微量元素改性鈦種植體表面研究進(jìn)展

曹志煒， 楊雨青， 周陶， 巫佩瑤， 解亮

口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院，四川成都（610041）

牙種植術(shù)在牙體缺失修復(fù)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，牙種植術(shù)仍存在植入物感染、骨整合不完善等危險(xiǎn)因素［1?2］。為了增強(qiáng)種植體骨結(jié)合能力與抗菌性，研究者針對(duì)種植體材料改性做了大量研究［3］，其中微量元素改性為熱點(diǎn)之一。研究表明，銀、鋅、氟、鍶、錳等微量元素與口腔健康有著密切聯(lián)系，在抗菌及促進(jìn)成骨方面性能卓越。微量元素改性種植體對(duì)提高牙種植術(shù)成功率、改進(jìn)治療效果具有重要意義。

1 微量元素改性鈦種植體表面的應(yīng)用技術(shù)

1.1 等離子體浸入式離子注入法

傳統(tǒng)離子注入法是將帶電離子加速后垂直射入材料表面，形成一層有特殊性質(zhì)的涂層，等離子體浸入式離子注入法（plasma immersion ion implan?tation，PIII）是離子注入法的改良。該方法將材料浸沒(méi)于等離子體中，從多個(gè)角度進(jìn)行離子注入，解決了離子注入技術(shù)對(duì)注入角度要求苛刻的難題，且該技術(shù)不影響材料表面結(jié)構(gòu)，適合種植體等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料［4］。注入后表面薄膜的組成可以是改性元素的單質(zhì)、改性元素的氧化物或者改性元素與基體元素的化合物，取決于改性元素與基體的物質(zhì)組成以及注入時(shí)的條件。例如在非金屬元素改性鈦種植體時(shí)，可形成TiN、TiF4等化合物［4?5］，在金屬元素改性鈦種植體時(shí)，可形成ZnO、MgO或者是單純的金屬鋅或鎂的沉積［6?7］。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化法（microarc oxidation，MAO）是在電解液中，依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫，在金屬表面形成一層厚且穩(wěn)定的氧化物膜層。該膜層的組成和性能主要受電解液的化學(xué)成分影響［8］。該方法制成的氧化物的厚度、孔徑及粗糙度等物理性質(zhì)相比其他方法也更易控制［9］。與PIII法類似，MAO法在具有復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的材料上，仍可形成性質(zhì)均一、粘附緊密，耐磨的氧化膜［10］。

1.3 其它

磁控濺射法是在真空中用粒子沖擊靶材表面，濺射出靶材表面粒子，使其冷卻沉積在材料表面，可形成納米涂層結(jié)構(gòu)［11］。該涂層相對(duì)較薄，但結(jié)合更為緊密。磁控濺射的技術(shù)特點(diǎn)為基體升溫低，薄膜的工藝參數(shù)相對(duì)較容易控制，適用于大面積鍍膜；電化學(xué)沉積法是將材料置于相應(yīng)的微量元素溶液或熔鹽中，通過(guò)放電使位于陰極的材料表面鍍上金屬薄膜。將該方法與PIII法聯(lián)用，稱之為等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積法（plasma immer?sion ion implantation and deposition，PIII&D），在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。

對(duì)于改性方法的選擇，需要結(jié)合材料的性質(zhì)、改性元素的性質(zhì)、效率、能耗等進(jìn)行考慮，而對(duì)于同一種元素，不同的改性方法是否會(huì)產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)還可進(jìn)行比較研究。

2 用于鈦種植體表面改性的微量元素

鈦為生物惰性材料，不具備骨誘導(dǎo)性、抗菌性等生物活性，且金屬種植體在口腔均會(huì)受到電化學(xué)腐蝕［12］。單純的表面形貌改性對(duì)鈦種植體的生物性能提升效果有限，而微量元素改性可賦予傳統(tǒng)鈦種植體所不具備的性能。

