CN103370040B

CN103370040B - 组合物

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Publication number: CN103370040B
Application number: CN201180057086.6A
Authority: CN
Inventors: 威尔逊·西贝特; 克里斯蒂安·汤玛斯·阿尔昆·布朗; 阿尼梅斯·杰哈; 史蒂文·约翰·米尔恩; 科林·鲁宾逊; 曼迪普·辛格·达格尔; 基里亚科斯·杰克·通巴
Original assignee: University of St Andrews; University of Leeds
Current assignee: University of St Andrews; University of Leeds
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-10-10
Also published as: CA2813122C; CN103370040A; EP2624804B1; AU2011311342A1; WO2012046082A2; NZ609062A; CA2813122A1; WO2012046082A3; EP2624804A2; US9439837B2; GB201016970D0; AU2011311342B2; SG189173A1; US20130260341A1

Abstract

本发明涉及一种光敏组合物、该组合物在修复或美容牙科中的用途、制备该组合物的方法和产生牙齿的暴露的牙质表面的图像的方法，该组合物包含掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体。

Description

组合物

技术领域

本发明涉及一种包含掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石的光敏组合物(如光敏CaP矿物质组合物)、该组合物在修复或美容牙科中的用途、制备该组合物的方法和产生牙齿的暴露的牙质表面的图像的方法。

背景技术

牙科病况是剧烈疼痛的。对经常涉及钻孔的侵入性技术的恐惧阻碍许多人参加牙科手术。因此，常常发生严重的长期牙科问题。例如，对龋齿的治疗和复发的唯一长期解决方案是机械钻孔和填充。由于对硬组织和软组织的损伤，这是高度侵入性和疼痛的。一旦复发，蛀洞往往会长得更深并更难于接近，并且常常被临床操作中所用的机械工具扩大。蛀洞的尺寸因此从早期的小于一百微米(与骨骼矿物质结构中的1至5μm孔相比)至晚期的毫米而显著变化。

图1为牙齿结构的示意图。牙质具有流体填充的圆柱形微通道(小管)，其从牙髓延伸到牙齿的外缘并且在牙质-牙釉质或牙质-牙骨质接合处终止。牙髓区域处的小管的数密度和平均直径一般分别为约45000/mm²和约2.5μm并且在牙质-牙釉质接合处分别为约20000/mm²和约0.9μm。牙质可以分类为管间的或管周的。管间牙质由具有沉积纳米晶矿物质(主要为羟基磷灰石)的胶原的纤维性网络组成。管周衬里为具有更大比例的羟基磷灰石和更少胶原纤维的更高度矿化的组织。

牙质过敏带来的不适是大部分人常常经历的。图1中的插图示出牙质的腐蚀部分的SEM显微图的一部分，其示出模拟极端过敏的暴露的开放牙质小管(圆圈)。根据一般接受的流体动力学理论，热、化学和触觉刺激在小管内产生流体移动，这可以触发牙髓中的神经末梢并导致疼痛。由于小管开口因牙龈退缩或牙釉质的损失而暴露于口腔环境，此状况恶化。差的牙科卫生、过于剧烈刷牙、磨损和酸侵蚀是促成因素。牙龈退缩导致小管开口的极快和广泛的暴露，因为在牙质表面上薄的牙骨质层容易磨蚀。

在某种程度上，通过在牙质表面上形成厚度为1至5μm的玷污层(smearlayer)形式的天然障壁而降低敏感性。该玷污层含有天然产生的碎片，但并不充分缓解病况，因为其容易通过(例如)刷牙或咀嚼而被去除。

牙质过敏的常规治疗频繁且反复，并且是基于小管封闭和/或神经脱敏剂(参见Martensetal:Effectofanti-sensitivetoothpastesonopeneddentinaltubulesandontwodentin-bondedresins:ClinicalPreventiveDentistry.199113:23-28；和LingTYYetal:Aninvestigationofpotentialdesensitizingagentsinthedentinediscmodel:ascanningelectronmicroscopystudy.JournalofOralRehabilitation.(1997)24(3)191-203)。含有微米级无机颗粒的特殊配制的牙膏可用于促进玷污层的形成以物理性地堵塞小管。它们也可以含有使神经响应脱敏的化学剂(参见MillerSetal:Evaluationofanewdentrificeforthetreatmentofsensitiveteeth.JournalofClinicalDentistry(1994)5:71-79)。然而，常规治疗一般是短期的并且病况频繁复发。

另一个方法是由临床医生施用草酸钾。通过与口腔环境中存在的钙离子反应，草酸钾通过去矿化-再矿化过程而形成不溶解的草酸钙，该方法涉及羟基磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]的溶解-沉淀。固体产物有助于密封小管并抑制流体移动(参见Pashleyetal:Theuseofoxalatetoreducedentinpermeabilityunderadhesiverestorations.AmericanJournalofdentistry14,89-94,2001)。类似地，携带无定形磷酸钙的酪蛋白磷肽的施用通过所释放的钙和磷酸盐离子的沉淀而有助于天然再矿化过程。在这种情况下，可以经由口香糖而很容易地施用活性成分(参见BannonMetal:AmorphousCalciumPhosphateCaseinPhosphopeptide(ACP-CCP)asadentinalhypersensitivitytreatmentagent.JournalofDentalResearch74(3)754-754MAR1995)。结合到牙齿上以防止蛀洞的缓释氟化物小珠具有降低敏感性的有益效果(参见MEJCurzonandKJToumba:Invitroandinvivoassessmentofaglassslowfluoridereleasingdevice:apilotstudy.Brit.Dent.J.,196,543-546,2004)。

在1064nm处操作的基于Nd-YAG晶体的脉冲激光已广泛用于儿科和成人口腔健康的外科牙医学。激光经常用于切割牙釉质并且引起附带损伤的风险，因为在激光波长处，不存在牙釉质矿物质(即，磷酸盐，CO₃ ^2-，OH^-或H₂O)的任何泛频峰(overtones)或组合IR吸收带。缺乏对1064nm激光辐射的充分吸收会产生热负载情况，其中大部分激光能量用于加热周围的健康组织。在当前的外科实践中，通过用水冲洗和气冷来防止避免由此类加热引起的损伤。

钙离子或磷酸盐离子在近红外区域(800至2000nm)中均不具有强吸收带。然而，磷酸盐离子在2500nm区域中具有谐频(harmonics)，其与2700至3000nm区域的基频OH^-离子带部分重叠。因为谐频在强度上比基频模式弱得多(通常弱1000至100000倍)，所以谐频的能量吸收也成比例地更少。这意味着，当脉冲激光能量用于涉及羟基磷灰石矿物质的外科操作时，对周围健康组织的附带损伤和41℃的容许极限以上的热量生成的风险是主要关注的问题。

发明内容

本发明是基于这样的认识，含有掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)的组合物在体内对物理封闭的牙质小管足够稳定并同时对激光辐照是光敏的。

因此，从第一方面来看，本发明提供一种光敏组合物，其包含(优选基本上由以下组成)：

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体；和

式CaHPO₄.xH₂O(其中x为0、1或2)的一种或多种合成矿物质。

根据本发明的光敏组合物的掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(nHAp)或其合成前体有利地能够形成牙质小管的持久障壁以解决过敏、龋齿和蛀牙。该光敏组合物表现出高表面积和反应性，同时其团聚体可以仍足够小以封闭或进入微米级小管并且充当组织生长的支架并且促进矿化以有效地和永久性地密封小管。稀土离子用于为辐射淬灭提供优良的非辐射通道。在寻求解决牙科病况或有利于修复或美容牙科时，这有利地允许利用短脉冲激光辐照来促进致密化(如烧结)。此外，稀土离子具有很强的以OH和HPO₄离子为代价形成稀土磷酸盐的倾向，这意味着减少了在OH位点经由碳酸氢盐而形成碳酸盐(其导致晶格中的弱键合)。因此，光敏组合物在被烧结时表现出增强的承受口腔环境中酸侵蚀的能力。

稀土离子通常在纳米晶羟基磷灰石或其合成前体的晶格中替换钙。

合成纳米晶羟基磷灰石的合成前体可以是磷酸八钙。

优选地，光敏组合物包含掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石。

优选地，一种或多种(或每一种)CaHPO₄.xH₂O矿物质掺杂有稀土离子。稀土离子通常在一种或多种CaHPO₄.xH₂O矿物质的晶格中替换钙。

优选地，x为0或2。

优选地，一种或多种CaHPO₄.xH₂O矿物质为三斜磷钙石和/或透钙磷石。

优选地，稀土离子和钙具有基本上类似的离子半径(如±15%以内的离子半径)。这有利地促进在纳米晶羟基磷灰石中和任选地在一种或多种CaHPO₄.xH₂O矿物质中由稀土离子替换钙。

在一个优选的实施方案中，纳米晶羟基磷灰石或其合成前体是经氟化物离子替换的。在一个优选的实施方案中，一种或多种(或每一种)CaHPO₄.xH₂O矿物质是经氟化物离子替换的。在纳米晶羟基磷灰石或其合成前体中由氟化物离子替换氢氧根离子有利地纠正由稀土离子(3+)替换钙(2+)导致的电荷不平衡。

在优选的实施方案中，纳米晶羟基磷灰石或其合成前体还掺杂有铝离子。在一个优选的实施方案中，一种或多种(或每一种)CaHPO₄.xH₂O矿物质掺杂有铝离子。铝离子具有很强的以OH和HPO₄离子为代价形成磷酸铝的倾向，这意味着减少了在OH位点经由碳酸氢盐而形成碳酸盐(其导致晶格中的弱键合)。因此，该光敏组合物在被烧结时表现出增强的承受口腔环境中酸侵蚀的能力。

在优选的实施方案中，纳米晶羟基磷灰石或其合成前体为经氟化物离子替换的，并且掺杂有铝离子。

在掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石中，稀土离子相对于纳米晶羟基磷灰石以超过100ppm的量存在。优选地，稀土离子相对于纳米晶羟基磷灰石以100至50000ppm的量存在。

优选地，稀土离子表现出与合成纳米晶羟基磷灰石一个或多个吸收带基本匹配或部分重叠的吸收带。特别优选地，稀土离子表现出的吸收带与OH^-离子、CO₃ ^2-离子、磷酸盐离子或水(如磷酸盐带的第一谐频或基频OH带)中一个或多个的一条或多条吸收带基本匹配或部分重叠。

优选地，稀土离子表现出1400至1800nm范围内或与该范围部分重叠的吸收带。

优选地，稀土离子表现出2700至3500nm范围内或与该范围部分重叠的吸收带。

优选地，稀土离子表现出4000至4500nm范围内或与该范围部分重叠的吸收带。

优选地，稀土离子表现出1900至2100nm范围内或与该范围部分重叠的吸收带。

稀土离子可以为镧系元素离子。稀土离子可以选自铈离子、钆离子、钬离子、铥离子、镝离子、铒离子、镱离子和钕离子中的一种或多种。

优选地，稀土离子选自镝离子、镱离子、铒离子、钬离子和铥离子中的一种或多种。特别优选地，稀土离子为铒离子、镱离子、钬离子或铥离子。更优选地，稀土离子为铒离子、镱离子或铥离子。尤其优选地，稀土离子为铒离子。

