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聚醚醚酮牙周夹板的材料性能及临床效果研究进展

来源:网络 时间:2024/5/21

 聚醚醚酮牙周夹板的材料性能及临床效果研究进展

引用本文:刘昱晨,刘恒妍,李康杰,等.聚醚醚酮牙周夹板的材料性能及临床效果研究进展[J].中国实用口腔科杂志,2024,17(2):241-246. DOI:10.19538/j.kq.2024.02.019

作者姓名:刘昱晨a,刘恒妍b,李康杰b,李    萌b,陈    莉b,田    敏b,牛丽娜b,白石柱a,方    明b

基金项目:陕西省重点研发计划(2022SF-062);2021年空军军医大学第三附属医院新技术新业务项目(LX2021-302);陕西省重点科技创新团队(2020TD-033)

作者单位:口颌系统重建与再生全国重点实验室;国家口腔疾病临床医学研究中心;陕西省口腔医学重点实验室;第四军医大学口腔医院a数字化口腔医学中心,b修复科,陕西  西安 710032

通信作者:方明,电子信箱:fmfmyouyou@qq.com


摘要:慢性牙周炎可导致牙齿进行性松动、移位,造成患者咀嚼无力。松牙固定技术可固定松动牙,重新分配咬合力,提高咀嚼效能。传统的松牙固定技术多使用纤维带树脂夹板,但口内直接修复椅旁操作时间长,间接修复无法实现数字化制作,精度难以保证。因此,亟需探索更具临床应用前景的牙周夹板材料。聚醚醚酮是一类高性能聚合物,因机械性能及美学效果较佳等优势可用于牙周夹板修复。文章就聚醚醚酮的材料性能及聚醚醚酮牙周夹板的临床应用效果做一综述,分析其应用前景,以期为聚醚醚酮牙周夹板的推广应用提供可靠依据。

关键词:牙周夹板;聚醚醚酮;粘接


慢性牙周炎治疗不及时或处理不当常导致牙齿过度松动,可能引起继发性咬合创伤,加重牙周组织损伤,进而导致松动牙自行脱落或被拔除,影响患者的咀嚼效能,甚至影响美观、发音和心理健康[1]。松牙固定技术通过夹板将松动牙与周围相对健康的牙齿连接成一个“多根巨牙”,可调动牙周组织代偿能力,有效分散咬合力,是牙周治疗的重要组成部分[2]。目前国内外松牙固定技术主要以纤维带树脂夹板为主[3-7],其粘接性能良好,在夹板轻微折裂或少量缺损时可于口内修补,且具有一定的应力中断作用,可实现微创固定,美观效果较好;其既可实现口内的直接修复,也可在口外成形后进行口内粘接固位[8]。然而,应用纤维带树脂夹板进行口内直接修复时椅旁操作时间较长,即使采用间接修复,也无法实现数字化制作,工作效率较低[9];此外,其易出现菌斑堆积,可能会造成树脂部分脱落、变色、继发龋等情况发生。
聚醚醚酮是一类高性能热塑性聚合物,可通过压铸、数控切削、3D打印技术进行再加工[10],已广泛用于脊柱、颅颌面修复等植入材料中,在口腔医学领域也有将其作为种植体基台、可摘局部义齿支架、固定义齿等的病例报道[11-13]。聚醚醚酮不易黏附菌斑,机械性能和生物相容性较佳,且可同时实现全程数字化设计制作,因此逐渐被应用于慢性牙周炎患者的松牙固定治疗中[14-15]。牙周夹板的长期存留率与材料本身的理化性能和粘接性能密切相关。本文对聚醚醚酮的材料性能及聚醚醚酮牙周夹板的临床应用效果做一综述,以分析其应用前景,并为聚醚醚酮牙周夹板的推广应用提供可靠依据。

