隨著口腔種植技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的牙列缺損及牙列缺失患者選擇口腔種植治療進(jìn)行牙列修復(fù)，以獲得美觀效果并恢復(fù)咀嚼功能。通常，當(dāng)種植體植入牙槽骨后，植入部位周圍硬組織發(fā)生改建，最終形成穩(wěn)定的骨結(jié)合以支持上部修復(fù)結(jié)構(gòu)，恢復(fù)患者的咀嚼功能和美觀?？谇环N植治療過程中，受到個(gè)體差異、材料性能等原因的影響，不可避免地會出現(xiàn)一些并發(fā)癥。其中由于局部微生物感染導(dǎo)致種植體與骨之間的直接結(jié)合被破壞，發(fā)生難以控制的種植體周炎癥，導(dǎo)致種植體周軟、硬組織吸收破壞，進(jìn)而將引發(fā)種植體松動、脫落。
事實(shí)上，種植體周炎癥包括種植體周黏膜炎和種植體周炎。前者是指臨床上具有輕探出血、黏膜紅腫、溢膿等臨床指征的可逆性感染性疾病，可以通過有效的治療方案使病變好轉(zhuǎn)；后者是指具有相同臨床指征，并伴有進(jìn)行性支持骨組織喪失的不可逆性感染性疾病。種植體周黏膜炎進(jìn)展的最終結(jié)果是種植體周炎。最新研究發(fā)現(xiàn)，種植體周炎和種植體周黏膜炎的發(fā)生率分別高達(dá)19.83%與46.83%。
臨床中，種植體周炎的常規(guī)干預(yù)措施以抗感染治療為主。圍手術(shù)期通常采用抗生素治療，以預(yù)防術(shù)后感染和種植體植入失?。换蛘咴诜N植體周疾病發(fā)生后采取機(jī)械療法，來消除導(dǎo)致局部炎癥發(fā)生的細(xì)菌生物膜。但是，抗生素的濫用會導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，引起更難以控制的感染；而后者又因器械限制，存在治療死角，不能完全清潔種植體表面，引起不可逆的軟硬組織吸收和損傷，最終導(dǎo)致種植體植入失敗。
為了解決上述難題，光動力、化學(xué)動力、聲動力及光熱等多種治療方法被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。其中，光熱療法（photothermal therapy,PTT）作為一種新型治療方法，具有臨床操作方便、可控性強(qiáng)、無創(chuàng)且易被患者接受等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。PTT的主要抗菌原理為物理性抗菌，通過近紅外（near-infrared,NIR）光激發(fā)，光熱材料將光能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)行局部抗菌治療。
不僅能有效減少細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，還能穿透皮膚和黏膜，全方位照射種植體表面，創(chuàng)傷小，發(fā)揮良好的治療效果。目前，大量研究已經(jīng)證明了PTT在抗腫瘤和抗菌治療中的作用，也應(yīng)用于多個(gè)口腔治療領(lǐng)域，例如口腔頜面部感染、牙周炎等相關(guān)治療。因此，本文就PTT的基本原理及其在口腔種植領(lǐng)域中抗菌治療應(yīng)用策略進(jìn)行綜述。
1.光熱抗菌療法的機(jī)制
PTT作為一種可控且無創(chuàng)的抗腫瘤療法，現(xiàn)今具有廣泛應(yīng)用前景。近年來，PTT在抗菌治療中的潛在應(yīng)用價(jià)值也逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)。其基本原理為在近紅外光的照射下，光熱劑吸收相應(yīng)波段的光將其轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致相應(yīng)局部溫度的迅速升高，引起蛋白質(zhì)變性或細(xì)胞內(nèi)蛋白滲漏，最終引發(fā)癌細(xì)胞熱消融或細(xì)菌死亡。這種加熱不僅可以殺滅浮游細(xì)菌，還能夠破壞細(xì)菌生物膜，通過溫度升高，使微生物失活而不產(chǎn)生耐藥性。
