口腔微生物對鈦及其合金的腐蝕影響研究進(jìn)展

何 玥，屈 慶，李 蕾

（1.云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650091；2.云南大學(xué) 生物資源保護(hù)與利用重點實驗室，昆明650091）

口腔作為人體的開放性器官，其中所含的微生物種類繁多、數(shù)目龐大。正?？谇晃⑸锶喊?xì)菌、真菌、原蟲和病毒?，F(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)表明，口腔中的細(xì)菌多達(dá)600種，常見的有血鏈球菌、白色念珠菌、牙齦卟啉菌、變形鏈球菌等［1］。這導(dǎo)致了口腔環(huán)境的復(fù)雜性，給研究工作帶來了很多困難。

鈦及其合金是牙科領(lǐng)域常用的口腔材料，以其良好的耐腐蝕性、適宜的機(jī)械性能和極佳的生物相容性而備受關(guān)注。鈦及其合金的強(qiáng)耐蝕性是由于其表面鈍化膜的形成，然而，處于鈍態(tài)的鈦及其合金仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動態(tài)平衡狀態(tài)，此時，外界環(huán)境的改變很容易破壞其動態(tài)平衡，對其溶解起到加速作用［2-3］。

鈦及其合金在口腔環(huán)境中的溶解會導(dǎo)致唾液成分發(fā)生變化，可能對人體產(chǎn)生危害［4-5］。研究口腔環(huán)境中鈦材的腐蝕特點和機(jī)理，開發(fā)新型、綠色、無毒副作用的鈦材料對保證人體健康有重要意義。因此，近幾十年來，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者致力于鈦材在口腔中的腐蝕影響研究，但由于口腔環(huán)境的復(fù)雜性和檢測手段的局限性，牽涉到口腔微生物的研究相對較少，且多數(shù)研究都只停留在對單一口腔微生物腐蝕的研究和模擬口腔水平。目前，有關(guān)口腔微生物對鈦及其合金的腐蝕研究雖然也取得了一些進(jìn)展，但其影響機(jī)理尚不清楚。本工作擬通過對幾種常見口腔微生物對鈦及其合金的腐蝕研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，探討口腔微生物在鈦材腐蝕中的作用與機(jī)理，展望口腔微生物對鈦材的腐蝕研究趨勢。

1 微生物腐蝕

微生物腐蝕（Microbiologically Influenced Corrosion，簡稱MIC）是指受微生物影響的金屬及合金的腐蝕。微生物腐蝕并非微生物本身對金屬的腐蝕，而是指在微生物生命活動參與下，由微生物引發(fā)和催化的電化學(xué)反應(yīng)。微生物腐蝕研究由來已久，1910年，R.H.Gaines發(fā)現(xiàn)并提出微生物腐蝕，1934年，荷蘭學(xué)者C.A.H.Kuhr等［4］首先提出硫酸鹽還原菌（SRB）參與金屬腐蝕的陰極去極化理論。此后，人們越來越重視并參與到微生物腐蝕研究中，Postgate［6］系統(tǒng)研究了硫酸鹽還原菌的生理、生態(tài)和生化特征及營養(yǎng)需求，為微生物腐蝕研究奠定了基礎(chǔ)。但由于微生物腐蝕較為復(fù)雜，影響因素較多，故對微生物的腐蝕機(jī)理尚無一致看法。

