卿萍 高姍姍 錢(qián)林茂 于海洋

1.成都市第三人民醫(yī)院口腔科 成都 610031；

2.口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院修復(fù)科 成都 610041；

3.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031

放射治療是臨床上治療口腔頜面部腫瘤，延長(zhǎng)患者生命的基本治療方案之一[1]。早期研究[2-4]主要集中在觀察放射治療后釉質(zhì)力學(xué)性能如顯微硬度、拉伸強(qiáng)度等方面的變化，有研究[5]表明X射線照射后，釉質(zhì)顯微硬度降低，摩擦系數(shù)明顯增加，但少有文獻(xiàn)是關(guān)于伽馬射線對(duì)釉質(zhì)微觀摩擦磨損性能影響的研究。因此，本文通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)來(lái)分析伽馬射線對(duì)釉質(zhì)的摩擦學(xué)性能、表面顯微硬度、釉質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分的影響，從而為放射治療后人釉質(zhì)的宏觀摩擦學(xué)行為的改變提供一定的微觀分析依據(jù)，也為尋找理想的放射性齲齒修復(fù)材料提供參考。

1 材料和方法

1.1 牙齒的選擇以及標(biāo)本的制備

收集13顆來(lái)自于18～25歲因正畸需減數(shù)拔牙的無(wú)齲壞、無(wú)裂紋的前磨牙。制樣前，將前磨牙浸泡在生理鹽水中4 ℃保存，保存時(shí)間不超過(guò)2周。在室溫下用低速精密金相切割機(jī)（Minitom；Struers公司，丹麥）沿釉牙骨質(zhì)界將前磨牙分為冠根兩部分，制作釉質(zhì)標(biāo)本。標(biāo)本首先采用自凝塑料包埋，所有的標(biāo)本依次采用500#、800#、1 200#、2 000#、3 000#和4 000#砂紙?jiān)谒鋮s下間歇打磨至暴露出約2 mm×2 mm的處理面，然后再依次用10、5、2.5 μm金剛石拋光膏在水冷卻下拋光標(biāo)本接近鏡面。拋光過(guò)程中盡量保證每個(gè)標(biāo)本的制備時(shí)間相近，以保證脫水程度基本相同。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 放射線處理 根據(jù)臨床常用的放射治療方案[6-7]，釉質(zhì)標(biāo)本接受來(lái)自于鈷60照射系統(tǒng)（GWXJ8060Co radiotherapy treatment unit）伽馬射線照射，射線劑量為2 Gy·d-1，每周5 d，療程為6周，總劑量為60 Gy。標(biāo)本存儲(chǔ)在每天都會(huì)置換的人工唾液中。照射時(shí)，標(biāo)本放置在唾液中接受伽馬射線照射；照射完成后，標(biāo)本放在去離子水中清洗并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 納米劃痕實(shí)驗(yàn) 伽馬射線照射前及照射后的釉質(zhì)標(biāo)本均使用CSEM型納米劃痕儀（CSEM Instruments公司，瑞士）進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用曲徑半率為2 μm的金剛石針尖。首先采用的法向載荷是0.1～80 mN的變載力，將加載速度設(shè)定為500 μm·min-1，每條劃痕的長(zhǎng)度為500 μm；再分別采用20、40和60 mN作為定載力，定載試驗(yàn)劃痕長(zhǎng)度為200 μm，相互平行的劃痕至少保證2 μm的距離。劃痕實(shí)驗(yàn)完成后，采用表面輪廓分析儀（XP-2；Ambios公司，美國(guó)）測(cè)量納米劃痕的深度和寬度，掃描電子顯微鏡（INSPECT F公司，捷克）來(lái)觀察劃痕形貌。

1.2.3 表面顯微硬度測(cè)試 伽馬射線照射前，采用顯微硬度儀（Duramin-1/-2；Struers公司，丹麥）測(cè)量釉質(zhì)表面顯微硬度（surface microhardness）Knoop硬度值（Knoop hardness number，KHN），每次加載負(fù)荷為50 g，持續(xù)時(shí)間為5 s，使其形成壓痕。選擇表面顯微硬度在400和430 KHN作為納米劃痕測(cè)試的標(biāo)本，射線照射后，在離原測(cè)量點(diǎn)至少100 μm的區(qū)域，再次進(jìn)行表面顯微硬度測(cè)試。

1.2.4 X射線衍射分析 采用X射線衍射儀（X’pert PRO；Panalytical公司，荷蘭）對(duì)同一標(biāo)本接受射線照射前及照射后的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。測(cè)試條件：CuKα輻射，工作電壓35 kV，電流為25 mA，以連續(xù)掃描的方式進(jìn)行掃描，掃描2θ角范圍為10°～70°，將實(shí)驗(yàn)所得的X射線衍射圖譜通過(guò)軟件Jade 5（MDI公司，美國(guó)）進(jìn)行分析，并得出釉質(zhì)晶體的結(jié)晶度和晶粒尺寸。晶粒尺寸大小可通過(guò)謝樂(lè)公式計(jì)算：D=0.89λ/βcosθ[8-9]。其中，λ代表了CuKα輻射的X射線波長(zhǎng)，β代表了羥磷灰石衍射峰的半寬高，θ是衍射角。