另一方面，由于宿主各組織在700～1 500 nm光譜帶的吸收較少，該范圍的光譜帶被稱為生物體光譜學(xué)窗口。在此區(qū)段的NIR光能夠穿透皮膚和黏膜，進(jìn)而深入組織深部進(jìn)行治療，而且沒有物理學(xué)上的空間限制，常作為激發(fā)光應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域。此外，光傳遞的熱量還可以增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌感染的防御能力，從而快速破壞細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和功能。因此，與傳統(tǒng)治療方式相比PTT具有巨大優(yōu)勢，能夠在相對較短的幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)完成治療，實(shí)現(xiàn)較高的治療效率。
2.影響光熱治療效率的主要因素
大量研究證明，單獨(dú)使用光熱劑或進(jìn)行單獨(dú)NIR光照射，不會引起局部組織溫度的改變，從而很少對細(xì)菌或正常組織產(chǎn)生額外影響。只有在合適區(qū)段的激發(fā)光對光熱劑進(jìn)行一定時(shí)間的照射，才會將光能轉(zhuǎn)化為熱能，而單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱能越強(qiáng)，其光熱治療效率越高。因此，提高光熱轉(zhuǎn)換率是增強(qiáng)光熱治療效率的關(guān)鍵。影響光熱治療效率的主要因素有以下2個(gè)方面。
1） 光熱劑的影響：
自PTT興起，迄今已經(jīng)發(fā)展并形成了4代光熱材料體系，包括傳統(tǒng)的貴金屬納米顆粒（如金、銀納米顆粒）、碳基材料（如氧化石墨烯、碳納米管、氮化碳）、金屬與非金屬化合物以及有機(jī)染料（如銅納米顆粒、硫化銅、硫化亞銅、卟啉、吲哚菁綠、噻二唑衍生物）等物質(zhì)。根據(jù)所使用光熱劑的不同，光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制主要分為以下幾種：金屬中的局部表面等離子共振、半導(dǎo)體中的電子-空穴生成和弛豫，以及分子的最高占位分子軌道-最低未占位分子軌道的激發(fā)和晶格振動。
金屬納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換作用依賴于等離子體形成后（傳導(dǎo)電子的集體振蕩）對激發(fā)光輻射的吸收，隨后將產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍環(huán)境，誘導(dǎo)相關(guān)范圍內(nèi)的細(xì)胞、細(xì)菌死亡。因此，金屬納米顆粒的大小、形狀、介電常數(shù)以及周圍材料的介電常數(shù)等都會影響光熱轉(zhuǎn)換效率。
相應(yīng)的，調(diào)節(jié)上述相關(guān)參數(shù)也可以優(yōu)化光熱轉(zhuǎn)換效果。金納米材料是現(xiàn)今研究最廣泛的貴金屬材料之一，通過修改金納米顆粒的結(jié)構(gòu)或表面修飾，能夠改變其表面等離子共振，進(jìn)而增強(qiáng)其光熱效率，從而發(fā)揮良好的治療效果。有研究發(fā)現(xiàn)，在NIR光的激發(fā)下，金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換優(yōu)于金納米球，證明改變金納米顆粒的形貌能夠影響其光熱性能。
當(dāng)半導(dǎo)體受到能量與自身帶隙相近的激發(fā)光照射后，通過電子-空穴對的產(chǎn)生和弛豫能夠釋放熱量，達(dá)到有效的光熱轉(zhuǎn)換。He等利用半導(dǎo)體聚合物納米粒子（SPNs）螯合鐵離子（Fe3+），構(gòu)建了SPFe N納米平臺。該平臺在NIR光照射下，發(fā)揮光熱和化學(xué)動力作用進(jìn)行抗腫瘤治療。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SPFe N在808 nm處NIR光照射下的光熱轉(zhuǎn)換效率分別為42%和38%，顯著高于金納米棒（17%）。
碳基和聚合物基材料通過分子的晶格振動產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)換。在光能照射下，激發(fā)態(tài)電子從基態(tài)進(jìn)入高能軌道。接著，電子-聲子耦合使得其從高激發(fā)態(tài)弛豫到低能量態(tài)。因此，獲得的能量從受激電子傳遞到原子晶格內(nèi)的振動模式，引發(fā)溫度升高?；谏鲜鲈?，碳納米管、氧化石墨烯和石墨烯量子點(diǎn)等都顯示出了巨大的光熱潛力。因此，聚合物納米材料由于其多種優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于抗感染治療，如傷口敷料等。