2 鈦及其合金作為口腔材料的運用

2.1 鈦及其合金作為口腔材料的發(fā)展簡史

鈦自1965年開始正式作為牙科材料應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域至今已有近50年的歷史。1965年，Branemark［7-8］首次將純鈦制成的人工牙根種植于無牙頜患者。20世紀(jì)80年代初，用純鈦鑄造的冠橋材料開始在口腔中使用。同時Ti-6Al-4V成為最早也是最常用的牙科材料。到20世紀(jì)80年代中期，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V在口腔中會溶解釋放出有毒的鋁離子和釩離子，對人體有害，這一問題引起醫(yī)學(xué)界的高度關(guān)注，于是科學(xué)家們開始致力于無毒副作用的新型口腔材料的開發(fā)［9］。這一時期最典型的是鈦鎳合金（也稱形狀記憶合金）在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用，直到現(xiàn)在這種材料在牙科材料都還占有一席之地［10］?，F(xiàn)階段人們愈發(fā)重視口腔材料的綜合性能，一方面致力于綠色、無毒副作用的口腔材料的開發(fā)；另一方面嘗試在純鈦中摻雜其他金屬，制成合金，使鈦材的機(jī)械性能得以提高，耐腐蝕性能得以增強(qiáng)，生物相容性得以改善。

2.2 鈦及其合金作為口腔材料的優(yōu)越性

表1列舉了常用的生物醫(yī)用鈦合金，表中S代表瑞士，G代表德國，J代表日本，U代表美國。這些口腔材料各有優(yōu)缺點，麻健豐等［12］通過粗糙度試驗對比了純鈦、鈷鉻合金和鎳鉻合金的耐腐蝕性，研究發(fā)現(xiàn)三種材料的耐腐蝕性由大到小排列為：純鈦＞鈷鉻合金＞鎳鉻合金。袁俊等［13］研究了不同pH的人工唾液對經(jīng)過烤瓷工藝處理的金合金、純鈦、鈷鉻合金、鎳鉻合金的耐腐蝕性能的影響，結(jié)果顯示四種材料在酸性人工唾液中的自腐蝕電流密度、自腐蝕電位負(fù)值均比在中性人工唾液中大，且發(fā)現(xiàn)金合金和純鈦在酸性環(huán)境中的耐腐蝕性能優(yōu)于鈷鉻合金和鎳鉻合金。張玉梅等［14］采用細(xì)胞毒性試驗，溶血試驗及口腔黏膜刺激試驗對Ti-Zr合金的生物安全性進(jìn)行了初步評價。結(jié)果顯示：Ti-Zr合金細(xì)胞毒性試驗評級為0級，溶血程度為0.15%，口腔黏膜刺激試驗未見異常組織反應(yīng)。從張玉梅的試驗結(jié)果可以初步認(rèn)為Ti-Zr合金是一種理想的生物材料。孫平等［15］選擇臨床常用烤瓷合金，采用MTT法檢測乳酸脫氫酶活性，通過測定合金析出離子對體外培養(yǎng)細(xì)胞的影響，比較不同合金對細(xì)胞增殖的作用，從而了解細(xì)胞毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎳鉻烤瓷合金抑制細(xì)胞增殖最明顯，含鈦的鎳鉻烤瓷合金、鈷鉻烤瓷合金次之。綜合以上研究結(jié)果可認(rèn)為：鈦及其合金具有良好的耐腐蝕性、適宜的機(jī)械性能和極佳的生物相容性。然而，鈦材在口腔中仍有一定的溶解能力，主要是由于處于鈍態(tài)的鈦及其合金仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動態(tài)平衡狀態(tài)，外界環(huán)境的改變會破壞其動態(tài)平衡，對溶解起到加速作用，從而導(dǎo)致鈦材的溶解腐蝕。鈦材在口腔中的輕微腐蝕不僅會造成口腔修復(fù)材料的損失，而且可能導(dǎo)致人體的不適［4-5］。因此，研究鈦材在口腔中的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理對減小鈦材損失和保證人民生命安全有深遠(yuǎn)意義。

表1 生物醫(yī)用鈦合金Tab.1 Biomedical titanium alloys

3 口腔微生物對鈦及其合金腐蝕研究現(xiàn)狀

口腔環(huán)境是一個非常復(fù)雜的電解質(zhì)環(huán)境，細(xì)菌是口腔環(huán)境中不可避免的微生物，而細(xì)菌對口腔植入材料有著不可忽視的腐蝕作用?？谇晃⑸镅芯勘砻?，健康口腔不是無菌環(huán)境，是需氧菌、少量厭氧菌和某些霉菌的生長平衡，每個人的口腔都是一個菌群平衡的環(huán)境，這些共生的正常菌群對宿主一般無影響，但是，一旦這種平衡被打破，機(jī)會菌就會增生繁殖，引起一些口腔乃至全身的疾病。

