利用无机抗菌剂合成抗菌自酸蚀处理剂的基础研究

论文摘要

口腔黏结技术已渗入到现代口腔医学的各个领域。黏结技术的不断发展和完善推动着保存牙科学、美容牙科学和微创技术的日益进步,而黏结修复材料的革新为黏结技术的发展奠定了物质基础。新材料的发展已不仅单纯注重其理化性能的优劣,材料的抗菌性能等也越来越吸引人们的关注。因为原发龋和继发龋既是危害牙齿完整性的首要因素,也是导致修复体失败的主要原因。它们的发生不仅增加了再次修复的难度,而且使预后更差。所以研制具有抗菌功能的黏结材料对于延长黏结修复体的寿命、改善预后都具有极其重要的意义。具有防龋功能的齿科修复材料主要包括两大类:一是氟离子释放材料,它提高牙体组织再矿化的能力,增加对龋病的抵抗力,但此类材料的抗菌功能有限,并不具备从根本上阻断致龋菌对牙体组织危害的能力。另一类防龋修复材料是通过对材料基质的抗菌化改性,赋予材料抗菌特性,当致龋菌接触具有抗菌性的材料后,通过直接杀灭或抑制致龋菌的活性而达到防龋的目的。如Clearfil Protect Bond （Kuraray Co. Ltd.）就是通过添加抗菌黏结单体甲基丙烯酰氧十二烷基溴吡啶（MDPB）而实现抗菌目的的。但是通过化学方法将抗菌基团接枝到材料基体分子上从技术角度具有较高的难度。而早期直接添加有机抗菌剂的办法,由于抗菌效果差已经被放弃。随着抗菌剂的飞速发展,不少学者开始尝试通过添加无机抗菌剂赋予材料抗菌性能。相对于有机抗菌剂而言,无机抗菌剂尽管起效较慢,但其抗菌谱广、作用持久,不易产生细菌耐药性,并具有优良的化学稳定性和生物相容性,近年来已逐步成为抗菌市场的主流,也开始被试用于齿科抗菌材料的研制。但是将无机抗菌剂用于黏结系统的抗菌改性还未见报道,也无其他抗菌修复材料问世。对于任何齿科黏结系统,在修复过程中,处理剂总是最先接触并与牙体组织作用。因而研制具有抗菌功能的处理剂必将有助于修复成功,改善预后;对于酸蚀和处理步骤合一、处理完成无须水冲洗的自酸蚀处理剂尤为如此。如果在自酸蚀处理剂中添加抗菌剂,一方面在自酸蚀处理剂固化前,抗菌成份可杀灭牙体组织残留的细菌;另一方面当处理剂固化后,抗菌成份也将固定于修复体和牙体组织的黏结界面,持续抑制或杀灭入侵的细菌,有助于预防继发龋的发生。本课题组前期已报道自行研制的一种自酸蚀处理剂ESP具有良好的酸蚀能力以及较高的牙釉质和牙本质黏结强度。本研究旨在探索通过添加不同种类的无机抗菌剂,实现ESP抗菌功能化的初步可行性,进而研制具有预防继发龋功能的抗菌齿科材料,最终达到以预防为目的、与预防相结合的防治龋病的目标。本课题选取了6种不同种类的知名的无机抗菌剂,包括:1种氯制剂、3种含银、铜、锌离子的无机抗菌剂以及2种氧化锌晶须抗菌剂。先后比较了含有不同抗菌剂的ESP在不同添加比例、固化状态、与菌液作用不同时间等情况下的抗菌活性,并测试了抗菌剂的添加对ESP本身理化性能、生物相容性的影响。主要实验结果如下:理化性能评价:─扫描电镜观察龙贝无机抗菌粉体和IONPURE-H抗菌剂粉体颗粒均匀,粒径相对较小;其余4种抗菌剂粉体颗粒大小不均。氧化锌晶须抗菌剂AT-83粉体内可见有四针状的晶须结构。─碱式次氯酸镁抗菌剂含有大量氯元素,其余5种抗菌剂含有不同浓度的银、铜和锌。─在ESP中添加低浓度的无机抗菌剂（0.5% w/v）对牛牙釉质黏结强度无显著影响,而添加浓度高至2.5% w/v时,除龙贝无机抗菌粉体外,其余5种抗菌剂都使ESP的黏结强度显著降低;─扫描电镜观察牛牙本质及未经打磨的牛牙釉质试件发现,抗菌剂的添加对ESP的酸蚀效果无显著影响。─添加比例为0.5% w/v时,除碱式次氯酸镁抗菌剂外,其余5种抗菌剂对ESP冠方和根方微渗漏指数无显著影响。各组材料根方微渗漏指数均高于冠方。─黏结样本经不同处理以老化1年后颜色参数变化最为显著,各组色差值的变化主要来源于明度的升高。经含2.5% w/v抗菌剂的ESP处理的各实验组色差值的显著变化主要是由树脂载体造成的。尽管如此,与ESP空白对照组相比,抗菌剂添加组与ESP空白对照组的色差值仍在临床可接受范围之内。─无论何种被测牙体组织（牙釉质、浅层牙本质或深层牙本质）,无论应用何种测试液体（蒸馏水或黏结树脂）,抗菌剂添加比为0.5% w/v时,实验组接触角与ESP空白对照组相比均无显著差异。无论是否含有抗菌剂,经ESP处理后,牙釉质和牙本质试件的表面可湿性都得到显著提高。被测底物及表面处理相同时,水接触角小于树脂接触角。─在ESP中添加0.5% w/v ABA对黏结剂和ESP混合物的双键转化率无显著影响。双键转化率随固化时间的延长而显著升高,固化时间从20 s延长至40 s时双键转化率的升高尤为明显。微生物学评价:─体外实验表明,6种受试的无机抗菌剂可显著抑制受试的口腔常见菌株的生长。其中,龙贝无机抗菌粉体体外综合抗菌活性最强,以下依次为氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83、IONPURE-H、碱式次氯酸镁、氧化锌晶须复合抗菌剂AT-88和安迪美-AMS2。不溶性物质体外抗菌敏感性测试宜用液体稀释法。─ESP自身在固化前后均具有一定的抗菌活性。ESP中添加龙贝无机抗菌粉体或氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83可使液体状态下ESP的MIC和MBC显著降低。