2） 激發(fā)光的影響：
不同光熱劑具有不同的激發(fā)波長，進(jìn)而產(chǎn)生不同的光熱轉(zhuǎn)換效果。即使對于同一種光熱劑來說，激發(fā)光功率及激光照射時(shí)間也對光熱效果產(chǎn)生很大影響。一般來說，功率越大，照射時(shí)間越長，其熱效應(yīng)越強(qiáng)。然而，過高的功率、過長的時(shí)間，也會對周圍正常的機(jī)體組織產(chǎn)生損傷。因此，如何在降低激光功率和減少照射時(shí)間的同時(shí)增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換效率，是近年光熱治療研究的熱點(diǎn)之一。
通常，位于近紅外區(qū)的激發(fā)光對于生物領(lǐng)域應(yīng)用的光熱劑是最理想的，即所謂的“生物窗口”。因此，大量研究側(cè)重于如何在不影響光熱轉(zhuǎn)換效率的情況下，將光熱劑的激發(fā)光波長紅移至近紅外區(qū)。正如具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換的石墨烯納米材料，其激發(fā)光在可見光區(qū)。Thakur等通過將其與上轉(zhuǎn)換納米材料的結(jié)合，將穿透能力強(qiáng)的紅外光轉(zhuǎn)換為可以被其吸收的光，從而產(chǎn)生良好的光熱效果。此外，還可以通過改變光熱劑的結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)等，進(jìn)而改變其激發(fā)光范圍，從而應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
事實(shí)上，光熱轉(zhuǎn)換引起的溫度改變形成的殺菌效果，通常不能與其他抗菌作用機(jī)制分離，如納米操作、破壞膜穩(wěn)定性、生物分子結(jié)合和氧化損傷等。因此，光熱劑常常與其他抗菌方法聯(lián)合使用，共同構(gòu)建復(fù)合型抗菌平臺，如何設(shè)計(jì)應(yīng)用不同的光熱劑，發(fā)揮其相應(yīng)的光熱效果，也是未來光熱治療研究的重要方向。
3.光熱療法在種植體周炎中的應(yīng)用策略及效果
種植體周炎的始動因素是細(xì)菌生物膜。目前，臨床上通常使用機(jī)械清創(chuàng)輔助抗生素進(jìn)行治療，不僅受到細(xì)菌耐藥性的影響，還難以恢復(fù)受損的軟硬組織。SánchezMartos等采用機(jī)械清創(chuàng)輔助激光療法治療種植體周黏膜炎，通過臨床研究來探究光熱療法的效果，即采用機(jī)械治療聯(lián)合半導(dǎo)體激光與傳統(tǒng)療法進(jìn)行對比，結(jié)果證明了激光治療種植體周黏膜炎具有良好療效，能有效減輕種植體周組織的炎癥反應(yīng)，是治療種植體周黏膜炎的有效方法；進(jìn)一步研究光熱與光動力二極管激光治療種植體周黏膜炎的效果比較，顯示種植體周黏膜炎患者中，光熱二極管激光聯(lián)合機(jī)械清創(chuàng)在治療和預(yù)防病理進(jìn)展方面具有良好的效果。
由此可見，與傳統(tǒng)治療方法相比，光熱抗菌療法有很好的應(yīng)用前景。另外，Xu等也證明了溫和的PTT有利于巨噬細(xì)胞M2極化、抑制內(nèi)皮細(xì)胞以及促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。輕度熱休克可用于維持間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和分化潛能，并促進(jìn)炎癥環(huán)境下的組織再生。因此PTT不僅能夠清除感染，還有促進(jìn)組織愈合的潛力。鑒于此，眾多學(xué)者研究了PTT在種植體周炎中的構(gòu)建策略和應(yīng)用效果?，F(xiàn)根據(jù)研究的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分類后討論。
1） 光熱材料應(yīng)用于種植體表面：
