鉭及多孔鉭表面改性技術(shù)在組織工程學(xué)及口腔醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)展*

董偉 劉洪臣

鉭及多孔鉭表面改性技術(shù)在組織工程學(xué)及口腔醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)展*

董偉 劉洪臣

鈦及鈦合金具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性，是骨科植入物和牙種植體的首選材料，但其較高的彈性模量對(duì)臨床應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響。鉭金屬具有良好的生物相容性，多孔鉭具有低彈性模量、較高的表面摩擦系數(shù)、優(yōu)異的生物學(xué)特性等特點(diǎn)，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。本文將對(duì)鉭及多孔鉭表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展、在組織工程學(xué)及口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用幾方面作一綜述。

鉭；多孔鉭；表面改性；植入體

鉭金屬(Tantalum，Ta)，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，并具有高熔點(diǎn)、大強(qiáng)度、耐磨損的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭等耐熱材料以及需要高強(qiáng)度零部件的工業(yè)領(lǐng)域[1]。此外，金屬鉭有良好的物理力學(xué)特性、較好的生物相容性能，成為了繼鈦金屬之后又一種新型生物材料，被廣泛應(yīng)用在口腔種植體植入、股骨頭壞死治療、冠狀動(dòng)脈支架植入、人工髖臼假體植入、外科手術(shù)縫合線制作等醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域[2，3]。近年來(lái)，隨著對(duì)金屬鉭研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)多孔鉭具有與人體松質(zhì)骨近似的蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)，具有低彈性模量和高摩擦力特性，故多孔鉭又被稱之為“鉭骨”(Tantalum bone)[4]。本文將從鉭及多孔鉭的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、生物學(xué)特性、表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展、在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用幾方面介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1．多孔鉭的結(jié)構(gòu)力學(xué)和生物學(xué)特性

多孔鉭的制備工藝較為復(fù)雜，主要方法包括：氣相沉積法、有機(jī)泡沫浸漬法、粉末燒結(jié)法和激光快速成形法等[5]，上述方法所制備出的多孔鉭的孔隙直徑大小為300-600um[6]，與其他具有多孔結(jié)構(gòu)的金屬材料相比具有較高的孔隙率(66．7%-80%)，這一特點(diǎn)可加速組織向孔隙內(nèi)部長(zhǎng)入，提高了多孔鉭內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)交換，從而使其具備了較高的組織內(nèi)向性生長(zhǎng)的潛力[7]。此外，多孔鉭具有低彈性模量、較高的表面摩擦系數(shù)、優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)，其彈性模量為1．22GPa，介于松質(zhì)骨(0．1-0．5GPa)和密質(zhì)骨(12-18GPa)之間(見(jiàn)表1)[6，8]，在醫(yī)療過(guò)程中植入人體骨組織內(nèi)可避免產(chǎn)生“應(yīng)力遮蔽”效應(yīng)，有利于生物學(xué)應(yīng)力的正常傳導(dǎo)。較高的表面摩擦系數(shù)可增大骨細(xì)胞附著表面，有利于細(xì)胞的緊密貼合、生長(zhǎng)，并具備引導(dǎo)成骨細(xì)胞分化成熟及發(fā)揮其成骨功能的作用[9，10]。

表1 骨組織及各種金屬?gòu)椥阅Ａ繉?duì)比

2．醫(yī)用鉭及多孔鉭的表面改性在組織工程學(xué)的研究

醫(yī)用鉭及多孔鉭由于其具有良好的組織工程學(xué)性能和生物相容性，在骨替代物及牙種植等領(lǐng)域具備廣闊的前景。其中，植入體表面微環(huán)境至關(guān)重要，良好的表面性能增加了植入體與骨組織之間的接觸面積，提高了接觸質(zhì)量，有利于植入體的早期穩(wěn)定，特別是在口腔種植領(lǐng)域，即刻種植、即刻修復(fù)、即刻負(fù)重理念的提出需要種植體具備良好的初期穩(wěn)定性以進(jìn)行早期功能負(fù)載[11，12]。所以，現(xiàn)階段的熱點(diǎn)集中于研究醫(yī)用鉭及多孔鉭的表面改性技術(shù)，來(lái)加速植入體體內(nèi)骨愈合以及提供更持久、穩(wěn)定的骨結(jié)合。自從上世紀(jì)七十年代以來(lái)，研究已開(kāi)始致力于鉭金屬及多孔鉭的表面改性以期獲得更佳的生物學(xué)特性。回顧近十年國(guó)內(nèi)外發(fā)表文獻(xiàn)，主要的表面改性技術(shù)研究包括：表面陽(yáng)極氧化法、仿生涂層、表面功能化、堿熱處理活化改性等。