稀土离子可以浸渍在酪蛋白-磷脂中。该实施方案可用于牙表面成像。

在优选的实施方案中，纳米晶羟基磷灰石还掺杂有共-掺杂物。共-掺杂物可以有用地在(例如)理想的波长(例如可见波长)下表现出吸收或激发。共-掺杂物可以表现出宽吸收带，其可以被利用以在光烧结期间使热耗散最小化并增强安全。共-掺杂物可以是过渡金属离子或稀土离子。

共-掺杂物可以是镱离子。共-掺杂物可以是铁离子或铬离子。

优选地，共-掺杂物相对于纳米晶羟基磷灰石以0.01重量%或更小的量存在。

通常，光敏组合物的主相是掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石和一种或多种CaHPO₄.xH₂O矿物质。光敏组合物可以是羟基磷灰石、透钙磷石和三斜磷钙石的固体溶液。三斜磷钙石可以是主要的。光敏组合物中掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体的量通常为至少25重量%。光敏组合物中一种或多种CaHPO₄.xH₂O矿物质的量通常为至少50重量%。

光敏组合物还可以包含一个或多个次生磷酸钙相。所述一个或多个次生磷酸钙相可以以25重量%或更小的量的存在。

光敏组合物还可以包含一个或多个掺杂物源相。所述一个或多个掺杂物源相可以是氟化钙、氟化亚锡、氯化铝、磷酸铝和原硅酸四乙酯中的一种或多种。优选地，光敏组合物还包含CaF₂和AlPO₄。

在优选的实施方案中，掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体的纳米颗粒是蛋白缀合的。蛋白缀合可以加速矿化。

光敏组合物可以是纳米颗粒。掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体的(或光敏组合物的)纳米颗粒可以是基本上平的、基本上棒状的、小板、针或晶须。优选地，掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或其合成前体的(或光敏组合物的)纳米颗粒是小板。

优选地，光敏组合物能够至少部分地封闭牙齿中的牙质小管。

优选地，光敏组合物能够以至少1μm的深度至少部分地封闭牙质小管。

光敏组合物可以能够基本上完全(如完全)封闭牙齿中的牙质小管。

优选地，光敏组合物能够至少部分地(如基本上完全)封闭牙齿中牙质小管的主要部分。主要部分可以是80%或更多，优选90%或更多。

优选地，光敏组合物能够基本上完全封闭牙齿中牙质小管的主要部分。主要部分可以是60%或更多，优选70%或更多。

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(或光敏组合物)可以具有30至600nm、优选30至145nm的颗粒长度。

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(或光敏组合物)可以具有30至370nm、优选40至320nm、特别优选50至110nm、更优选约70nm的平均颗粒长度。

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(或光敏组合物)可以具有25至50nm、优选25至35nm的粒径。

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(或光敏组合物)可以具有20至50nm、优选25至40nm、特别优选25至35nm、更优选约30nm的平均粒径。

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石(或光敏组合物)可以具有2.4至10、优选2.4至3.8的平均颗粒纵横比。

光敏组合物可以为烧结(如光烧结)或非烧结形式。光敏组合物可以为粉末。

一般来讲，光敏组合物可以通过多种技术中的任一种获得，所述技术包括：

(1)固态反应(参见例如RamachandraRetalSolidstatesynthesisandthermalstabilityofHAPandHAP–β-TCPcompositeceramicpowders.J.Mater.Sci.Mater.Med.8511-518.1997；和GutmanE(1997)MechanochemistryofMaterials,CambridgeInternationalSciencePublishing,Cambridge,UK)；

(2)共沉淀(参见例如RheeSHandTanakaJ1998Hydroxyapatitecoatingonacollagenmembranebybiomimeticmethod.JournalofAmericanCeramicSociety813029-3031；和CuneyttasAetal(1997)Aninvestigationofthechemicalsynthesisandhigh-temperaturesinteringbehaviourofcalciumhydroxyapatite(HA)andtricalciumphosphate(TCP)bioceramics.JournalOfMaterialsScience;MaterialsInMedicine8:91-96)；

(3)溶胶凝胶技术(参见例如JillavenkatesaAandCondrateRA(1998)Sol-gelprocessingofhydroxyapatite.JournalofMaterialsScience.33:4111-4119；和LiuDetal.(2002)Structuralevolutionofsol-gel-derivedhydroxyapatite.Biomaterials23:1679–1687)；和

(4)水热合成(参见例如RimanREetal:2002SolidStateIonics151393-402;andLiuJetal.(2003)TheinfluenceofpHandtemperatureonthemorphologyofhydroxyapatitesynthesizedbyhydrothermalmethod.CeramicsInternational29629-633)。

优选地，光敏组合物通过水热合成获得或可获得。

优选地，光敏组合物通过共沉淀获得或可获得。

在优选的实施方案中，光敏组合物通过以下方法获得或可获得，该方法包括：

(a)在5至14的pH下制备含钙离子的溶液、含磷酸盐离子的溶液和含稀土离子的掺杂物溶液的水性混合物；

(b)导致掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石的形成；和

(c)分离所述光敏组合物。

含钙离子的溶液中钙离子的来源可以是钙盐(如碳酸盐、硝酸盐或氯化物盐)。

含磷酸盐离子的溶液中磷酸盐离子的来源可以是磷酸盐(如磷酸氢盐)。

含稀土离子的溶液中稀土离子的来源可以是稀土盐，例如任选地水合的碳酸盐、乙酸盐、氢氧化物、硝酸盐、氧化物或卤化物盐(优选为乙酸盐、柠檬酸盐、硝酸盐、氯化物、氟化物或水合氯化物盐)。用于制备含稀土的溶液的稀土离子的来源的量优选为用于制备含钙离子的溶液的钙离子的来源和用于制备含磷酸盐离子的溶液的磷酸盐离子的来源的总重量的5重量%或更小(特别优选1至5重量%，更优选1至2重量%)。稀土离子的来源的具体实例包括Tm(OH)₃、Er(OH)₃、Tm₂O₃、Yb₂O₃、Ho₂O₃、Er₂O₃、TmF₃、ErF₃、Tm(NO₃)₃.5H₂O、Er(NO₃)₃.5H₂O和ErCl₃。

步骤(a)中水性混合物的pH可以为8至14，优选为8至12。步骤(a)中水性混合物的pH可以被调节到8至14，优选8至12。水性混合物的pH可以通过添加碱来调节。

在步骤(a)中，水性混合物可以被老化(如24小时或更多)。

可以在3至72小时、优选18至48小时、特别优选18至30小时、更优选约24小时的时间段内进行步骤(b)。

优选地，步骤(b)基本上在环境温度(如室温)下进行。基本上在环境温度下进行的步骤(b)有利地允许以纳米颗粒尺寸和形态合成掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石，其在涂覆牙齿时提供覆盖度的理想水平。

优选地，步骤(b)在升高的温度下进行。在升高的温度下进行的步骤(b)有利地允许以理想的粒径和形态合成掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石而不需反应后高温退火。步骤(b)可以在80至350℃、优选80至250℃的温度下(如在约200℃下)进行。

在步骤(b)中，水性混合物可以处于升高的蒸汽压下。

步骤(a)中含钙离子的溶液和含磷酸盐离子的溶液优选使得水性混合物中Ca:P的摩尔比为约1.67。例如，在步骤(a)中，可以将含磷酸盐离子的溶液滴加至含钙离子的溶液，直至水性混合物中Ca:P的摩尔比为约1.67。

优选地，在步骤(a)中，将氟化物离子的来源添加至水性混合物。步骤(a)中添加的氟化物离子的来源的量优选为用于制备含钙离子的溶液的钙离子的来源和用于制备含磷酸盐离子的溶液的磷酸盐离子的来源的总重量的5重量%或更小(特别优选2重量%或更小)。例如，氟化物离子的来源可以是氟化钙或氟化亚锡。氟化钙有助于溶解稀土离子并且降低光敏组合物的激光熔融温度。在晶格中并入氟化物离子有助于耐酸性。

优选地，在步骤(a)中，将铝离子的来源添加至水性混合物。步骤(a)中添加的铝离子的来源的量优选使得铝离子以用于制备含钙离子的溶液的钙离子的来源和用于制备含磷酸盐离子的溶液的磷酸盐离子的来源的总重量的5重量%或更小(特别优选2重量%或更小)的量存在。铝离子的来源可以是铝盐。例如，铝离子的来源可以是硝酸铝、磷酸铝或三氯化铝六水合物。

从另一方面来看，本发明提供一种用于制备上文所定义的光敏组合物的方法，其包含：

(a)在5至14的pH下制备含钙离子的溶液、含磷酸盐离子的溶液和含稀土离子的溶液的水性混合物；

(b)导致掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石的形成；和

(c)分离所述光敏组合物。

步骤(a)、(b)和(c)可以如上文所定义。

具有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石的光敏作用有利于有效吸收激光能量并促进迅速烧蚀。这可以利用来在牙齿填充期间提供有效装填(packing)和烧结。光敏作用通过保持低温(如低于41℃)而使健康组织的附带损伤最小化。

从另一方面来看，本发明提供一种用于解决(如治疗或防止)人类或非人类动物个体的牙齿中的牙科病况的方法，该方法包含：

(A)将一定量的上文所定义的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用至牙齿以导致牙质小管的至少部分封闭；和

(B)用激光辐照来照射所述量的所述光敏组合物以便促进致密化。

通过利用光敏组合物，本发明的方法可以使附带组织损伤的风险、由于Ca和Ca+态的存在所致的等离子发射的风险和经由来自等离子转变的辐射吸收和/或由于多光子吸收所致的生成活性氧物质的风险最小化。

优选地，稀土离子表现出与合成纳米晶羟基磷灰石的一个或多个吸收带(如磷酸盐带的第一谐频或基频OH带)基本匹配或部分重叠的吸收带。通过靶向吸收带，本发明的方法主要以受控方式通过破坏所需的键来进行。能量吸收变得十分有效并且可以引起迅速的局部致密化。

光敏组合物可以配制在生理上可耐受的制剂中用于本发明的方法。该制剂可以是分散剂、悬浮剂或糊剂。优选地，该制剂为分散剂。特别优选地，分散剂是水性、酮的或醇的分散剂。例如，该分散剂在丙酮、水(如蒸馏水)、异丙醇、乙醇、甲醇中或偏磷酸钠[NaPO₃]_n的水溶液中。优选地，该分散剂在甲醇或乙醇中。

通常，掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石以0.5w/v%或更多、优选3w/v%或更多、特别优选5w/v%或更多的量存在于生理上可耐受的制剂中。5w/v%或更多的掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石的量可以在牙齿上有利地形成类似于玷污层的完整涂层。覆盖封闭小管的掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石的保护性玷污层的形成有益于对抗敏感性。

