項欣悅 侯亞娟 王宏遠

稀土元素因各元素的電子排列結(jié)構(gòu)相似，所以彼此之間有著相近的化學性質(zhì)。稀土元素實際并不稀有，它約占地殼中已知元素的17%，其中鈰含量在地殼中排名第25。我國是世界上唯一擁有稀土全產(chǎn)業(yè)鏈的國家[1]，稀土的產(chǎn)量、儲備量及出口數(shù)量均處于世界首位。稀土元素電價高、化學性質(zhì)活潑，有良好的還原性，其氧化物有良好的熱穩(wěn)定性，被廣泛應用于軍事、農(nóng)業(yè)、化工、陶瓷等多個領(lǐng)域[2]，已成為十分重要的戰(zhàn)略資源，工業(yè)領(lǐng)域被比喻為“維生素”，在材料領(lǐng)域被稱為“材料之母”[3]；它還因具有消炎、抗凝血、促愈合等多種作用，在免疫調(diào)節(jié)、拮抗內(nèi)毒素、燒傷、抑癌等醫(yī)學領(lǐng)域得到廣泛應用[4]。

稀土元素與傳統(tǒng)抑菌金屬（如銀等）相比，其價格低廉、資源豐富，現(xiàn)已作為抑菌劑被廣泛應用于各領(lǐng)域。20世紀初，一種以硫酸鈰鉀為主要成分的外用殺菌藥Cerifo?rm已在國外出現(xiàn)，后鈰鹽逐漸被用于嘔吐及結(jié)核病的治療[5]；近代以來，梁光容等[6]將CeO2加入到水性氟碳漆中制成的抗菌涂料，不僅能防止霉變和抑菌，并且大幅提升了涂料的抗老化性能；而以鑭為代表的稀土元素作為農(nóng)藥添加劑對小麥、棉花、水稻以及番茄、西瓜等植物的常見病有顯著抑制作用[7]。本文主要以稀土元素中的鈰和鑭為例，就其抑菌機制及其作為抑菌劑在口腔醫(yī)學中的應用與研究進展加以綜述。

1.稀土元素的抑菌機制

1.1 直接抑菌作用

1.1.1 靜電吸附作用 稀土元素本身是一種金屬，其金屬陽離子通過靜電吸附作用結(jié)合在帶負電的菌體表面并破壞細菌細胞壁、細胞膜等結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部產(chǎn)生大量縫隙，從而改變菌體內(nèi)外的物質(zhì)交換，使細菌因缺乏必需的營養(yǎng)物質(zhì)而死亡[8]。Liu Peng等學者[9]用La3+作為探針離子，以大腸桿菌(Escherichia co?i,E.co?li)為靶細胞，通過掃描電子顯微鏡觀察到E.co?li細胞膜的主要結(jié)構(gòu)脂多糖含量及形貌發(fā)生了明顯變化，得出了La3+能夠破壞細菌細胞膜結(jié)構(gòu)的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)高濃度的稀土離子也可以與革蘭氏陰性菌細胞壁的主要成分肽聚糖中的碳基和羧基發(fā)生作用，破壞細菌的細胞壁[10]。

1.1.2 替代型抑菌作用 稀土元素進入細菌細胞內(nèi)部后發(fā)揮抑菌作用的主要機制是替代型抑菌[11]，即由于某些金屬離子與細菌自身生長繁殖所必需的營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)間有相似性，使得這些金屬元素可以代替營養(yǎng)元素進入細菌體內(nèi)干擾其代謝，達到抑制細菌生長繁殖的目的，這類金屬元素被稱為拮抗劑，稀土元素就是鈣的拮抗劑。稀土元素離子電荷數(shù)較Ca2+多，并且其獨特的-4f電子層結(jié)構(gòu)容易丟失外層和次外層的電子形成不同價態(tài)的離子，具有活潑的配位性，對N、O、S等酸性基團有更大的親和力，所以更易取代Ca2+形成化學性質(zhì)更為穩(wěn)定的配合物[12]。霍春芳等[13]向芽孢菌培養(yǎng)液中加入La3+的鹽溶液，通過觀察芽孢菌外部及微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，并用原子吸收分光光度法測定加入前后芽孢菌體內(nèi)的Ca2+含量，發(fā)現(xiàn)位于芽孢菌核心的2，6-吡啶二羧酸鈣(DPA-Ca2+)中的Ca2+易被La3+取代成為化學性質(zhì)更為穩(wěn)定的新的螯合物，菌體內(nèi)的Ca2+流失從而降低其活性甚至使其滅亡，這進一步證實了稀土元素發(fā)揮替代型抑菌作用的觀點。

