紫外線(xiàn)照射后鈦種植體表面光功能化的研究進(jìn)展

解 涓 王燕一

自20 世紀(jì)60 年代，瑞典的Branemark 教授創(chuàng)立“骨結(jié)合”理論，并于1965 年完成世界第一例種植牙手術(shù)起，即開(kāi)啟了人類(lèi)牙列缺損及牙列缺失修復(fù)治療的全新的技術(shù)革命。成功的骨結(jié)合需要大量骨組織直接沉積在鈦種植體表面，而沒(méi)有軟組織的介入，是種植手術(shù)成功的基礎(chǔ)。然而，種植體表面骨覆蓋總面積，即骨-鈦種植體接觸率約為50%～75%[1-3]，遠(yuǎn)低于100%。噴砂、酸蝕、等離子涂層、微弧氧化等鈦種植體表面處理技術(shù)研發(fā)出來(lái)[4]，在一定程度上提高了種植體骨結(jié)合率，使口腔種植在臨床中獲得了較高的成功率。但是，一些高風(fēng)險(xiǎn)因素，諸如骨質(zhì)疏松、糖尿病、吸煙等，會(huì)影響種植體表面成骨[5-7]。并且，鈦種植體的骨結(jié)合時(shí)間較長(zhǎng)，需3～6 個(gè)月。因而提升骨結(jié)合效率，縮短種植療程成為口腔種植領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由此，紫外線(xiàn)光功能化對(duì)鈦種植體骨結(jié)合的影響受到了廣泛關(guān)注。現(xiàn)就鈦種植體表面經(jīng)紫外線(xiàn)照射后所產(chǎn)生的物理化學(xué)性質(zhì)及生物特性的變化作一綜述。

1.什么是紫外線(xiàn)光功能化

鈦和鈦合金，如Ti-6Al-4V，以其卓越的生物相容性和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。鈦表面暴露于空氣或水中，可與氧反應(yīng)形成一薄層氧化物保護(hù)膜，厚度約為4～6nm。二氧化鈦膜耐腐蝕性強(qiáng)，生物相容性好。但是，該層二氧化鈦膜不均勻，機(jī)械性能差，并且，不能促進(jìn)創(chuàng)傷的愈合。于是，許多修飾技術(shù)得以發(fā)展，以期改善二氧化鈦的生物活性等特性，促進(jìn)骨結(jié)合。

1997 年，Wang 等發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦表面經(jīng)紫外線(xiàn)處理后，可由疏水性變?yōu)槌H水性[8]。由此，二氧化鈦的光催化作用被廣泛研究。紫外線(xiàn)光功能化是指紫外線(xiàn)處理后，二氧化鈦的表面修飾，包括其物理化學(xué)特性和生物學(xué)性能的改變。當(dāng)用波長(zhǎng)小于385nm 的紫外線(xiàn)照射二氧化鈦，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。氧和水等被吸收的分子迅速減少，并被分別氧化產(chǎn)生超氧化物離子(O2-)和羥自由基(OH-)。這些離子可與有機(jī)物如附著的細(xì)菌反應(yīng)，生成二氧化碳和水[9]。

2.紫外線(xiàn)光功能化對(duì)鈦種植體物理化學(xué)特性的影響

鈦表面是疏水性的，表面與水的接觸角一般大于60 度，甚至可接近或大于90 度，水在這些表面無(wú)伸展性而保持半球狀。經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，鈦表面則變?yōu)槌H水性，表面與水接觸角變?yōu)? 度，水滴在該表面可延展[8]。光處理后，親水相的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。橋接位點(diǎn)表面氧空缺，Ti4+位點(diǎn)轉(zhuǎn)換為T(mén)i3+位點(diǎn)，后者更易吸收游離水[8]。種植體表面親水性的維持是傷口愈合和骨形成過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素[10]。

