(huì)消耗一部分的引發(fā)劑，甚至終止高分子鏈的鏈增長(zhǎng)反應(yīng)，因此，使用該方法制備含銀抗菌牙科樹(shù)脂時(shí)可適當(dāng)增加樹(shù)脂基體中光引發(fā)劑的含量。

2.2 金屬氧化物系抗菌劑

2.2.1 氧化鋅

氧化鋅(ZnO)對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌均表現(xiàn)出抗菌活性，且與Ag NPs相比，ZnO NPs更接近人類牙齒的本色，因此，更適合作為填充材料賦予牙科復(fù)合樹(shù)脂抗菌性能，然而ZnO NPs的抗菌機(jī)制尚無(wú)定論。目前，ZnO NPs的抗菌機(jī)理主要有4個(gè)方面(圖6)[79-80]∶1) 生成的ROS可殺滅細(xì)菌；2) 釋放的Zn2+會(huì)附著在細(xì)胞膜上，引起細(xì)胞壁的機(jī)械損傷；3) ZnO與細(xì)菌的相互作用會(huì)破壞細(xì)胞表面電荷的平衡，殺死細(xì)菌；4) 納米粒子的細(xì)胞內(nèi)化可誘導(dǎo)細(xì)菌死亡。然而，Jiang等人[81]發(fā)現(xiàn)，雖然在ZnO NPs懸浮液中檢測(cè)到一定濃度的Zn2+和H2O2，但Zn2+和H2O2的濃度不足以產(chǎn)生抑菌作用。另外，實(shí)驗(yàn)中自由基捕捉劑的加入抑制了ZnO對(duì)E.coli的殺菌作用，表明ROS的生成對(duì)ZnO NPs的抗菌性能起著重要作用，由此他們猜測(cè)ZnO NPs的抗菌性能可能來(lái)自羥基自由基 (HO·)。因此，ZnO NPs作為抗菌劑的確切抗菌機(jī)理目前仍存在爭(zhēng)議，還有待進(jìn)一步論證。

圖6 ZnO NPs抗菌活性的不同機(jī)制[79]

文獻(xiàn)表明[44]，ZnO的形貌對(duì)復(fù)合樹(shù)脂的抗菌性能產(chǎn)生一定的影響。Dias等人制備了六方微棒狀ZnO填料，將其以含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.2%、0.5%和1.0%分別加入至商品化樹(shù)脂F(xiàn)iltekTMZ350XT(3M Brazil) 中，發(fā)現(xiàn)三者的菌落形成單位(colony forming unit, CFU)相較于未添加ZnO的樹(shù)脂均表現(xiàn)出明顯的降低(p<0.05)。Collares等人[45]合成了針狀ZnO NPs，填充20wt.%該填料的復(fù)合樹(shù)脂表現(xiàn)出顯著的抗菌性能，其CFU值較純有機(jī)基體降低了9.8% 。

