补牙:牙体组织的粘接(口腔医学 牙体修复术)
19世纪末,G. V Black创建了科学化、规范化的修复体系,强调修复体固位主要以机械固位的传统方式。1955年,Buonocore首次采用酸处理牙齿表面,促进树脂和牙齿的粘接,提高修复体的稳固性,开创了现代牙体修复技术的变革。随着现代牙色材料的发展,修复概念已经发生转变。保留更多的牙体组织的粘接技术得到了广泛的应用推广。口腔医学进入了粘接牙科学(adhesive dentistry)时代。
粘接(adhesion bonding)是指两个同种或异种固体物质,与介于两者表面间的第三种物质作用而产生牢固结合的现象。利用粘接剂的粘接力使固体表面连接的方法称为粘接技术。在牙体修复中,粘接发生于牙体组织与修复材料之间,如复合树脂、银汞合金。
牙体组织粘接的生物学基础
釉质的结构特性
釉质是高度钙化的组织,无机物约占96%~97%,少量有机物和水,无机物主要以羟磷灰石的形式存在,化学结构式为Ca10(PO4)(OH)2。羟磷灰石晶体是釉质无机盐基本的结构形式,不溶于水,可溶于酸,其分子中的氢氧离子可被氟离子所取代,生成难溶于酸的氟磷灰石。
处在口腔环境的釉质表面被许多沉积物所覆盖,如唾液获得性膜、牙菌斑生物膜、软垢、牙石等,其表面性质为非极性和疏水性,表面能为38×10-3J/m2,将影响釉质的粘接。
牙本质的结构特性
牙本质的化学组成类似于骨组织。主要化学成分是矿物质,无机物为70%,有机物和水为30%。有机成分的90%是胶原纤维,其中主要是Ⅰ型胶原,结构和性能对牙本质粘接有着重要影响。矿物质构成以羟磷灰石为主,矿化程度和体积均小于釉质羟磷灰石晶体。
牙本质主要由牙本质小管、成牙本质细胞突起和细胞间质构成。牙本质小管贯通整个牙本质层,从牙髓向釉牙本质界面呈放射状排列。牙本质小管靠近牙髓的一端较粗,越接近牙齿表面,牙本质小管越细,且排列越稀疏。
牙本质小管作为毛细管构成虹吸作用系统。牙本质暴露时其表面液体很快丧失,损失的液体中通过这种沿小管的毛细作用所引起的液体流动而得到补偿。这种液体流动的最大速度可达2~4mm/s,每日流量约为0.6μl/mm2。在暴露的牙本质表面,用各种刺激可引起小管内液体向外或向内流动。用空气吹风蒸发除去牙本质暴露面的液体,用高渗溶液或吸收性物质,以及用冷刺激使表面脱水,均可引起液体向外流动;而采用热刺激,即用一种热的液体可产生向内、向牙髓的流动。这种通过小管向牙本质表面流动的液体,对形成稳固的粘接极为不利。当对粘接面进行干燥处理时,尽管暂时除去了牙面吸附的水层,但从小管内渗出的液体又使表面变得潮湿,有牙本质开口的牙面实际上无法完全干燥。
罩牙本质靠近釉质和牙骨质,胶原纤维较粗大,与牙本质表面垂直。牙本质中靠近髓腔的胶原纤维较细小,与牙本质小管呈垂直方向,称为髓周牙本质。围绕牙本质小管周围的间质,其矿化程度比其余的间质高,且基本上不含胶原纤维,当用常规脱钙方法处理时,该处结构消失,这部分间质构成了牙本质小管的壁,称为管周牙本质,其余部分间质则称为管间牙本质,其中的无机物含量较少,胶原蛋白的含量较高。在管间牙本质中,胶原纤维结合成致密的束,呈格子状排列。