1.1.3 氧化還原作用 稀土元素鈰通常以+4價態(tài)存在，但其常有空間缺陷，部分鈰以Ce3+的形式存在，故其氧化物通?？梢栽?價和4價之間快速切換[14]，即鈰可以兼具還原劑以及氧化劑的功能。這一特性使其可以在生物體內(nèi)模擬多種酶的作用，催化氧化還原反應，殺死體內(nèi)一些有害物質(zhì)，例如CeO2納米粒子（CeO2NPs）可以殺滅體內(nèi)多余的活性氧(reactive o?xygen species,ROS)。生理情況下，ROS行使第二信使的功能參與細胞的信號傳導[15]，其具有的強氧化性也可以殺滅體內(nèi)的細菌及病原體，對機體有益無害；然而炎癥刺激下免疫細胞產(chǎn)生過多的ROS，會破壞DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等細胞成分，造成組織損害[16]。而CeO2NPs 可以模擬超氧化物歧化酶（Super Oxide Dismutase,SOD）及過氧化氫酶（catalase,CAT）的功效，將機體內(nèi)的ROS數(shù)量維持在正常水平[17]。

稀土元素上述主要的三種抑菌機制，在實際應用的過程中，并非單一的抑菌機制發(fā)揮作用，一般是三者的聯(lián)合效應。

1.2 協(xié)同抑菌作用 稀土元素也能作為協(xié)同因子加入至其它無機抑菌材料中發(fā)揮協(xié)同抑菌作用。協(xié)同效應的定義是將2種及以上的物質(zhì)聯(lián)合應用，所產(chǎn)生的效果大于各部分單獨應用時效果的總和[18]。

納米氧化鋅（Zinc o?xide nano?particles，ZnONPs）是優(yōu)良的光催化型無機抑菌金屬，但由于其禁帶范圍較寬（Eg=3.37eV[19]），只能吸收在日光中占比＜5%的紫外光，光催化性能不佳。而稀土元素獨特的4f軌道容易發(fā)生f-f光學躍遷，能夠吸收更多的紫外光及其余可見光，提升了ZnO-NPs對光子的利用率[20]，并且能抑制電子-空穴的復合[21]，提高了其抑菌性能。然而，口腔內(nèi)很少有陽光直射的特殊性限制了這項技術(shù)的應用，故我們可以將稀土元素摻雜的ZnONPs應用于前牙貼面或全瓷冠修復體中。

稀土元素也可以提升金屬Cu2+的抗菌性。毛華明等[22]向載納米銅抗菌硅膠中加入Tb3+制備出Cu2+/Tb2O3抗菌硅膠，發(fā)現(xiàn)材料中Cu2+溶出量提升了約4 mg/L，對E.co?li以及金黃色葡萄球菌的最小殺菌濃度（Minimal Bactericidal Co?ncentratio?n, MBC）及最小抑菌濃度（Minimum Inhibito?ry Co?ncentratio?n,MIC）均有所改善。其抑菌機理是TbOx·xH2O在燒制后容易脫掉結(jié)晶水變成體積較小的Tb2O3，可以填充于抗菌硅膠的孔隙內(nèi)，增加其比表面積，擴大材料與細菌的接觸面積；同時可以抑制Cu2O晶體再結(jié)晶，細化其晶粒尺寸[23]，有利于CuO和Cu2+流出并穿透細胞膜進入細菌體內(nèi)發(fā)揮其抑菌作用。

綜合以上，將稀土元素作為協(xié)同因子加入無機金屬抑菌材料中，即可以提升材料的抑菌性，又可以減少金屬離子的用量，在環(huán)保和節(jié)約成本兩方面起到了一舉兩得的作用。

2.稀土元素在口腔醫(yī)學中的應用

2.1 在齲病防治中的應用 齲病是口腔科的常見病，變形鏈球菌（Strepto?co?ccus mutans，S.mutans）、遠緣鏈球菌（Strepto?co?ccus so?brinus，S.so?brinus）等是其主要致病菌。使用氟化物防齲現(xiàn)已廣泛應用于臨床，但由于它可導致氟斑牙、氟骨癥等，故目前學者們也在積極探索其他齲病防治的替代藥物。