1.2.5 傅立葉變換紅外光譜儀分析 傅立葉變換紅外光譜儀（RPRestige-21；Shimadzu公司，日本）記錄照射前及照射后的釉質(zhì)光譜圖，其光譜范圍650～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。為了保證照射前后的測(cè)量點(diǎn)在同一個(gè)位置，放射前用金剛砂鉆頭在測(cè)量面的對(duì)側(cè)面做標(biāo)記。記錄獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并用OMNIC 8.0軟件（Nicolet公司，美國(guó)）進(jìn)行分析。810～885 cm-1的光譜帶代表了CO32-v2，885～1 090 cm-1的光譜帶則代表了PO43-v1, v3。通過(guò)CO32-v2面積與PO43-v1, v3面積的比值計(jì)算，可獲得碳酸鹽：礦物的比值[10]。

1.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 本實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)均通過(guò)軟件SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。照射前及照射后，釉質(zhì)標(biāo)本納米劃痕深度、寬度、顯微硬度變化用配對(duì)t-test來(lái)分析，P＜0.05則視為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 微觀磨損行為

圖1顯示了釉質(zhì)受到伽馬射線照射前和照射后，在不同載荷下其表面劃痕的掃描電子顯微鏡圖。當(dāng)載荷為20 mN時(shí)，伽馬射線照射前及照射后，釉質(zhì)標(biāo)本表面劃痕均較淺，也無(wú)明顯的塑形形變；當(dāng)載荷增大到40 mN時(shí)，照射前劃痕一側(cè)有少量碎屑形成，而照射后劃痕邊緣兩側(cè)有少量碎屑形成；載荷增大到60 mN時(shí)，照射前劃痕兩側(cè)邊緣有少量碎屑形成，而照射后則有更多碎屑在劃痕兩側(cè)邊緣處堆積；當(dāng)載荷為80 mN，照射前標(biāo)本劃痕周圍碎屑量增大，而照射后的標(biāo)本上可觀察到分層剝落發(fā)生。

圖1 伽馬射線照射前后不同載荷條件下釉質(zhì)微觀磨損情況Fig 1 Scanning electron microscope pictures of the nanoscratch in the enamel slides before and after gamma irradiation under different loads

2.2 摩擦學(xué)行為

圖2顯示了釉質(zhì)受到伽馬射線照射前和照射后其摩擦系數(shù)隨載荷變化的關(guān)系曲線。不管在照射前或照射后，釉質(zhì)標(biāo)本摩擦系數(shù)都有相似的變化特征，均隨載荷力增加而增加，但在同等載荷下，照射后釉質(zhì)標(biāo)本的摩擦系數(shù)明顯高于照射前釉質(zhì)標(biāo)本。

圖2 伽馬射線照射前后釉質(zhì)摩擦系數(shù)曲線圖Fig 2 The comparison of coeff i cient of friction between enamel slides before gamma irradiation and enamel slides after irradiation with variable load

2.3 劃痕深度和寬度

在伽馬射線照射前及照射后，釉質(zhì)標(biāo)本在受到恒定加載力（20、40、60 mN）作用的情況下，釉質(zhì)表面所形成的劃痕深度和劃痕寬度如表1所示。

表1 伽馬射線照射前后釉質(zhì)表面劃痕深度和寬度對(duì)比Tab 1 Variation of remnant depth and width of scratches on the enamel slides before and after gamma irradiation with variable loads

當(dāng)載荷在40、60 mN時(shí)，照射后表面劃痕的深度比照射前表面劃痕深度有顯著增加；而當(dāng)載荷為20 mN時(shí)，變化沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。照射后，釉質(zhì)表面劃痕的寬度也隨著載荷增大而增加，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 表面顯微硬度結(jié)果

釉質(zhì)表面顯微硬度分析結(jié)果顯示：伽馬射線照射后，釉質(zhì)顯微硬度為（333±11）KHN，較照射前（420±20）KHN明顯降低（P＜0.000 1）。

2.5 X射線衍射分析

伽馬射線照射前及照射后的X射線衍射圖譜見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示：伽馬射線降低了釉質(zhì)結(jié)晶度，并增大了晶粒尺寸。

2.6 傅立葉變換紅外光譜儀分析

圖4顯示了釉質(zhì)CO32-v2和PO43-v1, v3的面積在射線照射后都有顯著降低，而且PO43-v1, v3面積比CO32-v2面積降低更多，碳酸鹽∶礦物的比值也明顯增大（表2）。

3 討論

在患者接受放射治療后，口腔軟硬組織常會(huì)出現(xiàn)各種不同的放射效應(yīng)，其中最常見(jiàn)的是放射性齲齒[11]，因其進(jìn)展速度較快，常會(huì)影響釉質(zhì)正常的生理結(jié)構(gòu)。