1    聚醚醚酮材料的理化性能优势

聚醚醚酮机械性能优良(表1),其弹性模量为3 ~ 4 GPa,相比于金属合金(110 ~ 130 GPa)更接近牙体组织和骨组织的弹性模量,利于应力的分散和传导。此外,聚醚醚酮的机械强度较高,纯聚醚醚酮及聚醚醚酮复合材料室温下的弯曲强度均高于160 MPa[16]。这使其在制作牙周夹板时牙体预备量较小,且夹板本身较薄,因而患者异物感不明显[17]。
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牙周夹板的表面粗糙度对维护口腔内软硬组织健康十分重要[18],减少表面粗糙度可改善舌体感觉,并减少牙菌斑黏附。既往研究主要采用轮廓算术平均差(Ra)评价物体表面粗糙度。根据口腔内生物膜的形成特点,Ra值在0.2 μm以内对菌斑黏附无显著影响。Benli等[19]比较了纯聚醚醚酮和牙周夹板常用材料聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)的表面粗糙度发现,在使用2500 ~ 4000目碳化硅纸湿法抛光后,纯聚醚醚酮的Ra值[(0.139 ± 0.017)μm]较PMMA[(0.192 ± 0.018)μm]更低。Heimer等[20]也对聚醚醚酮复合材料和PMMA的表面粗糙度进行比较发现,经2000、4000目碳化硅纸湿法抛光后聚醚醚酮复合材料的Ra值[(0.032 ± 0.003)μm]较PMMA[(0.072 ± 0.004)μm]更低。
纯聚醚醚酮呈棕色或灰色,与口腔软硬组织颜色相差较大,这会在一定程度上影响其在口腔科领域的应用。在聚醚醚酮中加入氧化铁可使其变为浅粉色来模拟牙龈,添加二氧化钛和陶瓷颗粒可使其颜色近似釉质,但获得的颜色效果有限。在聚醚醚酮表面覆盖饰面树脂可实现口腔软硬组织的色彩仿真[21],且颜色的稳定性与聚醚醚酮材料的吸水性、基质成分及填料的溶解性相关。Liebermann等[22]对PMMA、复合树脂和聚醚醚酮在生理盐水、人工唾液、蒸馏水中储存1、7、14、28、90、180 d后的溶解度和吸水率进行比较,发现与其他材料相比,聚醚醚酮的溶解度和吸水性最低,因而推测在口腔复杂环境中聚醚醚酮的颜色稳定性优于其他材料。
由此可见,聚醚醚酮及其复合材料的机械强度较高、不易折断,且较高的弯曲强度赋予了牙周夹板一定弹性;此外,其表面粗糙度、溶解度和吸水性均较低,可满足牙周夹板的临床使用需求,并利于长期稳定。