牙科病况可以是龋齿、牙齿磨损或腐蚀、敏感性(如急性过敏)或归咎于龋齿感染的疼痛。

优选地，在步骤(A)中，将所述量的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用到暴露的牙质表面。

优选地，激光辐照是人眼安全的。

优选地，激光辐照是红外辐照。特别优选地，激光辐照是近红外、中红外或短波长红外辐照。更优选地，激光辐照是短波长红外辐照。

激光辐照的波长可以为980至4500nm(优选1400至3000nm)。

激光辐照的波长可以与OH^-离子、CO₃ ^2-离子、磷酸盐离子或水的一个或多个吸收带一致。

优选地，激光辐照的波长为1400nm至1800nm。1450至1800nm的波长使副作用最小化并且允许(例如)不止一个量级的更多脉冲能量被递送到个体，同时仍保持根据激光产品安全性国际标准(InternationalStandardontheSafetyofLaserProducts)(IEC60825–1)的人眼安全分级I级。1400至1800nm的波长有利地与OH^-离子第一谐频的吸收带一致。

优选地，激光辐照的波长为2700至3500nm。2700至3000nm的波长有利地与基频OH^-离子吸收带和磷酸盐离子谐频一致。

优选地，激光辐照的波长为1900至2100nm。1900至2100nm的波长有利地与OH^-离子泛频峰和CO₃ ^2-谐频的吸收带一致。

优选地，激光辐照的波长为4000至4500nm。4000至4500nm的波长有利地与OH^-离子和CO₂谐频的吸收带一致。

激光器可以是连续波激光器(如近红外连续波激光器)。激光器可以是脉冲激光器(如超短脉冲激光器)。激光器可以生成超短脉冲。脉冲激光器可以是皮秒、纳秒、微秒或飞秒脉冲激光器。激光器可以发射20fs至150ps长度(如约135ps)的脉冲。优选地，脉冲激光器是飞秒脉冲激光器。

激光器可以是(例如)CO₂激光器、Er掺杂或Ho掺杂Nd-YAG激光器、Tm掺杂激光器、Ti-蓝宝石激光器、二极管泵浦激光器(例如Yb掺杂或Cr掺杂晶体激光器)或光纤激光器。

激光器可以是短脉冲纤维激光器，其中(例如)使用二氧化硅纤维来递送功率。

脉冲能量通常为1nJ至1μJ。可以用至多10GHz(如100MHz)的重复率来发射脉冲。激光器的平均功率可以是1Watt以下(sub-Watt)。

本发明的光敏组合物的优点可以在单独美容性(非修复性)的方法中进一步利用。

从另一方面来看，本发明提供一种用于对人类或非人类动物个体的牙齿漂白或环镶的美容方法，该方法包含：

(1)将一定量的上文所定义的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用至牙齿的表面而非牙质表面；和

(2)用激光辐照来照射所述量的所述光敏组合物以便促进致密化。

优选地，在步骤(1)中，将光敏组合物单独施用到牙齿的釉质表面。

当在吸收波长处激发时，稀土离子发射辐射。在另一可取得专利的方面，本发明能够捕获该发射光以生成(例如)其中已给予了本发明的光敏组合物的牙龋洞的图像。

从甚至另一方面来看，本发明提供一种用于产生人类或非人类动物个体的牙齿的暴露的牙质表面的图像的方法，该方法包含：

(A)将一定量的上文所定义的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用至所述暴露的牙质表面；

(B)用辐照来照射所述光敏组合物或其生理上可耐受的制剂；

(C)捕获由所述光敏组合物或其生理上可耐受的制剂发射的辐射；和

(D)从由所述光敏组合物或其生理上可耐受的制剂发射的所述辐射产生暴露的牙质表面的图像。

施用的部位的图像的迅速生成提供(例如)关于含稀土离子的掺杂物的结晶体的状态、光敏组合物的结构和形态或牙质的健康状态的信息。

暴露的牙质表面可以是牙龋洞的一部分或龋齿的特征。

步骤(B)、(C)和(D)可以利用光谱学方法进行。步骤(B)、(C)和(D)可以通过红外光谱学、拉曼光谱学或荧光光谱学进行。

从甚至另一方面来看，本发明提供一种上文所定义的生理上可耐受的制剂。

从又一方面来看，本发明提供上文所定义的光敏组合物或上文所定义的生理上可耐受的制剂，其用于修复或美容牙科。

附图说明

现将参照实施例和附图以非限制性意义描述本发明，在附图中：

图1：牙齿结构的示意图；

图2a：Ca-Si-P-O-H体系中预测的平衡相组成，其显示在大气压条件下存在HAp和具有二氧化硅水合物的HAp。

图2b：Ca-La-F-P-O-H体系中预测的平衡相组成；

图3：在200℃下由(a)pH5.1、(b)pH8.0、(c)pH10和(d)pH12的起始反应浆液经24小时合成的粉末的SEM显微图；

图4：在200℃下经(a)24小时和(b)48小时水热法制备的粉末的XRD图(标记的峰指示CaHPO₄并且未标记的峰指示HAp)；

图5：a)用于初步试验的纳米二氧化硅的SEM图像；在用二氧化硅纳米颗粒渗透之后牙质的(b)低和(c)高放大倍数图像；

图6：示出在pH5.1-12下由反应浆液合成的含HAp的颗粒的平均颗粒长度(左)和直径(右)的条形图；

图7：用在pH12下制备的颗粒处理过的牙质的SEM显微图((a)示出小管封闭的频率的低放大倍数图和(b)指示在小管开口以下渗透的深度的高放大倍数图)；

图8：经涂布的牙齿表面，显示牙釉质几乎完全被乙醇中新鲜制备的含HAp的粉末覆盖(随附的EDX显示存在Ca、P和O元素)；

图9a：在涂布有含nHAp的组合物的人类牙齿的腐蚀面上三个不同激光照射区域的比较(激光器规格430mW功率、135fs脉冲持续时间和83MHz重复率)；

图9b：30秒辐照，激光器规格430mW、135fs脉冲持续时间和83MHz重复率；

图9c：60秒辐照，激光器规格430mW、135fs脉冲持续时间和83MHz重复率；

图9d：120秒辐照，激光器规格430mW、135fs脉冲持续时间和83MHz重复率；

图10：用于具有光活化的镧系元素的羟基磷灰石的合成的氢电极电位(EH)-pH示意图；

图11a：在200℃和pH8下生长24小时的含HAp的针；

图11b和11c：分别在140℃和80℃以及pH8下生长24小时的微米级含HAp的针和小板的微结构；

图12：用于治疗过敏的在小管上表现出高表面覆盖度的涂层；

图13：含nHAp的粉末的FTIR分析，示出约1000cm^-1处的Yb³⁺离子吸收，分别在1450和2900cm-1处的OH^-第一谐频带和基频带以及约1400cm^-1处的弱Ho³⁺带；

图14：由激发发射若干波长的Ho³⁺电子态的980nm激光二极管所激发的含nHAp组合物的荧光性，显示光子的有效吸收和光发射；

图15a-c：在140℃以及分别pH6、9和14下形成的光活化的Ho掺杂的含nHAp的晶须和晶体的SEM显微图；

图16：在200℃且(A)初始pH5.6(B)初始pH8(C)初始pH9(D)初始pH10和(E)初始pH11下经24小时合成的粉末；

图17：通过水热法在200℃下经24小时由pH8和9的溶液制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图18：通过水热法在200℃下经24小时由pH9的溶液制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图19：通过水热法在200℃下经24小时由pH10的溶液制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图20：通过水热法在200℃下经24小时由pH11的溶液制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图21：在80℃和初始pH5.6下经(A)24小时、(B)48小时和(C)72小时合成的含HAp的粉末；

图22：在200℃和初始pH5.6下经(A)24小时和(B)72小时合成的含HAp的粉末；

图23：在将初始溶液老化(A)2周、(B)4周和(C)6周之后，在200℃下经24小时水热法合成的含HAp的颗粒的SEM图；

图24：由老化2周且在200℃下经24小时水热处理过的溶液制备的含HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图25：由老化2、4和6周且在200℃下经24小时水热处理过的溶液制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图26：通过在pH10和200℃下经24小时水热法制备的和在室温下通过化学沉淀法制备的含HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图27：在pH10下和(A)100℃经24小时、(B)140℃经24小时、(C)140℃下经72小时和(D)200℃下经24小时合成的含HAp的粉末；

图28：含有掺杂有1重量%磷酸铝并且在80℃下经10小时水热处理过的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，而(C)和(D)示出这些小板可能形成的过程)；

图29：通过水热法在80℃下经10小时制备的含有1重量%磷酸铝掺杂的HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图30：从室温加热(煅烧)到1000℃的含有1重量%磷酸铝掺杂的HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图31：含有掺杂有1重量%氧化铥并且在80℃下经10小时水热处理过的HAp的组合物的SEM图像，显示从短棒状到小板的不同粒径和形状；

图32：通过水热法在80℃下经10小时制备的含有1重量%氧化铥掺杂的HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图33：含有在室温下通过沉淀法制备的未掺杂的HAp颗粒的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，而(C)示出这些小板可能形成的过程)；

图34：在室温下通过沉淀法制备的含未掺杂HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图35：含有在室温下通过沉淀法制备的掺杂有1重量%磷酸铝的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，以及某些其它颗粒的无规附聚(C))；

图36：含有在室温下通过沉淀法制备的1重量%磷酸铝掺杂的HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图37：含有在室温下通过沉淀法制备的掺杂有2重量%磷酸铝和2重量%氟化钙的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，而(C)示出这些小板可能形成的过程)；

图38：与磷酸铝掺杂的HAp相比较的含有2重量%磷酸铝和2重量%氟化钙掺杂的HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图39：含有在室温下通过沉淀法制备的掺杂有1重量%磷酸铝和2重量%氧化铥的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，而(C)和(D)示出这些小板可能形成的过程)；

图40：与含有磷酸铝掺杂的HAp的组合物相比较的含有1重量%磷酸铝和2重量%氧化铥掺杂的HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图41：含有在室温下通过沉淀法制备的掺杂有2重量%磷酸铝和2重量%氧化铒的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出颗粒的小板形态，而(C)和(D)示出这些小板可能形成的过程)；

图42：含有在室温下通过沉淀法制备的2重量%磷酸铝和2重量%氧化铒掺杂的HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图43：与含有磷酸铝掺杂的HAp的组合物相比较的含有1重量%磷酸铝和2重量%氧化铥掺杂的HAp的组合物的粉末X射线衍射图；

图44：含有在室温下通过沉淀法制备的掺杂有2重量%磷酸铝、1重量%氧化铒和2重量%氟化钙的HAp的组合物的SEM图像((A)和(B)示出小板和其它颗粒的无规附聚)；