鑒于口腔環(huán)境的復(fù)雜性，越來越多的學(xué)者認(rèn)為有必要先研究單種微生物對口腔材料的腐蝕行為，Screenivas等［16］研究了牙種植體周圍微生物的聚集情況，發(fā)現(xiàn)種植體的腐蝕與微生物菌群有關(guān)。Willershausen等［17］用掃描電鏡觀察細(xì)菌對口腔材料的影響，發(fā)現(xiàn)材料變化與材料性質(zhì)和細(xì)菌均有關(guān)，并證明口腔細(xì)菌對材料變化有重要影響。為進(jìn)一步弄清鈦及其合金在口腔中的腐蝕機(jī)理。近幾年來，人們開始著重研究常見口腔微生物（血鏈球菌、白色念珠菌、牙齦卟啉菌和遠(yuǎn)緣鏈球菌g型等）對鈦及其合金的腐蝕作用。

3.1 血鏈球菌（Streptococcus sanguis）

口腔鏈球菌是口腔中的常駐菌，是口腔正常菌中的主要菌群，占微生物種類的50%以上［18］。血鏈球菌屬口腔鏈球菌，是一種兼性厭氧革蘭氏陽性菌，呈球形或橢圓形，是典型的產(chǎn)酸菌，它是最先定植到牙齒表面的"先鋒軍"，也是拮抗牙周可疑致病菌的重要有益菌之一［19］。

Wilson等［20］研究了血鏈球菌對口腔材料的腐蝕影響，結(jié)果表明血鏈球菌的存在對口腔材料的影響非常大。他們認(rèn)為可能是血鏈球菌能在材料表面形成微生物膜并分泌胞外基質(zhì)生成凝膠相，凝膠相的形成阻礙了酸性代謝產(chǎn)物乳酸的向外擴(kuò)散，同時血鏈球菌的生命活動會消耗微生物膜內(nèi)的氧氣，在無氧的情況下，鈍化膜無法修復(fù)，隨著浸泡時間的延長，最終會導(dǎo)致了口腔材料的溶解。國內(nèi)，陳亞軍［25］通過試驗也證實了這一點。實際上，細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)物（包括有機(jī)酸和無機(jī)酸）也會通過影響口腔材料表面或界面的pH和介質(zhì)組成的變化，進(jìn)而影響金屬的電化學(xué)反應(yīng)過程。到目前為止，已有很多報道認(rèn)為乳酸會引起鈦的腐蝕［21-23］。Philip等［24］首先針對性地對血鏈球菌的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)血鏈球菌的代謝產(chǎn)物主要為有機(jī)酸，分別為乳酸、甲酸、醋酸等，其中乳酸的含量最大。Mabilleau等［20］通過試驗證明純鈦在乳酸與氟離子共存環(huán)境中的腐蝕程度比在只有氟離子的環(huán)境中嚴(yán)重。陳亞軍［25］在含有不同pH乳酸的人工唾液中進(jìn)行試驗，從SEM圖上發(fā)現(xiàn)，隨著溶液pH的降低，鈦表面點蝕的半徑逐漸增大，Tafel極化數(shù)據(jù)顯示了血鏈球菌及乳酸共同存在時鈦發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，電化學(xué)阻抗譜顯示隨著浸泡時間的延長，腐蝕加重，說明乳酸的存在加速了點蝕。

3.2 白色念珠菌（Candida albicans）

白色念珠菌，屬念珠菌屬，又稱白色假絲酵母菌，屬革蘭陽性菌，卵圓形，有芽并有假菌絲。白色念珠菌是一種條件致病菌，通常存在于正常人體口腔、上呼吸道、腸道等部，當(dāng)機(jī)體免疫功能或一般防御能力降低，或正常寄居的微生物間相互作用失調(diào)，就容易引起念珠菌病。同時，作為假絲酵母中的一員，白色念珠菌是最常見的酵母，可從齲洞中分離出來，與口腔真菌感染心內(nèi)膜炎和敗血癥密切相關(guān)。