釉質(zhì)作為牙齒摩擦磨損的主要發(fā)生部位，在日常生活中發(fā)揮重要的作用。因此，了解伽馬射線照射對(duì)釉質(zhì)摩擦磨損性能的影響具有一定的臨 床意義。

圖 3 伽馬射線照射前后釉質(zhì)X射線衍射圖譜Fig 3 X-ray diffraction patterns of enamel slides before and after gamma irradiation

圖4 伽馬射線照射前后釉質(zhì)紅外光譜圖Fig 4 Fourier transform infrared spectrum of enamel slides before and after gamma irradiation

表2 伽馬射線照射前后釉質(zhì)結(jié)晶度、晶粒大小以及碳酸鹽∶礦物比值Tab 2 The comparison of the crystallinity, crystal size and carbonate：mineral ratio value of enamel slides before and after gamma irradiation

納米劃痕實(shí)驗(yàn)可用于觀察伽馬射線照射前及照射后釉質(zhì)的摩擦磨損性能的改變。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，伽馬射線照射前，釉質(zhì)表面具有較低的摩擦系數(shù)，較少的碎屑形成及脆性分層；在伽馬射線照射后，其摩擦系數(shù)較照射前明顯增加，有更多碎屑形成及明顯的分層剝落。早期有文獻(xiàn)[12-13]表明，釉質(zhì)的耐摩擦磨損性能隨著摩擦系數(shù)增加而降低。在本實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)伽馬射線照射后的釉質(zhì)表面顯示出了更高的摩擦系數(shù)以及更深的劃痕深度，說(shuō)明了射線照射后釉質(zhì)耐磨性能降低，這也正是臨床常見(jiàn)放射治療患者釉質(zhì)出現(xiàn)部分甚至是全部脫落的原因之一[14]。

釉質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)可影響釉質(zhì)力學(xué)性能以及釉質(zhì)微觀摩擦學(xué)行為[15-17]。X射線衍射儀可分析釉質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)變化[18]。本實(shí)驗(yàn)X射線衍射分析結(jié)果顯示，伽馬射線照射可以降低釉質(zhì)結(jié)晶度，并增大晶粒尺寸；釉質(zhì)結(jié)晶度對(duì)其力學(xué)性能有著至關(guān)重要的作用[19-20]。有文獻(xiàn)[21]顯示，釉質(zhì)結(jié)晶度降低，其力學(xué)性能會(huì)變差。正常的釉質(zhì)具有較高的結(jié)晶度、良好的力學(xué)性能及耐磨性能。本研究發(fā)現(xiàn)伽馬射線照射后，釉質(zhì)結(jié)晶度明顯降低，這是射線照射后釉質(zhì)具有較差耐磨性能的原因之一；早期有研究[22]認(rèn)為釉質(zhì)晶粒尺寸增大時(shí)，釉質(zhì)會(huì)更軟。老年人牙齒會(huì)因釉質(zhì)晶粒尺寸的變大，顯示出較差的耐磨性能[23]。本實(shí)驗(yàn)中伽馬射線照射后釉質(zhì)晶粒尺寸增大，進(jìn)一步影響了釉質(zhì)耐磨性能。

早期有研究[15-16]證明，釉質(zhì)化學(xué)成分改變亦會(huì)影響其耐磨性能。傅立葉變換紅外光譜是一項(xiàng)吸收光譜技術(shù)，可用于測(cè)量材料化學(xué)成分變化[24]，本實(shí)驗(yàn)釉質(zhì)表面PO43-v1, v3的面積降低，碳酸鹽：礦物比值增加，說(shuō)明伽馬射線照射可使釉質(zhì)的無(wú)機(jī)成分減少，伽馬射線照射也降低了釉質(zhì)顯微硬度，這與Panighi等[25]提出的牙齒顯微硬度與其礦物質(zhì)含量有正相關(guān)性相一致。釉質(zhì)顯微硬度亦可反映釉質(zhì)對(duì)摩擦磨損的易感性[26-27]，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)伽馬射線照射可使釉質(zhì)礦物質(zhì)含量減少，表面顯微硬度降低，進(jìn)而影響釉質(zhì)的耐磨性能。

早期有研究[28-30]表明，釉質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)改變及化學(xué)成分改變會(huì)影響釉質(zhì)的防齲性能、釉質(zhì)與樹(shù)脂粘接劑的粘接性能等，有學(xué)者[31]也提出了為達(dá)到良好的修復(fù)效果，應(yīng)考慮被修復(fù)牙的機(jī)械性能以便能為修復(fù)材料提供良好的機(jī)械支持，因此臨床上為放射治療患者選擇修復(fù)材料時(shí)，應(yīng)考慮放射治療后釉質(zhì)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的變化。

總之，伽馬射線照射可降低牙釉質(zhì)耐磨性能，這與射線照射后釉質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)改變以及釉質(zhì)化學(xué)成分的改變密切相關(guān)。