因磨损、酸蚀、龋病等造成牙本质暴露时,成牙本质细胞受到不同程度的损伤,受伤的及新分化的成牙本质细胞立即产生防御性反应,并在与损伤处相对应的髓腔壁上形成新的牙本质以保护牙髓,这种新形成的牙本质称为修复性牙本质。牙本质受外界刺激时,除形成上述的修复性牙本质外,还可使牙本质小管内的细胞发生变性,很快出现钙盐沉积而封闭小管,阻止外界刺激传入牙髓。这种反应性钙化的牙本质称为透明牙本质。在牙本质小管继续暴露后,小管内的成牙本质细胞逐渐产生变性、分解,小管内充满空气,这部分牙本质呈黑色,称为死区(dead tract)。
清洁的牙本质表面,理论上包括管间牙本质、管周牙本质、胶原纤维和牙本质小管,同时还有毛细作用产生的、沿牙本质小管向外渗出的液体。临床制备牙本质粘接面时,使用器械切削牙本质的过程中会产生含有机物和大量无机物的表面层,称为玷污层或涂层。牙本质切削时产生局部高热,其表面温度可上升至600℃(有水冷却时温度稍低),这种小范围内的高温,使牙本质表面的化学和物理特性发生改变,即产生玷污层(smear layer)。
玷污层是一种无序的牙本质,是切削所产生的能量使牙本质中羟磷灰石晶体和胶原纤维的高度有序结构遭到破坏后形成的结构无序的表面层,它仍然黏附在下层的牙本质上,同时能提供足够稳定的界面状态与粘接剂结合,是一种具有特殊作用的结构层。
玷污层的性质与机械切割有关,其厚度视采用干切削或湿切削,以及窝洞的大小、形状和所用器械的类型而异。通常玷污层的厚度为0.5~15μm,临床制备洞形,一般产生1~5μm的玷污层。一般说来,无喷水的切削比有大量喷射的切削形成的玷污层更厚更粗糙,粗糙的金刚钻比碳钢裂钻产生的玷污层更厚更粗糙,低速或高速牙钻形成的玷污层的厚度相近。玷污层以相对薄的厚度覆盖在牙本质表面以及填塞在牙本质小管内。尽管分子大小不同的物质均能穿透玷污层,牙本质小管中向外渗出的液体流量和流速均减小。若用可与羟磷灰石反应而溶解的试剂如络合试剂,则可除去牙本质表面以及进入牙本质小管的玷污层。牙本质小管开口因液体流动引起的牙本质渗透性增加25~36倍,暴露出新鲜的、结构有序的牙本质表面。
牙骨质的结构特性
牙骨质中无机物的含量低于牙本质,约为45%~50%,有机物和水为50%~55%。无机物主要是羟磷灰石,有机物主要由胶原蛋白和黏多糖组成。牙骨质中虽有细胞,但无神经和血管。正常情况下,功能性牙根面的牙骨质要发生缓慢的吸收和修复过程。
牙本质和牙骨质紧密结合,形成一光滑的牙本质牙骨质界。牙根部的牙骨质表面被牙周膜所覆盖,并有来自于牙周膜的纤维结合于表面。牙颈部的牙骨质表面则被牙龈覆盖,当牙龈萎缩,牙颈部暴露时,此处的牙骨质随之暴露。游离龈与牙齿表面之间的龈沟中,常有细菌、食物碎屑及其分解产物,还被从龈组织不断分泌的龈沟液所充满。暴露的颈部或根部牙骨质表面还附着了菌斑和牙石。
釉质粘接的表面处理
复合树脂和釉质的粘接是通过酸蚀技术来实现的。酸蚀技术是通过酸蚀刻釉质表层,获得树脂修复体的微机械固位,增强复合树脂与釉质粘接强度的方法。目前,该技术已成为各类修复材料与釉质粘接必不可少的常规处理步骤。
1.酸蚀的作用
釉质中含有大量的磷灰石,磷酸处理时,表面羟基磷灰石可生成溶于水的磷酸二氢钙而被溶解。吸附于牙齿表面的菌斑、软垢以及食物残渣也随之除去,暴露出清洁的表面层。处理后的牙面部分羟基和氢基可产生定向排列,使表面呈现出极性,釉质的表面能得以提高,有利于粘接剂的润湿和渗透。