但是，單獨(dú)加入ZnO NPs的復(fù)合樹(shù)脂不能滿足口腔服役所需的力學(xué)性能[82]。為了實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂兼具優(yōu)異的抗菌性能和力學(xué)性能，ZnO復(fù)合填料增強(qiáng)樹(shù)脂的設(shè)計(jì)理念被陸續(xù)提出和研究。Chen等人[46]合成了具有獨(dú)特核-殼介孔結(jié)構(gòu)的ZnO@m-SiO2，并將其用作牙科復(fù)合樹(shù)脂的功能填料(圖7(a))。該填料結(jié)構(gòu)中的介孔SiO2(m-SiO2)層有利于填料與樹(shù)脂基體間形成微機(jī)械互鎖效應(yīng)，提高復(fù)合樹(shù)脂的力學(xué)性能。同時(shí)，ZnO能夠通過(guò)m-SiO2中的孔結(jié)構(gòu)釋放Zn2+，通過(guò)CFU計(jì)數(shù)抗菌測(cè)試得到，添加Z7S63(ZnO@m-SiO2: 硅烷化改性SiO2=7∶63, wt./wt.,總填料填充量70wt.%)的復(fù)合樹(shù)脂可獲得高達(dá)99.9%的抗菌率，明顯優(yōu)于不含ZnO@m-SiO2填料的對(duì)照組(圖7(b)和圖7(c))。Wang等將纖維素納米晶 (Cellulose nanocrystal, CNC) 作為載體[47]，利用其對(duì)聚合物基質(zhì)優(yōu)異的增強(qiáng)性能[83]，進(jìn)一步利用混酸改性法、凍干技術(shù)以及真空干燥工藝，制備了CNC/ZnO納米復(fù)合材料，并將其引入牙科復(fù)合樹(shù)脂中。相比于純有機(jī)基體，2wt.% CNC/ZnO填充復(fù)合樹(shù)脂的CFU值下降了78%，且力學(xué)性能中的壓縮強(qiáng)度由(344.3±10.7)MPa增加到(371.0±6.6)MPa。Liu等人[48]制備了ZnO介晶，該填料粗糙的表面和孔隙有利于樹(shù)脂單體的滲入，固化后可在填料與樹(shù)脂基體間形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。相較于商業(yè)ZnO微球/SiO2微球填充的復(fù)合樹(shù)脂，ZnO介晶/SiO2微球填充的復(fù)合樹(shù)脂的彎曲模量提高了23.2%，相較于SiO2微球填充的復(fù)合樹(shù)脂，ZnO介晶/SiO2微球填充的復(fù)合樹(shù)脂對(duì)S.mutans的抗菌率從92.3%提高至99.9%。Shen等人[49]通過(guò)調(diào)整ZnO形貌和表面接枝方法，在賦予樹(shù)脂一定力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，兼顧了ZnO的長(zhǎng)效抗菌性能。研究人員將表面包覆碳碳雙鍵的雜化SiO2顆粒/四針狀ZnO晶須作為無(wú)機(jī)填料引入U(xiǎn)DMA/Bis-GMA/TEGDMA基樹(shù)脂中，對(duì)應(yīng)20wt.%填料量制備的復(fù)合樹(shù)脂的抑菌率高達(dá)98.1%，且在37 ℃蒸餾水保存20 d后，樹(shù)脂樣品的抑菌率依然可達(dá)93.7%，彌補(bǔ)了四針狀ZnO晶須填充復(fù)合樹(shù)脂的短暫抗菌性(上述抗菌試驗(yàn)中抗菌率由95.8%降低到83.4%)[49,82]。因此，ZnO復(fù)合填料的出現(xiàn)可同時(shí)賦予復(fù)合樹(shù)脂優(yōu)異的抗菌性能和力學(xué)性能。

基于ZnO NPs可能存在的抗菌機(jī)理，近年來(lái)還提出了一系列增強(qiáng)ZnO抗菌性能的策略，包括使用其他抗菌劑對(duì)ZnO進(jìn)行包覆/負(fù)載/修飾，以及調(diào)整ZnO NPs的粒徑、形貌和濃度等方法[84]。目前出現(xiàn)了將Ag修飾的ZnO NPs作為抗菌填料用于牙科復(fù)合樹(shù)脂的報(bào)道[50]。該抗菌增強(qiáng)機(jī)理是：1) 通過(guò)光催化反應(yīng)在ZnO NPs表面產(chǎn)生ROS，但光激發(fā)的e-和h+可以在它們產(chǎn)生的同時(shí)發(fā)生再結(jié)合，從而減少ROS的產(chǎn)生，而Ag對(duì)ZnO NPs的修飾能提高光生e--h+對(duì)的分離效率，降低這種再結(jié)合效應(yīng)[85]；2) ZnO/Ag NPs中的Ag NPs能起到對(duì)O2化學(xué)吸附位點(diǎn)的作用，通過(guò)化學(xué)吸附的O2與光生電子反應(yīng)形成ROS[85]；3) ZnO/Ag NPs在口腔弱堿性環(huán)境下(pH = 7.4)表現(xiàn)出弱的正電性，與帶負(fù)電的細(xì)菌膜形成靜電吸引，通過(guò)與細(xì)胞壁物理接觸增強(qiáng)細(xì)胞膜的透過(guò)性，表現(xiàn)出對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌增強(qiáng)協(xié)同的抗菌活性[86]。另外，通過(guò)改變ZnO/Ag NPs復(fù)合填料的形貌也可影響復(fù)合樹(shù)脂的抗菌性能。Dias等人分別通過(guò)聚合前驅(qū)體法和共沉淀法合成了ZnO/Ag NPs納米球和ZnO/Ag NPs納米片[50]，并分別將它們作為抗菌填料引入牙科樹(shù)脂中。由7 d培養(yǎng)后S.mutans生物膜的CFU值可知，ZnO/Ag NPs納米球填充復(fù)合樹(shù)脂的抑菌效果優(yōu)于ZnO/Ag NPs納米片摻雜的復(fù)合樹(shù)脂。這是因?yàn)閆nO/AgNPs納米球的表面積(42.26 m2/g)幾乎是ZnO/Ag NPs納米片(16.80 m2/g)的3倍，而ROS的生成是在納米顆粒表面。因此，除了ZnO/Ag NPs的形貌之外，納米顆粒的表面積也是影響抗菌活性的參數(shù)之一。