P.C.Tatiana等［26］研究了變形鏈球菌和光滑念珠菌對白色念珠菌生物膜形成的影響，得出結(jié)論：念珠菌生物膜的形成與有無唾液、基底類型和有無其他微生物存在有密切關(guān)系。宋應(yīng)亮等［27］用色度計對白色念珠菌引起金屬的失澤腐蝕問題進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：鎳鉻合金、鈷鉻合金、鑄鈦修復(fù)體的失澤范圍主要集中在黃綠區(qū)域內(nèi)，并且白色念珠菌對鎳鉻合金和鑄鈦修復(fù)體的腐蝕失澤影響較對鈷鉻合金大。宋應(yīng)亮等的研究結(jié)果證明了白色念珠菌對口腔材料具有明顯的失澤腐蝕影響，但是其腐蝕機(jī)理及腐蝕規(guī)律尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。富丹麗等［28］運用金屬表面粗糙度試驗進(jìn)一步對口腔白色念珠菌引起金屬腐蝕的問題進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白色念珠菌對鈷鉻合金的耐腐蝕性能影響較鈦合金明顯，但也沒有提出具體的腐蝕機(jī)理。

3.3 牙齦卟啉菌（Porphyromonas gingivalis）

牙齦卟啉菌為革蘭氏陰性厭氧球桿菌，是牙周病的重要病原菌，流行病學(xué)［29］表明，牙齦卟啉菌與牙周炎的發(fā)生顯著相關(guān)，其中蛋白酶是重要的毒力因子。目前，牙齦卟啉單胞菌已成為口腔微生物學(xué)中少數(shù)幾個作為重點研究的厭氧菌之一。

宋應(yīng)亮等［30］研究了牙齦卟啉菌381對純鈦及鈦75合金種植體表面的失澤腐蝕影響，結(jié)果表明，牙齦卟啉菌381對純鈦（鈍化）、鈦75合金（鈍化、非鈍化）引發(fā)肉眼可見的表面失澤，且不受鈦75合金表面鈍化膜形成方式不同影響。由色度計分析知三種類型試件表面顏色由綠黃區(qū)域向紅黃區(qū)域移動。但對鈦及其合金腐蝕失澤原因并不清楚。有人認(rèn)為可用“硫化物作用理論”［31］來解釋這一現(xiàn)象，因為牙齦卟啉菌381可以產(chǎn)生硫化氫［32］，但這種解釋是否合理仍有待驗證。

3.4 遠(yuǎn)緣鏈球菌g型（Streptococcus Sobrinus，type g）

遠(yuǎn)緣鏈球菌g型是變形鏈球菌的一種，屬革蘭陽性菌，是人類牙菌斑中最常檢出的致齲菌，在口腔中喜居于牙面和義齒表面，在酸性環(huán)境中繼續(xù)降低pH的能力和產(chǎn)酸總量較高，具有很強(qiáng)的粘附能力和耐酸性［33］。

宋應(yīng)亮等［34］在研究遠(yuǎn)緣鏈球菌g型對鑄鈦、鈷鉻合金、鎳鉻合金修復(fù)體腐蝕失澤作用時發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)緣鏈球菌g型對鑄鈦、鈷鉻合金、鎳鉻合金色澤均有影響，但未超出黃綠區(qū)域。D.Steinberg等［35］研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)緣鏈球菌g型在很多口腔修復(fù)材料表面均可形成微生物膜，微生物的吸附能力與材料類型、材料的表面粗糙度等有關(guān)，但未能提出具體的微生物膜形成機(jī)理。

4 口腔微生物對鈦及其合金的腐蝕機(jī)理初探

同其他微生物一樣，口腔微生物的腐蝕機(jī)理也較為復(fù)雜，目前尚無一致的看法，但一般認(rèn)為生物膜的形成和代謝產(chǎn)物在腐蝕過程中起著很大的作用。

