鈦種植體表面改性的研究進(jìn)展▲

馬子洋 陳 溯

(1 首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,北京市 100050,mzyusual@126.com；2 首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院特診特需科,北京市 100050)

【提要】 鈦種植體表面改性可以促進(jìn)骨整合,提高臨床種植成功率,已逐漸成為臨床及基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種鈦種植體表面改性方法的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

種植義齒是目前牙列缺損、牙列缺失的重要修復(fù)方式,而良好的骨整合是種植體長(zhǎng)期穩(wěn)定于口腔的關(guān)鍵。種植體表面改性是指在不改變種植體材料及原有性能的基礎(chǔ)上,賦予種植體表面新的性能。種植體表面改性可以有效促進(jìn)骨整合,提高種植修復(fù)的成功率[1]。鈦種植體是常用于種植修復(fù)的種植體,具有良好的生物相容性、可加工性、耐腐蝕性、耐磨性和較低的彈性模量[2]。鈦種植體的表面改性是目前的研究熱點(diǎn),多數(shù)研究從改善種植體表面粗糙度,在種植體表面摻入生物活性物質(zhì),以及在種植體表面制備納米管陣列等方面，對(duì)種植體表面進(jìn)行處理,以達(dá)到促進(jìn)骨整合的目的。本文將對(duì)以上3種鈦種植體表面改性方法的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 改善表面粗糙度

噴砂、酸蝕、等離子噴涂、激光處理可以改善種植體表面的粗糙度。增加種植體表面粗糙度有利于成骨細(xì)胞在種植體表面黏附、增殖、分化,促進(jìn)骨組織在種植體表面的嵌合,利于骨整合,可以增加種植體初期穩(wěn)定性[3]。

1.1 噴砂與酸蝕 噴砂是將一定粒度的硬質(zhì)顆粒加壓噴射到種植體表面,以達(dá)到增加種植體表面粗糙度的目的。常用于噴砂的材料包括石英砂、羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、氧化鋁、氧化鈦、氧化鐵顆粒。將噴砂表面粗糙度算術(shù)平均高度值控制在1～2 μm，有利于種植體表面骨整合,是增加種植體初期穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法[4]。除有利于骨整合外,噴砂可在鈦種植體表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力層,增加種植體疲勞試驗(yàn)的壽命[5]。此外，使用特定尺寸、形狀、速度的噴砂顆?？梢栽黾臃N植體表面的粗糙度[6]。

酸蝕是利用強(qiáng)酸,如氫氟酸、硝酸、硫酸等,或多種酸的混合物，對(duì)種植體表面進(jìn)行處理的方法。酸蝕可以清潔種植體表面,處理種植體表面的氧化膜,使其具有更高的表面自由能,增強(qiáng)其表面粗糙度和扭矩[7]。酸蝕可以獲得均勻粗糙的種植體表面,對(duì)基體的形狀及尺寸要求較小。酸蝕種植體表面有利于成骨細(xì)胞的黏附和骨的形成,促進(jìn)骨整合[2]。調(diào)整酸的種類、濃度可以改變酸蝕速率[8]。調(diào)整酸蝕時(shí)間可以改變鈦表面的粗糙度與潤(rùn)濕性,從而改變成骨細(xì)胞的黏附能力[9]。濃硫酸已被證明可用于處理鈦表面,增加其粗糙度[10]。氫氟酸可被用于制備鈦種植體表面納米、微米級(jí)結(jié)構(gòu),以促進(jìn)鈦種植體表面的骨整合,增加種植體的扭矩[11]。雙酸蝕是指先后或混合使用兩種酸,對(duì)種植體表面進(jìn)行處理的方法。與使用單一酸進(jìn)行酸蝕相比,雙酸蝕可以獲得種植體微粗糙表面,以實(shí)現(xiàn)快速的骨整合[12]。亦有學(xué)者著眼于多重酸蝕處理,發(fā)現(xiàn)三酸蝕對(duì)鈦種植體表面的骨整合有促進(jìn)作用[13]。

