钙硅基生物材料的抗菌性能及在根管感染控制中的研究进展

冷迪雅，李 谨，朱庆萍，吴大明

钙硅基生物材料(calcium silicate cements，CSCs)含有Ca和Si，具有良好的理化性能、生物相容性和诱导骨再生的能力，在医疗领域中得到了广泛的关注。CSCs释放Ca2+和Si4+显著升高溶液的pH值[1]，产生抗菌性能。介孔CSCs比传统的CSCs有更高的比表面积/体积、可控的孔隙率，能够有效加载药物、蛋白和生长因子，显著增强了抗菌性和生物活性。纳米CSCs能生成活性氧(reactive oxygen species，ROS)[2]，抗菌性提高且不易出现细菌耐药性，对铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa，P.aeruginosa)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，S.aureus)和大肠杆菌(Escherichiacoli，E.coli)等耐药菌都显示出良好的抗菌效果。本文就代表性CSCs的抗菌性及在根管感染控制中的研究进展进行综述。

1 三氧化物聚合物(mineral trioxide aggregate, MTA)

MTA主要由硅酸三钙、硅酸二钙、氧化铋，以及少量铁和铝元素组成，能够诱导硬组织生成并形成理想的根尖封闭。1993年，Lee等[3]首次将MTA应用于根管侧穿的修复，目前已广泛应用于盖髓术、牙髓切断术、根尖诱导成形术、穿孔修补和根尖屏障等牙髓治疗中。

MTA与组织液或水接触释放Ca2+和OH-，提高溶液pH值，从而破坏细胞质膜和DNA，导致蛋白变性并杀死细菌[4]。MTA连续释放氢氧化钙(Ca(OH)2，CH)，维持强碱性环境，对变形链球菌(Streptococcusmutans，S.mutans)和S.aureus等都有良好的抗菌作用[5]。Shin等[6]认为MTA的抗菌性可能与新鲜混合状态下离子的扩散和pH值的升高有关，而在凝固状态下MTA对兼性厌氧菌(如S.mutans)和厌氧菌(如牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonasgingivalis，P.gingivalis))等都无抗菌性。MTA对白色念珠菌(Candidaalbicans，C.albicans)的抗真菌作用具有浓度依赖性，高浓度MTA的抗真菌性能维持较长时间而低浓度则无抗真菌性[7]。MTA对顽固性根尖周炎最常分离出的粪肠球菌(Enterococcusfaecalis，E.faecalis)的抗菌效果有限，可能是因为E.faecalis细胞膜和细胞质的缓冲作用及质子泵降低细胞内pH值，从而维持了细胞内pH稳态。此外，牙本质的缓冲作用使MTA在根管内不能保持理想的高pH环境[8]。

改性的MTA抗菌能力有所提高。Kim等[9]报道加入氟化物的Endocem MTA能够抑制E.faecalis的生长，而不含氟化物的MTA-Angelus和ProRoot MTA对E.faecalis无抑制。添加氯己定(chlorhexidine，CHX)的MTA抗菌作用显著增加，对感染根管或根尖周感染灶中常见的E.faecalis、C.albicans和血链球菌(Streptococcussanguis，S.sanguis)等都有更强的抑菌性[10]。纳米改性的MTA显著增加Ca2+的释放，产生高碱性环境和高反应性的ROS，增强了对根管内微生物及其生物膜的抗菌活性[11]。

然而，MTA存在凝固时间长和潜在变色等缺点。当MTA暴露在酸性环境中时，其显微硬度、密封能力和粘合强度都会降低。另外，改性的MTA虽然抗菌性得到提高，但理化性质和生物相容性出现改变。例如，CHX改性的MTA细胞毒性增加，会诱导细胞凋亡，而传统MTA则不表现细胞毒性[12]。