2.1 氟

氟化物在口腔領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。Lee等［13］通過(guò)氫氟酸（hydrofluoric acid，HF）蝕刻噴砂處理后的鈦盤，鈦盤表面的氟化物主要以TiOF2形式出現(xiàn)，通過(guò)成骨樣細(xì)胞MG?63在鈦盤表面上的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于對(duì)照組，HF蝕刻過(guò)的鈦盤上可觀察到更多的細(xì)胞和更多成骨相關(guān)基因Cbfα 1（Runx2）的表達(dá)。鈦盤的表面潤(rùn)濕性也有提高，增強(qiáng)了細(xì)胞的分化活性。Wang等［5］通過(guò)PIII法將氟注入鈦種植體的表面，改性后的種植體表面新增了一層主要由TiF4組成的表層，氟改性（F?Ti）種植體對(duì)牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis，P.g.）有裂解作用，削弱了P.g.對(duì)成骨樣細(xì)胞MG?63的增殖與對(duì)堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性的負(fù)面影響，這與氟減弱了P.g.對(duì)成骨、破骨中的重要通路OPG/RANKL的干擾有一定關(guān)聯(lián)；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)?Ti種植體具有更強(qiáng)的螯合鈣離子的能力，使骨量沉積較多，相較于對(duì)照組純鈦種植體具有較高的種植體骨整合程度。Collaert等［14］將125個(gè)氟化物修飾的鈦種植體植入25名下頜無(wú)牙患者的下頜骨中，隨訪兩年發(fā)現(xiàn)125個(gè)氟改性種植體周圍平均骨丟失僅為0.11 mm，且均無(wú)種植體周圍炎發(fā)生，可認(rèn)為成功率為100%。而在該實(shí)驗(yàn)（2011年）之前，進(jìn)行相同手術(shù)操作的臨床實(shí)驗(yàn)所使用的TiOblast種植體的兩年后平均骨丟失達(dá)1.29 mm，1年成功率為78%。

2.2 鍶

鍶是一種親骨微量元素，相關(guān)藥物雷奈酸鍶用于促進(jìn)種植體周圍骨整合［15］。鍶可以刺激成骨細(xì)胞的增殖、抑制破骨細(xì)胞的分化，且可以抑制間充質(zhì)干細(xì)胞的成脂及成軟骨分化［16］。鍶在種植體周圍還可抑制免疫炎性細(xì)胞的反應(yīng)［17］。Okuzu等［18］通過(guò)堿熱法利用鍶來(lái)修飾種植體表面，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示，相比于對(duì)照組，鍶改性的鈦種植體有效提高了成骨細(xì)胞β?catenin的表達(dá)，成骨分化基因（Runx2，ALP，OCN，OPN）的表達(dá)也有明顯提升；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，相比于對(duì)照組，鍶改性種植體具有更好的早期骨整合，后期骨量損失也較少。Zhang等［19］通過(guò)MAO法獲得的鍶改性種植體在6周內(nèi)的快速骨整合性能與市售Straumann種植體相當(dāng)，且區(qū)別于Straumann種植體“從種植體表面向外生長(zhǎng)”的新骨生成方向，鍶改性種植體的成骨方向?yàn)檠刂N植體表面延伸，表明骨整合程度還將進(jìn)一步增加。

Offermanns等［20?21］通過(guò)磁控濺射工藝獲得納米級(jí)的鈦?鍶?氧（Ti?Sr?O）涂層并應(yīng)用于鈦種植體表面，創(chuàng)造出一個(gè)持續(xù)且可控的鍶離子釋放環(huán)境。在骨質(zhì)疏松小鼠模型中，該種植體周圍的骨形成與骨整合均明顯高于對(duì)照組，新骨的形成量與釋放的鍶離子量呈正相關(guān)，該涂層還可以使種植體骨整合提前到達(dá)最大程度。后續(xù)研究［22?23］顯示，在正常生物體內(nèi)，Ti?Sr?O涂層促進(jìn)種植體骨誘導(dǎo)性與早期骨整合的能力均強(qiáng)于臨床上廣泛使用的SLActive鈦種植體與氟改性種植體。