隨著鈦的老化，由于碳?xì)浠衔锏膿诫s，鈦表面碳元素比例可以達(dá)到60%～75%[11]，而紫外線(xiàn)照射是清除碳污染的有效方式[12]，可使該比例降至20%甚至更低，不會(huì)改變鈦表面粗糙程度和二氧化鈦結(jié)構(gòu)形態(tài)、結(jié)晶相組成。X 射線(xiàn)光電子能譜分析結(jié)果顯示，經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，鈦片中碳含量、羥類(lèi)(-CH)、有機(jī)物污染量降低[13,14]。Zhang 等用短時(shí)高強(qiáng)度紫外線(xiàn)處理鈦表面也得到了相似的結(jié)果，碳原子含量降低超過(guò)50%，但鈦納米結(jié)構(gòu)無(wú)明顯改變[15]。

鈦?zhàn)鳛橐环N生物惰性材料，與生物分子和細(xì)胞之間并不存在直接的相互作用，需要依靠離子橋的介導(dǎo)來(lái)吸附必要的蛋白和細(xì)胞，尤其是二價(jià)陽(yáng)離子。Iwasa 等的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，鈦表面靜電狀態(tài)改變，使其可以作為誘導(dǎo)體直接吸附所需要的細(xì)胞，而不需要離子橋的參與[16]。這一發(fā)現(xiàn)可引申出一種新的認(rèn)識(shí)，即經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦具有了生物活性[17]。

3.紫外線(xiàn)光功能化對(duì)生物學(xué)性能的影響

3.1 對(duì)宿主成骨細(xì)胞的影響 在紫外線(xiàn)照射的鈦表面，細(xì)胞增殖的速率提升了20%～50%[18,19]。紫外線(xiàn)處理后，粘附于鈦表面的成骨細(xì)胞數(shù)量可提高3～5 倍。并且，隨著紫外線(xiàn)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)出劑量依賴(lài)性的特點(diǎn)[18]。

將成骨細(xì)胞接種在未經(jīng)紫外線(xiàn)處理的鈦表面3h 后，細(xì)胞呈圓形，細(xì)胞骨架向伸展方向呈現(xiàn)出各向同性，罕見(jiàn)細(xì)胞突形成。而鈦表面經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，接種的成骨細(xì)胞明顯變大，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)可見(jiàn)細(xì)胞骨架和板狀肌動(dòng)蛋白伸展，細(xì)胞在多個(gè)方向上出現(xiàn)philopodia 樣細(xì)胞突[18,20]。黏著斑蛋白是細(xì)胞粘附膜分子、整合蛋白以及肌動(dòng)蛋白絲之間相互聯(lián)系的紐帶，在啟動(dòng)和建立細(xì)胞粘附，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生及細(xì)胞骨架形成過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[20]。通過(guò)機(jī)械振動(dòng)或酶消化法檢測(cè)成骨細(xì)胞黏附力發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，鈦表面黏附的成骨細(xì)胞數(shù)量是對(duì)照組的1.5～2 倍，伴黏著斑蛋白表達(dá)增高，說(shuō)明紫外線(xiàn)光功能化可增強(qiáng)鈦表面對(duì)成骨細(xì)胞的黏附力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞黏附力的增強(qiáng)與黏著斑蛋白表達(dá)的增強(qiáng)有關(guān)，經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦表面，成骨細(xì)胞中黏著斑蛋白高表達(dá)于胞質(zhì)突起的尖端，并沿著細(xì)胞輪廓連續(xù)分布[20]。

鈦的物理化學(xué)性質(zhì)和生物特性之間最重要的聯(lián)系在于碳對(duì)種植體表面的影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈦表面的含碳量與成骨細(xì)胞活性成反比，含碳量降低，成骨細(xì)胞的附著會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)[18]。此外，鈦表面碳含量與白蛋白的吸附量負(fù)相關(guān)，含碳量降低，鈦表面白蛋白的吸附量提高。蛋白質(zhì)吸附在種植體表面對(duì)細(xì)胞的附著起著重要的作用。細(xì)胞要附著于生物材料表面，需要首先吸附到生物材料表面的蛋白[20]。白蛋白和纖維連接蛋白吸附在經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦表面的數(shù)量要高于對(duì)照組80%～300%[21]。進(jìn)一步說(shuō)明了紫外線(xiàn)照射對(duì)減少碳污染的作用。