圖7 A：合成ZnO@m-SiO2粒子的示意圖.B：復(fù)合樹(shù)脂經(jīng)不同培養(yǎng)時(shí)間后表面S.mutans菌落數(shù)的數(shù)碼照片.(a) 空白無(wú)菌板，0 h；(b) 空白無(wú)菌板，24 h；(c) Z0S70，24 h；(d) Z7S63，24 h; C：Z0S70(0wt.% ZnO@m-SiO2 + 70wt.% SiO2 NPs)和Z7S63(0wt.% ZnO@m-SiO2+ 63wt.% SiO2 NPs)對(duì)S.mutans的抗菌率[46]

對(duì)含ZnO NPs抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂而言，由于ZnO NPs折光指數(shù)(2.008～2.029)高于有機(jī)單體Bis-GMA (1.540)、TEGDMA (1.461)以及常用配比單體Bis-GMA/TEGDMA = 50/50(wt./wt.) (1.500) 的折光指數(shù)，所以會(huì)影響復(fù)合樹(shù)脂的固化深度和力學(xué)性能。因此，如何兼顧該類復(fù)合樹(shù)脂的理化性能和抗菌性能是未來(lái)重要的研究方向。此外，目前ZnO的抗菌機(jī)制尚無(wú)定論，仍需進(jìn)一步研究，而對(duì)機(jī)制的了解可以促進(jìn)該類牙科復(fù)合樹(shù)脂在生物醫(yī)用領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 二氧化鈦

(2)

(3)

(4)

(5)

·OH+·OH → H2O2

(6)

(7)

(8)

Dias等人通過(guò)微波水熱法制得TiO2NPs，將其加入到復(fù)合樹(shù)脂F(xiàn)iltekTMZ350XT (3M Brazil) 中。結(jié)果表明，僅2wt.% 的TiO2NPs就使復(fù)合樹(shù)脂表面S.mutans的生長(zhǎng)明顯減少[51]。然而，由上述機(jī)理可知TiO2的禁帶較寬，只有在吸收紫外光時(shí)才真正具有殺菌作用，但紫外光只占太陽(yáng)光譜的很小一部分(< 5%)，這意味著在可見(jiàn)光條件下，TiO2的殺菌效果欠佳，這也是以TiO2為抗菌劑的牙科復(fù)合樹(shù)脂報(bào)道偏少的主要原因。

基于上述問(wèn)題，為使TiO2的光吸收范圍轉(zhuǎn)移至可見(jiàn)光范圍，可通過(guò)向TiO2中摻雜氮、氟、銅、銀等多種原子的方法形成一類新型的可見(jiàn)光活性材料[92-94]。Chambers等制備了銀摻雜TiO2(Ag-TiO2)，Ag+對(duì)TiO2的改性使帶隙能降低，可見(jiàn)光即可激活材料的光催化活性。將Ag-TiO2粉末引入牙科樹(shù)脂后，雖然因暴露在可見(jiàn)光下的Ag-TiO2表面積有限，材料的光催化性能下降(表現(xiàn)為光照下自由基釋放顯著減少)，但復(fù)合樹(shù)脂仍表現(xiàn)出對(duì)S.mutans完全的接觸殺菌效果[52]。Zane等人指出，金屬摻雜的TiO2光催化材料可重復(fù)性差，該課題組用乙基甲胺作為氮源改性TiO2得到氮摻雜TiO2(N-TiO2)，N-TiO2在藍(lán)光照射1 h后對(duì)E.coli具有明顯的殺菌效果(圖8) ，且對(duì)人體牙齦上皮細(xì)胞危害性小，該材料有望成為具有光激活抗菌性能的新型牙科樹(shù)脂[53]。TiO2作為牙科復(fù)合樹(shù)脂用抗菌劑的最大局限在于其光催化性能與光照材料的表面積直接相關(guān)。而在臨床應(yīng)用時(shí)，被修復(fù)的齲齒并非時(shí)刻暴露于可見(jiàn)光下，因此會(huì)降低該類復(fù)合樹(shù)脂中TiO2的光催化效果。但考慮到TiO2不僅能通過(guò)產(chǎn)生的ROS提高光引發(fā)聚合的單體轉(zhuǎn)化率，也可改性樹(shù)脂親水性和力學(xué)性能以及其潛在的抗菌能力[50,87-88]，因此，含TiO2的抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂仍具備一定的研究?jī)r(jià)值。