鑒于目前國際上使用的口腔種植體的主要材質(zhì)為鈦合金，因此通過退火、濺射、氧化、還原等物理化學(xué)方法極易修飾或改變其表面。當(dāng)光熱材料修飾到生物材料植入物表面時(shí)，能夠通過局部光照，將接受到的光能轉(zhuǎn)化為熱能，局部升溫準(zhǔn)確地殺滅或抑制植入物表面的細(xì)菌，促進(jìn)正常組織愈合，達(dá)到良好的治療效果。
Xiao等在純鈦植入物表面通過酸蝕刻并加入異丙醇控制晶粒尺寸和涂層厚度，成功地在原位制備了均勻分布的約30 nm大小的氧化鈦納米顆粒覆蓋超表面，這一過程導(dǎo)致光吸收峰紅移到NIR-Ⅱ區(qū)，從而增加了光熱療法的穿透深度。在1 064 nm 0.6 W/cm2NIR-Ⅱ光照射15 min后，大腸桿菌的細(xì)菌抑制效率達(dá)99.1%。此外，兔體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，與對照組鈦種植體相比，具有超表面種植體周圍的骨再生和骨結(jié)合能力更強(qiáng)；術(shù)后4周，種植體周骨體積與組織體積約70%被新骨填充，研究結(jié)果表明，通過納米顆粒超表面改性種植體表面狀態(tài)具有降低術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)和改善臨床結(jié)果的潛力。
為了增強(qiáng)抗菌和抗生物膜活性，科學(xué)家們將PTT與其他抗菌方法（抗生素、光動力、化學(xué)動力、氣體療法等）相結(jié)合，抑制生物膜形成或消除已形成的成熟生物膜，達(dá)到了高效抗菌的效果。例如，Lu等通過磁控濺射和退火法在鈦表面制備了銅摻雜的二氧化鈦薄膜（TiO2-Cu）用以治療種植體周感染。TiO2-Cu薄膜由于在退火過程中產(chǎn)生了納米結(jié)構(gòu)而具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力。
在0.8 W/cm2NIR光照射20 min后，該薄膜在Cu2+和光熱的聯(lián)合抗菌下對變形鏈球菌表現(xiàn)出高達(dá)99.99%的抗菌能力，研究結(jié)果顯示TiO2-Cu薄膜釋放的Cu2+對成骨細(xì)胞沒有明顯的細(xì)胞毒性，證明了其在種植體周炎的應(yīng)用潛力。同樣，Guo等在酸蝕過的純鈦表面利用聚多巴胺（polydopamine,PDA）優(yōu)異的黏附性能，將姜黃素（curcumin,Cur）負(fù)載在鈦（Ti）表面，制備了Ti-PDA-Cur復(fù)合材料。Ti-PDA-Cur涂層在405 nm和808 nm光照射下可產(chǎn)生單線態(tài)氧和熱量，可有效殺滅金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。研究證明該涂層的細(xì)胞毒性和溶血率較低，表明其具有良好的生物相容性，為新型鈦種植體的開發(fā)提供了新的策略。
值得注意的是，PTT引起溫度改變可以加速光熱平臺中負(fù)載物的釋放，這一現(xiàn)象更有利于設(shè)計(jì)光控的消除感染和促進(jìn)愈合的抗菌策略。Yu等在具有光熱特點(diǎn)的介孔聚多巴胺納米顆粒（PDA）上負(fù)載了一氧化氮釋放的供體硝普鈉（sodium nitroprusside,SNP）和成骨生長肽（osteogenic growth peptide,OGP），并將其通過共價(jià)作用包被在Ti植入物表面（Ti-PDA@SNP-OPG）。
在激發(fā)光的照射下，PDA產(chǎn)生的熱量在抗菌的同時(shí)促進(jìn)了一氧化氮（NO）和OGP釋放。PTT和NO氣體療法對種植體周圍難治性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌生物膜的消除率達(dá)97.6%±4.7%,OGP的釋放能夠促進(jìn)骨結(jié)合，為其后續(xù)臨床應(yīng)用提供了良好的理論基礎(chǔ)。除此之外，Xue等利用微弧氧化技術(shù)在純鈦種植體表面直接構(gòu)建了生物功能離子硅/磷/氟（Si/P/F）復(fù)合摻雜的多孔TiO2基質(zhì)。Si/P/F離子具有加速新骨形成的作用，在光熱抗菌的同時(shí)促進(jìn)Si/P/F離子釋放，加速上皮密封和骨結(jié)合，減少了牙槽骨吸收。
2） 光熱材料注射至種植體周圍：