图45：在室温下沉淀的含有磷酸铝、氧化铒和氟化钙掺杂的HAp的粉末的粉末X射线衍射图；

图46：在单次浸涂之后涂布有含有磷酸铝掺杂的HAp的组合物的齿切片的光学显微图。最终图像放大倍数通过物镜和目镜(10X)二者的放大倍数确定；

图47：在仅单次浸涂之后涂布有HAp的齿切片的SEM图像；

图48：在单次浸涂之后涂布有含有AlPO₄-CaF₂-Er₂O₃掺杂的HAp的组合物的齿切片的SEM图像；

图49：在单次浸涂之后，涂布有含HAp-AlPO₄的组合物的齿切片的ESEM图像，(A)无Pt涂层，(B)有Pt涂层。Pt涂层并非用于牙釉质而是用于在显微实验期间增强电子显微镜中的图像对比度；

图50：经受1550nm脉冲激光的含有氧化铥掺杂的HAp的～2mm厚的小粒的SEM图像，显示烧结区域和表面形态的改变；

图51：经受980nmCW激光的含有磷酸铝-氟化钙-氧化铒掺杂的HAp的～2mm厚的小粒的SEM图像，其显示烧结区域和表面形态的改变；

图52：经受980nmCW激光的含有氟化钙掺杂的HAp的～2mm厚的小粒的SEM图像，其显示烧结区域和表面形态的改变；

图53：经受980nmCW激光的制备好的～2mm厚的齿切片的SEM图像，其显示表面形态，但没有观察到激光烧结区域；

图54：涂布有含有未掺杂HAp的颗粒并经受980nmCW激光的～2mm厚的齿切片的SEM图像，其显示烧结区域和HAp的表面形态的改变和牙质小管的密封；

图55：涂布有含有磷酸铝-氟化钙-氧化铒掺杂的HAp的颗粒并经受980nmCW激光的～2mm厚的齿切片的SEM图像，其显示烧结区域和由晶体生长和大面积牙质小管的封闭所致的表面形态的改变；

图56：插图所列矿物质组合物的%重量损失率与温度的关系；

图57：a)用35%v/w磷酸腐蚀以暴露牙质小管微槽来模拟天然牙质过敏的牙质横切片的低放大倍数(比例尺表示10μm)SEM图像和b)10倍放大SEM图像(比例尺表示2μm)，其示出1μm尺寸的小管开口的平均值；

图58：用(a)未掺杂的CaP矿物质组合物和(b)经掺杂的CaP矿物质组合物涂布20秒的齿切片的SEM图像。对于各图像，以20μm的比例尺示出牙质小管的封闭；

图59：未掺杂的CaP矿物质组合物和经掺杂的CaP矿物质组合物的X-射线粉末衍射数据的比较。未掺杂的CaP矿物质组合物显示三斜磷钙石的存在，而经掺杂的CaP矿物质组合物包括三斜磷钙石、透钙磷石、HAp和未溶解掺杂物Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂的混合物；

图60：在室温下通过化学沉淀法制备的(a)未掺杂的CaP矿物质组合物和(b)经掺杂的CaP矿物质组合物的小板状颗粒的SEM图像；

图61：在用980nmCW激光处理5分钟之后涂布有未掺杂的CaP矿物质组合物和掺杂有Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂掺杂物的CaP矿物质组合物的牙齿横切片的SEM图像：a)在点和破碎(spotandfragmentation)的中心示出熔化的局部化，b)示出代表差的和不均匀的致密化的在CaP涂布的牙质左方的破碎CaP小滴，c)示出由破碎小滴引起的均匀的熔化和聚结和d)在中心示出再结晶花结，其展现不均匀地形成由暴露的牙质小管围绕的晶体。图61c和61d中所示的经掺杂的CaP矿物质组合物的总体表面覆盖度看起来优于图61a和61b中所示的未掺杂的CaP矿物质组合物的表面覆盖度；

图62：在用1520nm脉冲激光辐照照射之后涂布有经掺杂的CaP矿物质组合物的齿切片的SEM图像。图62a-b示出照射2分钟的区域，显示由波状特征围绕的坑(crater)和导致断裂的在涂层中的变形。图62c-d示出照射30秒的区域，显示由波状特征围绕的坑而在涂层中无任何变形，其可能有益于实现CaP层在牙质微槽上的均匀致密化；

图63：具有a)未掺杂的CaP矿物质组合物的涂层和b)经掺杂的CaP矿物质组合物的涂层的脉冲激光烧结的齿切片的横截面SEM。当与未掺杂的CaP矿物质组合物比较时，对于经掺杂质的CaP矿物质组合物，重叠层看起来较少烧结，但小管封闭看起来十分均匀；和

图64：未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物的热重分析测量，示出重量损失百分比以及Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂对热稳定性的效果。

实施例1

体外实验方法

i)过敏表面的制备

由临床提取的人类臼齿制备用于体外试验的标准牙质切片。在提取和切片之间，将牙齿储存在约4℃盐水溶液中。使用水冷的金刚石涂层切割轮从牙釉质牙质接合处下方的区域切割厚度约1mm的片。在切片之后，将牙质样本在湿的细度为2500的SiC纸上打磨以去除磨削条纹并使用超声波浴在蒸馏水中洗涤。然后，用37体积%的磷酸溶液腐蚀60秒以去除天然玷污层。然后在超声搅动下用蒸馏水进行最终洗涤。然后，通过用梯度醇/水混合物处理并最终通过在无水醇中处理而使该片逐渐脱水。这使得因直接暴露于醇所致的任何组织收缩最小化。然后，将样本在空气中干燥，随后转移至干燥器并在20℃下减压储存24小时。所得切片模拟牙质过敏的极端情况的天然暴露的牙质特征的表面(参见图1)。将以这种方式制备的部分用于所有颗粒渗透试验。

ii)纳米颗粒的合成

将在包含40nm直径的球形纳米颗粒的水性悬浮液中的市售的胶态二氧化硅粉末(SigmaAldrich,TM-40,水中40重量%)用于初始‘原理证明’试验。将纳米颗粒悬浮液按原样(FisherScientific99.9%Biotechgrade)在甲醇中稀释以利用醇的干燥性质。通过将水性二氧化硅悬浮液与甲醇以适当的量混合来提供约0.05体积重量%(v/w%)的负载，从而制备稀释的悬浮液。将该稀释悬浮液逐滴涂覆至制备的牙质片中的暴露小管。在即将涂覆前，将各二氧化硅悬浮液超声处理5分钟。在涂覆后，将样本在空气中干燥，随后在干燥器中减压干燥另外24小时。

对于含有nHAp[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]的矿物质组合物的水热合成，通过将四水合硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂OFisherScientificACSgrade)和磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄FisherScientific,ACSgrade)溶解在蒸馏水中(参见Pashleyetal[见上])而制备1.0M储液。用蒸馏水将储液稀释至0.1M并随后通过向钙溶液中滴加磷酸盐溶液而进行混合，以得到对应于羟基磷灰石的Ca/P摩尔比为1.67的悬浮液。混合的悬浮液的pH为5.1。通过滴加浓(约17M)氢氧化铵溶液(FisherScientific,analyticalgrade)而将pH调节到5.1至12.0来控制颗粒生长。

将悬浮液转移到125ml容量的Teflon衬里的水热反应器(Model4748,ParrInstrument)或置于较大的1.6升容量的容器(Model4570,ParrInstrument)中。在100℃至350℃的温度下进行反应3至72小时。产物经历充分的洗涤循环，其涉及5分钟高速离心沉淀(6000rpm)，然后滗析上清液并通过使用超声波浴的剧烈振荡和搅拌(5分钟)而将粉末再悬浮于蒸馏水中。重复该循环6次并且使用pH计(具有413电极的MetlerToledoMP225pH计)监测悬浮液的pH。使用甲醇(FisherScientific99.9%Biotechgrade)进行最终洗涤以限制颗粒的附聚。在甲醇中的最终洗涤和离心循环之后，滗析上清液并且收集、称量湿沉淀并将其以约0.5重量%用于再悬浮。

使用PhilipsX射线衍射仪，以0.05°s^-1的扫描速度在5–70°2θ范围内进行样本的相分析。以3mm的工作距离在3kV下使用场发射扫描电子显微镜(LEO1530FEGSEM)并通过透射电子显微镜(PhillipsCM200FEGTEM)进一步进行高分辨率分析来测定粒径和形态。对于各粉末批次，测量200个颗粒(长度和直径)并且绘制粒径分布。

iii)试验

进行用纳米二氧化硅颗粒来渗透和封闭牙质小管的原理证明试验。使用各标本的中心区的SEM成像(参见图5)来研究堵塞牙质小管的处理的有效性。

在将含HAp的矿物质组合物用于渗透牙质小管之前，进行初始试验以找到合适的液体分散体介质和用于在沉淀期间获得去絮凝悬浮液的表面活性剂。考虑了丙酮、蒸馏水、异丙醇、乙醇、甲醇和偏磷酸钠[NaPO₃]_n在水中的1重量%溶液。

将涂布有含nHAp的矿物质组合物的层的牙齿的腐蚀面(参见图8)用于激光辐照试验以证实在飞秒脉冲激光的非共振(无分子或电子吸收)波长下，该层可以部分烧结。

图2a和2b中的平衡图证实镧系元素离子如何可以结合到矿物质组合物中以及镧系元素离子的结合是否得到热力学稳定相组成。图2a示出具有Si的相组成，其随后得到与HAp组合的二氧化硅水合物。图2b示出F离子如何在氧化镧的存在下得到LaF₃、La₂O₃和HAp的有益组合。平衡条件证实，在水热处理条件下，镧之外的稀土离子可以从溶液相中结合。

结果和讨论

由纳米二氧化硅颗粒渗透之后的牙质切片的SEM成像指示，在甲醇中稀释(约0.5w/v%)的悬浮液中的纳米颗粒的仅一次涂覆之后，至少50%的小管被明显封闭(参见图5b)。小管封闭的程度和颗粒渗透的深度的指示通过相同样本的更高放大倍数成像(参见图5c)来示出。通过倾斜样本台并同时成像而进行渗透深度的估计，认为颗粒在小管开口以下至少1-3μm且可能更深。颗粒团聚体已在干燥期间形成并且已有效地封闭小管。

从初始结果来看，200℃的水热反应温度被认为最适于制备结晶HAp。随后采用该温度作为标准温度用于研究反应时间和pH对颗粒性质的影响。在pH5.1下，对原悬浮液，研究3、12、18、24、48和72小时的处理时间。在3至12小时的反应时间之后粉末的XRD图指示存在次生相以及所需的HAp相。次生相的极弱峰在18小时时仍明显，但将反应时间增加到24小时后获得单相HAp图(参见图4a)。48和72小时的较长处理时间(图4b)合成的粉末指示归于矿物质三斜磷钙石(CaHPO₄)的另一个次生相的存在。在此基础上，选择24小时的处理时间作为在200℃下制备含HAp的粉末的最有利反应时间。