─尽管在ESP中添加0.5% w/v抗菌剂使液体状态下ESP作用30秒的短时抗菌活性有所减弱,但各组抗菌效率仍高于97%。─无论抗菌剂添加比为0.5% w/v或2.5% w/v,氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83、龙贝无机抗菌粉体、安迪美-AMS2和IONPURE-H的添加可显著增强ESP固化后的抗菌活性,与菌悬液作用时间延长效果更明显。─尽管固化后的黏结样本在人工唾液内浸泡1个月后,抗菌活性有所降低,除氧化锌晶须复合抗菌剂AT-88外,其余5种抗菌剂以0.5% w/v的浓度添加至ESP中可显著增强ESP固化后的抗菌活性。其中,氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83最为有效,龙贝无机抗菌粉体和安迪美-AMS2次之。─与阴性对照组样本相比,经含0.5% w/v氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83、龙贝无机抗菌粉体或安迪美-AMS2的ESP处理的样本表面具有轻微的抗细菌黏附的作用。─固化后黏结样本1小时、1周及1月的浸提液对变链菌生长无显著影响,说明固化后样本的抗菌作用实质为接触性抗菌,对周围菌群生长没有显著影响,推测不会引起口腔内的菌群失调。生物相容性评价:─当抗菌剂添加比为5.0% w/v时,大鼠经口途径短期全身毒性试验在2周的观察期内未发现临床毒性体征,给药组与对照组之间大鼠体重相对增长率无显著差异。─NIH3T3细胞相容性实验发现,经含0.5% w/v不同抗菌剂的ESP处理固化后的任何实验组,细胞活力比率（cell vitality rate）和细胞增殖率与Thermanox空白对照组相比无显著差异。各实验组校准的总体毒性指数（以Thermanox空白对照组为参考）介于0至20之间（高限为100）,表明没有或仅有轻微的细胞毒性。其中,含碱式次氯酸镁、氧化锌晶须复合抗菌剂AT-83和AT-88的ESP固化后的细胞毒性最低。仅样本覆盖区及样本边缘邻近区域细胞可观察到毒性表现,远离样本覆盖区的细胞密度未受明显影响。根据上述的实验结果,可以得出以下结论:受试的无机抗菌剂可有效的添加至ESP中形成具有抗菌活性的自酸蚀处理剂。以适当浓度添加无机抗菌剂对试验研制的自酸蚀处理剂的生物相容性及理化性能无明显影响。在测试的无机抗菌剂中,氧化锌晶须抗菌剂AT-83的抗菌效果最为有效。抗菌剂最佳添加比介于0.5% w/v至2.5% w/v之间。ESP中添加的抗菌剂随ESP的固化而固定在牙体组织和修复材料之间的黏结界面上,尽管它们的抗菌活性较固化前减弱,不足以强有力的杀灭致龋菌,但仍可发挥“接触型抑菌”的作用,安全可靠,不会引起口腔内的菌群失调。通过添加无机抗菌剂有望研制成功具有抗菌功能的自酸蚀处理剂,并为系列抗菌齿科修复材料的研制以及“以预防为导向”的龋病治疗新模式的实现奠定理论基础。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 中文部分
• 前言
• 文献回顾
• 1. 研制防龋修复材料的迫切需要
• 2. 现有的防龋修复材料
• 3. 研制抗菌齿科修复材料的方法
• 4. 小结及以往研究的局限性
• 正文
• 第一部分 理化性能评价
• 实验一 无机抗菌剂本身的扫描电镜和能谱分析
• 实验二 ESP 中抗菌剂的添加对黏结系统黏结性能的影响
• 1 材料与方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 实验三 ESP 中抗菌剂的添加对颜色稳定性的影响
• 实验四 ESP 中抗菌剂的添加对表面可湿性的影响
• 实验五 ESP 中抗菌剂的添加对黏结系统双键转化率的影响
• 第二部分 微生物学性能评价
• 实验一 无机抗菌剂自身对口腔常见致病菌的体外敏感试验
• 实验二 抗菌ESP对变形链球菌的体外敏感试验
• 实验三 抗菌ESP 固化前的抗菌效率
• 实验四 抗菌黏结样本固化后的抗菌效率
• 实验五 抗菌黏结样本浸提液对变形链球菌的抗菌效率
• 实验六 抗菌黏结样本老化1 月后的抗菌效率
• 实验七 抗菌黏结样本对早期细菌黏附的抑制作用
• 第三部分 生物学性能评价
• 实验一 经口途径大鼠短期全身毒性试验
• 实验二 细胞生物相容性测试
• 1 材料与方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 小结
• 参考文献
• 个人简历和研究成果
• 致谢
• 英文部分
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• ABBREVIATIONS
• 1 INTRODUCTION
• 2 BIBLIOGRAPHIC REVIEW
• 2.1 Definition of dental caries
• 2.2 The harm of caries
• 2.3 Etiology of caries
• 2.4 Present strategies to caries control
