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复合材料在口腔医学的应用

发布时间:2021-02-02 14:13 所属分类:核心论文 浏览次数:1205次 加入收藏
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玻璃纤维增强复合材料(GFRC)是一种经过特殊工艺加工而成的新型高分子材料。GFRC具有重量轻、弹性大、环保、品质高、强度高以及耐久性强等特点。近年来GFRC被广泛应用于日常生活中的各个领域,就口腔医学而言,基于GFRC较高的透明性,可以满足患者对美观性能的要求。此外,GFRC材料与牙本质的弹性模量相当,且具有良好的抗疲劳强度以及生物安全性,可以更好地延长剩余牙体组织的寿命,保证预留牙体组织的健康性。因此,GFRC越来越受到广大临床医师和患者的关注,具有广阔的应用前景。

关键词:玻璃纤维;复合材料;口腔医学


  玻璃纤维增强复合材料(glassfiberreinforcedcomposite,GFRC)是一种主要由玻璃纤维和树脂基质组成的无定形、均质的高分子材料[1]。基于良好的机械性能和生物相容性,近年来GFRC成为一类备受关注的人体植入材料。目前,国内外已成功将GFRC应用于颅脑整形外科、硬组织损伤等医疗外科领域,进行颅组织的修复,并取得了良好的临床效果[2-3]。与传统金属板修复骨组织相比,GFRC具有与骨组织相当的弹性模量和机械强度,因此在生物和机械性能方面具有不可比拟的先进性。GFRC首先被引进牙周领域,随着研究的深入,GFRC被成功研制并应用于口腔修复、口腔颌面外科、口腔正畸以及牙体牙髓等其他口腔医学相关领域,并取得了相应的临床成果。相信通过临床提供的循证医学的相关指导,可以满足患者对美观和修复后牙齿性能的要求,同时为牙齿的修复提供更为广阔的适应证,增加剩余牙体组织的保留率,提高患者的咀嚼舒适性和效率,从而提升患者的生活质量。现就GFRC复合材料在口腔医学中的研究进展予以综述。


  1GFRC在口腔修复领域中的应用


  1.1黏接固定桥


  黏结固定桥是一种通过酸蚀-黏接技术修复个别牙缺失的修复方法。黏结固定桥对基牙牙体组织磨切量少,且牙体制备和取模相对容易,具有金属暴露少、椅旁时间短等优点,但对于金属过敏以及对美观有极高要求的患者仍不能满足治疗要求。针对这类患者,玻璃纤维增强复合树脂粘接桥(glassfiber-reinforcedcompositeresinbonded-fixedpartialdenture,GFRC-RBFPD)是一种较好的选择。GFRC-RBFPD牙体预备时只局限在牙釉质内,甚至可以不进行牙体预备[4]。此外,接受GFRC-RBFPD修复后,如果患者要求改用其他修复体,只需切断GFRC-RBFPD的桥体,磨除其固位翼即可,因此GFRC-RBFPD也被认为是一种动态修复方式,可以为临床的修复治疗提供多种选择[5-6]。有研究发现,GFRC-RBFPD的坚固性较金属翼板粘接桥低,特别是连接体部位更加脆弱[7]。但Li等[8]对39例患者进行上颌前牙缺失修复,结果发现,4年后修复体的完整保存率为89.7%,第4年的修复体功能保存率约为92.3%,同时还发现,单颗牙缺失修复后牙周组织也得到了一定改善。有报道指出,GFRC-RBFPD虽然强度较金属材料低,但GFRC-RBFPD制作技术简单且成本低,医师在技工室即可生产,可以尽最大可能地减少患者的就医时间,提高患者的就医感受;同时,GFRC-RBFPD无金属色泽,外观更加美观,能更好地满足对美观要求高的患者;此外,GFRC-RBFPD去除牙体组织少,可以最大限度地保存牙齿的完整性[7]。因此,GFRC-RBFPD被视为一种既美观又经济的动态微创修复方法。


  1.2桩核修复


  桩核技术是一种常用的牙体缺损修复技术。目前临床上应用的根管桩主要以金属材料铸造的金属桩为主。金属桩具有高弹性模量,咬合时易造成应力集中,可导致牙根折断等不良后果[9]。此外,金属的射频变性在对头部行CT、磁共振成像时可引起图像扭曲变形,对检测成像造成干扰[10-11]。同时,金属核桩佩戴一段时间后,可见明显的灰色边缘线条,不能满足人们对美观的要求[12]。由GFRC所制作的玻璃纤维桩技术近年来逐渐成熟。研究显示,玻璃纤维桩修复体在颜色匹配性、边缘密合性以及桩核冠的完整性等方面均显著优于铸造金属桩,且玻璃纤维桩组的修复成功率也显著高于铸造金属桩组;另外,修复后2年,玻璃纤维桩组的有效率也高于金属桩组[13]。同时,玻璃纤维桩对维护牙周组织健康也有一定作用。有研究发现,玻璃纤维桩修复后牙齿的牙龈指数及出血指数均低于金属铸造桩核组[14]。另有报道指出,玻璃纤维桩的质地以及弹性模量均与牙本质相近,且作用力均匀分布于整个桩上,避免了牙体作用力过于集中,同时玻璃纤维桩还具有较强的抗弯强度和拉伸强度,防止牙根的折断;另外,玻璃纤维桩具有良好的生物相容性、高强性及透光性,且具有与牙根相近的色泽,美观性良好[15-16]。综上可见,玻璃纤维桩在修复牙体缺损等方面较铸造金属桩更具优势,应用前景更为可观。


