1、1第 12 章 纳米材料在口腔医学中的应用12.1 概述口腔材料在口腔科学的发展过程中起着巨大的推动作用，每一次口腔材料的进步都会推动口腔科学向前迈进一大步，口腔科学的每次划时代的进步都是和新的口腔材料在口腔科的应用联系在一起的。由于目前新的口腔生物材料不断涌现，口腔医学临床取得了举世瞩目的进步，同时也促进了口腔生物材料不断更新，其应用领域也不断扩大。如现代可摘局部义齿修复技术是基于有机玻璃的发现，光固化修复技术是基于复合树脂的出现，烤瓷牙修复技术是基于对烤瓷材料的深刻认识，种植牙技术的发展是基于金属钛和烤瓷材料的出现 1,2。纳米技术又称分子纳米技术或分子工程是指通过各种物理或化学方法制造出
2、 0.1-100nm 尺寸结构的功能材料，当前纳米技术的革命性发展使其成为科学和技术领域最活跃的学科。对于纳米材料开发与应用的强烈兴趣在于它们有可能通过对材料结构的处理在材料的电学、化学、机械和光学性能产生令人惊奇的提高 3。应用纳米技术制成的纳米金属和纳米生物材料具有许多令人惊奇的特性。如纳米金属毒性低，其传感特性和弹性模量可接近正常的天然生物组织，可使细胞在其表面生成，并具有修复病变组织的功能。在医学方面，纳米技术提供的可塑性纳米溶胶制剂超越了外科植入手术的局限性，使植入体具有与天然材料相同的表面特性和同质性;作为药物载体或诊断试剂等的纳米材料，由于是一种多分散系统，或胶体分散系统，其中分
3、散相颗粒的大小尺度为纳米数量级;利用纳米技术就可将生物材料制成纳米级的胶体颗粒或制成超微小装置或纳米器械等，在药物载体、医用材料或医用设备等方面给医药学带来一场新的革命 2。理论上，应用于牙体修复及充填的口腔材料均可通过纳米化提高材料的性能。例如，在牙托粉和造牙粉中加入适量纳米材料，可改善缩性，增加耐磨性、光泽度，提高牙托或牙冠的美观、耐磨性能。在防龋涂料中加入纳米化粘结剂及防龋组分，可大大提高材料的粘结能力。在陶瓷牙冠修复材料中复合纳米材料，可大大提高全瓷牙冠、桥修复体的美观、耐磨、高强高韧性能。在牙种植体表面喷涂纳米级羟基磷灰石，可大大提高纳米磷灰石与牙根表面积及牙槽面2的接触，提高其活性
4、 4。随着人们对天然生物体性能与细微结构的逐步认识,相信 21 世纪的纳米材料将在口腔医学中占有非常重要的位置,在口腔医学中可用于人造骨、人造牙齿、牙齿的修复、牙病的治疗等，因此纳米材料的发展将极大地推动口腔医学的发展，为口腔材料的改进和创新提供了巨大的发展空间。纳米材料在口腔医学领域中的研究应用刚刚开始，随着人们对纳米材料所具有的独特性能的深入认识和开发，预期将会有更快、更大的发展。目前纳米微粒的研究已取得巨大的突破，为此，应用纳米微粒可以制备性能优秀的纳米陶瓷材料、无机-有机纳米复合材料、纳米表面涂层等，这些材料均能应用于口腔医学领域。如图 12-1 所示2。图 12-1 口腔纳米材料体系
5、 （口腔生物材料学 陈治清主编 108 页 图 5-2）12.2 纳米材料在口腔修复学中的应用312.2.1 口腔纳米复合树脂材料（高分子材料）复合树脂在口腔临床上广泛用于各类牙体缺损的直接和间接修复，但其在后牙和前牙切缘、切角修复中仍存在机械强度不够的局限性。口腔复合树脂材料是一种由树脂基质加入经过表面处理的无机填料和引发体系复合而成的粘结性修复材料。目前的口腔复合树脂使用过程繁琐,首先，口腔医生运用粘结剂处理经过酸处理粗化的牙面以促进粘结，然后将材料分层填入窝洞中并分层光固化等一系列的过程，使每一次的堆塑和光固化都必然产生由于聚合收缩所导致的界面应力集中。另外，目前的复合树脂还存在其他缺陷