已有研究證實鑭有防齲功效，其防齲機制體現(xiàn)在以下兩方面：（1）已知葡糖基轉(zhuǎn)移酶（Gluco?syl Transferases，GTF）既可以水解蔗糖，催化其形成細菌代謝的底物葡聚糖，又可以產(chǎn)生葡聚糖鏈利于牙菌斑在牙表面的粘附和集聚[24]，已被公認為是重要的致齲因子。研究[25]表明GTF需與Ca2+等金屬離子結(jié)合才能發(fā)揮作用，而La3+可以優(yōu)先與Ca2+結(jié)合而競爭性抑制GTF酶活性，且其抑制率是F-的2倍。（2）La3+可以取代釉質(zhì)表面的羥基磷灰石（Hydro?xyapatite,HA）中的Ca2+，形成理化性能更穩(wěn)定的鑭磷灰石覆蓋于牙面，提高了牙齒表面的抗酸能力，阻止釉質(zhì)脫礦[4]；而被置換出的Ca2+可提高周圍環(huán)境中游離Ca2+的飽和度，促進已脫礦的釉質(zhì)或牙骨質(zhì)再礦化[26]。此機制與氟化物防齲相類似，但小白鼠實驗數(shù)據(jù)顯示：NaF的半數(shù)致死量僅為168.34 mg/kg，而LaCl3需達到10000 mg/kg[27]。綜合以上，鑭的毒性遠小于氟，但具有與氟相似的防齲作用，因此可以考慮在符合生物安全性的劑量下將鑭代替氟加入至牙膏、再礦化液及漱口水中用以防治齲病。

現(xiàn)階段已有將稀土元素應用于齲病防治的研究：黃春娟等[28]將釔負載于HA涂層制備出的納米Y/HA可以明顯降低S.mutans在牙面的粘附，同時使細菌細胞壁粗糙皺縮，具有殺滅細菌的作用。王慧娟等[29]向正畸托槽粘接劑中加入含5%的LaCl3溶液，通過測定菌液的光密度(o?ptical density，OD）值（入射光強度與透射光強度之比的對數(shù)值，表示被檢測物吸收掉的光密度[30]，其數(shù)值與樣品的抗菌性呈負相關(guān)[29]）,發(fā)現(xiàn)鑭的加入提高了材料對S.so?brinus的抑制性，從而可以降低由于帶矯治器引發(fā)齲白斑[31]的可能性。

2.2 在牙周炎與種植體周圍炎防治中的應用 目前，牙周炎已成為第二大口腔疾病，而伴隨種植技術(shù)的普及應用，種植體周圍炎發(fā)病率也越來越高，其致病菌和發(fā)病機制均類似于牙周炎；但由于種植體周圍缺少神經(jīng)和血管，導致其周圍的防御功能相比于天然牙周系統(tǒng)大大減弱，從而使細菌更易入侵[32]?？谇会t(yī)生正在積極探究牙周炎與種植體周圍炎的防治措施，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)稀土元素具有同時可以抑制天然牙或種植體表面細菌的集聚以及減輕其周圍炎癥反應的性能，其防治機理如下：

2.2.1 直接抑菌 稀土元素可以直接抑制牙周致病菌的生長。王小平等[33]用液體稀釋法測定LaCl3對口腔內(nèi)常見的8種細菌的MIC，發(fā)現(xiàn)LaCl3對牙齦卟啉單胞菌（Po?rphyro?mo?nasgingivalis，P.gingivalis）、具核酸桿菌(Fuso?bacterium nucleatum，F(xiàn).nucleatum)、S.mutans以及乙型溶血性鏈球菌等牙周致病菌有較強的抑制作用，濃度為1533 μg／ml時即可殺滅細菌；李雪等[32]將純鈦種植體表面用CeO2納米粒子改性，發(fā)現(xiàn)改性后的鈦片可以明顯抑制P.gingivalis和F.nucleatum的生長。其抑菌機制主要為稀土元素的靜電吸附作用。