2 iRoot

iRoot是一种新型的硅酸钙根管充填材料，其成分与MTA的主要区别为不含铝和氧化铋，减少了牙齿变色的可能。另外，iRoot含有五氧化二钽和氧化锆，能对X线产生阻射。iRoot可注射，不溶解收缩，封闭性好，具有良好的生物相容性。目前临床常用的产品主要包括iRoot BP、iRoot BP Plus、iRoot SP和iRoot FS等，它们成分相似，都是预混即用型材料，操作方便。iRoot BP、iRoot BP Plus主要应用于直接或间接盖髓、活髓切断术、根尖倒充填、髓腔穿孔修补等治疗[13]。iRoot SP由于良好的流动性和渗透性，常用作牙髓炎、根尖周炎治疗中的封闭剂[14]。iRoot FS为改良的快速固化型iRoot糊剂，在1 h内就能完全凝固，是有利的牙髓覆盖材料[15]。

iRoot为纳米粒径，遇到来自牙本质和根尖周组织的水分时，其含有的硅酸钙会产生硅酸钙水凝胶和CH，迅速升高pH值，产生抗菌效应。Nirupama等[16]报道iRoot SP的pH值可高于12，对E.faecalis、S.aureus和C.albicans有明显的抑菌活性。Bi等[17]报道iRoot FM对P.gingivalis具有抗菌活性，可能是因其释放的CH改变细胞膜的完整性和细菌营养物的传输，抑制细菌代谢生长和增殖；含有的氧化锆通过氧化还原反应产生抗菌效果。然而iRoot的抗菌性随时间的延长而减弱，新鲜的和应用1天的iRoot对E.faecalis和C.albicans具有显著的抗细菌和抗真菌作用，而混合7 d的iRoot抗菌活性不佳，不利于根管感染长期彻底的控制[16]。

iRoot有望成为MTA的替代品。但是 iRoot的固化时间、流动性、多孔性随温度升高而显著降低，这影响了热牙胶垂直加压充填的临床操作和充填质量，使得可操作时间变短，对根管充填的密封性也有不利影响[18]。iRoot在国内应用不久，价格较昂贵，其临床疗效仍需大量的病例和更长时间的追踪来客观评价。

3 生物玻璃(bioactive glass，BG)

BG是上世纪70年代Hench教授研制的一种具有良好生物相容性、能促进骨组织修复的玻璃材料，以Bioglass®45S5为代表，主要成分为SiO2、Na2O、CaO和P2O5[19]。

BG本身具有一定的抗菌性，对需氧菌和厌氧菌如S.aureus、E.coli、P.gingivalis、S.mutans和S.sanguis等都有抑菌能力[20-22]。BG的抗菌机制主要包括：①BG溶解释放Na+、Ca2+和 Si4+等离子，与H+或H3O+发生质子化，提高溶液的pH值；②释放离子使溶液渗透压升高，产生渗透效应；③引起环境中Ca、P沉积，使组织钙化而产生抗菌效果；④BG形成针样碎片，破坏细菌的细胞壁及细胞结构，导致细菌的死亡[21-22]。

Waltimo等[23]发现BG的抗菌能力与它的粒径有关，粒径越小抗菌性越佳且生物相容性越好。纳米BG表面积是微米BG的12倍，在液体中释放Si4+的量增加10倍，使溶液pH值上升3个单位，杀菌性能显著增强。BG还可以载入银、铜、金、锌等金属离子增强其抗菌性。载入Zn的BG可通过抑制细菌细胞中的糖酵解、跨膜质子转位和耐酸性来提供抗菌活性，同时促进骨组织的形成和增长[24]。

然而，Zehnder等[25]研究发现BG对人牙根管E.faecalis感染的抗菌性能比CH糊剂差，且BG不能预防根管发生细菌再感染。此外，BG存在降解速率慢和不完全转化为羟基磷灰石(HA)的问题，这可能会导致降解速率与新组织形成速率不匹配，以及人体内长期存在未转化的玻璃材料，不利于组织的愈合[26]。

4 介孔生物玻璃(mesoporous bioactive glass，MBG)