显示来源于pH5.1的溶液的HAp在24小时后的杆状形态的SEM图像示于图3a中。杆长度在宽范围(约100-600nm)内变化，但颗粒宽度变化较少(约30至50nm)。由200个颗粒计算的平均长度和宽度分别为370nm和40nm。

进行了尝试，以试图合成比图3a中所示那些更少伸长的颗粒，以实现类似于二氧化硅的形态特性(图5c中所示)。将pH从5.1增加到8.0导致平均颗粒长度略微减少至约320nm并且直径降低至约30nm(参见图3b)。在pH10下，平均颗粒长度显著更低(110nm)，但具有类似于pH8颗粒的直径(约30nm，参见图3c)。将pH增加到12导致具有70nm平均长度和30nm直径的颗粒(参见图3d)。这是合成的杆的最小伸长，但仍远非等轴。对于在pH12下制备的样本，颗粒长度的变化为30至145nm并且直径的变化为25至35nm。所有起始悬浮液的平均长度和宽度示于图6中，其突出了在pH8到pH10之间发生颗粒性质(长度)的最显著改变。纵横比(平均长度/直径)为：

9-10，由pH5.1至8下的悬浮液制备的粉末

3.8，由pH10下的悬浮液制备的粉末和

2.4，由pH12下的悬浮液制备的粉末。

选择在pH12下制备的颗粒用于牙质渗透试验。

进行实验以确定将与任何未来的体内应用相容的颗粒的最有效的分散介质。后一考虑限制所用稳定剂的pH范围和组成。具有1重量%偏磷酸钠、甲醇和乙醇的蒸馏水是有希望的。使用甲醇进行大多数体外实验，但乙醇可能是未来体内应用的优选选择。使用乙醇作为分散介质来重复下文所述的使用甲醇的实验中的一些，并且结果是相当的。基于纳米二氧化硅渗透试验，以0.5重量%的固体负载制备甲醇悬浮液。

使用上文针对二氧化硅所概述的方案研究悬浮液在堵塞牙质小管中的有效性。来自pH12下颗粒的悬浮液的渗透结果示于图7中。单个初级纳米颗粒的颗粒(或更具体地讲团聚体)穿过大多数小管开口，并且被观察到以与二氧化硅试验类似的方式位于牙质切片的表面下方(参见图5)。对许多低放大倍数SEM图像的研究指示，在0.5重量%悬浮液的单次处理之后，约50%的小管被完全封闭并且另外约40%被部分封闭(定义为其横截面积的至少一半被堵塞)。也研究了其它固体负载。在5重量%和更高，在牙质表面上形成颗粒的完整涂层。换句话讲，含nHAp的矿物质组合物形成天然玷污层，如图8所示。

在具有含HAp的矿物质组合物的涂层的提取的牙齿上进行激光辐照实验。在图9a至9d中示出表面改性的进展，其使用430mW、135fs和83MHz源在800nm引起局部致密化。图9a为低放大倍数扫描电子图像，其显示三个不同的龋齿区域，其中已在激光辐照30s、60s和120s产生结构改性。

图9b、9c和9d为照射区域的对应的高放大倍数图像，其中伴随增加辐照时间的表面致密化的对比是明显的。平均脉冲功率为1Watt以下(430mW)。照射和光致密化面积为1.5mm×1.5mm。图9a至9d中的图示证实使用飞秒脉冲激光，可以比使用较长脉冲激光源(如皮秒、纳秒和微秒)更加可靠地管理能量密度和功率的递送。定性能量分散X射线分析显示，矿物质相的组成不变并且元素的峰高度可与激光辐照之前的材料相比。

结论

实施例1为以下可能性提供关键证据：

(1)使用含有稀土氧化物激活的纳米级HAp的组合物来治疗过敏、龋齿和牙齿磨损；

(2)使用含HAp的粉末的悬浮液在龋齿和过敏区域上的形成保护层；和

(3)使用近红外的超短脉冲作为“无钻孔填充”的原理证明。

通过水热法合成具有棒状形态的单相(通过XRD)羟基磷灰石颗粒。评估用于人类牙质中渗透小管的可能性，并且与球形纳米二氧化硅颗粒的可能性相比。对于合成，将水热反应法中所用的起始悬浮液从pH5.1增加到pH12引起平均颗粒长度从约360nm降低至约70nm并且直径从约40nm降低至约30nm。改变产生于pH8至10之间。TEM分析示出颗粒是多孔的和/或显示具有约3nm特征尺寸的表面凹陷。使用在pH12下形成的平均长度为70nm和直径为30nm的颗粒对人类牙质的腐蚀部分的处理显示最有希望的小管封闭，其类似于使用球形纳米二氧化硅实现的那样，其中高达90%的小管被部分或完全封闭。

使用800nm飞秒激光辐照的原理证明试验在小于3分钟内显示含nHAp的层的显著表面改性。

实施例2-控制pH和温度

具有稀土氧化物作为光激活剂的nHAp的合成集中于以下平衡，其允许更好地控制所需化学反应的给定电极电位(耦合电位)的pH。

5CaCl₂+3Na₂HPO₄+H₂O＝6NaCl+Ca₅(PO₄)₃OH+4HCl(1)

CaCl₂+Na₂HPO₄＝2NaCl+CaHPO₄(2)

羟基磷灰石的形成主要通过反应1发生，其中通过过滤从沉淀的羟基磷灰石相中去除NaCl溶液。在考虑合成时，必须控制反应物的摩尔比，否则反应2可能引起羟基磷酸钙(CaHPO₄)相的形成，由其通过反应3形成羟基磷灰石十分困难。

5CaHPO₄＝Ca₅(PO₄)₃OH+2HPO₃+H₂O(3)

通过使用镧系元素的可溶性氯化物，按与反应1相同的方式进行HAp结构中光敏镧系元素氧化物的并入。在该实施例中，测试了镧系元素Ho和Yb。

在室温下将5摩尔CaCl₂溶解在125ml去离子水中。将3摩尔Na₂HPO₄溶解于125ml去离子水中并且使用磁力搅拌器将两种溶液缓慢混合。将镧系元素氯化物(1至5重量%的称重量的3摩尔份Na₂HPO₄和5摩尔份CaCl₂)加入所述溶液中。在图10中，阴影区指示针对接近±0.1伏特的pH控制的优选状态。在较高pH下，存在形成Ca(OH)₂的风险，其在长时间CO₂暴露下会经由碳酸氢盐形成CaCO₃。在钢压力容器中将含镧系元素的溶液在室温至200℃的温度下进行水热处理从几小时到几天的时间。在低温下，颗粒的生长缓慢并且比在高温下更圆(参见图11a至11c)。在200℃下生长超过12小时的针(数微米)比在80℃下生长相同时间的那些针更粗糙。在80℃下历时12小时实验发现，平均针尺寸小于1微米。图11a-11c中所示的长且粗的针比更细更球形的针更不优选。图11b中所示的含nHAp的矿物质组合物对填充小管和整修牙釉质表面是理想的。

图15示出在140℃和pH6、9和14下形成的光激活的Ho-掺杂的纳米级晶须和晶体的SEM显微图。

不具有光敏镧系元素的HAp的亚微米微结构示于图12中。

使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱法和荧光光谱法对结构中并入的镧系元素氧化物进行光谱分析。在图13中，Yb³⁺离子吸收在约1000cm^-1处发生，OH^-第一谐频和基频带在1450和2900cm^-1处。弱Ho³⁺带在约1400cm^-1处发生。图14示出由980nm激光二极管激发的含nHAp的矿物质组合物的荧光。Ho³⁺电子态以若干波长发射，显示光子的有效吸收和光发射。发射的光子可以用于使激光处理的牙釉质的表面成像。Ho³⁺也可用于在用于烧结的较长波长(1900-2050nm)处的激光吸收。

实施例3

(1)实验操作

被研究的材料包括含HAp的粉末和掺杂有稀土化合物(包括氧化镱Yb₂O₃、氧化铥Tm₂O₃和氧化钬Ho₂O₃)、氟化钙、磷酸铝和这些化合物的两种或更多种的组合的含HAp的粉末。分别在1到72小时、25℃至300℃和～5.0至14的范围内研究所制备溶液的反应时间、温度和pH值。不同浓度的各种起始化学物质以及其它合成处理例如搅拌、粉末干燥和煅烧是研究的一部分。

所合成的粉末的性质取决于诸如以下的参数：合成方法、溶液的温度和pH、化合物的添加、热处理和洗涤/干燥循环。采用水热法，因为其能够产生结晶nHAp而不需后热处理(参见RimanRE,SuchanekWL,ByrappaK,ChenCW,ShukPandOakesCS.SolidStateIonics151393-402(2002)InJSearl.InVitroStudyofDentinTubuleInfiltrationbyHydroxyapatiteandSilicaNanoparticles(2007)；和LiuJ,YeX,WangH,ZhuM,WangB,YanH.TheinfluenceofpHandtemperatureonthemorphologyofhydroxyapatitesynthesizedbyhydrothermalmethod.CeramicsInternational29629–633(2003)InJSearl.InVitroStudyofDentinTubuleInfiltrationbyHydroxyapatiteandSilicaNanoparticles(2008))。也采用化学沉淀法作为研究的一部分来研究水热合成中发生的初始化学反应。

(2)水热合成

水热合成涉及在pH～6.5-7下在蒸馏水中制备硝酸钙四水合物(Ca(NO₃)₂·4H₂O)和磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)的新鲜1M(80至250ml)溶液并将该溶液稀释到0.1M。通过将磷酸盐溶液滴加至钙溶液来混合溶液，得到Ca/P摩尔比为1.67的悬浮液并在～400rpm的速度下搅拌15至60分钟。混合溶液的pH经测量为5.3至5.7，并且通过滴加浓的(～17M)氢氧化铵溶液而调节到8.0至14.0。

将80ml混合物转移到125ml容量的特氟隆衬里的水热反应器。将水热反应器置于炉中经历6至72小时的时间并且温度为80℃至200℃且加热速率为2℃/min，并且自然冷却。然后将悬浮液转移到离心管以便洗涤和倾析。这涉及以6000rpm速度离心沉淀5分钟随后超声浴5分钟。这样重复6次并同时监测悬浮液的pH。使用甲醇进行最终循环，以限制颗粒的附聚。将湿沉淀物再悬浮于甲醇中，收集，在烘箱中于80℃下干燥2-24小时并称重。

(3)合成条件

反应时间效果-在～5.3–5.7的初始pH和80℃的温度下在24小时、48小时和72小时后研究水热反应。

温度效果-在120℃、160℃和200℃以及～5.3–5.7的初始pH下以24小时研究水热反应。还在120℃和200℃以及～5.3–5.7的初始pH下以72小时研究水热反应。

pH效果-在pH值5.6、8、9、10和11以及200℃的温度下以24小时研究起始溶液。

沉淀时间效果(老化)-2周、4周和6周之后，在～5.3–5.7的初始pH和200℃的温度下以24小时研究水热反应之前的沉淀时间。

(4)化学沉淀合成

化学沉淀合成涉及水热法中所用的相同初始化学反应途径。制备1M(160–250ml)的新鲜溶液并且稀释到0.1M并随后逐滴混合并以～400rpm的速度磁力搅拌60分钟。这产生乳状混合物，使其在室温下静置于通风橱中24小时以确保最佳的沉淀。

