Ti—FG—BM型鈦合金種植體表面處理及生物相容性研究進(jìn)展

徐錫平+石紅兵+金光春

【摘要】 鈦合金由于具有良好的機(jī)械性能、優(yōu)秀的生物相容性特征和體液環(huán)境的耐腐蝕性，成為牙科修復(fù)臨床應(yīng)用中的常見材料。但是當(dāng)前臨床中使用的鈦合金比人骨有更高的彈性，所以經(jīng)常會出現(xiàn)種植的牙齒與骨骼之間因為彈性規(guī)模不匹配造成的種植體周圍出現(xiàn)了骨吸收的情況，經(jīng)常會出現(xiàn)種植體斷裂或松動等，嚴(yán)重影響了種植的成功率。因此，開發(fā)研制與骨組織相近的低彈性模量Ti-FG（function group）-BM（bioactive material）型種植就成為當(dāng)前研究的熱點。

【關(guān)鍵詞】 低彈性模量； 種植體； 功能組

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.11.088 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6805（2017）11-0160-03

鈦合金在牙科修復(fù)物中作為首選的材料，是因為鈦合金具有良好的生物相容性特征，并具有良好的機(jī)械力學(xué)性。但是鈦合金由于是金屬材料，并且沒有促進(jìn)新骨骼生成的能力，所以沒有生物活性。所以找到一種具有促進(jìn)骨骼整合并可以與骨骼整合的材料是非常重要的。本文對開發(fā)研制與骨組織相近的低彈性模量Ti-FG-BM型種植體材料在口腔種植修復(fù)應(yīng)用的重要內(nèi)容的研究進(jìn)展作一綜述。

1 口腔種植研究的主要方向

由于當(dāng)前人們生活水平的不斷提高，人們對牙齒的美觀程度要求也越來越高，并且牙齒種植也可以從很大程度上提高人們的生活質(zhì)量，所以口腔種植手術(shù)在牙科應(yīng)用越來越廣泛。但是口腔種植體材料較為昂貴，所以很多學(xué)者不斷尋找有較好的生物相容性且與人體骨骼組織的彈性硬度相匹配的材料，為降低消費者種植費用和提高種植手術(shù)成功率不斷努力。在20世紀(jì)初期，臨床上常用的種植體材料主要有鈦合金、鈷合金和不銹鋼，但是鈦合金與不銹鋼的彈性較大，所以與骨骼之間彈性模量不匹配，在種植以后載荷并不能有效傳遞到周圍的骨骼組織，所以在種植以后種植體容易出現(xiàn)松動或周圍骨組織吸收的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致種植術(shù)失敗[1-3]。與此同時，鈦合金表面經(jīng)過處理的生物惰性氧化層與骨骼不能發(fā)生化學(xué)結(jié)合反應(yīng)，僅僅是與骨骼融合，從而限制了其在較大承載部位的使用?；谝陨显?，科學(xué)家不斷研究有更高生物相容性和更接近骨骼彈性模量的Ti-FG-BM的種植體，可以更充分滿足對口腔植入材料的要求，也成了當(dāng)前研究的熱點話題。

2 國際社會的研究狀況

鈦合金作為植入體材料在20世紀(jì)60年代首次在瑞典用于口腔種植，其優(yōu)良的特性也促進(jìn)了臨床對外科植入體材料的深入研究，隨后鈦合金材料在臨床上被用作替換材料。在20世紀(jì)70年代以后，在外科修復(fù)和替換器件的發(fā)展中，鈦合金被廣泛應(yīng)用。第一代鈦合金主要包括純鈦、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V等，但是臨床中人們發(fā)現(xiàn)V對人體有較大的毒性，并且這類合金的耐腐蝕程度差，所以迫切需要下一代生物醫(yī)用合金的研發(fā)。一直到20世紀(jì)80年代中期，德國和瑞士先后開發(fā)了新一代鈦合金Ti-6AL-7NbTi-5A12.5Fe，并且在臨床中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。我國自行研制的Ti-51A1、Ti-6A1-7Nb、Ti-2.5A1-2.5Mo-2.5Zr，非常實用的固定器械[6-8]?！笆濉逼陂g開發(fā)出兩個新型a型鈦合金TLM1和TLM2，并獲國家發(fā)明專利[9]。