圖8 暴露于1.25N-TiO2顆粒(1.25為N元素的相對(duì)添加量)和1 h環(huán)境光或藍(lán)光后E.coli的CFU值[53]

2.3 氟化物系抗菌劑

氟化物在牙科領(lǐng)域中具有重要意義，通常氟元素能夠以離子形式釋放以防止牙釉質(zhì)脫礦，并有助于牙釉質(zhì)的再礦化，它作為一種防齲劑已廣泛添加于飲用水、漱口水及牙膏中[95]。除此之外，氟元素本身也具有抗菌性，其抗菌機(jī)理較為復(fù)雜 (圖9)[96-97]：1) 氟化物會(huì)影響許多代謝酶，其中烯醇化酶對(duì)氟化物特別敏感，抑制該種酶的活性可有效抑制糖攝取和糖酵解；2) 氟化物能夠抑制糖原合成和過(guò)氧化物酶活性；3) 氟化物可以抑制鏈球菌的質(zhì)子移位膜ATP酶 (H+-ATPase)，并通過(guò)抑制質(zhì)子從酶催化的細(xì)胞向外轉(zhuǎn)移，提高細(xì)胞的質(zhì)子通透性，降低細(xì)胞ATP水平；4) 在低pH值下，F(xiàn)-與H+結(jié)合形成的HF可穿透細(xì)菌膜；5) 氟化物能降低微生物對(duì)生物膜的粘附性，增加對(duì)酸性環(huán)境的敏感性，從而對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的代謝和粘附產(chǎn)生不利影響。已有報(bào)道的氟化鍶(SrF2)、三氟化鐿(YbF3)或浸出式玻璃填料等含氟填料體系均具有抗菌作用[98-100]，這些含氟填料是通過(guò)唾液擴(kuò)散到復(fù)合樹(shù)脂中的交換反應(yīng)和顆粒中氟化物的釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)抗菌效果的。

圖9 氟化物的抗菌機(jī)理及參與氟抗菌機(jī)制的潛在位點(diǎn)[97]

Kulshrestha等人用共沉淀法合成了氟化鈣納米顆粒 (CaF2NPs)，共聚焦激光掃描顯微鏡 (Confocal laser scanning microscopy, CLSM) 圖像表明，CaF2NPs的存在使S.mutans高度分散，且生物膜結(jié)構(gòu)明顯消失，但仍保持細(xì)菌活性。因此，CaF2NPs的抗菌性能源于對(duì)細(xì)菌生物膜形成的抑制作用，而非對(duì)細(xì)菌活性的抑制[54]。這是由于在CaF2NPs存在下，胞外多糖(Exopolysaccharide, EPS) 的產(chǎn)生顯著減少，導(dǎo)致S.mutans生物膜形成能力降低，而EPS對(duì)生物膜的形成、維持和擴(kuò)散至關(guān)重要，是影響S.mutans生物膜毒性的關(guān)鍵因素之一[101]。另外，CaF2NPs可以作為F-的貯存器，F(xiàn)-的釋放不僅有助于抑制S.mutans生物膜的形成，而且可以促進(jìn)再礦化，減少齲病的發(fā)生[102]。Hesaraki等人將抗菌劑SrF2NPs、輔助填料氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)與輔助抗菌劑ε-多聚賴氨酸 (ε-poly-lysin, ε-PL) 一同加入Bis-GMA/TEDGMA/UDMA樹(shù)脂基體[55]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SrF2與ε-PL之間發(fā)生協(xié)同作用，其對(duì)應(yīng)的復(fù)合樹(shù)脂表現(xiàn)出優(yōu)于單獨(dú)添加SrF2的抗菌效果。該樹(shù)脂與Xu等人報(bào)道的含CaF2納米粒子復(fù)合樹(shù)脂[103]相比，F(xiàn)-累計(jì)釋放量由0.50～1.13 μg/(cm2·day1)提高到1.49～1.58 μg/(cm2·day1)。