2    聚醚醚酮材料表面改性后的粘接性能

牙周夹板主要依靠粘接固位,因而粘接性能是影响牙周夹板远期疗效的重要因素之一。聚醚醚酮具有生物惰性,需通过表面改性增加其粘接强度。目前,对聚醚醚酮的粘接性能研究主要为其与饰面树脂的粘接[23]。既往研究表明,未进行表面处理的聚醚醚酮与饰面树脂无法形成有效粘接;为了获得足够的粘接强度,需在粘接前通过机械粗化或化学处理的方法对聚醚醚酮表面进行改性[21,23]。机械粗化主要包括喷砂、等离子体(如氧气、氩气等)及激光等方法;化学处理主要包括粘接剂改性及应用浓硫酸、食人鱼溶液(piranha solution)等液体蚀刻。聚醚醚酮经过表面处理后,其表面粗糙度及表面自由能等理化性能得以提高,可增加其机械嵌合力,提高粘接强度。
2. 1    浓硫酸蚀刻    浓硫酸可部分溶解聚醚醚酮,使其表面形成纤维网状结构,增加与树脂的微机械固位;其在室温下即可打开聚醚醚酮的苯环和羰基,引入亲水性磺酸官能团后可发生磺化反应和质子化反应[24],增加聚醚醚酮表面极性。磺化反应可蚀刻聚醚醚酮基体,其蚀刻程度受硫酸浓度影响。与高浓度硫酸相比,低浓度硫酸不会造成聚醚醚酮表面严重的形貌变化。Chaijareenont等[25]比较了聚醚醚酮表面受到不同质量分数(70%、80%、85%、90%、98%)浓硫酸蚀刻60 s后与树脂的粘接性能差异,发现随着浓硫酸质量分数的增加,聚醚醚酮表面逐渐出现纤维网状结构,且经过98%浓硫酸蚀刻的聚醚醚酮具有最高的粘接强度,其粘接断裂模式主要为内聚破坏和混合破坏。此外,浓硫酸的蚀刻时间也会影响聚醚醚酮的表面形貌。Sproesser等[26]比较了数控切削的聚醚醚酮试件与98%浓硫酸反应5、15、30、60、90、120、300 s后,与多种树脂水门汀的粘接强度差异,但由于树脂水门汀的成分差异无法最终确定聚醚醚酮与浓硫酸的最佳反应时间,仅可初步确定为30 ~ 90 s。反应时间过长可使聚醚醚酮表面蚀刻程度过深,造成其表面孔隙过大,降低表面强度,进而导致材料老化,并可能降低粘接性能[23]。Zhang等[27]进一步评估了3D打印聚醚醚酮和数控切削聚醚醚酮经98%浓硫酸蚀刻处理不同时间(5、30、60、90、120、300 s)后,与树脂粘接强度的差异,发现3D打印聚醚醚酮经98%浓硫酸蚀刻30 s后获得的粘接强度最高,且数控切削聚醚醚酮经98%浓硫酸蚀刻5 ~ 120 s后,与树脂的粘接强度均有所提高。目前大部分实验室将98%浓硫酸蚀刻聚醚醚酮的时间设置为60 s,经表面处理的聚醚醚酮与树脂的粘接强度可达到15 MPa[28-29]。
2. 2    喷砂粗化    喷砂是修复体表面粗化较为常用的方法之一。喷砂不仅可增加聚醚醚酮的表面粗糙度,还可去除有机污染物,改善其表面润湿性[30],提高其与树脂的粘接强度[12]。喷砂颗粒和喷砂压力的差异会影响聚醚醚酮的表面粗糙度,进而影响其粘接强度。多数研究应用50、110 μm的喷砂颗粒,而喷砂的压力多设置为0.05、0.20、0.28、0.40 MPa[28,31]。多数研究报道喷砂后的聚醚醚酮与树脂的粘接强度在0.4 ~ 20.0 MPa[32]。由于实验设计的异质性,尚无法统一喷砂颗粒和喷砂压力的最佳数值。Stawarczyk等[31]研究评估不同喷砂压力和喷砂颗粒(0.05 MPa下50 μm的Al2O3、0.35 MPa下50 μm的Al2O3、0.05 MPa下110 μm的Al2O3、0.35 MPa下110 μm的Al2O3及0.28 MPa下110 μm Rocatec系统的Al2O3)对聚醚醚酮粘接强度的影响,发现使用Visio.link粘接剂时,经过0.05 MPa、110 μm Al2O3喷砂处理后,聚醚醚酮与树脂的拉伸粘接强度提升效果最佳。Gouveia等[33]同样证实了110 μm Al2O3提高聚醚醚酮与树脂剪切粘接强度的有效性。
喷砂作为一种安全便捷的椅旁操作已被广泛应用于临床,而浓硫酸具有强腐蚀性,蚀刻操作时具有一定危险,多在技工室内由专人操作完成。但相较于浓硫酸蚀刻,喷砂对聚醚醚酮与树脂粘接强度的提升效果欠佳[21]。Culhaoglu等[34]发现,经98%浓硫酸蚀刻的聚醚醚酮与饰面树脂之间的粘接强度为(15.82 ± 4.23)MPa,显著高于喷砂处理后[(10.81 ± 3.06)MPa]。而聚醚醚酮经喷砂和浓硫酸联用处理后能否提高与树脂的粘接效果尚待验证。聚醚酮酮和聚醚醚酮同属聚芳醚酮类材料,聚醚酮酮较聚醚醚酮增加了酮基结构。有学者联合应用98%浓硫酸(5 s)和喷砂(0.2 MPa、110 μm Al2O3)对聚醚酮酮进行表面处理,并将其与单独使用98%浓硫酸(5、30、60 s)和单独使用喷砂比较,发现单独应用98%浓硫酸(5 s)的效果最佳[35],联合应用效果不明显可能与喷砂后Al2O3的颗粒残留相关。Fokas等[36]将98%浓硫酸(60 s)和喷砂(0.2 MPa、110 μm Rocatec Plus Al2O3)联合应用于聚醚酮酮,同样发现其与饰面树脂的粘接效果不及单独应用浓硫酸,这可能是由于98%浓硫酸蚀刻时间过长,而喷砂加重其表面破坏。
2. 3    粘接剂处理    粘接剂可通过增加聚醚醚酮表面的润湿性来提高其与树脂的粘接性能,其中粘接剂成分为影响聚醚醚酮粘接性能的主要因素。大量研究表明,含有甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate,MMA)单体的粘接剂可使聚醚醚酮与树脂获得较高的粘接强度[36-37]。含有MMA单体的粘接剂包括Visio.link(Bredent,德国)、Signum PEEK Bond®(Heraeus Kulzer,德国)及Monobond Plus/Heliobond®(Ivoclar Vivadent,列支敦士登)等。Gama等[21]对11篇研究进行系统综述,发现相比于未经处理的聚醚醚酮,Visio.link、Signum PEEK Bond®和Monobond Plus/Heliobond®均可将聚醚醚酮与树脂的粘接强度提高至20 MPa。除了MMA单体,粘接剂中的双酚A-二甲基丙烯酸缩水甘油酯(bisphenol-A-diglycidyldimethacrylate,bis-GMA)、三甘醇二甲基丙烯酸酯(triethyleneglycol dimethacrylate,TEGDMA)及乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethyleneglycol dimethacrylate,EGDMA)均被推测可溶解聚醚醚酮表面,允许单体渗透,并可通过光固化或化学工艺在有机基质聚合过程中建立化学键合,但仍需进一步证实[29]。
2. 4    其他处理方式    除喷砂外,还可通过激光、等离子体等方式进行表面粗化。相比于喷砂(Ra值0.7 ~ 3.5 μm),激光蚀刻可将聚醚醚酮的表面粗糙度提高至15 μm[28,34,38],但激光对聚醚醚酮与树脂水门汀粘接强度的改善作用弱于喷砂[28]。当聚醚醚酮的表面粗糙度控制在1 ~ 3 μm时,其与树脂水门汀的粘接强度可提高至10 MPa,与喷砂处理效果相似[34]。等离子体可将聚醚醚酮的表面粗糙度提高至1 μm,并将其与饰面树脂的粘接强度提高至8 ~ 10 MPa[39-40]。此外,等离子体中携带的活性基团也可使聚醚醚酮表面从非极性转变为极性。Botel等[39]联合应用喷砂和等离子体处理聚醚醚酮,使其与饰面树脂的粘接强度提高至18 ~ 35 MPa。食人鱼溶液(98%浓硫酸和30%过氧化氢的混合溶液)可通过过氧化氢与硫酸反应释放的氧原子以增加聚醚醚酮的表面活性官能团数量,进而与粘接剂中的单体发生反应[23];其也可通过在聚醚醚酮表面形成小坑状形貌,以增加其粘接强度。然而,食人鱼溶液对聚醚醚酮与树脂粘接效果的提升不如浓硫酸显著[41]。