鈦合金是一種安全性較高的生物材料，隨著鑄造加工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，鈦合金在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也不斷普及。由于鈦合金的生物學(xué)性能較好，所以成了牙種植體、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、髓內(nèi)定、矯形鋼板及人工關(guān)節(jié)植入等常用材料[4，10]。由于純鈦在臨床中存在多種缺陷，所以不能在臨床中直接使用，需要以合金形式使用，這是因為純鈦（暴露在空氣中，短時間內(nèi)表面就能被氧化形成極薄的TiO2層，厚度僅為3～10 nm）作為一種生物惰性材料，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與生物體骨骼細(xì)胞和骨骼組織差異較大，并不能如生物活性材料一般在種植以后與骨骼形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以在種植完成后的一段時間，穩(wěn)定性較差，很難與組織之間緊密連接，從而降低了其生物活性。而且硬度低、耐磨性差、生物惰性等是作為醫(yī)用材料不容忽視的問題。提高鈦合金生物活性的有效方法是對材料的表面進(jìn)行活性涂層，涂層修飾還可以有效提高材料的力學(xué)穩(wěn)定性[11-13]。對鈦合金表面進(jìn)行涂層或處理的主要目的是提高金屬的耐腐蝕性和改善材料的表面機(jī)械性能，還可以提高鈦合金的生物相容性。鈦合金表面處理在牙科種植體方面有較廣泛的應(yīng)用。鈦合金強(qiáng)度高、韌性大，并且具有良好的加工性，基于這些特性來看，特別適合作為牙科植入材料，并且從彈性模量看來，鈦合金在所有金屬材料中與骨骼相差最小的，但是仍然存在一定的差異，所以鈦材料種植體與骨骼之間極易產(chǎn)生機(jī)械不適應(yīng)，而且其化學(xué)成分與天然的骨骼成分差異較大。因此當(dāng)植入材料植入到骨骼以后沒有緊密的化學(xué)性結(jié)合，只是機(jī)械性整合，出現(xiàn)了較大的手術(shù)失敗率，所以當(dāng)前人們對鈦合金表面的涂層研究越來越多，這也成了牙科種植體材料研究的大趨勢所在。當(dāng)前鈦合金表面處理包括有羥基磷灰石表面涂層法[14-15]、電泳沉積法[16]、堿熱處理法[17-18]、陽極氧化法[19]、離子注入法[20]、微弧氧化法[21]、溶膠-凝膠法[22]，旨在使鈦合金表面形成一層具有生物活性的膜或涂層，涂層可以結(jié)合在材料表面形成多孔氧化層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨骼細(xì)胞與材料相互粘附，增加金屬的抗腐蝕性，提高鈦合金的表面生物活性，提高生物相容性及更好的骨整合作用。

另外，研究通過表面納米結(jié)構(gòu)化改性，使納米層次的材料與細(xì)胞或組織之間形成相互作用，并進(jìn)行納米級別的結(jié)合，使材料與細(xì)胞受體相互配對，進(jìn)而使骨骼細(xì)胞在鈦合金表面生長和粘附，實現(xiàn)骨骼與材料的緊密結(jié)合，實現(xiàn)與骨組織的生物功能，必將對鈦合金表面處理技術(shù)的改進(jìn)起到一定的推動作用[23-25]。

3 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會效應(yīng)