上述引入至復(fù)合樹(shù)脂材料中的可溶性氟鹽,會(huì)在初始服役期內(nèi)呈現(xiàn)爆發(fā)式釋放，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)氟鹽抗菌劑完全耗盡時(shí)，往往會(huì)在復(fù)合樹(shù)脂中留下微孔，導(dǎo)致材料機(jī)械性能的下降[56]。為了克服這一缺陷，Tammaro等人采用NaF/HNO3水溶液將F-以硝酸鹽的形式嵌入至層狀雙氫氧化物(Layered double hydroxide, LDH)，制備了氟化層狀雙氫氧化物(LDH-F)，將其作為無(wú)機(jī)填料與Bis-GMA/TEGDMA基體混合后得到牙科復(fù)合樹(shù)脂[104]。氟的釋放速率隨著時(shí)間的推移相對(duì)穩(wěn)定，不存在初始毒性爆發(fā)效應(yīng)，因此，LDH-F成為一種氟離子釋放可調(diào)、可控的材料。這得益于LDH的層狀形貌，隨著LDH-F在樹(shù)脂中添加量的增加，其會(huì)形成類晶團(tuán)聚體，使F-不易在樹(shù)脂中被反離子接觸、分離和擴(kuò)散，因此，F(xiàn)-與LDH的結(jié)合使其釋放速率變慢。外推結(jié)果顯示，LDH-F中F-的釋放最多可持續(xù)1 y，且日平均釋放濃度在ppm級(jí)別，實(shí)現(xiàn)了F-抗菌劑在復(fù)合樹(shù)脂中的長(zhǎng)效釋放。

綜上可知，含氟牙科復(fù)合樹(shù)脂在氟的釋放特性上存在明顯差異。F-的釋放機(jī)制與它們的基質(zhì)、固定機(jī)制、氟化物含量以及修復(fù)體的形成機(jī)制和環(huán)境條件有關(guān)。因此，控制初期爆發(fā)式釋放和維持長(zhǎng)期有效釋放依然是未來(lái)含氟牙科材料研究的重點(diǎn)，尋找可作為F-緩釋貯存器的載體材料將成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

3 抗菌有機(jī)單體

通過(guò)添加抗菌有機(jī)單體或?qū)⒖咕鶊F(tuán)引入有機(jī)單體是制備抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂的另一類方法。有機(jī)抗菌劑按照抗菌機(jī)理可分為釋放型和接觸型兩大類，其中，釋放型抗菌劑主要包括氯己定，接觸型抗菌劑主要包括三氯生和季銨鹽類化合物。

3.1 氯己定

氯己定 (Chlorhexidine, CHX)，化學(xué)名稱為雙氯苯雙胍己烷 (圖10)，被廣泛用作牙科釋放型抗菌劑，其抗菌機(jī)理為CHX分子與細(xì)胞表面帶負(fù)電荷的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)成分的不可逆損失、膜損傷和酶抑制[105]。

圖10 氯己定的結(jié)構(gòu)式

通過(guò)添加CHX衍生物賦予復(fù)合樹(shù)脂抗菌性能已被大量報(bào)道，其中包括醋酸氯己定、二醋酸氯己定、葡萄糖酸氯己定和鹽酸氯己定等[106]。雖然CHX衍生物可以抑制復(fù)合樹(shù)脂周圍的細(xì)菌生長(zhǎng)，但其釋放量在兩周內(nèi)即可達(dá)到總添加量的50%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期抗菌[107]。因此，實(shí)現(xiàn)CHX衍生物在樹(shù)脂基體中的緩釋成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)。Cattell課題組建立了新型CHX顆粒在牙科復(fù)合樹(shù)脂中的釋放動(dòng)力學(xué)模型，深入研究了CHX控釋的方法。該團(tuán)隊(duì)首先對(duì)CHX微球進(jìn)行了超聲處理，結(jié)果表明，CHX微球表現(xiàn)出響應(yīng)性和較低含量的釋放行為，說(shuō)明通過(guò)超聲處理的CHX實(shí)現(xiàn)了可控釋放[108]。隨后，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)凍干法將Fe3O4摻入CHX微球，通過(guò)外加磁場(chǎng)來(lái)改變CHX的釋放動(dòng)力學(xué)，用于牙科復(fù)合樹(shù)脂可實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)向和藥物響應(yīng)特性[57]。Cidreira等人依托載體的層狀形貌實(shí)現(xiàn)了對(duì)CHX釋放行為的有效控制，研究人員制備了負(fù)載CHX的蒙脫石顆粒，并將其用于Bis-GMA/TEGDMA基牙科樹(shù)脂的抗菌劑。研究發(fā)現(xiàn)CHX與蒙脫石層狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵接可有效減少CHX早期的爆發(fā)性釋放行為，其復(fù)合樹(shù)脂中CHX的釋放質(zhì)量濃度保持在0.002～0.010 mg/mL (僅占總CHX含量的0.0002%～0.001%)，呈恒定的釋放曲線[58]。