將成骨細(xì)胞接種于鈦表面，經(jīng)紫外線(xiàn)處理的鈦表面堿性磷酸酶(ALP)陽(yáng)性區(qū)域面積較對(duì)照組擴(kuò)大了2 倍，并且ALP 活性也顯著提高。von Kossa染色證實(shí)，經(jīng)紫外線(xiàn)處理的鈦表面成骨細(xì)胞形成的礦化結(jié)節(jié)形成面積增大，鈣沉積量顯著提高[18]。Zhang 等的研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線(xiàn)處理后，鈦表面人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞BMMSCs 向成骨細(xì)胞分化增強(qiáng)，每細(xì)胞單元堿性磷酸酶活性增強(qiáng)，晚期成骨分化標(biāo)記物骨鈣蛋白產(chǎn)量增高、細(xì)胞外基質(zhì)礦化標(biāo)記物鈣沉積增多。同時(shí)，成骨相關(guān)基因ALP、Runx2、BMP 和OPN 表達(dá)上調(diào)。ALP 和Runx2 是調(diào)控成骨分化的重要轉(zhuǎn)錄因子，表達(dá)于成骨分化的早期階段。而B(niǎo)MP 和OPN 代表了晚期成骨分化階段的成骨產(chǎn)物。說(shuō)明紫外線(xiàn)光功能化可促進(jìn)鈦表面BMMSCs 從成骨早期到晚期階段的分化[15]。經(jīng)紫外線(xiàn)照射的種植體表面形成的骨組織中鈣磷比例要高于未經(jīng)紫外線(xiàn)照射的種植體。骨膜細(xì)胞和骨髓來(lái)源的成骨細(xì)胞的細(xì)胞增殖速率、堿性磷酸酶活性、鈣沉積，均要高于未經(jīng)照射的鈦盤(pán)。紫外線(xiàn)的照射明顯提升了種植體表面骨組織形成的質(zhì)量，這可能與骨膜細(xì)胞和成骨細(xì)胞的功能獲得改善有關(guān)[22]。

3.2 對(duì)宿主牙齦成纖維細(xì)胞的影響 種植牙的成功不僅取決于骨結(jié)合的程度，還依賴(lài)于周?chē)浗M織與種植體穿齦部位的附著情況。軟組織封閉作為防止細(xì)菌侵入種植體周組織的屏障，是影響種植體的遠(yuǎn)期成功率的重要因素。種植體穿齦部位的表面修飾會(huì)顯著影響軟組織附著。軟組織封閉富含成纖維細(xì)胞。Areid 等經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦基板，接種其上的人牙齦成纖維增殖速度高于未經(jīng)紫外線(xiàn)處理的對(duì)照組[9]。

3.3 對(duì)種植體表面微生物的影響 鈦種植體的存活率為98.8%，10 年成功率為97.0%。種植體周?chē)资欠N植失敗的主要原因[23]，減少種植體表面細(xì)菌定植是預(yù)防種植體周?chē)腥镜闹匾紤]因素。術(shù)后感染作為種植術(shù)的短期并發(fā)癥，常發(fā)生于種植體植入后1 月內(nèi)，是造成早期種植失敗的主要原因之一。鈦種植體的感染發(fā)生率約為10%，近2/3的感染種植體失敗于承擔(dān)功能負(fù)荷之前。但是，種植手術(shù)不可能在完全無(wú)菌的環(huán)境下進(jìn)行，口腔中含有超過(guò)600 中不同的微生物類(lèi)群，在植入種植體的過(guò)程中，口腔細(xì)菌就可粘附于種植體表面。種植體植入后，細(xì)菌微生物也可與成骨細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)新獲得的空間[15,24]。很多細(xì)菌不僅可以直接與種植體表面的離子和帶電分子相互作用，還能夠借助蛋白質(zhì)定植在種植體表面[25]。因此，種植術(shù)中、術(shù)后避免細(xì)菌污染對(duì)成功的骨結(jié)合至關(guān)重要。