光熱抗菌劑的另一種應(yīng)用策略是將其直接注射到種植體周感染部位進(jìn)行精準(zhǔn)的抗菌治療。Shen等利用沒食子酸接枝殼聚糖（gallic acid grafted chitosan,CS-GA）水凝膠負(fù)載具有光熱效果的單寧酸小型化顆粒（tannic acid miniaturized particles,TAMP）制作了一種用于原位注射的黏附水凝膠（CS-GA/TAMP），具有光熱抗菌及抗氧化的特性。將4 mg/m L的CS-GA/TAMP注入狹窄和潮濕的種植體周袋內(nèi)，在低功率0.5 W/cm2的NIR光照射10 min后，分別對牙齦卟啉單胞菌和具核梭桿菌的抗菌效果達(dá)到83.11%±5.42%和83.480%±6.855%。
此外，該材料在NIR光照射下，具有優(yōu)異的抗菌和抗氧化性能，能夠增強(qiáng)人牙齦成纖維細(xì)胞的生物學(xué)活性、細(xì)胞遷移和抗氧化能力，在種植體周病的治療中具有很大潛力。與前述相同，當(dāng)光熱材料以注射的方式直接注射到感染部位時(shí)，協(xié)同光熱抗菌平臺構(gòu)建的策略也能更好地達(dá)到理想治療效果。
Jiang等采用碳量子點(diǎn)（carbon quantum dots,CQDs）負(fù)載青霉素（CQDs@青霉素）注射至感染部位，用于治療牙種植體細(xì)菌感染并同時(shí)發(fā)揮PTT作用。在該納米系統(tǒng)中，具有獨(dú)特抗菌應(yīng)用性能的CQD被用作載藥的理想納米載體，在NIR光照射下引起光熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量。青霉素的輸送可以引起細(xì)菌細(xì)胞壁的損傷，在細(xì)菌細(xì)胞的繁殖期間發(fā)揮殺菌作用。體外抗菌作用表明CQDs@青霉素可以顯著殺死細(xì)菌細(xì)胞，且沒有嚴(yán)重毒性。
然而，即便將抗菌劑注射到感染部位，在無法對光熱劑進(jìn)行量化或檢測的情況下，很難在臨床應(yīng)用中控制照射劑量或時(shí)間避免熱損傷。因此，大量研究也側(cè)重于如何實(shí)現(xiàn)在直接注射時(shí)顯示作用范圍的策略，實(shí)現(xiàn)在不損傷周圍組織的情況下，固定照射面積和光照劑量，達(dá)到有效的抗菌治療效果。
Zhang等通過共價(jià)鍵將光熱劑硅酞菁（silicon phthalocyanine,SiPc）與熒光素（fluorescein isothiocyanate,FITC）結(jié)合，合成了一種具有完全水溶性、顯著的光熱轉(zhuǎn)換效率，并具有熒光發(fā)射和紫外至近紅外全光譜吸收的光熱材料（silicon phthalocyanine-fluorescein isothiocyanate,SiPc-FITC）。
抗菌研究表明，SiPc-FITC與細(xì)菌混合后，在NIR光照射下，幾分鐘內(nèi)即可完全殺滅或抑制種植體周炎中常見的革蘭氏陽性和革蘭氏陰性厭氧菌。這一策略使材料具有熒光發(fā)射和原位近紅外光熱滅菌的特點(diǎn)，能夠有效防止種植體術(shù)后感染，使其有希望成為種植體周圍在雙模熒光和光熱成像引導(dǎo)下近紅外原位PTT殺菌的有效殺菌劑。
研究證明，細(xì)菌比正常組織對熱更加敏感。因此，PTT在種植體周炎中具有一定的應(yīng)用潛力。目前已有大量的前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對光熱抗菌的應(yīng)用策略與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了探索，證明了其能夠在不損傷正常組織的前提下，提升材料的抗菌能力，為其在臨床中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
4.總結(jié)與展望
綜上所述，PTT作為一種有前景的抗菌療法，具有光安全性且操作簡單，并易于與其他抗菌方法聯(lián)合使用，能夠有效地治療口腔內(nèi)細(xì)菌感染性疾病，特別是對于深部感染；此外，溫和的光熱療法還能促進(jìn)感染周圍受損組織的恢復(fù)。但是，目前關(guān)于PTT抗菌治療的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，仍需進(jìn)一步優(yōu)化光熱劑的穩(wěn)定性、成本、生物安全性及可降解性等，以確保PTT抗菌療法的高效性、安全性和精準(zhǔn)性，使其更好的應(yīng)用于口腔種植體周炎等感染性疾病的臨床治療。