3.2 三氯生

三氯生，化學(xué)名稱為2,4,4′-三氯-2′-羥基二苯醚 (圖11)，是一種對(duì)多種微生物有效的常用抗菌劑。目前已將三氯生應(yīng)用至牙膏和漱口液中，旨在控制牙菌斑積聚[109]。三氯生主要通過(guò)抑制細(xì)菌烯醇酰基載體蛋白還原酶和作為細(xì)胞膜基礎(chǔ)的Ⅱ型脂肪酸合酶產(chǎn)生抗菌效果[110]。該類抗菌劑常態(tài)為白色晶狀粉末，在添加入復(fù)合樹(shù)脂后可能導(dǎo)致材料因抗菌劑的浸出而發(fā)生降解，使復(fù)合樹(shù)脂的機(jī)械性能下降[111]。

圖11 三氯生的結(jié)構(gòu)式

為避免三氯生的浸出，De Paula課題組合成了甲基丙烯酸三氯生 (Triclosan methacrylate, TM) 抗菌有機(jī)單體 (圖12)，使其參與樹(shù)脂基體共聚反應(yīng)[59]。所研制的復(fù)合樹(shù)脂在不犧牲力學(xué)性能的條件下，大大減少了S.mutans的粘附，抑制了細(xì)菌生物膜的形成。此外，與空白組相比，添加TM的復(fù)合樹(shù)脂將生物膜積累量由8.91(±0.29) log10CFU減少到7.22(±0.15) log10CFU；樹(shù)脂與TM復(fù)合后，細(xì)菌生物膜主要由死微生物組成(42.42%)，明顯高于對(duì)照組(19.08%)。他們推測(cè)這種新單體的抗菌性能得益于氯元素與復(fù)合樹(shù)脂固化后被永久固定在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)S.mutans與抗菌單體接觸時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞外基質(zhì)的合成被阻礙；另一種可能的抗菌機(jī)理是甲基丙烯酸三氯生能夠改變細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性或破壞表面電荷平衡，導(dǎo)致胞漿滲漏，最終使細(xì)菌死亡。

針對(duì)TM的抗菌機(jī)理，該課題組的De Souza Araújo等人研究了添加TM的復(fù)合樹(shù)脂對(duì)S.mutans生物膜的影響。結(jié)果表明，TM的存在能對(duì)S.mutans在分子和細(xì)胞水平上造成有害影響，使這些微生物的毒力降低，因此，顯著降低了復(fù)合樹(shù)脂表面菌斑的生長(zhǎng)[112]。Teplova等人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，線粒體是三氯生毒性作用的靶點(diǎn)，易對(duì)許多哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生毒性，因此，該類單體在牙科復(fù)合樹(shù)脂中添加量需要被嚴(yán)格控制[110]。綜上可知，如何兼顧抗菌效果、單體轉(zhuǎn)化率以及細(xì)胞毒性將是三氯生作為抗菌劑引入牙科復(fù)合樹(shù)脂不可忽視的議題。

圖12 合成TM的反應(yīng)[59]