• 2.5 Methods of developing antibacterial dental restorative materials
• 2.6 Summary of literature review and limits of previous studies
• 3 AIM & SCOPE
• 4 METHODS & MATERIALS
• 4.1 Materials tested
• 4.1.1 Inorganic ABAs
• 4.1.2 Self-etching primer
• 4.2 Physicochemical tests
• 4.2.1 Scanning electron microscopy （SEM） and Energy dispersive spectroscopy （EDS） analyses of ABAs
• 4.2.2 Evaluation of bonding characteristics
• 4.2.2.1 Examination of shear bond strength
• 4.2.2.2 SEM observations on the etching effects of primers
• 4.2.2.3 Marginal adaptation test
• 4.2.3 Color stability test
• 4.2.4 Surface wettability test （measurement of contact angle）
• 4.2.5 Measurement of degree of conversion （FTIR study）
• 4.3 Microbiological tests
• 4.3.1 Susceptibility tests of ABAs against bacteria associated with oral infections
• 4.3.2 Susceptibility tests of primer incorporated with ABAs against S. mutans
• 4.3.3 Bactericidal activities of primers before curing
• 4.3.4 Bactericidal activities of cured specimens
• 4.3.5 The influence of extracts of cured specimens on the growth of bacteria
• 4.3.6 Bactericidal activities of cured specimens preserved in artificial saliva for 1 month
• 4.3.7 Inhibition of early bacterial colonization of cured specimens
• 4.4 Biological tests
• 4.4.1 Systemic toxicity tests in rats following short term oral exposure
• 4.4.2 Cytocompatibility tests
• 5 RESULTS
• 5.1 Physicochemical tests
• 5.1.1 SEM and EDS analyses of ABAs
• 5.1.1.1 SEM analyses
• 5.1.1.2 EDS analyses
• 5.1.2 Evaluation of bonding characteristics
• 5.1.2.1 Examination of shear bond strength
• 5.1.2.2 SEM observations of etching effects of primers
• 5.1.2.3 Marginal adaptation test
• 5.1.3 Color stability test
• 5.1.4 Surface wettability test
• 5.1.5 Measurement of degree of conversion
• 5.1.6 Discussion
• 5.1.6.1 SEM and EDS analyses of ABAs
• 5.1.6.2 Physico-chemical evaluations of ESP incorporated with ABAs
• 5.1.6.2.1 Bonding characteristics
• 5.1.6.2.2 Color stability
• 5.1.6.2.3 Surface wettability
• 5.1.6.2.4 Curing behavior
• 5.2 Microbiological tests
• 5.2.1 Susceptibility tests of ABAs against bacteria associated with oral infections
• 5.2.2 Susceptibility tests of ESP incorporated with ABAs
• 5.2.3 Bactericidal activities of primers before curing