6、，如果树脂层厚度不当时，在固化过程中造成聚合物从表面分离，减弱对牙体的粘接或在牙体和充填物界面发生微小裂隙，并导致微生物的积聚。由于牙本质是湿润的，并富含蛋白成分，使寻找最佳的粘接修复材料变得困难，而且目前的高分子充填材料也易于着色、变色，影响美观。再是口腔的化学和机械环境金玉苛刻，唾液中的各种酶和微生物，来自食物的酸，都将侵蚀牙齿和破坏修复物，牙体和牙体修复物还要承受咀嚼行为带来的压力等诸多因素的影响，就必须重点考虑选择有效的修复材料，才能达到修复牙体缺损的目的。理想的牙科充填修复材料应是零聚合收缩材料和强的粘接性，具有与牙釉质相似的抗磨耗性，易于达到的界面封闭性，以及早期的固化强度和牙色一
7、致，因为收缩导致的应力集中会引起渗漏和微生物的侵蚀，导致松动而失败。到目前为止，还没有一种复合树脂修复材料达到理想的要求，因此，由于材料的缺陷引起的修复物破碎、脱落、变色成为了口腔临床的共同难题 2,5。 齿科复合树脂的性能是由其填料类型、树脂组成、填料基质结合方式以及固化条件决定的。三十多年来复合树脂已在基质、无机填料、固化方式等方面做了许多改进，其物理机械性能和操作性能已得到很大提高，但仍然存在收缩大、耐磨性差、强度低的缺点。因此国内外的学者的研究集中在增加耐磨性，无机填料表面处理和晶须增强、有机基体的改性以增强机械性能、增加体积稳定性、减少微漏几方面。复合树脂中无机填料的种类、数量和粒度
8、直接影响其机械性能。无机填料的不断改进，填料粒度由 10100m 到 50.05m，无机填料的含量和粒度对复合树脂的物理机械性能有直接的影响，特别是对材料的聚合体积收缩、耐磨性、热膨胀系数和吸水性影响较大。纳米复合材料与常规的无4机填料聚合物体系不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是两相在纳米尺寸范围内复合而成。最近有文献报道纳米材料的应用是因为这些材料中纳米粒子和纳米小团作为填料直接与收缩率减小（reduced-shrinkage）的树脂结合形成的复合物类似于通用的或杂化（universal or hybrid）复合树脂而不仅是微米级填料的。纳米材料的表面效应、量子尺寸效应使其具有下列性能
9、：刚性无机粒子填充聚合物材料可以提高聚合物材料的刚性、硬度和耐磨性，由于无机粒子的粒径小，与机体材料间有很强的结合力，所以还可以起到增韧的作用。纳米微粒可以通过“微轴承”作用，减小摩擦力，并可填充摩擦副表面的微坑和损失部位，起到修复作用。无机纳米粒子具有能量传递裂纹，不致发展为破坏性开裂。随着纳米粒子粒径的减小，纳米微粒与基体接触面积增大，材料受冲击时产生更多的微裂纹，故可吸收更多的冲击力。利用无机有机纳米复合材料具有的低收缩性和出众的机械性能制备的牙科修复材料，与以前的材料相比，无机有机纳米复合材料收缩更小，显示了很强的粘接性和低的体积收缩，从而提高了充填修复的成功率。在聚合物中加入纳米微粒
10、比一般的复合树脂具有更好的耐磨性 2,6-10。如图 12-2 和表 12-1 所示 5图 12-2 纳米填充技术 3 表 12-1 纳米复合树脂与五种商品复合树脂的机械性能比较研究结果 3 机械性能(SD)产品名称 填料种类 生产商 拉伸强度（MPa）压缩强度（MPa）弯曲强度（MPa）抗折强度（MPa/m 1/2）Filtek A110 超微填料 3M ESPE Dental Products, St. Paul, Minn52.3(2.9) 376.6(32.6) 94.0(5.7) 0.9(0.1)Filtek Z250 混合填料 3M ESPE 96.6(5.6) 454.5(10.