在实验(A)中，将溶液分成两份悬浮液。将一份悬浮液转移到离心管以便洗涤和倾析。这涉及以6000rpm离心沉淀5分钟并且超声浴5分钟。重复该循环6次并同时监测悬浮液的pH直至其达到6.5-7。使用甲醇进行最终循环，以限制颗粒的附聚。收集湿沉淀物并在烘箱中于80℃下干燥24小时并且称重。通过使用注射器去除溶剂而物理地倾析第二份悬浮液。然后将湿沉淀物在烘箱中于80℃下干燥24小时。

在实验(B)中，通过使用注射器去除溶剂(水)而物理地倾析沉淀物，并且随后将湿沉淀物在烘箱中于80℃下干燥24–36小时。

4.1掺杂材料

在各种条件下经由不同化合物和浓度添加元素以替换HAp中的钙、磷和氢氧根离子是研究的主要目的的一部分。所研究的化合物列于表7中。

表7

稀土氧化物	其它化合物
		氧化铒Er₂O₃、氧化铥Tm₂O₃和氧化镱Yb₂O₃。	磷酸铝AlPO₄和氟化钙CaF₂。

4.2齿切片的制备

由临床提取的人类臼齿制备横切片，该人类臼齿在γ辐照之后收集自利兹大学口腔研究所(LeedsDentalInstitute)中的组织库。使用配备有金刚石线的切割机从牙釉质牙质接合处下方的区域和上方的区域切削～2mm厚的片。

在切片之后，在水的存在下使用细度为2500的碳化硅(SiC)纸手动打磨牙齿样本每侧2分钟以去除任何磨削条纹。在打磨之后，用蒸馏水将切片每侧再洗涤10秒并且在蒸馏水中超声波浴中洗涤1分钟。然后在搅拌浴中用35%w/v磷酸溶液腐蚀1分钟，以去除天然玷污层和玷污栓。最后将切片在超声波浴中用蒸馏水洗涤1分钟。

然后，将牙齿样本各自在含有50%、70%、90%和100%无水乙醇的醇/水混合物中脱水30分钟，以便使任何组织收缩最小化。在室温下，使样本在空气中干燥并且随后在含有硫酸钙干燥剂的真空干燥器中减压干燥约24小时。

所得切片模拟在牙质过敏的极端情况下常见的天然暴露的牙质的表面，但小管内不存在流体，如体内情况下那样(参见JoseRenatoPrietsch,MariaAntonietaLopesDeSouza,AishaDeSouzaGomes.Casereport;UnusualDentalErosionCausedbyaColaDrink.JCO-OnlineCopyright2004-Vol36:No10:pages(549-552)2002)。

4.3齿切片涂布和牙质小管封闭

在涂布之前，将粉末悬浮于甲醇中作为液体分散介质的甲醇中并超声处理各悬浮液5分钟。将齿切片在5%w/v悬浮液中浸涂20秒至5分钟或将相同悬浮液逐滴涂覆到齿切片上。在涂覆之后，使将样本在空气中干燥并随后在干燥器中减压干燥24小时。通过浸涂和滴涂技术进行齿切片的涂布。

●浸涂：通过每次将齿切片浸没在5w/v%悬浮液中～20秒而手动进行浸渍。以～1mm/秒的恒定速度进行所有切片的浸渍和取出。

●滴涂：使用注射器进行，将一滴或两滴施用到齿切片每侧上并且随后使齿切片在空气中干燥。

如下进行初始涂布：

●切片用HAp-AlPO₄浸渍一次

●切片用HAp-AlPO₄.CaF₂浸渍一次并滴涂

●切片用HAp-AlPO₄.Er₂O₃浸渍两次

●切片用HAp-AlPO₄.Er₂O₃浸渍一次并滴涂。

除涂布有HAp-AlPO₄的切片以外，将齿切片涂布两次以便为激光处理试验提供更厚和更均匀的层。这是由于很难测定涂层的厚度和均匀度。

如下通过在5%w/vHAp悬浮液中单次浸渍但每个切片浸渍5分钟的较长时间而施用第二涂层：

●切片仅用HAp浸渍一次

●切片仅用AlPO₄-CaF₂-Er₂O₃掺杂的HAp浸渍一次

4.4激光处理

在利兹大学材料研究所和圣安德鲁斯大学物理和天文学系进行激光实验。在不同的束流功率下使用脉冲和连续(CW)激光对小粒状且涂布于齿切片上合成粉末以及未涂布的齿切片进行激光处理试验。

对小粒使用CW和脉冲激光。未涂布的和涂布有含HAp的粉末和含掺杂的HAp的粉末的齿切片仅经受CW激光。使用手动压榨机在～10吨压力下制备～2mm厚的小粒，并随后使其经受束流功率为1550nm的脉冲激光。如表8和9所示，使涂布和未涂布的齿切片经受束流功率为980nm的CW激光。

表8

激光类型	波长	暴露时间
			脉冲激光	1550nm	1分钟
CW激光	980nm	5分钟

表9

(5)结果

合成粉末和悬浮液的表征涉及使用表10所示的各种热分析、电子和光吸收光谱技术。某些合成的含未掺杂和经掺杂的HAp的粉末的形态和晶体结构以SEM图像和XRD图示出。

表10

5.1水热粉末

1.pH效果–图16至20。

2.温度和时间效果–图21至22。

3.老化效果–图23至25。

4.pH10的效果–图26至27。

5.磷酸铝–图28至30。表11示出在80℃下水热处理10小时的掺杂有1重量%磷酸铝的含HAp的组合物的EDX半定量测量。

表11

元素	重量%	原子%
			C K	5.29	8.29
O K	57.57	67.77
			Al K	16.37	11.42
P K	19.88	12.09
			Ca K	0.89	0.42
总计	100.00

6.氧化铥–图31至32。

5.2沉淀的粉末

1.HAp–图33至34。

2.磷酸铝–图35至36。

3.磷酸铝和氟化钙–图37至38。表12示出在室温下通过沉淀法制备的含2重量%磷酸铝和2重量%氟化钙掺杂的HAp的粉末的EDX半定量测量。

表12

元素	重量%	原子%
			C K	4.65	8.75
O K	25.66	36.26
			F K	4.88	5.81
Al K	49.21	41.23
			P K	4.42	3.22
Ca K	6.41	3.62
			Cu K	2.34	0.83
Pt M	2.43	0.28
			总计	100.00

4.磷酸铝和氧化铥–图39至40。表13示出在室温下通过沉淀法制备的含1重量%磷酸铝和2重量%氧化铥掺杂的HAp的组合物的EDX半定量测量。

表13

元素	重量%	原子%
			C K	4.92	17.46
O K	21.06	56.06
			Al K	3.30	5.22
P K	2.04	2.81
			Ca K	1.29	1.38
Ga K	0.52	0.32

Tm L	63.97	16.13
			Pt M	2.89	0.63
总计	100.00

5.磷酸铝和氧化铒–图41至43。表14示出在室温下通过沉淀法制备的含2重量%磷酸铝和2重量%氧化铒掺杂的HAp的组合物的EDX半定量测量。

表14

元素	重量%	原子%
			C K	8.01	15.96
O K	16.91	25.29
			Al K	58.39	51.77
P K	4.46	3.45
			Ca K	2.32	1.39
Cu K	3.26	1.23
			Er L	4.87	0.70
Pt M	1.76	0.22
			总计	100.00

6.磷酸铝、氧化铒和氟化钙–图44至45。

(6)涂层、牙质小管封闭和激光效果

通过化学沉淀法合成用于涂布齿切片和激光处理试验的粉末。在合成期间通过添加磷酸铝、氧化铒和氟化钙对粉末进行改性以产生光敏材料。

使用光学显微镜、SEM和ESEM成像，研究用未掺杂和经掺杂的粉末浸涂(单次浸渍)牙质小管的有效性。HAp-AlPO₄的光学显微镜图像不清楚(参见图46)。然而，100X放大的图像显示明显的污点，这可能是由于从涂层扩散的散射弹性光。

6.1涂层

虽然SEM提供比ESEM更佳的图像和质量，但后者用于确认在齿切片上颗粒的存在，这是激光处理试验所需的。含有HAp、AlPO₄-CaF₂-Er₂O₃掺杂的HAp和AlPO₄掺杂的HAp的涂层的SEM和ESEM图像示于图47至49中。

6.2牙质小管封闭

图47至49中的SEM图像示出小板封闭或覆盖(而非渗透)许多牙质小管。就激光烧结而言，这可能更有用，实现颗粒沿牙质表面均匀熔化并因此密封小管。

6.3激光效果

如表15所示，使用脉冲激光和CW激光在不同样本上进行初始激光处理。样本为～2mm小粒和未涂布的以及涂布有通过化学沉淀法合成的不同的含HAp粉末的齿切片。粉末含有无掺杂的HAp和AlPO₄-CaF₂-Er₂O₃掺杂的HAp。

仅对含有氧化铥、氧化铒和氟化钙掺杂的HAp的～2mm小粒使用1550nm处的脉冲激光约1分钟。然而，激光仅与含有铥掺杂的HAp的小粒相互作用，导致图50所示的看似熔化的效果。

即便脉冲激光比CW激光提供更多的能量，但后者被用在小粒(厚度2mm)和未涂布的以及涂布有含HAp的粉末的齿切片上，如图51至55所示。这在热电偶(接触样本的背面)和温度读取器的存在下进行，以便在施加激光时测量温度改变。温度改变示于表15中。

表15

这些测定值的温差在所有情况下看起来十分小并且显著低于细胞坏死温度41℃。

6.4显微硬度

在不同齿切片上进行显微硬度测试(参见表16)。所有切片均被激光处理过并且包括刚制备好的那些和如下涂布的那些：

●齿切片未涂布和经CW激光处理

●齿切片涂布有含未掺杂的HAp的组合物并经CW激光处理

●齿切片涂布有含AlPO₄-CaF₂-Er₂O₃掺杂的HAp的组合物并经CW激

光处理

使用计算机控制的DuraminIndenterMachine(StruersA/S,DK26-10,Ballerup,Denmark)进行显微硬度测试。在用努普金刚石(Knoopdiamond)以25g负载经30秒对每个切片两次刻压之后，获得表16中所示测定值。通过图象分析软件以微米测量刻痕。