2.3 銀

銀離子改性種植體具有出色的抗菌抗炎能力。實(shí)驗(yàn)表明納米銀顆粒（silver nanoparticles，Ag?NPs）對(duì)多種口腔致病菌均有抑制作用［24］。Qiao等［25］通過(guò)PIII法將AgNPs嵌入表面粗化后的鈦種植體上，改性后種植體除獲得了良好的抗菌活性，還具有促進(jìn)成骨樣細(xì)胞MG?63增殖的作用。且PIII法釋放的游離銀更少，減少AgNPs帶來(lái)的毒性作用。

將銀與其它元素共注入種植體表面也是當(dāng)前的研究方向。Zhao等［26］通過(guò)PIII法將鎂與銀共同注入鈦種植體表面發(fā)現(xiàn)：鎂、銀共注入種植體的抗菌效應(yīng)與成骨誘導(dǎo)效應(yīng)均強(qiáng)于單獨(dú)使用鎂或銀改性的種植體，表現(xiàn)為成骨細(xì)胞ALP活性更強(qiáng)，成骨相關(guān)基因表達(dá)水平更高。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明：共注入種植體成骨量更大，種植體骨整合更強(qiáng)。共注入種植體成骨誘導(dǎo)作用可能與鎂銀形成微電池有關(guān)，鎂在微電池中充當(dāng)陽(yáng)極，該結(jié)構(gòu)可促進(jìn)鎂離子釋放，同時(shí)銀充當(dāng)陰極，減少了銀的釋放，進(jìn)一步降低游離銀帶來(lái)的細(xì)胞毒性。

2.4 鋅

在牙種植領(lǐng)域，鋅在促進(jìn)骨整合方面有較多的研究［27］。Zhu等［6］通過(guò)PIII法注入的鋅在鈦種植體的表層以ZnO存在，在深部以鋅單質(zhì)的形式存在，且鋅改性鈦種植體生物學(xué)效應(yīng)與鋅注入時(shí)的電壓有關(guān)，當(dāng)注入電壓由15 kV上升到30 kV時(shí)，種植體促進(jìn)細(xì)胞增殖與抗菌的能力均有所提升。鋅不僅可單獨(dú)注入，還可與其它元素聯(lián)合注入。Yu等［28］將鋅離子與鎂離子通過(guò)PIII法聯(lián)合注入鈦種植體表面，觀察到多種口腔厭氧菌生長(zhǎng)受到抑制。相比于單獨(dú)注入鋅或鎂離子，鋅、鎂離子共同注入的種植體還具備促血管生成的活性，且更能提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone mesenchymal stem cells，BMMSCs）成骨基因的表達(dá)、提升細(xì)胞黏附能力與生長(zhǎng)活性，能促進(jìn)快速成骨、維持長(zhǎng)期成骨、提高骨整合強(qiáng)度，這可能與鋅、鎂離子在成骨過(guò)程中上的協(xié)同作用有關(guān)。

2.5 鉭

鉭可以促進(jìn)種植體成骨、抑制細(xì)菌增殖。Shi等［29］研究發(fā)現(xiàn)，鉭促進(jìn)成骨可能與 Wnt/β?catenin和TGF?β/Smad信號(hào)通路激活有關(guān)，同時(shí)鉭對(duì)破骨細(xì)胞也有抑制作用。鉭改性種植體的性能與鉭的粒度大小存在緊密聯(lián)系，納米鉭比微孔鉭具有更優(yōu)秀的成骨誘導(dǎo)性能［30?31］。Lee等［32］體內(nèi)研究表明，多孔鉭骨小梁改性的鈦種植體（Trabecular Metal?Dental Implants，TM）相比于 TSV 種植體（Tapered Screw?Vent?，TSV）具備更好的促成骨性能，表現(xiàn)為新骨形成量更大，骨小梁微結(jié)構(gòu)更好。多孔鉭骨小梁修飾的鈦種植體相比于傳統(tǒng)鈦種植體，骨丟失的風(fēng)險(xiǎn)更低［33］。Zhu等［34］通過(guò)磁控濺射法在鈦種植體表面覆蓋含鉭的微/納米涂層，觀察到其對(duì)口腔內(nèi)主要致病菌的黏附均有一定的抑制作用，其機(jī)制可能是由于BMMSCs對(duì)鉭的高黏附作用是特異性的，即不受細(xì)菌影響，而這種高細(xì)胞黏附的種植體表面減少了細(xì)菌黏附的機(jī)會(huì)，從而表現(xiàn)出抑菌效果。