2．1 表面陽(yáng)極氧化表面陽(yáng)極氧化技術(shù)作用方式為依靠酸性溶液(硫酸、草酸、磷酸、硅酸等)作為電解質(zhì)[13，14]，在一定的電流電壓下電解氧化從而在其表面形成排列有序的納米管層(nanotube film s)結(jié)構(gòu)的五氧化二鉭(Ta2o5)氧化層表面，改變其表面的生物學(xué)特性[15]。目前已有關(guān)于鉭及多孔鉭表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化后的生物學(xué)性能研究。W ang Na等[16]的體外實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道，經(jīng)過(guò)改性處理的金屬鉭表面五氧化二鉭納米管氧化層結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)牛血清白蛋白、纖連蛋白的吸附，提高兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附和增殖，并促進(jìn)其相關(guān)成骨因子堿性磷酸酶(ALP)、I型膠原蛋白(Collagen I)、骨鈣素(Osteocalcin)的表達(dá)，促使其成骨向分化。另有學(xué)者在體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)五氧化二鉭氧化層表面改性的鉭金屬表面可明顯促進(jìn)人成骨細(xì)胞粘附、增殖，提高人成骨細(xì)胞堿性磷酸酶的表達(dá)、骨結(jié)節(jié)的產(chǎn)生、骨基質(zhì)的礦化沉積[17]。

2．2 表面仿生涂層仿生涂層表面處理技術(shù)基于異相成核原理，將植入體浸入過(guò)飽和磷酸鈣溶液中，磷酸鈣在其表面成核并生成涂層。由于仿生涂層是在水溶液中接近生理?xiàng)l件下制備的，因此其成分和結(jié)構(gòu)與天然硬組織中的礦物質(zhì)更為接近[18，19]。

Elena等[20]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)磷酸鈣仿生涂層處理的金屬鉭板在體外可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化，F(xiàn)． Barrere的研究小組將帶有磷酸鈣仿生涂層的圓柱形多孔鉭植入體植入山羊背部肌肉中，12周后在植入處肌肉內(nèi)出現(xiàn)異位成骨(ectopic bone)[21]；隨后，該研究小組將帶有磷酸鈣仿生涂層的多孔鉭植入體植入14周齡雌性山羊的股骨骨干處，術(shù)后第6、12、24周測(cè)得植入體與骨組織的接觸面積均大于無(wú)涂層植入體[22]。還有學(xué)者在鉭金屬及多孔支架上進(jìn)行磷酸鈣仿生涂層改性處理，用于體內(nèi)及體外試驗(yàn)，與未處理的光滑表面相比，磷酸鈣仿生涂層改性處理表面生物礦化性能大幅提高，同時(shí)親水性能也大幅提高，有利于人成骨樣細(xì)胞的貼付和伸展，并在兔體內(nèi)軟骨下骨缺損修復(fù)中促進(jìn)引導(dǎo)性骨再生的形成[18]。

2．3 表面功能化表面功能化技術(shù)是指表面通過(guò)多種方式與藥物結(jié)合，形成自組裝膜，在體內(nèi)植入后具備持續(xù)釋放生物活性物質(zhì)的功能。

已有研究報(bào)道，在多孔鉭的植入體表面應(yīng)用靜電自組裝的方式將抗癌藥物阿霉素置入由透明質(zhì)酸聚合電解質(zhì)、甲基化膠原蛋白和三元共聚物合成形成的共聚膜中，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，阿霉素在體內(nèi)植入體周圍持續(xù)釋放1個(gè)月，并可抑制軟骨肉瘤細(xì)胞系SW 1353的增殖[23]。另有學(xué)者研究運(yùn)用電拋光技術(shù)加硅烷化學(xué)法將RGD多肽(cRGDfK)結(jié)合至金屬鉭表面形成功能化表面改性，實(shí)驗(yàn)表明該處理表面能提供給細(xì)胞良好的生長(zhǎng)環(huán)境，血管內(nèi)皮細(xì)胞在結(jié)合cRGDfK后的鉭表面形成更高的細(xì)胞密度、更好的細(xì)胞伸展以及細(xì)胞間接觸[24]，與未功能化(無(wú)RGD多肽結(jié)合)表面相比，提高了處理表面Saos-2細(xì)胞貼附性能，Saos-2細(xì)胞的粘附數(shù)量及細(xì)胞粘附面積均增大[25]。

K ishore Udipi等[26]研究，在鉭板表面以共價(jià)結(jié)合的方式將具備抗炎特性的低分子量超氧化物歧化酶模擬物(SODm)結(jié)合至鉭板表面，并植入到雌性大鼠背部皮下組織內(nèi)，組織學(xué)檢測(cè)急性期(第3天)富嗜中性粒細(xì)胞的急性滲出液與對(duì)照組比較明顯減少，炎癥慢性期(第28天)，異物多核巨細(xì)胞和纖維囊的形成也顯著降低。

2．4 堿/堿熱處理活化改性堿熱處理是指將植入體放入NaOH溶液中浸泡，之后在高溫下熱處理。堿熱處理后的植入體在體內(nèi)可在表面形成仿生磷灰石，并借此與骨直接結(jié)合[27]。單純NaOH處理產(chǎn)生的鈉鹽凝膠不穩(wěn)定，與金屬基體間的結(jié)合較弱，會(huì)影響磷灰石與金屬基體間的結(jié)合，最終影響種植體與骨之間的結(jié)合。熱處理使鈉鹽凝膠脫水成為致密穩(wěn)定的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，磷灰石層與金屬基體間的結(jié)合較為緊密[28]。