單一的鈦種植體表面粗糙化方法常常難以達(dá)到理想的表面性能改善。例如,僅對(duì)種植體表面進(jìn)行噴砂處理,通常得到的種植體表面粗糙程度不均勻,且有噴砂所用的顆粒殘留,同時(shí)噴砂會(huì)將污染物引入種植體表面,與光滑表面相比,噴砂粗糙化處理后,細(xì)菌黏附性更大,且積累量更多[14]。未加以控制的噴砂,如速度過快、性狀尺寸不當(dāng),會(huì)使種植體表面形成裂紋,材料易疲勞而降低種植體壽命[15]。為形成均勻潔凈的噴砂后種植體表面,近年來噴砂處理多與其他表面改性方法共同使用,如將噴砂后種植體進(jìn)行酸蝕處理,即噴砂酸蝕處理(sand-blast,large-grit,acid-etching,SLA)。SLA是指用強(qiáng)酸酸蝕已經(jīng)噴砂處理過的種植體表面,增加其粗糙度,促進(jìn)骨整合的方法。與雙酸蝕相比,SLA可以促進(jìn)種植體表面更好地骨整合,使種植體表面的生物活性更強(qiáng)；與單一噴砂處理相比,經(jīng)SLA的種植體表面粗糙程度更加均勻[16]。

1.2 等離子噴涂 等離子噴涂指將熔融狀態(tài)下的生物活性材料,如HA、生物活性玻璃、惰性材料(鈦、氧化鈦、碳化物等)噴射到種植體表面形成涂層,該涂層可以增加種植體表面粗糙度,使其具有良好的機(jī)械性能和生物相容性。其中,惰性材料由于不具有生物活性,與骨組織結(jié)合強(qiáng)度低,但與合金基體結(jié)合強(qiáng)度高；生物活性材料與骨組織結(jié)合強(qiáng)度高,但與合金基體結(jié)合強(qiáng)度低。HA及以HA為基礎(chǔ)的復(fù)合材料是目前常用的鈦種植體等離子噴涂材料。

研究表明,鈦種植體表面經(jīng)等離子噴涂處理后,骨整合速度加快,骨接觸率、骨結(jié)合界面結(jié)合強(qiáng)度提高,并在植入種植體早期促進(jìn)骨愈合[17]。等離子噴涂技術(shù)已成功應(yīng)用在商業(yè)種植體上,能夠使HA黏附在鈦種植體上,并取得了較好的臨床效果。Fouda等[18]發(fā)現(xiàn),與未進(jìn)行等離子噴涂的種植體相比,具有HA涂層的鈦種植體加快了骨愈合。Xie等[19]發(fā)現(xiàn),HA涂層更好地促進(jìn)了鈦種植體表面細(xì)胞的增殖。Xue等[20]發(fā)現(xiàn),堿改良的等離子噴涂可使種植體表面的微孔中形成更多新骨,并更快生長(zhǎng),促進(jìn)骨愈合,提高種植成功率。

等離子噴涂可以提供多孔的種植體表面,增加骨接觸面積,是理想的種植體表面粗糙化方法,但由于該技術(shù)所需設(shè)備成本高,工藝要求復(fù)雜,容易形成不均勻的涂層,造成剝脫、降解等問題,應(yīng)用于種植體改性仍有一定局限性。其中，HA涂層雖易與骨組織結(jié)合,但其與合金基體結(jié)合強(qiáng)度較低。研究表明,經(jīng)模擬體液浸泡后,HA在鈦合金上的粘接強(qiáng)度降低,且粘接強(qiáng)度隨著在模擬體液中的浸泡時(shí)間增加而降低[21-22]。以涂層方式,如等離子噴涂涂層、生物改性涂層、抗菌涂層進(jìn)行鈦種植體表面改性后,在植入過程中涂層易因摩擦而磨損消耗。