11、2) 161.2(17.2) 1.4(0.1)TPH Spectrum 混合填料 Dentsply Caulk, York, Pa.80.7(5.3) 378.6(26.7) 136.1(10.6) 1.4(0.0)Esthetx 超微混合填料 Dentsply Caulk 66.7(4.1) 422.1(36.8) 140.6(6.9) 1.2(0.1)Point4 超微混合填料 Kerr, Orange, Calif.76.6(6.8) 433.8(15.7) 136.0(15.0) 1.2(0.1)Filtek Supreme Standard纳米填料 3M ESPE 80.7(3.2)
12、 426.2(27.5) 153.1(14.1) 1.3(0.1)Filtek Supreme Translucent纳米填料 3M ESPE 87.6(9.0) 458.6(20.8) 177.1(19.0) 1.2(0.1)(1) 纳米金刚石填料 5,11：目前使用的无机填料主要有石英、玻璃粉、陶瓷粉和气相二氧化硅，质量分数一般为 35%90%或体积分数为 20%77%，粒度一般在 0.002100.00m 之间。纳米金刚石平均粒度为 3.2nm，除具有金刚石的高硬度、高耐磨、生物安全性等优点外，还具有颗粒尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等纳米材料的特点，表面具有强极性基团（
13、OH、C=O、COOHCOC、CN） 。由于纳米金刚石的小颗粒减少了较大颗粒填料之间的空间，增加填料间的延续性，同时纳米金刚石表面具有的极性基团与树脂基质极性基团发生分子间作用力，再加上纳米金刚石的高硬度，将纳米金刚石作为无机填料以适当比例加入复合树脂中可以大大提高复合树脂的耐磨性能和挠曲强度。有研究发现纳米金刚石的添加比例在 0.005%0.3%之间抗压强度、显微硬度明显提高，0.02%比例提高最为明显。6（2）纳米羟基磷灰石填料 12-19：复合树脂在湿润环境中的化学稳定性是保证材料在口内长期使用的关键因素，以避免长期暴露于口腔环境中细胞毒性物质的渗出对患者产生的毒副作用，同时确保良好的机
14、械性能和无孔隙的光滑表面。水在复合树脂材料中的扩散会影响其机械性能，比较理想的状态是在口腔环境中复合树脂能很快达到水的溶胀平衡，而实验发现纳米羟基磷灰石填料复合树脂的吸水和洗提值（elution value）高于微米级羟基磷灰石填料复合树脂，这是因为纳米粒子有非常巨大的表面能，遇水分短期内就会形成非常大的团块，不仅由于聚合体的肿胀，而且由于这些团块吸收了水分，造成复合树脂最初就吸收了大量水分。由于这些团块与基质粘接不良造成在水中填料粒子很易游离出来，随着时间的推移，以纳米粒子作填料的树脂表面出现缺陷和孔隙，这通常被认为是填料粒子的松解。红外光谱研究结果显示合成的纳米羟基磷灰石形成介孔样团块，具
15、有极强的亲水性，保留吸附水分，在聚合前吸附的水分与树脂混合大大降低了光转化的程度，固化不全会增加单体残留物的数量，而后单体残留物逐渐渗透进入水相。纳米粒子填料的树脂其他优点如具有巨大的表面积易于与有机相反应等无法掩盖这些缺陷，而且其机械性能均不理想，实验发现纳米羟基磷灰石填料复合树脂的强度和弹性模量均比微米级羟基磷灰石填料复合树脂小，因而认为而将纳米羟基磷灰石和微米级羟基磷灰石混合作为复合树脂的填料则复合树脂的性能得到大大改善。微米粒子的存在避免了团块的形成，可以想象到微小粒子可以填塞到较大粒子之间，虽然加入的纳米粒子所占比例较小，但由此大大增加了用于反应的无机相的表面积，使复合树脂的机械性能