在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，口腔材料的質(zhì)量好壞無疑會對臨床修復(fù)與治療的效果起到極大的影響作用，也正因此，口腔材料的發(fā)展?fàn)顩r不僅僅能夠代表口腔醫(yī)療的水平高低，更能夠借此以窺探出整個社會現(xiàn)代化的發(fā)展?fàn)顩r。為了擴(kuò)大此鈦合金種植體在口腔的應(yīng)用，許多學(xué)者對鈦合金種植體的綜合性能進(jìn)行了研究。目前人口老齡化已成為世界范圍的社會問題，同時疾病與牙齒缺損患者劇增，人們對口腔種植技術(shù)和種植材料的重視使鈦合金材料存在著巨大市場。我國2006年包括種植體、基臺、種植工具在內(nèi)的種植產(chǎn)品銷售額達(dá)到1300萬美元，近年來種植市場的年綜合增長率超過35%，到2011年，包括種植體、基臺、種植工具在內(nèi)的種植產(chǎn)品銷售額達(dá)到1.2億美元[26-28]。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者仍然在新材料探索的道路上不斷前進(jìn)，我國也應(yīng)當(dāng)從國企入手開發(fā)出價格低廉的新鈦合金種植體，消化和吸收國外已定的鈦合金，使此種材料盡快實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)，盡早結(jié)束口腔種植體材料依賴于進(jìn)口的現(xiàn)狀。我國應(yīng)加大研發(fā)投入，得到更多的具有臨床價值的資料，并將材料的優(yōu)缺點及時反饋給相關(guān)的研發(fā)部門，使其對材料按照臨床應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出適應(yīng)臨床發(fā)展的新材料。

當(dāng)今時代，口腔種植技術(shù)已經(jīng)變得越發(fā)完善，再加上鑄造緊密鈦合金的技術(shù)的不斷發(fā)展，眾多的醫(yī)學(xué)專家已經(jīng)開始嘗試將新型鈦合金種植體作為齒科治療的主要材料，而這一情況也隨著齒科材料的焊接、粘接技術(shù)的完善而顯示出了極好的發(fā)展前景[29]。

綜上所述，考慮到國內(nèi)外對新型鈦合金的研究現(xiàn)狀及其在國內(nèi)所存在的巨大潛力，最終目標(biāo)是開發(fā)研制與骨組織相近的Ti-FG-BM型種植體材料，對配方選擇和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇，重點對國內(nèi)首次合成真正意義上的低彈性模量Ti-FG-BM型種植體材料的生物相容性進(jìn)行評價，完成系列動物實驗，為其臨床推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Marc L，Rack H J.Titanium alloys in total joint replacementa materials science perspective[J].Biomaterials，1998，19（18）：1621-1639.

[2] Li S J，Yang R，Niinomi M， et al.Formation and growth of calcium phosphate on Biomaterials[J].Biomaterials，2004，25（13）：2525-2532.

[3] Fukuda A，Takemoto M，Saito T，et al.Bone bonding bioactivity of Ti metal and Ti-Zr-NbTa alloys with caions incroporated on their surfaces by simple chemical and treatments[J].Acta Biomater，2011，7（3）：1379-1386.

[4]寧聰琴，周玉.醫(yī)用鈦合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].材料科學(xué)與工藝，2002，10（1）：100-106.

[5] Niinomi M，Akahori T.Improvement of the fatigue life of titanium alloys for biomedical devices through microstructural control[J].Expert Rev Med Devices，2010，7（4）：481-488.

[6]黃永光.外科植入用鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，1（1）：1-8.

[7]李軍，周廉，李佐臣，等.新型醫(yī)用鈦合金Ti-12.5Zr-2.52.5Nb-2.5Ta的研究[J].稀有金屬材料與工程，2003，32（5）：398-402.

[8] Zhao X，Niinomi M，Nakai M.Relationship between various deformation-induced products and mechanical properties in metastable Ti-30Zr-Mo alloys for biomedi-cal applications[J].J Mech Behav Biomed Mater，2011，4（8）：2009-2016.

[9]于振濤，王克光.一種外科植入件用·型鈦合金[P].2003，CN03153139.3.