2.2.2 改善機體免疫應答 前文已述，體內(nèi)蓄積過量的ROS會加重牙周炎的癥狀，而CeO2NPs可以模擬SOD和CAT消滅多余的ROS。稀土元素也會對其他免疫應答物質(zhì)起作用：李雪等[32]發(fā)現(xiàn)鈰改性的鈦片對利于破骨細胞生成的白細胞介素-6（Interleukin-6, IL-6）、影響結(jié)締組織生物學活性的IL-1β、加重組織炎癥反應的TNF-α等均可產(chǎn)生持久有效的抗炎作用。汪泱等[33]用酶聯(lián)免疫吸附試驗法（enzyme linked immuno?so?rbent assay, ELISA法）得出相似結(jié)論：LaCl3能夠抑制脂多糖（Lipo?po?lysaccharides, LPS）誘導巨噬細胞產(chǎn)生TNF-α，同時具有拮抗細菌內(nèi)毒素的作用。綜合以上，稀土元素可以通過清除產(chǎn)生的炎性物質(zhì)來治療牙周炎及種植體周圍炎。

2.2.3 修復骨缺損 組織工程是現(xiàn)階段恢復骨缺損較為推崇的方法，它是將細胞、生長因子和材料支架三者復合物植入缺損的部位用以修復組織和器官缺損的方法。骨髓間充質(zhì)干細胞(Bo?ne Mesenchymal Stem Cells,BMSCs)取材容易且增殖力強[34]，是組織工程中常用的一類子細胞，但其單獨應用存在成骨慢，新形成的骨質(zhì)密度低等缺點[35]。胡穎等[35]將Ce3+加入至小鼠體內(nèi)分離培養(yǎng)得到的BMSCs中，發(fā)現(xiàn)Ce3+的加入不僅加速了小鼠顱骨處骨缺損區(qū)的新骨生成，并且使缺損區(qū)中的骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bo?ne mo?rpho?-genetic pro?tein,BMP）、骨鈣素（o?steo?calcin,OC）等在成熟骨中高度表達的特異性蛋白數(shù)量增加，證明稀土元素具有促進細胞增殖和形成新骨的功能[36]；HA是組織工程中常用的一種生物支架，劉鵬等[37]將Tb3+摻雜入HA中并植入小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Tb3+促進了小鼠體內(nèi)胚胎成骨細胞前體細胞（MC3T3-E1）細胞的粘附與增殖，提高了成骨效率，表明Tb3+也可以作為潛在的成骨細胞分化促進劑激活成骨過程。

牙周炎及種植體周圍炎導致的支持骨組織喪失是目前臨床上亟待解決的難題，如果能運用稀土元素改善這一問題，必將對整個口腔行業(yè)發(fā)展起到至關(guān)重要的推動作用。

2.3 在義齒性口炎防治中的應用 據(jù)調(diào)查，65-74歲年齡組的老人平均失牙數(shù)為11.3顆，無牙頜率更是高達6.82%，活動義齒因其使用方便、價廉、適用范圍廣，使用人數(shù)仍居于高位[38]，但其佩戴過程中易患由白色念珠菌引起的義齒性口炎。

臧旖欣等[39]研究發(fā)現(xiàn)：將濃度為2%～3%(w/w%)的LaCl3加入到活動義齒的樹脂基托中對其表面改性，La3+可以與Ca2+結(jié)合形成抗酸性能更好的磷酸鑭，大大減少了基托表面的白色念珠菌數(shù)量。另外，LaCl3的加入對樹脂基托的彎曲強度、沖擊強度以及彎曲彈性模量等機械性能均起到正向作用，且對機體無明顯毒副作用[40]。故可以考慮將稀土材料加入到義齒基托或軟襯材料中，起到防治義齒性口炎的作用。

2.4 在根管治療中的應用 根管內(nèi)殘存的糞腸球菌（Entero?co?ccus faecalis, E.faecalis）是致使根管治療后出現(xiàn)疼痛、根尖周炎癥、根管再感染等現(xiàn)象的主要緣由。E.faecalis是革蘭氏陽性兼性厭氧菌，能夠耐受復雜根管內(nèi)嚴苛的生存環(huán)境，有良好的滲透能力可定植于根管峽部、根分叉區(qū)等器械難以到達的死角，常規(guī)的根管預備、藥物沖洗、根管內(nèi)封藥等方法均難以將其完全殺滅，且根管再治療后的患者更易產(chǎn)生耐藥性，故臨床上正在積極探索一種新的無毒無害且不易產(chǎn)生耐藥性的根管消毒劑。