16、得到提高。(3) 纳米 SiO2填料 2,20：纳米 SiO2的问世，为牙科树脂基复合材料的合成提供了一条新的途径。纳米 SiO2为无定形白色粉末（指其非团聚体） ，如图 12-2 所示因表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料。经电镜分析，这种材料呈现絮状和网状的准颗粒结构，其颗粒尺寸小（515nm） ，比表面积大（达 640700/g） ，表面存在不饱和的残键及不同键和状态的羟基，分子状态呈三维链状结构。将纳米 SiO2颗粒充分、均匀地分散到树脂材料中，就完全能达到全面改善树脂基材料的各种性能的目的（见图12-3）7提高强度和延伸率：纳米 SiO2由于表面含
17、有大量的羟基而严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的化学活性，提高了分子间的键和力，所以与树脂有较好的结合力，能充分吸附、键和，并有利于应力传导，因而可承担一定的载荷，具有增强、增韧的能力；同时尚有一部分纳米 SiO2颗粒仍然分布在高分子链的空隙中，表现出很高的流动性，从而使纳米 SiOx 添加的树脂材料强度、韧延展性均大幅度提高。经处理过的 SiO2粒子表面与基体间有较好的界面结合，黏合力高。在一定的应力条件下，少量 SiO2粒子的空洞化过程将吸收一部分能量，使基体的冲击强度提高。另外，当 SiO2粒子与基体间表面黏结较好时，之间存在一个由柔性高分子链组成的界面层
18、，受到冲击时会产生塑性变形，吸收一部分能量，使冲击强度增高。SiO 2粒子使基体树脂模量与强度提高的原因在于：SiO 2粒子本身模量、强度较高，随着加入量的增加，使树脂的模量和强度升高；另一方面，SiO2粒子表面含有大量的硅羟基，可能使树脂交联度增加，也会增加基体的模量与强度。提高耐磨性和改善材料表面的光洁度：由于纳米 SiO2的高流动性和小尺寸效应，使材料表面更加致密细洁，摩擦系数变小，加之纳米颗粒的高强度，使材料的耐磨性明显提高。抗老化性能：树脂基复合材料使用过程中一个致命的弱点是抗老化性能差，其原因主要是受 280400nm 波段的紫外线的中、长波的作用，它对树脂基复合材料的破坏是十分严
19、重的，高分子链的降解致使树脂基复合材料迅速老化，而纳米 SiO2可以强烈地反射紫外线，在树脂中可大大减少紫外线对树脂的降解作用，从而达到延缓材料老化的目的。(4)纳米二氧化钛 6,20：含量在 1%3%间，EMA 树脂（顺丁烯酸酐改性的环氧-甲基丙烯酸酯）的冲击强度和弯曲强度随着纳米 TiO2含量的增加而增加，而弯曲模量在 2%时最高。一般认为，超微无机粒子增韧的机制为：刚性无机粒子的存在产生应力集中效应，易引发周围树脂产生微开裂，吸收一定的变形功；刚性粒子使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化，最终终止裂纹不致发展为破坏性开裂；随着填料的微细化，粒子的比表面积增大，填料与基体接触面积增大，材料受冲击时
20、，产生更多的微开裂，吸收更多的冲击能。纳米 TiO2的比表面积大，非8配对原子多，活性高，与树脂发生化学或物理结合的可能性大，增加了粒子与树脂的界面结合，因而可承担一定的载荷，吸收大量的冲击能。对于弯曲模量，起主导作用的因素有 2 个：一方面，由于 TiO2与基体的热膨胀系数不同而产生的少量内应力，以及未分散开的聚集体中存在少量气泡和加工过程中带入的少量气泡造成弹性模量降低；另一方面，TiO 2为高弹性模量材料，在充分分散的前提条件下，TiO 2与 EAM 树脂界面结合良好而使体系弯曲模量提高。（5）其他纳米颗粒填料：纳米二氧化锆 2,6 ：具有高 X 射线阻射、高强度和高硬度，胶质的纳米 Z
21、rO2具有高度的光学透明性，是理想的齿科复合树脂增强材料。采用溶胶凝胶法制备纳米 ZrO2，经过表面处理后，加入到复合树脂中，纳米颗粒渗入在复合树脂微米和其他填料中能改善这些机械性能。氧化钽纳米粒子 2,21：目前对替代银汞合金的长效、高分子齿科修复材料的需求日益增长，但是当前的修复树脂固有缺陷是缺乏诊断水平的阻隔射线的特性。硅氧化物填料是可透射线的，必须加入含有金属的玻璃或矿物质才能获得理想的阻隔射线的特性。相反银汞合金和其它金属过高的阻隔射线的特性常常掩盖继发龋的透射影像。多数用于后牙的复合树脂都加入重金属玻璃填料作为分散强化成分，通常认为这些玻璃易于水解、降解，在口内的抗磨耗和长期抗磨损
