酶催化协同聚合物支架调控过氧化氢反应性对诊室漂白釉质化学与结构影响的机制研究

《Journal of Functional Biomaterials》：Influence of Enzymatic Catalysis and Reduced Application Time on Enamel Chemical and Structural Changes Induced by In-Office Bleaching

　　

专业术语翻译摘要： 目的： 本研究评估了一种将辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase, HRP）与聚合物支架（polymeric scaffold）联合35%过氧化氢（H2O2）的漂白策略，并与传统诊室漂白方案进行比较。方法： 研究分两个实验阶段进行。第一阶段，将五颗健康人前磨牙的釉质混合、均质化，并分为技术性等分试样，用于衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析及活性氧（reactive oxygen species, ROS）定量。第二阶段，将24颗人前磨牙分配至四个实验组（每组n=6），评估表面显微硬度、处理后表面粗糙度及元素组成。研究设置四种方案：NC（阴性对照）、G45（35% H2O2作用45 min）、G15（35% H2O2作用15 min）及G15SP（聚合物支架联合HRP作用15 min）。结果： 与传统G45方案相比，G15SP表现出更低的处理后表面粗糙度及更好的釉质显微硬度保留。探索性ATR-FTIR分析显示，NC组PO43?/CO32?比值相对稳定，G15SP组变化轻微，而G45组表现出最大的治疗相关变异。描述性ROS分析显示，G15SP组初始ROS生成量最高。能量色散X射线能谱（EDS）分析显示，G45组Ca/P重量比更低，而G15SP组维持了更接近未处理对照组的数值。结论： 与传统45 min漂白方案相比，酶催化联合聚合物支架与釉质元素组成、表面特性及力学性能的更好保留相关。临床意义： 通过酶催化及聚合物支架调节过氧化氢反应性，可能代表一种有前景的策略，可在缩短过氧化物暴露时间的同时减少诊室漂白的结构影响。其临床漂白疗效应在专门设计评估颜色变化的研究中予以确认。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

诊室内牙齿漂白是满足患者对快速、有效美学治疗需求的常用手段，通常采用浓度为25%至40%的过氧化氢（H₂O₂）作为漂白剂。虽然更高的过氧化物浓度和更长的作用时间可能增强漂白效果，但这些激进方案也与牙齿敏感、牙龈刺激及釉质脱矿等不良效应相关。牙釉质作为抵御化学、物理和机械挑战的保护屏障，其结构完整性的维持对于牙齿稳态至关重要。传统漂白方案已被报道可诱导釉质微结构改变，包括钙和磷酸根离子的丢失，这可能损害釉质完整性并降低表面及亚表面显微硬度。此外，漂白过程可能促进微孔形成和釉质表面粗糙度的细微变化。

为减少临床时间并减轻漂白治疗的有害效应，一种有前景的策略是加速H₂O₂分解为更具反应活性的自由基。在此背景下，辣根过氧化物酶（HRP）被研究作为能够加速过氧化氢分解、增强漂白反应所需活性氧生成的催化剂，同时减少残留游离H₂O₂，从而可能以更短的作用时间实现有效美白。聚合物支架也被提出作为辅助生物材料，可作为保护屏障调节H₂O₂在牙体组织中的扩散，并可作为酶系统的支持基质。Ortecho-Zuta等（2022）提出的方案将酶催化剂与聚合物支架结合于15 min治疗中，报告了持续的美学效果及到达牙髓复合体的残留H₂O₂显著减少。研究人员所在团队前期研究已证明，即使将漂白凝胶与牙体结构的接触时间缩短1/3，酶催化剂与聚合物支架的联合仍能产生与传统诊室漂白方案相当的漂白效果。然而，尽管已有研究报道了有前景的美白效果，这种催化方法对牙体基质的影响仍了解甚少。因此，本研究旨在评估由HRP联合聚合物支架及35% H₂O₂漂白凝胶组成的酶催化策略，与传统诊室漂白方案进行比较，具体目标包括：（1）通过成像、表面粗糙度和显微硬度分析评估釉质表面形貌和微观结构；（2）评估治疗前后釉质化学结构的变化；（3）比较漂白过程中活性氧（ROS）的生成；（4）分析治疗后釉质的元素组成。

二、研究设计与方法概述

研究分两个实验阶段。第一阶段使用五颗健康人前磨牙制备混合釉质粉末，分为每组五个技术性等分试样，进行ATR-FTIR光谱分析及ROS定量。第二阶段使用24颗健康人前磨牙（来源于爱荷华大学牙科学院，年龄18–30岁），分配至四个实验组（每组n=6），评估表面显微硬度、表面粗糙度、EDS元素分析及三维激光共聚焦显微镜形态学分析。四个实验方案为：NC（阴性对照，不进行漂白处理）、G45（35% H₂O₂直接作用于釉质45 min）、G15（35% H₂O₂直接作用于釉质15 min）及G15SP（纳米纤维支架覆盖釉质后，施加含HRP的35% H₂O₂漂白凝胶15 min）。各组均进行三次漂白疗程，间隔7天。统计分析方面，第一阶段数据因技术性重复的性质仅作描述性分析；第二阶段采用单因素方差分析（ANOVA）和双因素重复测量ANOVA进行推断性统计。