3    聚醚醚酮牙周夹板的临床应用效果及其优势


目前关于聚醚醚酮牙周夹板的临床应用研究较少。有研究报道了聚醚醚酮牙周夹板的全数字化制作流程及临床应用方法,其固定的松动牙均局限于下颌前牙,松牙固定后的美观效果及固定效果均较佳[15,42]。本课题组以下前牙松动的Ⅲ ~ Ⅳ期慢性牙周炎患者为研究对象,分别从咬合功能、牙周状况、患者满意度及对口腔健康影响程度等方面初步评价了聚醚醚酮牙周夹板松牙固定的临床效果,研究共纳入12例患者,随机分为纤维带组(固定31颗松动牙)和聚醚醚酮组(固定35颗松动牙)。随访期间(修复后7 ~ 13个月),纤维带组3例患者出现树脂剥脱及纤维带折裂;聚醚醚酮组无夹板破损折裂,但有4例患者的牙周夹板出现局部脱粘接,局部脱粘接率高于纤维带组,其主要发生在使用长夹板修复的Ⅳ期慢性牙周炎患者中及夹板远端前磨牙有咬合应力集中的基牙上,重新粘接后夹板恢复正常使用。夹板固定期间,聚醚醚酮组显著改善了患者的口腔健康影响程度,获得了较高的主观满意度,舒适度、咀嚼功能、语音功能及美观效果与纤维带组无显著差异,患者的咬合状况和牙周状况均维持稳定[43]。
聚醚醚酮用于牙周夹板修复具有以下优势[42,44]:①利用口内数字化扫描技术,结合数控切削或3D打印技术可实现全程数字化聚醚醚酮牙周夹板的个性化设计和计算机辅助制作,可避免常规取模操作时牙齿因松动而移位,并可提高印模质量、夹板的制作精度和修复后的美学效果,改善患者的就诊舒适性,提高工作效率。②由于聚醚醚酮材料机械强度高,可制作厚度0.5 ~ 1 mm的牙周夹板,可实现无创或微创牙体预备,修复后异物感不明显。③聚醚醚酮材料制作的夹板边缘位于龈上,因而对牙周组织无刺激,便于修复后的口腔卫生清洁及牙周维护。④聚醚醚酮材料密度低于常用的牙科金属材料,其修复体质量轻,舒适性较高;且其不存在过敏风险,不影响核磁共振检查,适用人群较广。

4    结语


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