4.1 微生物膜機(jī)理

不同類型的附著菌種互相接近，互相協(xié)作，形成混合菌群，導(dǎo)致了微生物膜的逐漸形成，這是一種具有種和屬多樣性和相對穩(wěn)定性的生物膜。微生物膜的主要成分是水（70%～90%）和細(xì)菌粘液物質(zhì)（由高聚糖、蛋白質(zhì)、糖蛋白和脂蛋白組成，又稱為胞外高聚物，簡稱EPS）［36-38］。微生物膜的形成是一個高度自發(fā)的過程，是生長和消亡交替進(jìn)行，且隨環(huán)境不斷變化的動態(tài)過程。圖1為生物膜的形成和增長過程示意圖。

圖1 微生物膜的形成和增長過程Fig.1 The formation and growth of microbial film

陳亞軍［25］觀察血鏈球菌在鈦材表面的吸附情況，在掃描電鏡下清晰地看到血鏈球菌在鈦材表面吸附。通過熒光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)菌首先吸附至鈦材表面，然后經(jīng)多次吸附后形成不均一的微生物膜。由于微生物膜的“擴(kuò)散屏障”作用，導(dǎo)致乳酸等酸性代謝產(chǎn)物的局部累積，同時制造了生物膜內(nèi)的缺氧環(huán)境，為宏觀點蝕提供了更有利的條件。S.L.Percival［39］認(rèn)為微生物腐蝕的關(guān)鍵是生物膜的形成及其與金屬基底間的相互作用，控制微生物腐蝕的有效途徑是控制微生物膜的形成和生長過程。

4.2 代謝產(chǎn)物機(jī)理

4.2.1 酸腐蝕機(jī)理

金屬及其合金在pH降低時會加速腐蝕，釋放出更多的金屬陽離子。細(xì)菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸特別是乳酸，被認(rèn)為會引起鈦的腐蝕［21-23］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)隨著pH的降低，金屬的腐蝕速度明顯增加，這是因為H＋濃度的增加使氫的平衡電位向正方向移動，在腐蝕電位不變的情況下，腐蝕動力增大了，因而腐蝕加劇［37］。而且介質(zhì)中增加的H＋使金屬材料的氧化膜不易形成，鈍化速度減慢，即使有氧化膜生成也容易溶解成為溶解度大的金屬鹽。Mabilleau等［40］的試驗結(jié)果表明純鈦在乳酸與氟離子共存的環(huán)境中腐蝕程度比在只有氟離子的環(huán)境中嚴(yán)重。Koike［21］也發(fā)現(xiàn)純鈦在37℃，乳酸溶液的pH為1.0～8.5間均發(fā)生了溶解，且在低pH條件下腐蝕嚴(yán)重。陳亞軍［25］通過試驗證明血鏈球菌的主要代謝產(chǎn)物（乳酸）對鈦材具有很強(qiáng)的腐蝕作用，并提出了以下機(jī)理：

鈦及其合金的強(qiáng)耐蝕性是由于其表面鈍化膜的形成，然而，處于鈍態(tài)的鈦及其合金仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動態(tài)平衡狀態(tài)：

由于分子中存在范德華力，會使乳酸吸附至鈦表面并富集，形成乳酸分子膜［21］。吸附至鈦表面的乳酸會發(fā)生電離，產(chǎn)生H＋和L-：

一方面，在水溶液中乳酸電離的L-會跟［Ti（OH）3］＋絡(luò)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，使（2）、（4）中的反應(yīng)右移；另一方面，乳酸電離出的H＋也會和TiO2發(fā)生反應(yīng)，二者的共同作用加速了鈍化膜的溶解。其反應(yīng)如下：

