純鈦種植體表面處理技術(shù)促進骨整合研究進展

曲露露 李美華 羅云綱

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院口腔科，吉林 長春 130041)

純鈦種植體表面處理技術(shù)促進骨整合研究進展

曲露露 李美華 羅云綱

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院口腔科，吉林 長春 130041)

純鈦種植體；骨整合；生物相容性；種植體表面處理技術(shù)

目前在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域純鈦種植體的研究和應(yīng)用日益廣泛，但還發(fā)現(xiàn)一些有待解決的問題：①生活骨與種植體之間的整合率在25%～85%〔1〕之間；②純鈦種植體種植周期長，無法滿足患者迫切要求盡早恢復(fù)功能和美觀的愿望；③種植體界面處于動態(tài)平衡狀態(tài)并不穩(wěn)定〔2〕等。種植體表面早期骨形成影響因素包括受植區(qū)的生物學(xué)特性和種植體的表面特性。受植區(qū)的生物學(xué)特性是指受植區(qū)骨的解剖生理學(xué)特點，包括骨代謝特點、骨密度、血供、生長因子和成骨細胞來源等。種植體的表面特性是指種植體的表面形態(tài)、表面元素和表面親水性等〔3〕。通過對種植體表面處理可增加粗糙度，增強潤濕性，改變表面化學(xué)組成，使其達到早期骨整合和更高的結(jié)合強度，縮短純鈦種植體種植周期〔4〕。本文通過對純鈦種植體表面處理技術(shù)即種植體自身微結(jié)構(gòu)改變和種植體表面涂層進行綜述，分析比較目前幾種種植體表面處理技術(shù)的效果及展望臨床應(yīng)用前景。

1 純鈦種植體自身表面微結(jié)構(gòu)改變技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)種植體植入骨組織后，組織細胞的黏附、增殖和分化行為、蛋白質(zhì)的吸收、接觸的面積與種植體表面微形態(tài)有直接決定性關(guān)系，種植體—骨界面的骨整合時間、結(jié)合率和結(jié)合強度因此受到影響〔5〕。種植體中與光滑表面比較發(fā)現(xiàn)，粗糙表面的種植體在早期骨整合及應(yīng)力穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢，但粗糙度過大會造成離子泄露也多，其抗腐蝕性因此就會降低。那么如何在種植體表面處理中達到適當(dāng)?shù)拇植诙纫殉蔀橛懻摕狳c。

1.1 表面酸蝕處理法 酸蝕即將種植體放置在酸性溶液中，去除種植體表面雜質(zhì)，形成微孔(大小主要為1～3 nm)和離子鍵，以增加親水性，從而提高了骨整合能力。在常溫下進行操作，程序簡單〔6〕。

1.2 噴丸/噴砂表面處理法 噴丸/噴砂是指高速連續(xù)噴射彈丸至種植體表面形成孔洞以增加表面的粗糙度。這些孔洞相當(dāng)于骨陷窩，可以促進成骨細胞的黏附。孔洞的直徑大小與彈丸的尺寸大小、噴射距離的遠近及噴射壓力有關(guān)。彈丸材質(zhì)有鑄鐵、鑄鋼、陶瓷和玻璃等多種，噴丸和噴砂的區(qū)別在于彈丸的材質(zhì)不同，但僅此項處理得到的粗糙表面是不均勻的，且有彈丸顆粒殘留。為彌補以上不足，形成潔凈均勻的粗糙表面，將酸蝕與噴砂結(jié)合，經(jīng)過多年的實驗，使其成為目前技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的表面處理方法。目前常用的噴砂酸蝕是首先用大顆粒噴砂獲得10～30 μm孔洞并形成一級粗糙度，類似于骨陷窩便于成骨細胞的附著以及血管的長入和骨代謝物的排泄，并增加機械鎖合力；混合酸高溫酸蝕獲得1～3 μm微孔形成二級粗糙度，利于骨細胞等吸附、增殖分化和礦化成骨，同時清除了噴砂顆粒的殘留，這種多級立體結(jié)構(gòu)不僅有利于骨整合，且明顯增加了種植體的扭矩值〔7〕。瑞士的Straumman種植體系統(tǒng)(SLA/SLActive)、德國的Ankylos系統(tǒng)、美國3i牙種植體系統(tǒng)均采用噴砂酸蝕處理。目前認(rèn)為表面微孔直徑為1～4μm、粗糙度為1～3.62 μm的種植體表面較利于骨細胞附著生長，粗糙度>3.62 μm不利于骨組織附著結(jié)合〔8〕。