对釉质进行酸处理时,表现为无机物的溶解脱钙。由于釉质化学结构和组织结构的差异,釉柱和柱间质表现出不同程度的脱矿,主要涉及釉柱中心的溶解、釉柱周围的溶解或釉柱和釉柱周围的脱矿,结果形成凹凸不平的粗糙面,提高了机械嵌合力。
2.酸蚀粘接机制
釉质的这种极性粗糙面,增强了粘接剂的润湿效果,促使粘接剂渗入到牙面的细微结构之中,在增大的表面积内加强了新鲜釉质与粘接剂的相互作用。当粘接剂固化时,粘接界面即可产生相当可观的机械嵌合力。通过扫描电镜可观察到固化后的粘接剂可大面积渗透到脱钙的釉柱间质区,粘接界面的釉质侧可见无数的细微突起,通常称为树脂突。这些树脂突与釉质之间形成机械抛锚式结合构成了釉质与材料最主要的结合力。
3.酸蚀对釉质的影响
酸蚀处理釉质表面,人为造成牙齿表面的脱矿,增加粘接效果。脱矿深度通常为20~50μm,为釉质厚度的1/100~1/30,对釉质不会产生永久性破坏,脱矿区大约在1个月内均能再矿化,脱矿釉质表面经日常刷牙的磨损,可恢复到原有状态。因此,酸蚀对釉质的影响属于可自行修复范围。
4.影响釉质酸蚀的因素
有许多因素要影响釉质的酸蚀,如:酸的种类和浓度,酸蚀时间,酸蚀处理釉柱方向等。釉质脱矿程度随酸的不同种类和浓度而异。常使用30%~50%的磷酸。有溶液和凝胶两种类型。前者价廉,易于清洁,但流动性大,易累及软组织;后者流动性小,酸蚀部位易于控制,但价格昂贵。磷酸的脱矿较均匀,可为粘接剂提供较强的机械固位。
为获得良好的粘接,要求釉质有适当的脱矿深度。深度太小,脱矿不足,深度太大,则表面过度脱矿,使羟磷灰石生成不溶性的磷酸氢钙,表面粗糙度反而减小。目前认为30%~50%的磷酸处理釉质表面30~40秒是较为适宜的釉质处理方法。
酸蚀面与釉柱方向垂直,使釉柱末端暴露,此时形成的树脂突长;酸蚀面与釉柱方向平行者,则酸蚀效果差(图8-5)。
图8-5 不同方向的酸蚀效果
牙本质、牙骨质粘接的表面处理
牙本质表面性能和内部结构相当复杂,含有许多的有机成分和水,并有与牙髓相通的牙本质小管,以及从牙本质小管中向外渗透出的液体。牙本质表面还覆盖有因切削牙本质而产生的玷污层,这些因素均导致对牙本质表面处理的困难。
1.玷污层的去除 牙本质粘接修复之前,需用处理剂处理牙本质表面,以去除玷污层及其形成的管塞,并使其表层脱矿。一般用弱酸或乙二胺四乙酸(EDTA)处理牙本质表面,去除玷污层,使胶原纤维的微孔支架暴露,从而使管间牙本质的微孔增加,形成一多孔带,内含脱矿后遗留的胶原纤维。常用的处理剂有0.5mol/L EDTA、10%磷酸、20%聚丙烯酸、10%马来酸等。
2.增加牙本质表面活性 利用底胶的亲水性与所含表面活性单体湿润牙本质表面,渗入胶原纤维间的微间隙,直达纤维网络层,与随后渗入的粘接树脂共聚。
底胶的作用是粘接促进剂,含有溶于有机溶剂(丙酮或乙醇)的亲水单体,如甲基丙烯酸酯β羟乙酯(HEMA)。通过溶液的挥发,置换牙本质表面的胶原网中的水及空气,从而促进单体的渗入。亲水单体对胶原有较高的亲和力,可有效地湿润牙本质,是树脂的良好助渗剂,促进疏水粘接树脂对牙本质润湿。底胶中含有疏水单体,能与粘接剂的树脂共聚。通过底胶处理,使亲水性的牙本质表面变成疏水性,以利于粘接剂有效地润湿和渗入暴露的胶原纤维网中。