4.2.2 硫化氫（H2S）機(jī)理

牙齦卟啉菌381可以產(chǎn)生硫化氫，有人猜想正是H2S的產(chǎn)生導(dǎo)致了鈦材的腐蝕，但是根據(jù)“硫化物作用理論”我們知道這一猜想只能適用于含有鐵元素的鈦合金?！傲蚧镒饔美碚摗保?1］認(rèn)為細(xì)菌對金屬的腐蝕作用在于提供了硫化物，硫化物降低了金屬表面的氧化還原電位，從而加速了金屬的腐蝕。具體表現(xiàn)為：首先H2S在水中發(fā)生離解：

釋放出的氫離子是強(qiáng)去極化劑，極易在陰極奪取電子，促進(jìn)陽極鐵溶解反應(yīng)而造成腐蝕。

（Had：鋼表面吸附的氫原子Hab：鋼中吸收的氫原子）。

生成的硫化物具有很強(qiáng)的腐蝕性，加速了材料的腐蝕。

4.2.3 過氧化氫（H2O2）機(jī)理

Mabilleau等［40］發(fā)現(xiàn)，H2O2對鈦材有破壞作用，且在前三天尤為嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)血鏈球菌和白細(xì)胞在炎癥反應(yīng)時會產(chǎn)生H2O2，由于H2O2具有強(qiáng)的氧化性，所以被認(rèn)為對鈦材有腐蝕作用［21］。

4.3 協(xié)同機(jī)理

隨著研究的不斷深入，越來越多的研究者認(rèn)為單一的機(jī)理無法解釋復(fù)雜的口腔微生物腐蝕過程，因此，有人提出微生物腐蝕是生物膜的形成及其代謝產(chǎn)物綜合作用的結(jié)果。他們認(rèn)為生物膜與代謝產(chǎn)物協(xié)同作用共同影響腐蝕過程具體表現(xiàn)為：（1）二者共同影響電化學(xué)腐蝕的陰極或陽極反應(yīng)；（2）代謝產(chǎn)物改變了膜下的腐蝕環(huán)境；（3）微生物新城代謝過程產(chǎn)生的侵蝕性物質(zhì)改變了金屬表面膜電阻；（4）由微生物生長和繁殖所建立的"屏蔽層"導(dǎo)致了金屬表面的濃差電池?，F(xiàn)在越來越多的研究結(jié)果證實了這一點，如Wilson等［20］認(rèn)為血鏈球菌能在鈦的表面形成微生物膜并分泌胞外基質(zhì)生成凝膠相。凝膠相的形成會阻礙酸性代謝產(chǎn)物（乳酸）的向外擴(kuò)散，同時血鏈球菌的生命活動會消耗微生物膜內(nèi)的氧氣，在無氧的情況下，鈍化膜無法修復(fù)，隨著浸泡時間的延長，最終會導(dǎo)致了鈦的溶解。

5 展望

口腔環(huán)境的復(fù)雜性決定了研究的艱巨性，長期以來科學(xué)家們一直停留在單種口腔微生物對鈦及其合金的腐蝕研究水平，雖然也取得的很多進(jìn)展，但是微生物腐蝕機(jī)理尚不清晰，規(guī)律性也尚未揭示。實驗發(fā)現(xiàn)了口腔微生物容易在金屬表面形成生物膜，但對生物膜的研究也僅停留在宏觀層面。為了探明鈦材在口腔環(huán)境中的腐蝕機(jī)理，進(jìn)而為開發(fā)耐腐蝕性能、機(jī)械性能和生物相容性更好的鈦材料奠定基礎(chǔ)，有必要從以下幾個角度來開展鈦材在口腔環(huán)境中的腐蝕行為研究：（1）從單種口腔微生物腐蝕向多種口腔微生物腐蝕方向過渡；（2）運用生物學(xué)手段研究生物膜的形成機(jī)理及其在腐蝕過程中的作用；（3）分析微生物代謝產(chǎn)物及生物膜對腐蝕過程的綜合影響；（4）從模擬口腔研究向原位研究轉(zhuǎn)移；（5）從電化學(xué)動力學(xué)理論層面揭示微生物腐蝕的機(jī)理和規(guī)律。

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