1.3 激光處理 激光可以用于種植體表面粗糙化。摻釹釔鋁石榴石激光是鈦種植體表面改性的常用激光,常用于種植體表面改性的其他激光包括摻鉺釔鋁石榴石激光、二氧化碳激光等[23]。激光不直接接觸種植體表面,熱效應(yīng)低,對(duì)種植體表面影響小、處理精度高、不引入外來雜質(zhì),并可以去除種植體表面細(xì)菌。Wang等[24]使用摻釹釔鋁石榴石激光處理鈦-鋁-釩(Ti-6Al-4V)試件,與傳統(tǒng)的SLA相比,前者處理后的種植體表面更有利于成骨細(xì)胞的增殖和分化。

2 摻入生物活性物質(zhì)

特定的生物活性物質(zhì)可以改善種植體表面性能,可將不同的生物活性物質(zhì)摻入種植體表面的涂層、添加到種植體表面，或者形成抗菌涂層后，涂覆于種植體表面,增強(qiáng)種植體表面的成骨能力。

2.1 摻入種植體表面的涂層 生物活性物質(zhì)可以摻入種植體表面的HA涂層后,可改善其表面性能。摻入氧化鋯可增強(qiáng)HA涂層在鈦種植體上的粘接強(qiáng)度和溶解行為,提高種植體表面的粗糙度和生物活性[25]。與單純HA涂層相比,HA/氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯/Ti-6Al-4V復(fù)合涂層在模擬體液浸泡后,拉伸強(qiáng)度降低的更少,亞穩(wěn)態(tài)磷酸鈣溶液可以為復(fù)合涂層提供優(yōu)異的生物活性,誘導(dǎo)骨樣磷灰石在種植體表面成核生長(zhǎng)[26]。研究表明,摻入鍶的HA涂層可以促進(jìn)成骨、抑制破骨,加速骨在種植體表面的形成[27]。

2.2 添加到種植體表面 生物活性物質(zhì)可以添加到種植體表面形成生物改性涂層。這些物質(zhì)包括細(xì)胞黏附因子、生長(zhǎng)因子兩類。Rapuano等[28]將纖連蛋白預(yù)吸附在Ti-6Al-4V種植體材料表面,發(fā)現(xiàn)在體外纖連蛋白可刺激成骨細(xì)胞分化。Ma等[29]將骨形成蛋白的功能性多肽，結(jié)合在陽(yáng)極氧化法形成的種植體表面聚多巴胺二氧化鈦納米管上,植入家兔脛骨,與二氧化鈦納米管及聚多巴胺二氧化鈦納米管相比，其具有更好的骨整合。

2.3 形成抗菌涂層涂覆于種植體表面 抗菌涂層是將抗菌物質(zhì)摻入種植體表面涂層,減少細(xì)菌污染對(duì)種植體表面骨整合的不利影響,達(dá)到控制種植體周圍感染,提高種植成功率的表面改性方法[30]。抗菌涂層應(yīng)用的抗菌物質(zhì)主要包括無機(jī)抗菌材料(如銀離子)、有機(jī)抗菌材料(如抗菌肽、溶菌酶、生物活性因子)等。Zhang等[31]將萬古霉素負(fù)載于陽(yáng)極氧化法形成的鈦種植體表面二氧化鈦納米管上,發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)外鈦種植體表面細(xì)菌黏附均減少,但在體內(nèi)試驗(yàn)中其未能阻止感染的發(fā)展。Walter等[32]將多西環(huán)素結(jié)合在鈦高合金種植體表面,在體內(nèi)外試驗(yàn)中均觀察到了骨整合的改善。Funao等[33]通過低熱浸漬法使用肌醇六磷酸鹽螯合銀離子,將其固定在鈦種植體表面HA涂層中形成抗菌涂層,在體內(nèi)外試驗(yàn)中均觀察到急性感染期血清學(xué)指標(biāo)降低,表明該抗菌涂層可以減少種植體相關(guān)感染。