2.6 鈷

鈷可以使缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible fac?tor，HIF）特異性脯氨酰羥化酶失活，從而穩(wěn)定HIF?1，激活下游基因，達(dá)到激活成骨的效果［35］。Zhou等［36］利用MAO法在鈦種植體表面覆蓋摻有鈷的二氧化鈦/磷酸鈣涂層，發(fā)現(xiàn)鈷的摻入使種植體周圍細(xì)胞表達(dá)更高水平的與血管和骨生成相關(guān)的細(xì)胞因子，且血管和骨形成效果與摻入的鈷量呈正相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)［37］，將鍶、鈷、氟通過(guò)MAO法共同注入至種植體表面，體外抗菌實(shí)驗(yàn)顯示共注入的種植體抑菌率可達(dá)95%；而在促進(jìn)血管生成及成骨方面，共注入種植體比鍶、鈷、氟這3種元素單獨(dú)注入或兩兩雙注入效果更好。但鈷元素過(guò)量易導(dǎo)致細(xì)胞毒性［35］，還需反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定其最適濃度及遠(yuǎn)期生物學(xué)毒性。

2.7 錳

錳被證實(shí)在成骨過(guò)程中具有重要作用，錳元素缺乏可能導(dǎo)致骨生成緩慢、骨變形等問(wèn)題。Yu等［38?39］分別利用PIII&D法與MAO法在鈦種植體表面覆蓋含錳涂層，構(gòu)建出可長(zhǎng)期釋放錳離子的環(huán)境，錳涂層對(duì)大腸桿菌與銅綠假單胞菌具有一定抑制作用。在成骨方面，錳可增強(qiáng)成骨細(xì)胞的分化，提高總體成骨量，原因可能是錳影響甲狀旁腺激素信號(hào)通路，從而調(diào)節(jié)骨礦物質(zhì)密度。但過(guò)量的錳對(duì)成骨細(xì)胞具有毒性作用。通過(guò)PIII&D法制備的含錳涂層比通過(guò)MAO法制備的釋放錳離子更少，有更好的生物安全性。

2.8 其它

Heo等［40］將納米金顆粒植入硅烷化的鈦種植體表面，金改性種植體可增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化，增加人脂肪干細(xì)胞中成骨分化特異性基因（COL1、Runx2、OCN、BSP等）表達(dá)，提高ALP的活性、增加鈣鹽的沉積，對(duì)種植體骨整合界面的形成有促進(jìn)作用。有研究發(fā)現(xiàn)納米金顆?？蓞⑴cp38/MAPK、ERK/MAPK等信號(hào)通路促進(jìn)成骨［41］。Li等［42］使用鈰（Ce）元素改性鈦種植體表面，通過(guò)磁控濺射法在鈦種植體表面獲得了不同Ce3+/Ce4+比例的納米氧化鈰涂層，隨著Ce4+含量的提升，BMMSCs的活力與種植體周圍新骨的形成及礦化水平也隨之提高。

3 小結(jié)

綜上所述，不同的微量元素各具優(yōu)勢(shì)，例如鍶、鉭等元素對(duì)于骨生成具有明顯的促進(jìn)作用，銀、鋅等元素具有更好的抑菌作用。而兩種及以上元素的共同使用比單獨(dú)使用1種元素獲得更好的效果。目前一些元素改性的種植體已經(jīng)用于臨床（氟、鉭等），有些種植體甚至獲得了比市售常用種植體更好的抗菌及促進(jìn)成骨的效果。現(xiàn)在微量元素改性種植體面臨的首要問(wèn)題之一是如何在微量元素發(fā)揮作用的低濃度范圍內(nèi)尋找一個(gè)合適的值，既要保證微量元素能有效地發(fā)揮其生物學(xué)功能，也要保證其對(duì)機(jī)體的潛在毒副作用最小。