Avila 等研究發(fā)現(xiàn)，紫外線(xiàn)光功能化增加了鈦表面親水性而不影響其形態(tài)，減少了鈦表面細(xì)菌粘附及生物膜形成，生物膜密度的減少及表面覆蓋面積的減少反映了細(xì)菌生物量的減少[26]。JIN 等的研究也發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)光功能化處理的種植體表面相比，粘附在光功能化種植體表面的細(xì)菌數(shù)量明顯減少，但是細(xì)菌存活力沒(méi)有受到影響[25]，短時(shí)高強(qiáng)度紫外線(xiàn)處理也可降低鈦種植體表面附著的細(xì)菌，但細(xì)菌形態(tài)未見(jiàn)明顯改變[15]。

Itabashi 等將細(xì)菌接種在鈦表面后進(jìn)行紫外線(xiàn)照射，無(wú)菌落形成。而紫外線(xiàn)處理鈦表面后再接種細(xì)菌，0 小時(shí)時(shí)，存活的細(xì)菌量較低，隨后細(xì)菌量逐漸增長(zhǎng)，但抗菌活性可維持至紫外線(xiàn)照射后7 天[27]。Aliva 等報(bào)道，紫外線(xiàn)照射對(duì)鈦種植體表面細(xì)菌粘附及生物膜形成的影響至少能維持16 小時(shí)，即使細(xì)菌能夠到達(dá)種植體植入的位置，也不能附著在種植體表面。而以游離狀態(tài)存在的細(xì)菌容易被機(jī)體免疫系統(tǒng)所清除[26]。

4.光功能化對(duì)鈦種植體骨結(jié)合的影響

Liu 等的研究證實(shí)鈦表面紫外線(xiàn)光功能化能夠增強(qiáng)新生骨組織和鈦表面的骨結(jié)合[28]。Kim 等拔除比格犬下頜前磨牙，12 周后進(jìn)行延期種植，證實(shí)紫外線(xiàn)光功能化可促進(jìn)鈦種植體表面骨結(jié)合。Micro-CT結(jié)果顯示，紫外線(xiàn)處理后，種植體周?chē)橇枯^對(duì)照組顯著增多。組織形態(tài)學(xué)分析顯示，紫外線(xiàn)處理后，骨-種植體接觸率增高，而新骨形成率未見(jiàn)明顯增高，同時(shí)，骨吸收率顯著降低[29]。Aita 及其團(tuán)隊(duì)的大鼠研究模型證實(shí)，鈦表面經(jīng)紫外線(xiàn)處理后，在骨結(jié)合的早期愈合階段，骨-鈦結(jié)合強(qiáng)度可提高1.8～3.1 倍；在晚期愈合階段，骨結(jié)合仍可提高50%～60%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在早期愈合階段，未經(jīng)紫外線(xiàn)處理的種植體表面新骨形成呈碎片化或局灶性，常見(jiàn)軟組織遷移至骨與種植體表面之間，干擾了骨-種植體的直接接觸。而在經(jīng)紫外線(xiàn)處理的鈦種植體表面區(qū)域，大量新骨形成活躍，這樣就防止了軟組織干擾骨-種植體間的結(jié)合，使得骨直接沉積在種植體表面。在晚期愈合階段，未經(jīng)紫外線(xiàn)處理的種植體，可見(jiàn)多處軟組織將種植體表面與骨組織分隔開(kāi)。經(jīng)紫外線(xiàn)處理的鈦種植體表面可見(jiàn)大量骨組織沿種植體表面延展，而無(wú)軟組織的介入，骨-種植體接觸率高達(dá)98.2%[18]。最近一項(xiàng)動(dòng)物研究顯示，種植體植入后4 周，骨替代材料覆蓋的區(qū)域經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，種植體骨界面結(jié)合率和新骨形成量均增加了[29]。在2 型糖尿病大鼠模型的研究中，有學(xué)者也證實(shí)了同樣的效果，即經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，骨密度、骨連續(xù)性、骨-種植體直接接觸面積、骨組織成熟度均較未經(jīng)紫外線(xiàn)照射的對(duì)照組顯著改善[30]。