有研究證實(shí)，在多孔鉭合金(Ti6Ta4Sn)支架表面進(jìn)行堿熱處理表面改性后，增強(qiáng)了模擬體液(SBF)的吸附，同時(shí)促進(jìn)了Saos-2細(xì)胞的粘附[29]。

另有實(shí)驗(yàn)研究表明，多孔鉭在其表面進(jìn)行堿處理處理后，其上接種3T3-E1細(xì)胞，培養(yǎng)五天后檢測(cè)到肌動(dòng)蛋白纖維和骨樣組織遍布于3T3-E1細(xì)胞內(nèi)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，新生骨于第4周出現(xiàn)在植入體和宿主骨之間；第4、12周，新生毛細(xì)血管和新骨長(zhǎng)入多孔鉭的空隙中[30]。

3．醫(yī)用鉭及多孔坦在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

鉭金屬已作為種植體材料被應(yīng)用于缺失牙患者的修復(fù)治療中，隨著科技的發(fā)展，多孔鉭也被嘗試應(yīng)用于種植體領(lǐng)域[31]。由于其具備杰出的機(jī)械力學(xué)性能、生物學(xué)性能、具有與骨組織相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ俊⑤^高摩擦系數(shù)，能為種植體提供良好的骨結(jié)合和初期穩(wěn)定性，被稱之為骨小梁種植體，除此之外，其具有的與骨組織相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?介于松質(zhì)骨和密質(zhì)骨之間)使得種植體在長(zhǎng)期的口內(nèi)功能負(fù)載中將牙合力分散至周圍骨質(zhì)中，避免了應(yīng)力集中[32，33]。有實(shí)驗(yàn)表明，在牙合力負(fù)載過(guò)程中，傳統(tǒng)種植體可以吸收負(fù)載能量的30%, 而多孔鉭種植體可吸收50%-75%[34]，而較高的摩擦系數(shù)使其在種植體植入過(guò)程中具有良好的初期穩(wěn)定性，從而提高種植牙的結(jié)合率，特別是骨質(zhì)量較差的種植患者。與此同時(shí)，劉洪臣教授提出了人工種植牙給藥的理念，通過(guò)在多孔鉭人工牙中載藥的方式有望在促進(jìn)種植體骨結(jié)合的基礎(chǔ)上，改善骨代謝疾病狀態(tài)下受損的骨愈合能力[35]。

此外，多孔鉭在頜骨缺損修復(fù)中作用的相關(guān)研究也在開(kāi)展。多孔鉭的三維結(jié)構(gòu)有孔隙，有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞在其表面附著，孔隙結(jié)構(gòu)與骨組織相似，為骨組織的長(zhǎng)入提供了良好的支架。有相關(guān)研究報(bào)道證實(shí)，多孔鉭顆粒具有良好的誘導(dǎo)成骨能力，其修復(fù)頜骨缺損效果優(yōu)于臨床常用的Bio-oss 骨粉，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建頜骨骨缺損模型，將多孔鉭顆粒和Bio-oss 骨粉分別植入比格犬右側(cè)和左側(cè)下頜骨骨缺損區(qū)內(nèi)，三個(gè)月后大體標(biāo)本、X 線攝片、硬組織切片檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，多孔鉭顆粒組在骨形成量、骨組織成熟度上均高于對(duì)照組(Bio-oss 骨粉組)[36]。

4．總結(jié)

鉭及多孔鉭因其良好的生物相容性，在醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，如口腔醫(yī)學(xué)、骨外科學(xué)、心血管外科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)等具有重要的臨床價(jià)值和應(yīng)用前景，其表面改性技術(shù)的應(yīng)用將使得金屬鉭及多孔鉭具備更加優(yōu)異的生物學(xué)性能，從而大大提高鉭及多孔鉭植入物與周圍骨界面的結(jié)合能力，從而更好的提高植入體的臨床療效。

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The research progress of tantalum and porous tantalum surfacem odification technique in tissue engineering and Stomatology

DONGWei,LIU Hong-chen(Instituteofstomatology,Chinese PLAGeneralHospital,Beijing 100853,China)

Titanium and titanium alloys have good mechanical strength and biocompatibility, which is the preferred material for implant but the higher elastic modulus has a certain impact on the clinical application. Nevertheless, tantalum metal has good biocompatibility, and porous tantalum has features of low elastic modulus, higher surface friction coefficient, excellent biological characteristics, and so on, all of w hich show a good app lication prospect. This review paper pays close attention to surface modification research progress of tantalum and porous tantalum and their application in tissue engineering and Stomatology.

tantalum; porous tantalum; surface modification; implant

R 783．1

A

1672-2973(2017)02-0113-04

2016-08-04)

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：81271180)

董偉 解放軍總醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)研究所博士生北京

100853

劉洪臣 通訊作者解放軍總醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)

主任醫(yī)師教授北京100853