[10] Mudford L，Curtis R V，Walter J D.An investigation of debonding between heat-cured PMMA and titanium alloy[J].J Dent，1997，25（5）：415-421.

[11] Lee M H，Yoon D J，Won D H，et al.Biocompatibility of surface treated pure titanium & titanium alloy by in vivo and in vitro test[J].Metals and Mater ials Int，2003，9（4）：35-42.

[12] Hanawa T，Asami K，Asaoka K.Repassivation of titanium and surface oxide film regenerated in simulated bioliquid[J].J Biomed Res，1998，40（4）：530-538.

[13] Feng B，Weng J，Yang B C，et al.Surface characterization of titanium and adsoprtion of bovine serum albumin[J].Mater Charact，2003，49（7）：129-137.

[14] Padilla N，Bronson A.Electrochemical characterization of albumin protein on Ti alloy immersed in a simulated plasma solution[J].J Biomed Mater Res A，2007，81（3）：531-543.

[15] Yang C Y，Wang B C，Lee T M，et al.Intramedullary implant of plasma sprayed hydroxyapatite coating：an interface study[J].J Biomed Mater Res，1997，36（1）：39-48.

[16] Hayashi K，Inadome T，Mashima T，et al.Comparison of bone implant interface shear strength of solid hydroxyapatite and hydroxyapatite coated titanium Implants[J].J Biomed Mater Res，2004，27（5）：557-563.

[17] Kokubo T，Mijaji F，Kim H M，et al.Spontaneous formation of bonelike apatite layer on chemically treated Titanium metals[J].J Am Ceram Soc，1996，79（4）：1127-1129.

[18] Fujibayashi S，Neo M，Kim H M，et al.Osteoinduction of porous bioactive titanium metal[J].Biomaterials，2004，25（3）：443-450.

[19] Neupane1 M P，Kim Y K，Park I，et al.Effect of electrolyte pH on the structure and in vitro osteoblasts response to anodic titanium oxide[J].Metal and Materials Int，2008，14（11）：607-613.

[20] Watanabe k，Okawa S，Kanatani M，et al.Surface analysis of commercially pure implant retrieved from rat bone.Part 1：initial biological response of sandblasted surface[J].Dent Mater J，2009，28（2）：178-184.

[21] Zavgorodniy A V，Borrero-López O，Hoffman M，et al.Characterzation of the chemically deposited hydroxyapatite coating on a titanium substrate[J]. J Mater Sci Mater Med，2011，22（1）：1-9.

[22] Lee I G，Kim Y K，Park I S，et al.Influence of electrolyte temperature on pure titanium modified by electrochemical treatment for implant[J].Surf Interface Anal，2008，40（12）：1538-1544.

[23] Watari F，Yokoyama A，Omori M.Biocompatibility of materials and development to functionally graded implant for biomedical application[J].Composites science and Technology，2004，64（6）：893-908.

[24] Hollander D A，Walter M V，Wirtz T T.Structural，mechanical and in vitro characterization of individually structured Ti-6A-4V produced by direct laser forming[J].Biomaterials，2006，27（7）：955-963.

[25]嚴(yán)曉東，高勃，王忠義，等.MTT法評價牙科激光快速成形鈦鋯合金的細(xì)胞毒性[J].臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志，2006，22（5）：261-262.

[26] Hanawa T.A comprehensive review of techniques for biofunctionalization of titanium[J].J Periodontal Implant Sci，2011，41（6）：263-272.

[27] Yu B，Song P，Min H L，et al.Electrophoretic deposition of carbon nanotubes–hydroxyapatite nanocomposites on titanium substrate[J].Materials Science and Engineering，2010，30（4）：1043-1049.

[28] Yu B，Song P，Min H L.Formation of bioceramic coatings containing hydroxyapatite on the titanium substrate by micro-arc oxidation coupled with electrophoretic deposition[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，95（2）：365-373.

[29]趙艷.口腔鈦合金種植體的臨床應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011，15（42）：7943-7946.

（收稿日期：2016-12-13）