三、主要研究结果

3.1 ATR-FTIR光谱分析

在PO₄^3?峰强度方面，各实验条件在基线时数值相似。第一次漂白疗程（S1）后，G45显示最高数值峰强度，其次为G15、G15SP和NC。在S2和S3时点，G45持续显示最高数值。对于PO₄^3?峰面积，S3后NC显示最大峰面积，G15和G15SP显示中间值，G45显示最低值。在CO₃^2?峰强度方面，各漂白条件显示进行性增加，其中G45模式最为显著。CO₃^2?峰面积方面，S3后观察到的模式为NC > G15SP > G15 > G45。基于峰强度的PO₄^3?/CO₃^2?比值显示，NC在整个实验期间相对稳定，G45表现出进行性降低且治疗后比值最低，G15SP维持了接近NC的值。基于峰面积的比值分析中，G45表现出最大的基线变异，而G15SP仅显示微小变化。

3.2 活性氧（ROS）生成分析

在初始时点，G15SP处理显示最高的ROS生成。G45和G15组数值统计相似，均低于G15SP但高于NC组。治疗结束时，G15组显示最低的ROS消耗，在上清液中维持高浓度。G15SP组尽管与G15具有相同作用时间，但表现出显著更高的ROS消耗。G45组因与漂白凝胶接触时间更长，显示最高的ROS消耗，与所有其他组差异显著（p = 0.01）。

3.3 表面粗糙度与显微硬度分析

关于Ra参数，G45和G15组数值相似且显示最高粗糙度，G15SP组显示中间值，NC组显示最低Ra值（p < 0.05）。对于Rz参数，G45组与其他组差异显著，其次为G15，G15SP显示中间值且与NC组无统计学差异。显微硬度方面，基线时各组无显著差异（总体均值332.1 KHN）。最终评估时，G45组数值最低，其次为G15（p < 0.05），G15SP组显示较高值且与其他处理组差异显著（p < 0.05）。随时间推移，仅G45和G15组显示显微硬度显著降低。

3.4 釉质表面形貌分析

三维激光共聚焦显微镜图像显示，NC组高度变化约0.3 μm，表明表面稳定。G45组显示最大形貌变异，达到约2 μm。G15组最大变异约0.6 μm，而G15SP组显示与对照组相似的数值（约0.3 μm）。

3.5 能量色散X射线能谱（EDS）分析

各处理均未显著影响磷（P）含量（p > 0.05）。钙（Ca）方面，NC组显示较高值，与G45差异显著（p = 0.02），表明该组钙含量降低。G15SP组钙浓度与对照组及其他处理组均相似（p = 0.07）。Ca/P重量比方面，G45组与其他组相比显著降低（p = 0.01），G15组也显示降低但未达统计学显著（p = 0.07），NC和G15SP组显示相似比值。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，传统45 min漂白方案（G45）在ATR-FTIR、EDS、显微硬度和表面粗糙度方面均显示最大的釉质改变，表明长时间暴露于高浓度过氧化氢可促进矿物质基质降解和表面不规则性增加，最终损害釉质力学完整性。相比之下，G15SP在Ca/P比值、显微硬度和粗糙度方面均与对照组相似，表明聚合物支架可调节过氧化氢与釉质的相互作用，减少漂白过程的矿物质和力学影响。ROS分析提供了机制性支持：G15SP显示更高的初始ROS生成，表明HRP增强了过氧化氢的催化分解，调节了其释放动力学。尽管初始ROS生成较高，但未伴随矿物质或结构损伤增加，反而釉质性质得到保留，提示酶系统在漂白反应早期阶段促进了过氧化氢向活性氧的更高效转化，减少了釉质对残留游离H₂O₂的长时间暴露。G15与G15SP的比较表明，釉质保存的改善不能仅归因于较短的作用时间，酶催化在时间缩短之外还通过优化过氧化氢分解发挥了额外贡献。

研究结论为：酶催化联合聚合物支架可调节过氧化氢反应性，与传统漂白方案相比，更好地保留了釉质矿物质组成、表面形态和力学性能。虽然观察到更高的初始ROS生成，但该响应与减少的结构改变相关，表明这是更高效的氧化过程而非增加的釉质损伤。虽然本研究未直接评估漂白疗效，但研究人员团队前期研究已证明该催化策略在缩短作用时间的同时能达到与传统方案相当的漂白效果。因此，本研究结果支持该方法增强诊室漂白生物安全性的潜力，但其临床适用性应在未来随机临床试验中予以确认。研究局限性包括未评估唾液的影响及实验漂白凝胶的细胞毒性，且第一阶段使用混合釉质属于技术性重复而非独立生物学重复，结果应视为探索性机制证据。