1.3 激光表面處理法 激光作為材料加工技術(shù)應(yīng)用于種植體表面處理時間并不長，處理過程中，不直接接觸種植體表面，不生成新的雜質(zhì)污染。目前通過對激光能量和照射時間的控制可以形成微孔和溝槽等結(jié)構(gòu)，由于其擁有殺菌、清潔、孔洞均勻、高效、便利和可控，可提供表面形態(tài)理想等眾多優(yōu)點，發(fā)展十分迅速。激光表面合金化(LSA)、激光表面熔覆陶瓷涂層及脈沖激光沉積(PID)等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用〔9〕。有學(xué)者〔10〕用Nd：YAG激光轟擊種植體表面發(fā)現(xiàn)：種植體和骨組織的接觸面積增大、機械性能提高、有利于骨整合。Palmquist等〔11〕報道：激光處理后種植體植入人下頜骨2.5個月后，表面溝槽形態(tài)仍存在且對微結(jié)構(gòu)觀測發(fā)現(xiàn)了骨整合。除了以上優(yōu)勢外，激光表面處理技術(shù)還能增加鈦表面的耐腐蝕性。

飛秒激光近年來被大家熟知于角膜整形，目前將其應(yīng)用于種植體表面處理也成為國內(nèi)外的研究熱點。Wang等〔12〕利用飛秒激光在純鈦表面制備出了多種具有多級粗糙度有利于細胞攀附生長的圖案，均提高了種植體的生物相容性，促進種植體表面的成骨細胞黏附生長。

2 純鈦種植體表面涂層技術(shù)

涂層技術(shù)是通過將生物活性較好的材料或離子等附著于種植體形成一定厚度和強度的膜層結(jié)構(gòu)，改變種植體表面形態(tài)，改善種植體骨界面的接觸面積、提高結(jié)合強度并加快整合速度。影響涂層的因素包括涂層材料的成分和沉降率，操作溫度，操作距離，操作環(huán)境等。

2.1 等離子噴涂(TPS)法 TPS法最常見的為羥基磷灰石(HA)TPS和純鈦粉等TPS。二者均可在種植體表面形成微孔，引導(dǎo)和促進骨整合。HA層的骨接觸率高于純鈦粉TPS〔13〕，骨修復(fù)速度較快。HA涂層內(nèi)部應(yīng)力釋放產(chǎn)生平行或垂直于界面的裂紋，導(dǎo)致涂層剝離〔14〕種植失敗。純鈦粉TPS可以使種植體與骨組織的接觸面積增加，結(jié)合強度增大，但同時也會使離子泄露更多，防腐蝕性降低，同時TPS存在設(shè)備成本高，涂層薄厚不均易剝脫等問題。為解決上述矛盾，近年來研究者多采用制備梯度涂層獲取低結(jié)晶度HA、添加其他材料提高結(jié)合強度、離子束輔助沉積技術(shù)、結(jié)合激光表面處理法共同應(yīng)用等手段?？晌盏拟}-磷涂層也是近期的研究重點。

2.2 微弧氧化膜法(MAO) MAO是陽極氧化技術(shù)的一種，又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積。在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上，在高溫高壓下氧化膜被擊穿，微弧放電瞬間高溫區(qū)熔化甚至氣化，在基底層形成了新的均勻多孔膜層的一種電化學(xué)反應(yīng)?？讖酱笮∨c電壓電流大小、電解質(zhì)濃度、電解質(zhì)種類、時間等因素有關(guān)。多用來鋁、鈦、鎂金屬及其合金等耐熱、耐磨件的表面處理，以及電工材料、生物材料等的表面改性。20世紀(jì)30年代初期，由Gunterschulze和Betz首次報道，通過微弧氧化的方法改變純鈦種植體表面的氧化層結(jié)構(gòu)促進骨整合是近年發(fā)展的新技術(shù) 。純鈦種植體在自然環(huán)境中表面會形成一層氧化膜，通過微弧氧化處理后，表面重新形成多孔粗糙類似于“骨小梁”結(jié)構(gòu)較以前更厚的氧化膜，有利于成骨細胞黏附增殖分化，具有良好的穩(wěn)定性、生物相容性、抗腐蝕性和耐磨性〔15〕。王磊等〔16〕研究也通過微弧氧化處理鈦合金證實了這個結(jié)論。