表16

矿物质的减少的OH^-离子和增加的氟化物含量的组合逐渐地将硬度从牙质小管表面上的240MPa增加至氟化物涂布的齿切片中的1100MPa。

6.5矿物质中的OH含量

CaF₂的存在降低矿物质组合物中的氢氧化物含量。当矿物质组合物在空气中加热时，这变得明显。释放的水蒸汽与矿物质组合物中存在的结晶水直接相关。图56示出插图所列矿物质组合物的%重量损失与温度的关系。含有无掺杂物的HAp的组合物在500℃以上具有最大的重量损失量，其随掺杂物浓度(AlPO₄、Er₂O₃和CaF₂)逐渐降低。AlPO₄和Er₂O₃通过增加PO₄ ^3-键而非HPO₄ ^2-键的数目而降低矿物质结构中的OH^-离子。以CaF₂形式存在的F^-通过在晶格中替换它们而进一步减少OH^-键。这种替换的发生是因为F^-具有最大的负电性并因此比O^2-离子更容易吸引H⁺和阳离子。

(7)结论

将含HAp的粉末的室温沉淀对形态特性的影响与高温下形成的粉末进行比较。与升高的温度下形成的针状纤维(参见图16、21、23和27)对比，室温下形成的颗粒是平的并且具有大的表面积(参见图33、35、37、39、41和44)。

由于温度的差异以及AlPO₄和稀土氧化物的存在，引起两种粉末的特性差异。平状比针状更理想，因为这是在过敏和磨损的牙齿上实现大表面覆盖度的更好形态。在单次浸涂之后，使用室温沉淀的含HAp的组合物的表面覆盖度示于图46(5mm×5mm面积)以及图47至49中的封闭牙小管中。涂层的厚度可以小于10微米并且可以通过多次浸涂增强。

较大的表面积覆盖度也允许迅速热耗散，这在图50至55中变得明显。对于热耗散和激光烧结，以不同时间对2mm厚的小粒使用980nm的CW激光。激光诱导的加热和熔化的影响示于图50至55。在图50中，小粒含有氧化铥(Tm₂O₃)作为光敏掺杂物，其不吸收980nm的激光。因此，当与图44相比时，结构改变的微小迹象是明显的。松散薄片在表面上是明显的。与之相反，当将氧化铒(Er₂O₃)并入到薄片中(参见图51)时，在用CW980nm激光照射时容易开始烧结和初期熔融。这是因为在980nm处Er₂O₃具有比Tm₂O₃的明显可忽略不计的吸收更大的吸收。在CaF₂的存在下(参见图52)，熔化速率增加。

图53至55示出激光加热、烧结和牙质小管表面的形态的所得改变。当980nm激光照射在牙质小管表面上时，在5分钟的延长暴露后结构上无改变。在图54的顶行中，将具有HAp+AlPO₄+Er₂O₃组合物的薄片的牙质小管的表面覆盖度与2mm厚小粒的表面比较。在图54的底行中，比较熔化和烧结的效果，由此可见，牙质小管的周边边缘由熔化的薄片所覆盖。当比较图54和55中的形态时，表面牙质小管上硬化材料的反差更大。在图55中，含HAp的组合物也含有CaF₂。作为迅速熔化的结果，花结晶体生长并扩散以侵入牙质小管的未覆盖区域。这意味着可能正在进行下层天然牙釉质和合成材料之间的粘合。

实施例4

粉末合成

在室温下在蒸馏水中制备硝酸钙四水合物Ca(NO₃)₂·4H₂O和磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄(FisherScientific)的320ml的0.1摩尔溶液。将氢二铵溶液滴加至硝酸钙四水合物溶液并且通过搅拌混合以得到Ca/P摩尔比为1.67的悬浮液。

将Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂(FisherScientific)分别以22.3重量%、5.5重量%和3.7重量%的浓度以粉末形式并入悬浮液中。然后，将浆液以～400rpm的速度搅拌1小时以产生乳状混合物，并使其在室温下静置24小时。将其盖上以最小化对大气CO₂的吸收。最后，收集湿沉淀物并且在80℃烘箱中干燥24小时。

体外牙质横切片的制备

制备齿切片，以模拟灵敏度的极端情况的天然暴露的牙质表面特性，如图57a和57b所示。齿切片是由收集自利兹大学牙科研究所的组织库的临床提取的人类前磨牙/臼齿在经γ-射线辐照灭菌后制备的。使用金刚石切割机(WellPrecisionVerticalDiamondWireSaw,Model3242)从牙釉质-牙质接合处下方的区域切割厚度～1-2mm的片。在切片之后，使用细度为2500的碳化硅(SiC)纸在水的存在下将齿切片每侧手动打磨2分钟。然后，用蒸馏水洗涤20秒并随后在含蒸馏水的超声波浴中洗涤1分钟。随后将切片在搅拌浴中用35%w/v磷酸溶液腐蚀1分钟，以去除天然玷污层和玷污栓。然后，在超声波浴中用蒸馏水洗涤1分钟。最后，将切片各自在含有50%、70%、90%和100%无水乙醇的醇/水混合物中脱水30分钟，以通过无水醇使任何组织收缩最小化。然后，使切片在空气中干燥并随后在含有硫酸钙作为干燥剂的真空干燥器中减压干燥24小时。用SEM表征牙质切片以确定微观结构和Ca:P比率。

体外牙质横切片的涂布

用未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物涂布牙齿横切片并且所述切片分别示于图58a和58b中。涂布过程涉及在作为液体分散体介质的乙醇中制备粉末的5%w/v悬浮液并且超声处理5分钟。进行浸涂20至300秒，保持以恒定速度浸渍和取出所有切片。还使用注射器将具有5%w/v粉末的悬浮液逐滴施用到齿切片上(每侧1滴)。在施用之后，使切片在空气中干燥并随后在干燥器中减压干燥24小时。涂层厚度经估算大于30μm。这是从未受激光辐射影响的区域估算的，在激光辐射期间，脉冲激光斑被固定(示于下述图63a和63b中)。

体外激光辐照处理

用约980nm和1500nm的两个波长带进行激光辐照和烧结实验。在这些区域中，Er₂O₃由于其电子结构而具有强吸收带。通过采用两个不同的激光源，使用SEM来研究矿物质组合物中所得的结构变化。使用具有160mW的平均输出功率的980nmCW源，照射经涂布的齿切片和CaP小粒至多5分钟。飞秒激光器在1520nm的中心波长处操作，脉冲持续时间为100fs，重复速率为2.5GHz且平均输出功率为130mW。激光器输出参数对应于脉冲能量为52pJ/脉冲和峰值功率为520W。为了测量辐照期间的温度变化，将镍铬-镍铝热电偶（chromel-alumelthermocouple）连接到切片的背面。

结果和讨论

使用X-射线粉末衍射、扫描电子显微术和热重分析来表征合成的粉末和处理过的齿切片。这包括测定在激光辐照期间的温度变化和烧结表面的微观硬度。该分析使用测定激光烧结后相和所得形态变化所必需的一系列技术，该形态变化可能有助于改善封闭表面的耐酸和耐磨性和硬度。

使用单色CuKα0.1542nm辐射(X’PertMPD,Philips)进行XRD分析。未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物的XRD图显示三斜磷钙石相(二-CaP相)的形成以及图59中确认的未溶解的掺杂物结晶相(Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂)的存在。未溶解的结晶掺杂物的存在可能是由于室温合成，在此时可能存在相对于Er₂O₃、磷酸铝和CaF₂的过饱和。矿物质相沉淀的热力学平衡极限和掺杂物在室温下CaP矿物质组合物的合成期间溶解不够尚未得到完全表征。未掺杂的CaP矿物质组合物的XRD图显示与JCPDS卡号01-070-1425良好吻合的纯三斜磷钙石相，而Er₂O₃.AlPO₄.CaF₂掺杂的CaP矿物质组合物显示存在三斜磷钙石和透钙磷石，以及HAp和未溶解的掺杂物相(Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂)。

添加AlPO₄导致具有减小强度的三斜磷钙石峰的三斜磷钙石-AlPO₄相混合物，而三斜磷钙石-AlPO₄混合物添加CaF₂导致透钙磷石的形成，这由其在2θ=11.6°处的主要峰以及CaF₂相（未示出）来确认。通过比较，HAp的主要峰在2θ=31.7°处。在所有三种掺杂物的存在下，三斜磷钙石的主要峰在26.5°、30.1°和32.5°的2θ值处，与强度显著增加的在36°、40°、43°、50°、53°、70°、79°、81.5°和87.6°的2θ值处的次要峰相比，其优先下降。与标准JCPDS数据相比，掺杂物可能已有助于HAp、透钙磷石和三斜磷钙石的不成比例的量的显著变化，并且强度变化可能也反映在矿物质组合物的小板状结构中。

使用SEM来进行用于测定未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物和天然牙质中存在的相中元素分布的能量分散分析并在表17中比较。由Ca:P比率，确定经掺杂的和未掺杂的CaP的矿物质相。对于未掺杂的CaP组合物，发现CaP相是Ca:P比率为1.32的磷酸八钙(OCP)Ca₈H₂(PO₄)₆·5H₂O[Y.X.PangandX.Bao,“Influenceoftemperature,ripeningtimeandcalcinationonthemorphologyandcrystallinityofhydroxyapatiteNanoparticles”,JEuropeanCeramicSociety,vol.23,pp.1697-1704,2003；和L.C.Palmer,C.J.Newcomb,S.R.Kaltz,E.D.SpoerkeandS.I.Stupp,“BiomimeticsystemsforhydroxyapatitemineralizationinspiredbyBoneandEnamel”.Chem.Rev,vol.108,no.11,pp.4754-4783,2008]。在经掺杂的CaP矿物质组合物情况下，CaP相主要为Ca:P比率为1.0的磷酸二钙二水合物(DCPD)(透钙磷石)CaHPO₄·2H₂O。经掺杂的矿物质组合物示出1.78的(Ca.Al.Er):(P)比率，其可以与氟化HAp中1.67的阳离子-阴离子比率的值和含碳酸盐的HAp中1.77的值相比。

表17：EDX-未掺杂的和经掺杂的CaP粉末和牙质中元素重量百分比

图60a和60b显示通过化学沉淀法在室温下制备的未掺杂的和经掺杂的CaP颗粒的小板状形态。经掺杂的CaP的小板状颗粒与未掺杂的CaP相比似乎是晶体。颗粒具有平均尺寸为10-15μm的不同大小，但具有亚微米厚度。颗粒面积的分布为5μm²到150μm²。已报道，球形或圆形颗粒对于渗透牙质小管是优良的[J.S.Earl,S.J.Milne,andD.J.Wood,“InVitroStudyofdentintubuleinfiltrationbyhydroxyapatiteandSilicaNanoparticles”,pp1-16,2008；N.S.Resende,M.NeleandV.M.M.Salim,“Effectsofanionsubstitutionontheacidpropertiesofhydroxyapatite”,ThermochimicaActa,vol.451,no.1-2,pp.16-21,2006；和E.Boanini,M.GazzanoandA.Bigi,“Ionicsubstitutionsincalciumphosphatessynthesizedatlowtemperature”,ActaBiomaterialia,vol.6,pp.1882-1894,2010]。然而，图60a和60b中所示的小板状颗粒似乎是优良的，因为这些颗粒可以在激光辐照处理期间能够提供较大表面封闭、迅速热传递和大烧结区域。