  1.3义齿基托的加强


  聚甲基丙烯酸甲酯因成本低、生物相容性好、易加工、口腔环境稳定、美观等优点而被广泛应用于义齿基托的制作。但其物理和机械性能较差,并不是理想的材料。临床中义齿基托主要选择金属网格或金属板进行加强,但树脂与金属结合差,较脆易碎,且具有金属光泽,因此美观性差,不能满足患者的要求。近年来有研究表明,加入玻璃纤维的增强复合材料制作的义齿基托可以显著增强基托的弯曲强度、冲击强度、韧性和维氏硬度,且义齿基托变形<1%[17]。而且经过预浸润和硅烷处理过的上述义齿基托可以更明显地提高抗弯强度和冲击强度。Yoshida等[18]分别对金属和GFRC制作的义齿基托进行抗弯强度和弹性模量的测试,结果发现,GFRC在抗弯强度和弹性模量等方面较金属增强树脂基质有显著优势。此外,Gad等[19]发现,GFRC显著提高了义齿基托的力学性能。但义齿基所在的口腔环境较为复杂,且以上研究仅在体外进行,因此需要进一步的体内研究为临床应用提供指导。


  2GFRC在牙周领域中的应用


  GFRC在牙周领域中的应用主要体现在牙周夹板作用。以往牙周夹板固定松动牙是常见的治疗方法,多采用光固化树脂黏合夹板、金属结扎丝联合光固化树脂夹板等进行固定。但当金属或其他相关材料与光固化树脂联合使用时,材料与光固化树脂之间属于机械结合,在口腔进行咬合等功能运动过程中会造成夹板破裂,从而影响治疗效果,加剧医患矛盾。GFRC牙周夹板是由超强玻璃纤维与流动树脂相结合而成的增强复合材料,玻璃纤维有较好的组织相容性,可与树脂形成一个整体的化学结合,当材料受到负荷后,纤维能够分布并传导应力,防止基质中微裂痕的产生,从而降低了夹板折断的风险,促进患牙牙周组织的修复和再生[20]。此外,在以往的牙周夹板固定患牙治疗过程中,牙周夹板的使用使牙齿表面增加了很多不易清洁的窝沟点隙,从而增加了患牙龋坏和引发牙龈炎的风险。针对此类问题,相关研究表明,GFRC凭借其良好的透明性、体积小、固位好、固位体周围易于清洁维护等特点,可以减少龋病和牙龈炎的发生[21]。肖遵胜等[22]研究发现,GFRC牙周夹板对基牙牙槽骨高度和密度的增加有一定的积极作用,可增加牙槽骨高度和密度,并产生骨白线。夏长普等[23]发现,经基础治疗后牙周袋深度5mm伴垂直型骨吸收的前牙慢性牙周炎患者,在GFRC夹板固定后行植骨术+引导组织再生术,1年后发现,牙周再生性手术前配合GFRC固定术可促进牙周组织再生,巩固牙周病的治疗效果。也有研究发现,扭转过大的患牙连接在一起容易引起应力集中,导致GFRC牙周夹板断裂,同时由于患者咬合力过紧、过大易引起夹板断裂[21]。因此,GFRC牙周夹板的使用在临床上仍有一定的局限性,需要进一步研究。但凭借稳定的化学黏结、高强度和良好的美观性,GFRC牙周夹板仍然被认定为是一种理想的牙周夹板方式。


  3GFRC在口腔颌面外科领域中的应用


  创伤、感染、肿瘤等因素所导致的颌骨缺损给患者造成了严重的心理和生理伤害,患者的生活质量显著下降。因此,对此类患者的治疗以及修复是口腔颌面外科学亟待解决的问题。金属材质的骨修复缺损装置,特别是钛和钛合金具有良好的机械性能、化学稳定性和生物相容性,已广泛应用于口腔颌面外科的临床治疗[24]。但金属植入装置易造成金属离子释放、金属过敏、辐射伪影等不利影响[25]。此外,金属植入物的弹性模量较高(110GPa)与周围皮质骨(12~17GPa)或松质骨(3GPa)的弹性模量不匹配,易导致应力屏蔽、骨吸收和骨整合不良等不利结果,从而影响相关的治疗效果[2]。在这种情况下,合成聚合物、复合材料或低弹性模量金属合金越来越多地被认为是钛和钛合金的理想替代品,用来防止潜在的负生物反应[26-27]。近年来,GFRC被认为是一种理想的骨缺损修复的潜在性材料,它不仅具有良好的机械性、抗折性、生物相容性和延展性,还具有长期稳定性、非磁性、低导热性甚至磁共振成像相容性[26]。此外,GFRC的弹性模量为15~20Gpa,具有与皮质骨和松质骨相近的弹性模量,而且其拉伸强度(400~1200MPa)相对较高,高于常用的镍钛合金(965MPa)[28-29],更具临床可操作性。相关研究表明,由玻璃纤维和生物活性玻璃颗粒所组成的涂层暴露能够增强细胞的黏附和增殖[30]。尽管已经发现GFRC植入物的机械性能和细胞响应与金属钛具有相似的结果,但体内骨形成的证据还未确定,只有少数动物科研人员进行了GFRC植入物中新骨形成的相关研究[31]。Mattila等[32]通过有限元分析发现,GFRC植入物在骨植入物界面的剪切力分布比镍钛植入物更均匀,此项研究成果为GFRC植入物在口腔颌面外科领域的应用奠定了基础。总之,GFRC植入体可作为一种承载力的种植体应用于口腔颌面部骨的重建,同时在医学上作为钛和镍钛合金或其他金属基材料的替代品具有巨大的应用前景。