2004年，Yan等[27]使用嵌段共聚物表面活性剂(P123)为模板剂，通过溶剂挥发诱导自组装技术和溶胶-凝胶法首次合成MBG。MBG的主要成分为CaO、SiO2和P2O5，具有高度有序的介孔通道(4～7 nm)和高比表面积(150～500 m2/g)。与传统BG相比，MBG拥有更好的体外HA矿化能力和细胞相容性，其内部的介孔通道能有效负载药物、蛋白和生长因子，因此MBG被认为是优良的生物载体。MBG可用于制造支架，提供生物相容性机械支持，促进血管化组织的修复和/或再生[28]。

赵存挺[29]制备了MBG(M58S)，发现M58S抗菌性较弱，作用于大肠杆菌1 h后，抑菌率仅为13.73%。但MBG特有的介孔结构可以负载各种金属离子或抗菌素(如庆大霉素、万古霉素和氧氟沙星等)，增加抗菌效果。Bari等[30]报道载入Cu的MBG对E.coli、S.aureus和表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis，S.epidermidis)都有良好的抑制作用，且能破坏S.epidermidis生物膜。Fan等[31]合成载Ag的MBG，能释放Ag+，对根管内E.faecalis生物膜有较强的抗菌作用。MBG还可以通过两性离子化，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)胺化MBG随后锚定赖氨酸，使得MBG表面S.aureus粘附减少99.9%，防止再感染的发生[32]。

然而，通过增加载入元素的浓度能提升MBG的抗菌性，但高剂量的金属离子会引起细胞毒性[33]，所以在抗菌活性和生物相容性之间取得平衡是必须的。此外，由于介孔结构的存在，使得MBG脆性高，机械强度降低。MBG的高降解速率和不稳定的表面，也会对细胞附着和生长产生负面影响。如何改善MBG的机械性能而不影响其生物活性和药物传递能力，成为了亟待解决的问题。

5 介孔钙硅纳米粒子(mesoporous calcium-silicate nanoparticles, MCSNs)

2012年，Wu等[34]利用模板法首次合成MCSNs。MCSNs是由Ca、Si和O组成的具有有序介孔通道的球形纳米颗粒，直径为100～250 nm[35-36]。MCSNs能诱导HA矿化、促进干细胞增殖、调节细胞周期蛋白的表达及成骨诱导[37]。MCSNs可注射使用[36]，可与其他材料混合通过3D打印技术制造复合生物支架，促成HA沉积，还能载入地塞米松等药物并持续释放以辅助骨再生[38]。

MCSNs可以作为生物分子的载体并协调其释放，应用于各种生物工程，例如细胞因子的释放，靶向药物的传递和基因靶向等，为根管内感染控制，骨缺损修复，甚至肿瘤治疗等提供了新的思路。然而，MCSNs具有降解速率快的不足，快速降解的硅酸钙有急剧增加周围环境碱度的倾向，在植入早期阶段可能会诱导免疫和炎症反应[41]。MCSNs自身的抗菌能力有限，需要通过添加抗菌药物来增强，但有些添加物可能对MCSNs的生物相容性产生不利影响。

6 结 语

MTA与iRoot材料的抗菌性主要通过释放Ca2+和OH-提高溶液pH值实现，存在浓度依赖性与时间依赖性，MTA对难治性根尖周炎中存在的厌氧菌和兼性厌氧菌的抗菌效果较差。MTA通过结构或表面改性、或混合目的性材料形成复合材料，可提高其抗菌效果，但改性后材料的理化性能和生物相容性的改变还需要进一步探究。BG、MBG与MCSNs具有良好的生物相容性，能诱导HA矿化、促进细胞增殖和诱导成骨。MBG和MCSNs特殊的介孔结构，能够为根尖骨缺损的修复提供良好的生物支架，也可载入其他药物或生物因子以增强其生物活性。BG、MBG与MCSNs自身的抗菌能力有限，可通过载入抗菌性药物来增强，但所载入的药物是否产生细胞毒性、抗菌性和生物相容性之间的平衡如何掌控仍需加强研究。虽然，BG、MBG与MCSNs被认为是极具潜力的用于根管感染控制及骨缺损修复的材料，但它们的抗菌效果研究多数是体外实验, 难以模拟真实的根管状况, 且抗菌的长效性还需要进一步的观察。