基于D-异山梨醇的生物相容性聚氨酯开发及其在根管充填中的应用研究

《Journal of Dental Sciences》：Development of bio-compatible isosorbide-based polyurethanes exhibiting eucalyptol solubility for advanced root canal filling applications

本研究针对传统古塔胶(GP)在根管治疗中存在的可去除性差、机械性能有限及潜在细胞毒性等问题，开发了基于生物源性D-异山梨醇的热塑性聚氨酯(IPUs)。研究通过无催化剂两步聚合法成功合成了一系列硬段含量不同的IPUs材料，其中IPU-30表现出最优的综合性能：热稳定性(T5d > 270°C)与GP相当，拉伸强度(11.8±1.0 MPa)和断裂伸长率(721±144%)显著优于GP，在桉油醇中具有适度溶解性(最高13%质量损失)，且细胞相容性更优。该生物基材料为根管封闭提供了可持续的临床替代方案，特别有利于安全高效的再治疗操作。

　　

在牙科治疗领域，根管治疗是挽救濒临拔除牙齿的最后防线，而根管系统的三维严密封闭则是治疗成功的关键。一个多世纪以来，古塔胶(Gutta-percha, GP)因其可塑性和相对易于操作的特点，一直被奉为根管充填材料的"金标准"。然而，临床实践逐渐暴露出GP材料的诸多局限性：其非极性疏水特性导致与牙本质粘接不佳，易引发微渗漏；机械性能较弱，长期密封效果不理想；更棘手的是，当治疗失败需要再治疗时，GP的去除往往需要配合毒性较大的氯仿等溶剂，且操作耗时费力，增加牙体组织损伤风险。

为突破这些技术瓶颈，台湾大学牙科学院的蔡元山等人创新性地将目光投向生物基材料D-异山梨醇(D-isosorbide)。这种源自葡萄糖的刚性二醇分子具有独特的V形立体结构，能够有效打乱聚合物链的规整排列，从而增强材料柔韧性和溶剂相容性。研究人员设想，将D-异山梨醇作为硬段组分引入聚碳酸酯多元醇(polycarbonate polyol, PCPO)基聚氨酯体系中，或许能够开发出兼具优异机械性能、适度桉油醇(eucalyptol)溶解性和良好生物相容性的新型根管充填材料。

本研究采用无催化剂两步溶剂聚合法，通过六亚甲基二异氰酸酯(hexamethylene diisocyanate, HDI)连接PCPO2000软段与D-异山梨醇硬段，成功制备了硬段含量分别为10%、20%、30%和40%的四种异山梨醇基聚氨酯(isosorbide-based polyurethanes, IPUs)，并系统评估了它们的热稳定性、机械性能、桉油醇溶解性和细胞毒性，以传统GP作为参照。

关键技术方法包括：傅里叶变换红外光谱(FT-IR)监测聚合反应进程；热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)评估热性能；万能试验机测定机械性能；体外溶解实验评价桉油醇中的溶解行为；CCK-8和乳酸脱氢酶(LDH)检测分析MG63成骨样细胞的细胞活力和毒性。

合成与表征研究通过FT-IR光谱证实了IPUs的成功合成，随着反应进行，异氰酸酯特征峰(2260 cm^-1)逐渐消失，同时 urethane 羰基峰(1740 cm^-1)明显增强。值得注意的是，D-异山梨醇含量的增加延缓了反应进程，这与其刚性结构产生的空间位阻效应密切相关。

热性能分析显示所有IPUs均具有优异的耐热稳定性，5%重量损失温度(T₅d)介于270-302°C之间，完全满足临床操作温度要求。DSC检测到44.7-48.2°C的熔融转变，对应于软段的结晶熔融，且随着硬段含量增加，熔融温度略有降低，表明D-异山梨醇的引入确实有效抑制了结晶度。

溶解度测试结果尤为令人鼓舞：在40°C桉油醇中浸泡2小时后，IPU-30和IPU-40分别保留了91.4%和87.3%的质量，而传统线性链延伸剂制备的聚氨酯几乎不溶。这种可控的溶解特性为临床再治疗提供了重要便利，医生可以使用生物相容性更好的桉油醇而非毒性较大的氯仿进行旧材料去除。

机械性能测试发现IPU-10和IPU-20过于脆硬难以进行标准拉伸测试，而IPU-30则表现出最优异的综合性能：拉伸强度达11.8±1.0 MPa，断裂伸长率高达721.4±143.6%，显著超越传统GP材料。IPU-40虽然强度相当(8.4±0.7 MPa)，但韧性明显下降(伸长率20.9±4.2%)，这表明30%的硬段含量可能是实现力学性能最佳平衡的关键点。

细胞相容性评价进一步巩固了IPU-30的临床应用潜力。CCK-8实验显示，在6天观察期内，IPU-30组细胞活力始终维持在较高水平，而GP组则从第1天的80%逐渐下降至第6天的约50%。LDH释放试验同样证实IPU-30的早期细胞毒性显著低于GP，这种优异的生物相容性可能源于其脂肪族聚氨酯主链结构以及合成过程中避免使用有毒催化剂。

综合讨论认为，D-异山梨醇基聚氨酯(特别是IPU-30配方)成功整合了多种理想特性：足够的热稳定性确保临床操作安全；卓越的机械性能提供长期密封保障；适度的桉油醇溶解性大大简化再治疗程序；出色的细胞相容性降低术后炎症风险。这种新型生物基材料不仅解决了传统GP的核心缺陷，还为可持续牙科材料的发展开辟了新方向。

该研究发表于《Journal of Dental Sciences》，为根管治疗材料领域提供了创新性解决方案。IPUs材料独特的性能组合使其有望成为GP的有力替代品，特别是在需要再治疗的复杂病例中，其易于移除的特性将显著降低临床操作难度和风险。未来研究可进一步探索IPUs与不同根管封闭剂的配伍性能，以及在更接近临床实际条件下的长期密封效果和生物相容性。