• 5.2.4 Bactericidal activities of cured specimens
• 5.2.5 The influence of extracts of cured specimens on the growth of bacteria
• 5.2.6 Bactericidal activities of cured specimens preserved in artificial saliva for 1 month
• 5.2.7 Inhibition of early bacterial colonization of cured specimens
• 5.2.8 Discussion
• 5.2.8.1 Susceptibility tests of ABAs against bacteria associated with oral infections
• 5.2.8.1.1 Comparison of broth dilution test and agar dilution test
• 5.2.8.1.2 Determination of end points in broth dilution test
• 5.2.8.2 Susceptibility tests of ESP incorporated with ABAs against S. mutans
• 5.2.8.3 Bactericidal activities of primers before curing against S. mutans
• 5.2.8.4 Bactericidal activities of cured specimens
• 5.2.8.4.1 Preparation of cured specimens
• 5.2.8.4.2 Comparison of results with those from susceptibility tests
• 5.2.8.4.3 Comparison of the bactericidal activities between cured and uncured specimens
• 5.2.8.5 The influence of extracts of cured specimens on the growth of bacteria.
• 5.2.8.6 Bactericidal activities of cured specimens preserved in artificial saliva for 1 month
• 5.2.8.6.1 Aging procedure
• 5.2.8.6.2 Comparison of bactericidal activities of cured specimens before and after aging
• 5.2.8.7 Inhibition of early bacterial colonization of cured specimens
• 5.2.8.7.1 Selection of incubation time with bacterial suspension —the reason temphasize on early colonization
• 5.2.8.7.2 Explanation of the results —“antibacterial”or “antiadhesive”
• 5.2.8.8 Comparison of different culturing conditions on the growth of S. mutans
• 5.3 Biological tests
• 5.3.1 Systemic toxicity in vivo tests in rats
• 5.3.2 Cytocompatibility tests
• 5.3.2.1 Cell vitality
• 5.3.2.2 Cell proliferation
• 5.3.2.3 Cytotoxicity index （CI）
• 5.3.2.4 Morphological observations
• 5.3.3 Discussion
• 5.3.3.1 Systemic toxicity test in rats following short term oral exposure
• 5.3.3.2 Cytocompatibility tests
• 5.3.3.2.1 Selection of test method
• 5.3.3.2.2 The possible reasons for the different results between negative control and Thermanox carrier control
• 5.3.3.2.3 Cytotoxicity of cured experimental materials
• 6 GENERAL DISCUSSION
• 7 CONCLUSIONS
• 8 PERSPECTIVES
• 9 REFERENCES
• RéSUMé