2.4 摻入生物活性物質(zhì)的手段

2.4.1 電化學(xué)沉積法:生物活性物質(zhì)可以通過電化學(xué)沉積摻入種植體表面。電化學(xué)沉積是以種植體基體為陰極,以惰性電極為陽(yáng)極,共同浸于電解液中,外加電壓,使種植體表面發(fā)生還原反應(yīng),電解液中的生物活性組分沉積于種植體表面的表面改性方法。Daugaard等[34]將電化學(xué)沉積處理形成的覆有HA涂層的鈦種植體植入犬的肱骨近端,與等離子噴涂處理的鈦種植體相比,其在增強(qiáng)機(jī)械性能和骨整合方面無明顯差異。

2.4.2 離子注入法:生物活性物質(zhì)也可以通過離子注入的方法摻入種植體表面。離子注入是指在電場(chǎng)中將離子加速,沖擊種植體表面,并停留于種植體表面下的表面改性方法。Braceras等[35]將鈷離子注入鈦種植體表面,與未進(jìn)行離子注入的鈦種植體相比,前者具有更好的骨整合。De Maeztu等[36]將注入鈷離子注入的鈦微型植入體植入人的上頜結(jié)節(jié)或下頜三角,3個(gè)月后將植入體與周圍骨組織一并取出進(jìn)行組織學(xué)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)前者具有更良好的骨整合,且在3年的隨訪中未觀察到不良反應(yīng)。等離子體浸沒離子注入是指在電場(chǎng)中將等離子中的粒子加速,摻入種植體表面的表面改性方法。Cheng等[37]將鈣等離子體注入噴砂酸蝕后的鈦種植體表面,發(fā)現(xiàn)該處理能有效促進(jìn)新骨形成。Meirelles等[38]將氧等離子注入鈦種植體表面,獲得了金紅石型二氧化鈦納米結(jié)構(gòu),植入家兔模型后獲得了更高的去除扭矩,提示該處理促進(jìn)了種植體表面的骨形成。

3 制備納米管陣列

在鈦種植體表面制備二氧化鈦納米管,能夠獲得納米級(jí)的微粗糙表面,可以負(fù)載生物活性物質(zhì),并且在一定處理下可獲得抗菌能力,是目前鈦種植體表面處理方法的研究熱點(diǎn)。通過陽(yáng)極氧化法，鈦種植體表面可以形成均勻、整齊排列的氧化鈦納米管陣列。陽(yáng)極氧化是以種植體基體為陽(yáng)極、惰性電極為陰極,兩極浸于電解液中,外加電壓,使種植體表面發(fā)生氧化反應(yīng),形成一層致密、厚度均勻的氧化膜。通過陽(yáng)極氧化,種植體表面會(huì)有一定的粗糙度、孔隙率,并可以附著特定的氧化物。陽(yáng)極氧化法形成的氧化鈦納米管陣列，可以提高種植體金屬的抗腐蝕性能、穩(wěn)定性、骨整合率等,且調(diào)節(jié)電壓、電流、溶液離子及濃度，還可獲得不同粗糙度的種植體表面。

鈦種植體表面覆以二氧化鈦納米管后,表面細(xì)菌黏附能力降低,成骨細(xì)胞黏附能力增加[39]。體內(nèi)試驗(yàn)表明,與酸蝕、噴砂等傳統(tǒng)方法相比,納米管結(jié)構(gòu)可以更好地改善種植體表面的骨整合[40]。Yoriya等[41]將鈦箔電極置于含有0.5%～2%氫氟酸的二甘醇電解液中,利用陽(yáng)極氧化法制備出350 nm的氧化鈦納米管陣列。此外，延長(zhǎng)氧化時(shí)間、增大電壓可以增大納米管的長(zhǎng)度和直徑,增加鈦種植體表面潤(rùn)濕性,有利于鈦種植體表面成骨細(xì)胞的早期黏附、生長(zhǎng)、增殖,從而更快地進(jìn)行骨整合[41-42]。