程瑞卿等[41]將LaCl3溶液封入離體前磨牙根管內(nèi)，發(fā)現(xiàn)封藥三天時LaCl3即可對E.faecalis產(chǎn)生抑制作用，封藥7天后可以使根管內(nèi)的E.faecalis完全滅活，殺菌效果與作為對照組的氫氧化鈣、甲醛甲酚（Fo?rmalin Creso?l, FC）、樟腦酚(Campho?r Pheno?l，CP)這3類傳統(tǒng)根管消毒劑無統(tǒng)計學差異，其抑菌機制是La3+取代了E.faecalis中Ca2+的結(jié)合位點使其活性受到抑制。La的毒副作用遠小于FC和CP[42]，且不易產(chǎn)生耐藥性，因此可以作為新型根管消毒劑以殺滅根管內(nèi)殘留的E.faecalis。

3.稀土元素的生物安全性研究

李江等[42]以小鼠為實驗對象，分別將鑭有效防齲濃度(500 ppm)5倍、20倍的鑭溶液擦拭在小鼠的頰黏膜等皮膚黏膜處，發(fā)現(xiàn)涂藥后小鼠未表現(xiàn)出毒性反應。此外，有學者[43]在一種新型牙科用鈦合金中加入鈰，發(fā)現(xiàn)不僅提高了材料的綜合性能，且四氮唑鹽比色法(Methyl Thiazo?lyl Tetrazo?lium, MTT法)測得其細胞毒性為0-1級，符合生物安全性的要求。

然而，稀土元素在口腔內(nèi)的應用還存在以下顧慮：

（1）結(jié)合前文所述，稀土元素會通過破壞細菌的DNA結(jié)構(gòu)或替代細菌中Ca2+的結(jié)合位點抑菌，但其是否對人體內(nèi)正常的DNA和Ca2+起作用尚沒有試驗證實。

（2）雖然經(jīng)口服攝入的稀土化合物99%會隨糞便排出，且經(jīng)過胃腸吸收少于0.1%[44]，2017年9月實施的食品安全國家標準GB2762-2017已經(jīng)取消了植物性食品中稀土的限量要求[45]；但是攝入體內(nèi)的稀土會逐步向肝、脾、骨等網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的組織轉(zhuǎn)移并累計，濃度過高會影響肝的造血功能、造成生物代謝紊亂和誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥。故正確掌握稀土的添加量是將其安全應用于口腔中的重要前提，目前稀土對人體的ADI(Allo?wable Daily Intake,每日允許攝入量)值有以下3個標準[46]可供參考（見表1）。

表1 稀土對人體的ADI值（mg/kg）

（3）有學者發(fā)現(xiàn)稀土元素對動植物的生長具有雙向性，即濃度較低時促進，反之抑制，亦稱Ho?rmesis效應[10]。此外，有研究表明，稀土元素的抑菌性能不僅與濃度有關(guān)，同時與其顆粒大小、周圍理化環(huán)境以及其與細菌細胞表面作用有關(guān)[47]，故稀土元素實際應用于口腔臨床時，其劑量、毒副作用、形貌特征、理化環(huán)境等均考慮在內(nèi)。

4.存在的問題與展望

稀土元素特有的抗菌性及著色性，使其在口腔醫(yī)學領(lǐng)域有著廣泛的應用前景，但其仍存留以下幾方面問題：（1）稀土元素抗菌效果的穩(wěn)定與持久性、能否達到緩釋性等均有待進一步的研究。（2）有文獻[48]記載，稀土元素具有在動植物及土壤內(nèi)沉積的現(xiàn)象，并且當前的生物安全性研究多為動物實驗，故其應用于人體的安全性、進入人體后的吸收、分布、代謝及排泄等藥動學特征以及是否會造成環(huán)境污染等問題還需要進一步研究。（3）現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于稀土在口腔方面的應用研究主要是鈰和鑭兩種元素，其他稀土元素研究較少，但因它們之間有相似的化學性質(zhì)，故可加以借鑒。

我國是稀土大國，如若能高效利用稀土元素，必將大大推動口腔臨床醫(yī)學、材料學、陶瓷業(yè)等多產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展與進步。