此外，可在電解液中添加鈣(Ca)、磷(P)元素，使其在純鈦種植體表面的氧化膜層附著，提升羥基磷灰石在表面的沉積速度〔17〕。此外，微弧氧化技術(shù)存在的能源利用率低、能量耗費多等問題限制其應(yīng)用，需要進一步解決。

2.3 仿生溶液生長法 仿生溶液生長法是指模擬生理體液，將經(jīng)機械或物理化學(xué)等預(yù)處理后的種植體浸入，使其吸附仿生溶液中的物質(zhì)，形成磷酸鈣涂層，促進骨整合〔18〕。利用仿生溶液方法處理鈦種植體表面的生物活性溶液可分為細胞黏附分子和生長因子兩大類。

細胞黏附分子中有一種特殊的結(jié)構(gòu)-RGD序列，RGD序列由精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸組成，存在于多種細胞外基質(zhì)中，能有效地促進細胞對生物材料的黏附。RGD序列的空間結(jié)構(gòu)、修飾密度、周圍序列對其活性都有一定影響。將RGD序列固定于鈦或鈦合金種植體表面，可以促進成骨細胞對純鈦種植體表面的黏附，進一步促進骨整合。但實驗證實由于其高度親和，多種細胞均含有同一整合蛋白，故缺乏特異性。Liu 等〔19〕將含RGD序列的骨橋蛋白吸附經(jīng)過預(yù)處理的種植材料表面，增強了材料的生物相容性，排斥反應(yīng)明顯降低。有學(xué)者〔20〕經(jīng)動物實驗發(fā)現(xiàn)：有 RGD 肽鏈涂層的 Ti-6Al-4V 種植體周圍骨合成量較無涂層組顯著增多，同時纖維組織形成顯著減少。Rapuano 等〔21〕研究顯示：通過實時PCR檢測含RGD序列的血漿纖維蛋白涂層與成骨前體細胞 MC3T3-E1聯(lián)合培養(yǎng)的Ti-6Al-4V 種植體表面，發(fā)現(xiàn)其具有刺激成骨細胞分化的功能。由于RGD 肽鏈涂層技術(shù)操作簡單經(jīng)濟有效，因此在臨床推廣應(yīng)用上有優(yōu)勢。

種植體骨整合是一個復(fù)雜的過程，在不同階段會有不同的細胞生長因子表達，且各生長因子的協(xié)調(diào)作用于整個過程。劉康等〔22〕研究顯示：HA涂層復(fù)合轉(zhuǎn)化生長因子，促進新生骨形成。Lind 等〔23〕通過體外及動物實驗均證明轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)涂層可以顯著促進種植體骨整合。在種植體表面處理中，應(yīng)用最廣泛的一類生長因子是骨形態(tài)發(fā)生蛋2(BMP-2)。2007 年美國食品藥物管理局批準(zhǔn)一種緩釋的BMP-2 應(yīng)用于顱面部缺損治療。重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白(rhBMP)能誘導(dǎo)未成熟細胞向軟骨細胞和骨細胞轉(zhuǎn)化，具有誘導(dǎo)成骨作用〔24〕。今年來為達到持續(xù)發(fā)揮誘導(dǎo)成骨作用，學(xué)者們研究較多的是骨形態(tài)發(fā)生蛋(BMP)復(fù)合載體。何愛珊等〔25〕研究制備的HA-rhBMP涂層可明顯促進種植體與骨的結(jié)合。Nie 等〔26〕將rhBMP-2與聚乳酸-羥基乙酸/羥基磷灰石(PLGA/HA)的復(fù)合緩釋，可以增強細胞對支架的附著性，降低毒性。

綜上所述，純鈦種植體的表面處理方法有多種，單憑一種方法獲得理想的骨整合效果是幾乎不可能的。進一步從分子水平和基因水平探索骨整合的機制，多種表面處理方法聯(lián)合應(yīng)用，提高骨整合速度和強度，使種植技術(shù)周期縮短，成本降低，成功率升高，使其在臨床得到進一步推廣。

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〔2014-09-15修回〕

(編輯 袁左鳴)

吉林省科技廳科研基金資助課題(No.201115097)；吉林省衛(wèi)生廳科研基金資助課題(No.20115023)；吉林大學(xué)白求恩醫(yī)學(xué)科研支持計劃-前沿交叉學(xué)科創(chuàng)新項目(No.2013106019)

李美華(1963-)，女，主任醫(yī)師，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事口腔種植學(xué)和口腔材料學(xué)研究。

曲露露(1989-)，女，在讀碩士，主要從事口腔材料學(xué)研究。

R783.1

A

1005-9202(2015)12-3474-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.12.138