陽(yáng)極氧化處理鈦種植體表面所獲得的二氧化鈦納米管，可以作為藥物及生物制劑的儲(chǔ)存?zhèn)},在一定條件下釋放儲(chǔ)存物質(zhì),加速鈦種植體表面的新骨形成,控制種植體周圍感染?？构琴|(zhì)疏松藥物如雷洛昔芬、辛伐他丁、唑來膦酸等，可以被儲(chǔ)存入二氧化鈦納米管陣列中,在骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型中受控釋放,可以促進(jìn)種植體表面的骨整合[43-45]。抗微生物藥物如銀納米離子、羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖等，也可以被儲(chǔ)存入納米管中,在一定條件下可以在種植體表面釋放,并表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗微生物性[46-47]。Liu等[48]將光誘導(dǎo)的二氧化鈦納米顆粒摻入到二氧化鈦納米管中,與純鈦和二氧化鈦納米管相比,其在體外具有更低的細(xì)菌數(shù)量和更高的細(xì)胞成骨水平。

在陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上,利用弧光放電激活、增強(qiáng)陽(yáng)極氧化反應(yīng),被稱為微弧氧化法或微等離子體氧化法。使用該法時(shí),在電解液中增加膠體顆粒,可以達(dá)到改良種植體表面氧化膜微觀結(jié)構(gòu)的目的。Ran等[49]將微弧氧化法處理的鈦種植體植入獵犬下頜骨,與未經(jīng)微弧氧化法處理的鈦種植體相比,微弧氧化法處理的鈦種植體具有更高的剪切強(qiáng)度,并能更快、更廣泛地進(jìn)行骨整合。

使用陽(yáng)極氧化法在鈦種植體表面制備二氧化鈦納米管時(shí),輔以紫外光的照射,可以改善二氧化鈦納米管的形貌,使其表面的親水性有所提高,有利于骨整合[50]。紫外光同時(shí)可以減少鈦種植體表面的污染物碳?xì)浠衔?有效提高鈦種植體表面的抗菌能力[51]。但紫外光對(duì)鈦種植體表面的親水性改善持續(xù)時(shí)間短,如何實(shí)現(xiàn)持續(xù)性地提升親水性,仍需進(jìn)一步研究。

4 小 結(jié)

多種表面改性方法可用于鈦種植體,以提高鈦種植體表面性能,促進(jìn)骨整合。目前,不同表面處理方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的噴砂表面改性方法難以獲得均勻的鈦種植體粗糙表面,并容易引入雜質(zhì),通常需與酸蝕共同處理鈦種植體表面。等離子噴涂可以使鈦種植體獲得多孔的表面結(jié)構(gòu),但獲得良好的結(jié)構(gòu)需要較高的技術(shù)工藝,涂層質(zhì)量與選用的噴涂材料密切相關(guān)。以涂層方式對(duì)鈦種植體表面改性后,在植入過程中涂層易因摩擦而磨損消耗。離子注入會(huì)導(dǎo)致鈦種植體表面硬化,應(yīng)用于口腔臨床種植仍需進(jìn)一步研究。激光處理種植體表面成本較高,目前難以應(yīng)用于臨床。通過陽(yáng)極氧化法獲得二氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)處理種植體表面后,有良好的親水性,可用于儲(chǔ)存藥物,清除部分表面污染物,是近年來的研究熱點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),綜合應(yīng)用多種表面處理方法,而不是選用單一方法處理鈦種植體表面,是鈦種植體表面改性研究的發(fā)展趨勢(shì)。隨著新型材料以及新工藝的發(fā)明發(fā)展,更多的鈦種植體表面改性方法將應(yīng)用于基礎(chǔ)及臨床研究,更好地促進(jìn)種植體表面骨整合,提高臨床種植成功率。