  4GFRC在口腔正畸领域中的应用


  随着口腔正畸领域相关材料的不断研发以及患者对正畸治疗过程中美观等要求的逐渐提高,传统金属托槽和有色弓丝已经不能满足广大患者的治疗需求。近年来,符合患者美观要求的无托槽隐形矫治器相继问世,但由于其价格昂贵,无金属透明弓丝的研发势在必行。Liu等[33]将具有原始形态记忆特性的聚氨酯与玻璃纤维混合成型,制造出更加美观的透明弓丝,并在牙列仿真模型上安装这种特殊弓丝进行模拟排牙,结果发现,与传统的弓丝相比,由聚氨酯与玻璃纤维混合制造出的透明弓丝矫正时间缩短50%,其所产生的反作用力提高96.36%;而且与传统正畸弓丝相比,由玻璃纤维与聚氨酯混合而成的正畸弓丝的弹性模量和拉伸模量均较低,其回弹力为100~150g,符合正畸临床常用的力值范围。因此,在正畸患者矫治牙齿的起始阶段,可以采用这种特殊弓丝进行牙齿排齐。Tanimoto等[34]将玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝与传统正畸临床应用的镍钛弓丝进行了比较,结果发现,两者在弯曲行为方面表现相似,且玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝具有刚度低、回弹性高的特性。鉴于这种物理性能,由玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝可以向矫正过程中的牙齿施加更加合适的正畸力。此外,为证明弓丝在矫正过程中可以持续保持美观,Inami等[35]对由玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝进行着色实验,将弓丝置于含有咖啡的模拟口腔,4周后发现,弓丝在外观上几乎无改变,由此认为,玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝在矫治过程中颜色可以保持稳定,不易受外来着色因素的影响,可以持续保持美观。相信随着人们对美观要求的不断提高,玻璃纤维与聚碳酸酯混合制成的正畸弓丝会受到更多临床医师和患者的关注,但其临床效果仍需进一步研究。虽然GFRC透明弓丝在美观方面具有传统金属弓丝无法超越的优势,并且其生物学性能和力学性能较好,可以为患者提供更加优越的正畸治疗体验,但在机械性能方面GFRC弓丝仍然具有局限性,也对其临床应用造成了一定影响。相信随着对GFRC弓丝研究的不断深入,其具有广阔的应用前景。


  5GFRC在牙体牙髓领域中的应用


  目前GFRC在牙体牙髓中的研究较少,研究方向主要集中于应用玻璃纤维增强矿化物三氧化物凝聚体复合材料加固牙齿、抵抗根折、防止牙齿缺失等方面。在牙体牙髓科,根管治疗是最为常见的临床操作之一,根管充填作为核心操作是决定根管治疗成功与否的关键。根管充填的主要目的之一是用根管充填材料来加固牙齿以抵抗垂直应力,防止牙根折裂,延长牙齿的使用寿命。迄今为止,临床上应用的根管充填材料仍不能满足要求。Nagas等[36]研究发现,由玻璃纤维增强矿化物三氧化物凝聚体复合材料制作而成的根管充填材料可以在根管中形成根管内屏障,从而有助于缓解较大的垂直应力,有效防止根折。因此,玻璃纤维增强矿化物三氧化物凝聚体复合材料被视为一种抵抗根折的有效选择,但目前临床研究较少,仍需要进一步研究证实。


  6小结


  GFRC复合材料具有高透明性,而且其生物性能和机械性能与牙本质相当,这为其应用于口腔科各个领域奠定了坚实的基础。尤其是在口腔颌面外科以及口腔正畸科领域,GFRC复合材料的生物学优势、机械性能优势更加明显。在口腔颌面外科,GFRC复合材料所具有的磁共振成像相容性为今后患者的诊疗提供了极大的便利性。在口腔正畸领域,由于近乎透明的色泽以及不影响患者对美观要求等特点,GFRC复合材料将会成为更多爱美患者的选择。因此,随着研究的不断深入,GFRC在口腔医学领域中的应用会越来越广阔,这对推动口腔医学的发展与创新有重要意义。


  作者:王敬超 乔爱红 周珊 王晓峰


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