3.3 季銨化合物

季銨鹽類化合物 (Quaternary ammonium compounds, QACs) 對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒具有廣譜的抗菌特性。季銨鹽的抗菌機(jī)理主要分為3個(gè)步驟 (圖13)[113]：1) 帶負(fù)電荷的細(xì)菌與帶正電荷的QACs接觸，產(chǎn)生滲透壓；2) QACs通過(guò)細(xì)胞壁擴(kuò)散并與細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)合；3) 細(xì)胞膜破壞，胞質(zhì)成分釋放，細(xì)胞死亡。該抗菌機(jī)理利用了細(xì)菌和QACs之間的靜電吸附作用，被稱為“接觸型抑制”[114]。

由于吸水率高，含可溶性抗菌劑(如CHX)的樹(shù)脂洗脫后會(huì)形成多孔結(jié)構(gòu)，故通常只有短期抗菌效果且力學(xué)性能差，同時(shí)，其與樹(shù)脂基體沒(méi)有化學(xué)鍵接，因此，隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸滲出，可能危害人體健康[115]。與此相比，甲基丙烯酸酯季銨單體(Quaternary ammonium methacrylate, QAM)具有一個(gè)或多個(gè)甲基丙烯酸酯官能團(tuán)，該單體中的雙鍵可與樹(shù)脂基體發(fā)生自由基共聚反應(yīng)，進(jìn)而將季銨鹽類物質(zhì)固定在牙科復(fù)合樹(shù)脂中，使其具有不可逆且持久的抗菌活性[116]。其中，甲基丙烯酰氧十二烷基嗅吡啶 (Methacryloyloxy-dodecyl pyridinium bromide，MDPB)是最早被用作牙科材料抗菌劑中的單甲基丙烯酸酯基季銨單體 (圖14(a))[60]，它是一種可參與聚合反應(yīng)的抗菌劑。含有MDPB的復(fù)合樹(shù)脂經(jīng)固化操作后，其分子中的抗菌成分即被固定，0.2wt.% MDPB樣品可明顯抑制細(xì)菌(S.mutans)生長(zhǎng)，90 d后仍表現(xiàn)出抗菌效果。

圖13 季銨鹽抗菌機(jī)理[113]

但是，單甲基丙烯酸酯類季銨單體只能進(jìn)行線性聚合，高濃度單體的加入會(huì)顯著影響聚合物整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和性能[117]。與此相比，雙甲基丙烯酸酯基季銨單體可用作交聯(lián)劑，因此，近年來(lái)研究人員圍繞該單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合成開(kāi)展了相關(guān)研究工作。Weng等人合成了溴化雙甲基丙烯酸酯基季銨鹽 (BPDQABDMA)，其結(jié)構(gòu)如圖14(b)所示。該單體具有的長(zhǎng)鏈烷基結(jié)構(gòu)使其抗菌性能得到顯著提高，但同時(shí)也極大地降低了單體轉(zhuǎn)化率和力學(xué)性能[61]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著B(niǎo)PDQABDMA含量從10wt.%增加到70wt.%，復(fù)合樹(shù)脂的抗壓強(qiáng)度從300 MPa下降到78 MPa，S.mutans存活率從78%降低至16%。因此，需要通過(guò)調(diào)控該溴化季銨鹽的含量，平衡復(fù)合樹(shù)脂的抗菌活性與機(jī)械強(qiáng)度。Li等人合成了1,3-雙(甲基丙烯酰氧基)丙基-羰基-己基溴化吡啶 (1,3-bis(methacryloyloxy)propyl-carbonyl-hexylpyridinium bromide, QANMA)，當(dāng)向Bis-GMA/ TEGDMA基樹(shù)脂中引入10wt.%以上的QANMA單體時(shí)，方能在活/死細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)中觀察到復(fù)合樹(shù)脂對(duì)S.mutans明顯的抗菌性。雖然該單體的加入降低了復(fù)合樹(shù)脂的力學(xué)性能，但其彎曲強(qiáng)度依然滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)[62]。Melo等人將合成的雙(2-甲基丙烯酰氧乙基)二甲基溴化銨(bis(2-methacryloyloxyethyl)dimethyl-ammonium bromide, QADM) 用于牙科復(fù)合樹(shù)脂，并進(jìn)行了人體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)以研究其對(duì)細(xì)菌生物膜形成的抑制效果[63]。在受試者體內(nèi)對(duì)S.mutans生物膜培養(yǎng)7～14 d后發(fā)現(xiàn)，含10wt.% QADM單體的復(fù)合樹(shù)脂在7 d內(nèi)表現(xiàn)出明顯的抑菌效果 (較空白樣CFU值下降了43%)，但7～14 d的測(cè)試結(jié)果沒(méi)有顯著性差異(p>0.05)，即抗菌效果欠佳。因此，合成新型抗菌雙甲基丙烯酸酯基季銨單體時(shí)，除了考慮其抗菌性能，還需兼顧單體轉(zhuǎn)化率、力學(xué)性能和長(zhǎng)效抗菌性能等。