種植體的旋除扭矩值的大小反映了骨組織和種植體之間的界面剪切力的強(qiáng)度。經(jīng)紫外線(xiàn)處理后，鈦種植體旋除扭矩值顯著增高[31]。Soltanzadeh 等[32]利用大鼠模型進(jìn)行種植體骨結(jié)合生物力學(xué)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植術(shù)后2 周，未經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦種植體骨結(jié)合率僅為28.6%，而經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦種植體骨結(jié)合率達(dá)到了100%，并且其抵抗側(cè)向力的能力是對(duì)照組的3.4 倍。有限元分析顯示，紫外線(xiàn)照射后，鈦種植體骨結(jié)合率的增加使種植體頸部的機(jī)械應(yīng)力下降了50%[33]。

在即刻種植中，種植體被植入于新鮮拔牙窩中，種植體部分表面與牙槽骨接觸，而另一部分與牙槽骨壁之間存在間隙，常常同時(shí)植入骨替代材料來(lái)填充此間隙，該部分種植體骨結(jié)合強(qiáng)度約為與牙槽骨接觸部分的1/3。Uneo 等發(fā)現(xiàn)，鈦種植體經(jīng)紫外線(xiàn)照射后，植入種植體2 周，間隙內(nèi)新生的骨量是未經(jīng)紫外線(xiàn)照射組的3～4 倍。經(jīng)紫外線(xiàn)照射鈦種植體骨結(jié)合強(qiáng)度與未經(jīng)紫外線(xiàn)照射的種植體在牙槽骨內(nèi)的骨結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)[22]。

紫外線(xiàn)光功能化不僅能加速骨結(jié)合的進(jìn)程，還能提升骨結(jié)合的水平，同時(shí)，種植體表面與新生骨組織之間的軟組織干擾大幅下降，低于1%，而未處理的種植體周?chē)浗M織的生長(zhǎng)占到了21%[18]。

5.總結(jié)與展望

經(jīng)紫外線(xiàn)照射的鈦種植表面的骨形成形態(tài)明顯改善，骨結(jié)合效率明顯提高，動(dòng)物研究模型中種植體骨結(jié)合率近乎100%。紫外線(xiàn)照射方法簡(jiǎn)單，成本低廉，也被證實(shí)對(duì)各種類(lèi)型的種植體表面均有效。紫外線(xiàn)光功能化對(duì)于改善某些特殊條件下的種植治療效果是一種新穎高效的方式。但是紫外線(xiàn)光功能化的處理時(shí)間一般為48 小時(shí)，這在椅旁很難實(shí)現(xiàn)。并且，紫外線(xiàn)光功能化的效果只能維持16～48 小時(shí)，當(dāng)鈦表面暴露在空氣中，由于超親水性的喪失和碳含量增高，其所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)會(huì)逐漸減弱至原來(lái)狀態(tài)[15,26]。這些都限制了紫外線(xiàn)光功能化的臨床應(yīng)用。未來(lái)，還需要更多的基礎(chǔ)及臨床研究來(lái)改進(jìn)紫外線(xiàn)光功能化的處理技術(shù)(如能否縮短照射時(shí)間，提高照射強(qiáng)度等)，并證實(shí)其臨床應(yīng)用效果，以期早日運(yùn)用于臨床并推廣，使種植技術(shù)的發(fā)展更進(jìn)一步。