3.暴露于口腔的牙骨质表面黏附着牙石、细菌、食物残渣和龈沟液等,不利于粘接,必须予以除去,以获得清洁干燥的粘接面。
牙骨质层很薄,含有细胞,周围还有牙龈等软组织,采用酸蚀法或其他化学处理剂进行表面处理存在困难。目前一般都采用机械方法,如先用手术器械作龈下刮治后,再用高压水流冲洗龈沟,除去龈沟内污物,用热空气干燥,达到表面处理的目的。
牙体硬组织的粘接修复
1.釉质粘接修复
釉质的粘接主要采用酸蚀技术,通过酸蚀釉质表层,获得树脂与修复体的微机械固位,树脂突的形成是釉质主要的粘接机制。经酸蚀的釉柱、间质均有不同程度的脱矿,低黏度的粘接剂树脂通过毛细作用渗入酸蚀后形成的微孔中并发生聚合,形成树脂突,获得树脂修复体的微机械固位。树脂突有釉柱之间形成的大树脂突和釉柱脱矿后形成的微树脂突。
为增强复合树脂与釉质的粘接,釉质酸蚀后,先涂布一薄层釉质粘接剂。釉质粘接剂多为不含无机填料或少量填料的低黏度树脂,如Bis-GMA及其改性物。这些基质树脂是疏水的,不利于在牙齿表面的润湿和铺展,常用低黏度的亲水单体HEMA或以双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯(TEG-DMA)稀释,使其易流入釉质酸蚀后形成的微孔中,与釉质形成最佳嵌合。粘接剂中残存的不饱和烯键与修复体树脂的基质发生共聚,产生很强的化学结合。釉质粘接剂作为修复树脂与蚀刻釉质间的中间层,通过粘接剂在釉质微孔中聚合形成的微机械固位和修复树脂基质的共聚作用而增强修复树脂与釉质的粘接强度。
釉质粘接剂的应用减少了釉质与修复树脂界面的孔隙,与釉质的粘接力强度能抵抗修复聚合收缩所产生的拉应力。釉质粘接剂能有效防止洞缘与修复体间出现缝隙引起的微渗漏。
2.牙本质粘接修复
牙本质的粘接主要是粘接剂中的活性基团与牙本质中的钙离子、羟基、氨基和羧基等结合的化学粘接作用。牙本质粘接的主要机制是粘接体系与牙本质形成的微机械扣锁作用(micromechanical inter-locks)。
为增进牙本质粘接,需先对牙本质表面进行处理,使非均质、亲水的牙本质表面能有效地被粘接。一般先用处理剂处理牙本质表面,去除玷污层,使管间牙本质脱矿,胶原纤维的微孔支架暴露,形成一多孔带,使牙本质小管开放,涂布底胶;底胶润湿并渗入胶原所形成的胶原纤维间的微孔和牙本质小管中,以利于粘接剂的随后渗入;最后,涂布粘接剂。底胶和粘接剂在原位固化后,即与牙本质胶原纤维形成相互扣锁的混合层,内含有许多微树脂突,与牙本质小管中的大树脂突共同作用而获得与牙本质的牢固粘接。粘接剂中残留的不饱和烯键与修复树脂单体共聚,使复合树脂粘接于牙本质。
牙本质粘接剂已发展到了第五代。化学粘接作用的粘接强度低,在牙本质粘接中微机械固位是其主要机制。第一、二代粘接剂侧重于促进粘接剂与牙本质活性基团的化学结合,多系具有双功能基团的表面活性单体。第三、四代粘接剂主要在于增强粘接剂对亲水牙本质表面的润湿和渗入能力,并与疏水的修复树脂形成稳定结合。牙本质粘接体系由处理剂、底胶、粘接剂三部分组成。为了简化牙本质粘接过程操作的繁琐,第五代粘接剂将底胶和粘接树脂,或者将处理剂和底胶合二为一,简化操作步骤。
3.牙骨质粘接修复