激光辐照结果

通过SEM来表征使用980nm的CW激光和1520nm的飞秒脉冲激光辐照对牙质切片上呈小粒和涂层形式的CaP颗粒的影响，并示于图61到63中。通过挤压厚度为<2mm的小粒并随后照射1至5分钟，研究980nmCW激光辐照对CaP颗粒的影响。使用SEM检查980nm激光辐照5分钟的效果。据发现，由于小粒与在暴露的牙质小管上CaP矿物质层相比具有高密度，即便在用光斑大小为0.5mm的980nm激光辐照5分钟之后，熔化过程仍未开始。与之相反，当未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物二者用980nm激光照射5分钟时，发生显著改变，表明经掺杂的矿物质组合物层中的热量积累比在经掺杂的CaP小粒中高很多。980nmCW激光诱导的熔化所得的微结构在图61a至61d中比较。在激光辐照1分钟之后，观察到极小形态变化。在图61a和61b中，示出未掺杂的CaP小粒的熔化行为，其中破碎小滴的囊显示表面的极小连续体。与之相反，当用980nmCW激光照射5分钟时，经掺杂的CaP牙质表面显示破碎区域的右边的熔化表面的连续体(图61c中左边区域)，其由于存在CaF₂、AlPO₄和Er₂O₃而可能已经聚结。在SEM的更高放大倍数下进一步检查，硬化前沿由图61d中花结状晶体生长来证明，该晶体生长可能与基于络合氟化物磷酸盐的晶体的形成有关。

通过比较用CW980nm和1520nm飞秒脉冲激光辐照经掺杂的CaP所得的结果，通过分析局部熔化、烧结和相变化而详细表征了结构的形态和化学变化。辐射吸收是通过经掺杂的CaP矿物质组合物中Er³⁺离子的存在而进行，所述Er³⁺离子在1480至1530nm的范围内有最大吸收。

将经掺杂的CaP矿物质组合物涂布的齿切片用1520nm脉冲激光照射30秒到5分钟的时间，并且将相应的SEM显微图示于图62a至62d中。在这些图中，在与图61a至61d的显微图比较时，出现不同类型的微结构特征。

初始地，研究30秒至300秒的辐照时间，且长于120秒的辐照时间看起来不适于未来应用，这是因为烧结区域的束损伤。损伤的发生是由于缺乏扫描(rastering)整个涂布表面的激光束而导致的局限于500μm的小横截面上的高功率密度。图62a至62d中的微米条对应于200μm的比例尺。图62a和62b是照射120秒的CaP涂布表面的低和高放大倍数区域。从图62b中明显的是，显示孔洞和弧形断裂的聚焦束的中心斑为500μm的量级。在此图的左侧，存在比弧形断裂右侧的区域更光滑的区域。与图61a至61d不同，发现除断裂之外的致密区域的连续体，其由于涂布区域的过度暴露而出现。然而，当经掺杂的CaP涂层被照射仅30秒时，与图62c和62d相比，辐照后涂层十分均匀，具有由图62c中白色圆圈表示的光斑大小的中心周围的脊状特征。图62c和62d中的致密区域表现出比120秒辐照之后获得的图62a和62b中所示的表面大大改善的表面。显微图62a-62d中的封闭区域看起来延伸数百微米，从而就激光烧结的CaP矿物质组合物的长期耐侵蚀和耐酸性而言，为更详细临床研究提供机会。

通过制备涂布和封闭的区域的横切片进行进一步研究，以确定脉冲激光烧结技术的功效。图63a和63b示出对未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物的界面粘合的比较性微结构研究。由该比较可以得出结论，使用脉冲激光使经掺杂的和未掺杂的CaP矿物质组合物致密化并不遵循图61a至61d中所观察到的熔化和硬化。在图63a和63b中，存在形成两层结构的清楚证据，其第一层是约10μm厚的封闭区域，其似乎是致密的和连续的。具有未掺杂的CaP矿物质组合物的图63a比图63b中所示的用经掺杂的CaP矿物质组合物封闭的涂层具有更多缺陷。封闭的10μm层上的第二层是部分致密的重叠层，其看起来在整个显微图中延伸，并具有较亮的未溶解Er₂O₃颗粒。

在980nmCW激光辐照期间温度的测量

使用镍铬-镍铝热电偶测量在通过980nmCW激光辐照期间温度的变化，该镍铬-镍铝热电偶具有连接到齿切片的背面的电子温度读取器。未涂布的和经涂布的切片的测量数据在表18中给出。经掺杂的CaP矿物质组合物中热量局部化对齿切片的影响是明显的，这就是为什么温度差比未涂布的或涂布有未掺杂的CaP矿物质组合物的齿切片中小很多的原因。经掺杂的CaP矿物质组合物中热负载的局部化证实了掺杂物(Er₂O₃、AlPO₄和CaF₂)的存在增加熔融的均匀度，这意味着，由激光辐照所产生的热量在提高导致热损失的周围组织的温度时未被浪费。热损失的分析十分关键，因为使用激光辐照的任何外科手术必须对临床试验是安全的，并且其必须不引起健康组织的损伤和在40℃以上不可逆发生的细胞坏死。

表18：在未涂布和经涂布的齿切片上980nmCW激光辐照5分钟期间测量的温度变化ΔT=(T₁-T₂)。

微观硬度测量

使用计算机控制的压头(StruersA/S,DK26-10,Ballerup,Denmark)在未涂布的齿切片和涂布有未掺杂的和经掺杂的CaP矿物质组合物的齿切片上进行激光烧结表面上的微观硬度测量。在≤1kgf的作用力下经10至15秒测量表面硬度(ASTM标准)。通过使用图像分析软件以微米测量刻痕并且在表19中比较数据。测定值表明，激光照射的涂布有经掺杂的CaP矿物质组合物的齿切片具有最高的硬度数(1100MPa)，这是激光照射的涂布有未掺杂的CaP矿物质组合物的齿切片的硬度数(680MPa)的两倍和牙质表面的硬度数(240MPa)的四倍。作为比较，应当注意到天然牙釉质的硬度为3500MPa。

表19：在980nmCW激光辐照处理之后的微观硬度测量

CaP矿物质组合物的残余OH^-离子分析

通过将矿物质组合物以5℃/min的速率从室温加热到1100℃，使用热重(TG)技术分析存在于经掺杂的和未掺杂的CaP矿物质组合物中的残余OH^-离子和任何游离水，以测定重量变化相对于温度变化的速率。图64示出重量损失百分比并反映出与未掺杂的CaP矿物质组合物相比，经掺杂的CaP矿物质组合物具有最低的重量损失百分比。这表明总OH^-浓度已显著降低。在图例中，小括号中的数据表示相应的总重量损失。TG数据暗示，氟化物离子的存在可能已帮助释放OH和游离水，因为HAp和相关的磷酸钙相在其结晶结构中具有一系列络合的OH^-离子。矿物质结构中氟化物的存在阻塞OH^-和碳酸氢盐之间阴离子交换的通道。

结论

稀土氧化物和磷酸铝的掺杂增加磷酸钙矿物质组合物的光激活和耐酸性。掺杂物在室温下将磷酸钙矿物质组合物的形态从羟基磷灰石中典型的针状改变为片状形态，这增强牙小管封闭，如图60所示。三价离子增加三斜磷钙石的形成，而CaF₂的添加增加透钙磷石的相体积分数(参见图59)。磷酸钙的结构中磷酸铝、稀土氧化物和CaF₂的存在降低结晶体的总OH离子和水(通过热重分析测定，如图64所示)并因此降低形成碳酸盐和碳酸氢盐的倾向。

使用980nmCW源对封闭表面的激光辐照证实，对于经掺杂的和未掺杂的材料，牙质小管结构中的温度上升介于小于1°至4℃之间，如表18所示。这表明，表面上的最大温度从不超出26至27℃。表19中对微观硬度测定值的系统分析的有限的数字表明，经掺杂的磷酸钙表面上，表面硬度从240MPa增加至1.1GPa。

图60和61中界面和照射表面的微结构分析反映，随着CW辐照而发生熔化，并且未掺杂的矿物质组合物的表面覆盖度由于辐射的不均匀吸收而比经掺杂的矿物质组合物更差。与之相反，脉冲激光照射的表面得到在牙质小管和顶部牙釉质层之间更连续的界面。用经掺杂的矿物质组合物对小管进行封闭比未掺杂的矿物质组合物所具有的封闭好得多(参见图63)。图63a-63d中所示的用高重复率脉冲激光烧结CaP矿物质组合物的机理似乎并不涉及在图61a-61d中所示的熔化期间观察到的局部生热。

Claims

1.一种光敏组合物，其包含：

掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或磷酸八钙，其中所述纳米晶羟基磷灰石或磷酸八钙是经氟化物离子替换的且还掺杂有铝离子；

三斜磷钙石；和

透钙磷石。

2.如权利要求1所述的光敏组合物，其中所述稀土离子表现出与所述合成纳米晶羟基磷灰石一个或多个吸收带基本匹配或部分重叠的吸收带。

3.如前述权利要求中任一项所述的光敏组合物，其中所述稀土离子为铒离子、镱离子、钬离子或铥离子。

4.如权利要求1或2所述的光敏组合物，其通过一种方法获得，所述方法包含：

(a)在5至14的pH下制备含钙离子的溶液、含磷酸盐离子的溶液和含稀土离子的掺杂物溶液的水性混合物，其中将氟化物离子的来源和铝离子的来源添加至所述水性混合物；

(b)形成掺杂有稀土离子的纳米晶羟基磷灰石或磷酸八钙；和

(c)分离所述光敏组合物。

5.一种前述权利要求中任一项所述的光敏组合物的水性、酮或醇的分散体。

6.一种用于制备权利要求1至4中任一项所定义的光敏组合物的方法，其包含：

(a)在5至14的pH下制备含钙离子的溶液、含磷酸盐离子的溶液和含稀土离子的溶液的水性混合物，其中将氟化物离子的来源和铝离子的来源添加至所述水性混合物；

(b)形成掺杂有稀土离子的合成纳米晶羟基磷灰石或磷酸八钙；和

(c)分离所述光敏组合物。

7.一种用于对人类或非人类动物个体的牙齿漂白或环镶的美容方法，其包含：

(1)将一定量的权利要求1至4中任一项所定义的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用至所述牙齿的表面而非牙质表面；和

(2)用激光辐照来照射所述量的所述光敏组合物或其生理上可耐受的制剂以便促进致密化。

8.一种用于产生人类或非人类动物个体的牙齿的暴露的牙质表面的图像的方法，其包含：

(A)将一定量的权利要求1至4中任一项所定义的光敏组合物或其生理上可耐受的制剂施用至所述暴露的牙质表面；

(B)用辐照来照射所述光敏组合物或其生理上可耐受的制剂；