22、能力下降。纳米 Ta2O5作为易混合的填料加入树脂中可形成操作性好、可阻隔射线的复合树脂，其中填料所占比例较大。纳米 Ta2O5由于高度氧化而具有极小的毒性，具有化学惰性且大范围的介质都无法将其抽提出来。因而我们认为在树脂复合物中加入易混合、均一的、非结合性的纳米 Ta2O5成分可以获得诊断水平的阻隔射线的特性，远远超过有水解倾向的玻璃加强填料的后牙树脂。纳米-Al 2O320：含量在 1%3%间，EMA 树脂的弯曲强度与弯曲模量随着-Al 2O3含量的增加而增加，冲击强度随着-Al 2O3含量的增加而降低。这是因为-Al 2O3粒径小，比表面积很大，表面原子多，易与高分子链发生物理或化学结合
23、。当-Al 2O3过大时，粒子聚集明显，且加工过程中带入的气泡与缺陷增多，导致应力集中，使模量和强度降低。（6）在口腔临床上，3M ESPE 已有上市的纳米复合树脂修复材料，该材料结合了传统的杂化树脂和微米级填料树脂的特点，混合了直径为 20 和 70nm 的圆形颗粒以提高其强度，可作为通用的修复材料用于前牙及后牙的修复。与传统树9脂系统中所有填料颗粒是各自独立分散与树脂基质中不同的是，该材料中的部分填料颗粒聚集形成微米尺寸的团块作为类似于传统的填料颗粒，但是在树脂磨耗过程中这些团块逐渐被打破，从而避免了填料颗粒被拉出而使周围材料强度下降的问题。这种商品名为“Filtek Supreme”的纳
24、米复合树脂上市时间较短，还没有可靠的独立研究数据，我们静待各方面的反映来判断是否如 3M ESPE 所说超强的抗磨耗性、强度以及抛光性能 22。3M ESPE 的纳米复合树脂修复材料的光学性能可能不同于传统树脂。Lee 等人对通过体外试验比较了纳米填料复合树脂与传统树脂在固化后、抛光和经过热循环后的色彩变化。在固化前后的颜色变化在釉质色组 4.6，在透明色组为10.4，在杂化树脂（对照）组为 2.9，有统计学差异；抛光前后的颜色变化为3.33.6，2000 个热循环前后颜色变化为 1.41.8，各组间均无统计学差异；透明度在釉质色组固化后增加，在透明色组固化后降低，透明色组和杂化树脂（对照）组
25、的变化均小于釉质色组；经过热循环后釉质色透明度降低，透明色组则无变化，透明色组和杂化树脂（对照）组的变化均小于釉质色组；而对比度的变化趋势与透明度类似。这可能与纳米颗粒能够吸收紫外线有关，但需进一步的研究 22,23。 目前很多学者都在研究一种自修复高分子纳米材料。在这种高分子材料中的纳米颗粒可以移动填补多层复合物的纳米级裂缝，修复系统的原有性能。当新的裂缝出现，纳米颗粒移至该处并且具有多次修复材料的潜能直到纳米颗粒消耗完。这些加入的纳米颗粒不仅增强了材料的机械性能，还可增强其电学性能 24。12.2.2 口腔纳米复合粘接材料口腔领域涉及的粘结材料需要极高的粘结能力，如用于牙冠颈部的楔状缺损的
26、充填修复、各种牙体部位的光固化修复治疗、窝沟间隙防龋涂料的粘结，正牙锁槽的粘结以及全瓷冠桥、部分冠修复体的粘结固位等，均需要良好粘结能力，且无刺激性的粘结材料。目前口腔临床使用的粘接剂约有几十种，而以高分子化合物为主的粘接剂的优良性能使口腔修复治疗达到了一个崭新阶段 4。早在 1998 年，国外利用纳米技术制作的粘结剂就进入中国市场，即10Dentsply 公司的 Prime quiz 79642. Freitas RA Jr. Nanodentistry. J Am Dent Assoc, 2000, 131(11)： 1559156543. Lijima S, Brabec C, Mait
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