粘接剂与牙骨质的结合包括了机械嵌合、物理吸附和化学结合三种形式。由于牙骨质表面形态更复杂,获得适于粘接的表面处理更难进行,其表面也吸附有更多的水,单纯的机械嵌合难以形成对牙骨质的有效粘接,依靠物理吸附力也不能保持长期的有效性,只有在粘接剂与牙骨质之间形成化学结合的情况下,才能获得对牙骨质的牢固粘接。
牙骨质的粘接通常要涉及牙骨质-牙龈,以及牙骨质-牙槽骨两方面的结合。牙骨质粘接剂应该对牙骨质、牙龈、牙槽骨三个被粘接面产生足够的粘接力。由于牙骨质粘接剂的粘接对象是有细胞的硬组织和有血管的软组织,必须具有良好的生物安全性和生物相容性。牙骨质表面和内部有较多的水分,获得干燥的粘接面极为困难,能在水环境中建立粘接并保持长期稳定的粘接剂将是最佳选择。粘接对象同时涉及软硬组织,低黏度的液态粘接剂较为合适。这种结合还必须达到良好的边缘封闭性。
从化学角度,牙骨质粘接剂应与羟磷灰石或胶原蛋白产生某种形式的化学结合反应,粘接剂应有足够的化学稳定性,不分解、老化,以及无小分子物质溶出。从物理机械角度考虑,粘接剂应与牙骨质和骨的机械物理性能相吻合,才能获得最佳固位效果和有效的发挥正常的生理功能。
全酸蚀与自酸蚀系统
现代酸蚀系统可以分为全酸蚀系统与自酸蚀系统。该分类的依据在于酸蚀系统对于玷污层的处理。全酸蚀(total etching)系统有一个独立的酸蚀步骤,又称为“etch and rinse adhesive”。使用酸性凝胶完全去除玷污层,使玷污层下的牙本质表面的羟磷灰石脱矿。自酸蚀系统没有独立的酸蚀步骤,没有完全去除玷污层,仅使玷污层具有通透性。
牙本质粘接剂的发展,为了简化操作步骤而作出了各种改变,将传统的酸蚀与前处理合为一步,各种简化方法都是在这两种体系中完成的,其分类见下图(图8-6)。
全酸蚀系统使用酸性凝胶(通常是磷酸)完全去除玷污层,并且使玷污层下的牙本质表面的羟磷灰石脱矿,形成脱矿牙本质。单瓶酸蚀系统的粘接剂是将树脂单体溶于有机溶剂形成的。在酸蚀并且冲洗吹干后,将粘接剂涂抹于被处理的牙面,粘接剂中的树脂单体通过牙本质胶原蛋白之间充满水的间隙(这一间隙原本由羟磷灰石占有)渗透入脱矿的牙本质中,形成一“混合层(hybrid layer)”。混合层处于粘接剂层和牙本质之间,由胶原蛋白、树脂和残余的羟磷灰石以及极少的水分组成。混合层可以降低术后敏感,形成更好的边缘密合,同时是一种“弹性缓冲器”,可以缓冲由于复合树脂材料的聚合反应产生的收缩应力。
图8-6 牙本质粘接系统的分类
自酸蚀(self-etching)系统没有独立的酸蚀步骤,釉质与牙本质的酸蚀与前处理同时进行。它将酸蚀剂与前处理剂合二为一,形成一种混合物。这一混合物渗透入玷污层中,并且部分溶解玷污层,和羟磷灰石形成一“混合带(hybrid zone)”。混合带除含有混合层的成分外,还残留部分玷污层。
两步法自酸蚀粘接剂中的酸蚀与前处理剂,还是一步法的自酸蚀粘接剂,其组成成分大致相同,都是一种酸性功能单体的水混合物。这种酸性功能单体通常是磷酸酯或者羧酸酯, pH值高于磷酸凝胶。水是自酸蚀系统的关键成分,参与了酸性组分的电离。
根据其酸性成分的强度,自酸蚀粘接剂分为三类:温和型(pH>1.5),中等强度型(1.0<pH<1.5)以及较强型(pH<1.0)。