鑒于雙甲基丙烯酸酯基季銨鹽類單體的加入對(duì)提高樹(shù)脂力學(xué)性能的作用依然有限，Wang等人進(jìn)一步合成了四甲基丙烯酸酯基季銨單體(Tetrafunctional methacrylate-based polymerizable quaternary ammonium monomer,TMQA)，其結(jié)構(gòu)如圖14(c)所示，旨在通過(guò)增加甲基丙烯酸酯基基團(tuán)的數(shù)目以提高交聯(lián)度，提高復(fù)合樹(shù)脂的力學(xué)性能[64]。TMQA的最低抑菌濃度(MIC)為7.81 μg/mL，最低殺菌濃度 (MBC) 為31.3 μg/mL，與常用抗菌劑CHX和單甲基丙烯酸酯基季銨單體(2-methacryloxylethyl dodecyl methyl ammonium bromide, MAE-DB)的抗菌活性維持在同一數(shù)量級(jí)。但由于TMQA的分子量較高，樹(shù)脂基體的粘度隨著TMQA加入量的增加而增大，聚合過(guò)程中單體的流動(dòng)性受到影響。因此，如果樹(shù)脂基體中TMQA的濃度過(guò)高，超過(guò)樹(shù)脂聚合物網(wǎng)絡(luò)的可聚合能力，反而可能對(duì)樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不利影響。綜上可知，TMQA在含量控制得當(dāng)?shù)那闆r下，仍有望成為一種牙科復(fù)合樹(shù)脂用新型有機(jī)單體類抗菌劑。

圖14 (a) 甲基丙烯酰氧十二烷基嗅吡啶(MDPB)的結(jié)構(gòu)式[60]，(b) 溴化雙甲基丙烯酸酯基季銨鹽(BPDQABDMA)的結(jié)構(gòu)式[61]，(c) 四甲基丙烯酸酯基季銨單體(TMQA)的結(jié)構(gòu)式[64]

4 展 望

由于口腔細(xì)菌生物膜可在樹(shù)脂基復(fù)合材料上沉積和生長(zhǎng)，因此，在牙科復(fù)合樹(shù)脂中加入抗菌劑可有效降低齲齒修復(fù)失敗率，具有重要的臨床研究意義和應(yīng)用價(jià)值。相較于常見(jiàn)的銀系抗菌劑和氟系抗菌劑，QACs作為最為典型的非釋放型抗菌劑，在提高牙科復(fù)合樹(shù)脂抗菌性能的研發(fā)中起著關(guān)鍵作用。近期研究表明，通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化技術(shù)和無(wú)機(jī)填料表面改性方法可將QACs類有機(jī)單體成功接枝于無(wú)機(jī)填料表面，且所制得的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化填料的抗菌活性遠(yuǎn)高于QAM，從而為牙科復(fù)合樹(shù)脂用抗菌劑的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)拓了新的思路。此外，在抗菌型有機(jī)單體的選擇方面，天然生物分子及其衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)也得到了科研工作者的廣泛關(guān)注，為抗菌型牙科復(fù)合樹(shù)脂的研發(fā)提供了更多選擇。

此外，由于多數(shù)抗菌劑在滿足抗菌性能的同時(shí)，無(wú)法避免地對(duì)復(fù)合樹(shù)脂的單體轉(zhuǎn)化率、力學(xué)性能、生物相容性或美觀性產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，在新型抑菌劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，不應(yīng)以降低牙科復(fù)合樹(shù)脂材料的物理-機(jī)械性能為代價(jià)，否則也將導(dǎo)致修復(fù)失敗。同時(shí)，為了滿足材料在口腔中的長(zhǎng)期服役，抗菌活性的長(zhǎng)期有效性也是后續(xù)研究工作中必須考量的重要指標(biāo)之一。因此，抗菌牙科復(fù)合樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和組成仍需進(jìn)一步進(jìn)行探索和研究，以期滿足材料的長(zhǎng)期臨床應(yīng)用。