金屬及金屬氧化物在牙種植體中的抗菌應(yīng)用

馬歆茹，周詩雨，杜 芹△

(1.遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 563003；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院口腔科，四川 成都 610072；3.川北醫(yī)學(xué)院，四川 南充 637000)

牙種植是一種常見的缺牙修復(fù)方法，具有較高的長期存活率。但在種植后的前5 年中，種植體周圍炎的發(fā)生率高達 14.4%，并且呈現(xiàn)出增長的趨勢[1]。種植體周圍炎是導(dǎo)致種植失敗的重要原因之一，菌斑是種植體周圍炎的始動因素。種植體周圍炎患者常需抗生素治療，而耐藥菌株的出現(xiàn)為治療帶來了一定的困難。對種植體進行表面改性或合金化，引入無機金屬抗菌劑，可以避免抗生素耐藥性，并賦予種植體優(yōu)異的抗菌性能。本文主要介紹金屬及金屬氧化物抗菌原理及其在牙種植體中的抗菌應(yīng)用，為種植體表面改性提供理論基礎(chǔ)。

1 金屬及金屬氧化物的抗菌原理

金屬及金屬氧化物的主要抗菌機制主要有以下幾個方面：①通過金屬及金屬氧化物表面溶解出金屬離子，與功能蛋白結(jié)合：如鋅離子(Zn2+)可以與功能蛋白結(jié)合，從而改變細(xì)胞膜通透性。細(xì)胞內(nèi)增多的Zn2+與酶的硫醇基(-SH)相互作用，影響各種細(xì)菌的酶促反應(yīng)，減弱糖酵解并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[2]；銀離子(Ag+)與細(xì)胞膜中存在的蛋白質(zhì)中-SH反應(yīng)形成穩(wěn)定的S-Ag鍵，使其失活并導(dǎo)致ATP合成中斷；②通過產(chǎn)生活性氧(ROS)引起細(xì)菌細(xì)胞脂質(zhì)，蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的氧化：如Zn2+、Ag+和Cu2+可引起微生物細(xì)胞產(chǎn)生過量ROS，導(dǎo)致氧化應(yīng)激[3]；氧化鋅納米顆粒和二氧化鈦納米顆粒可在光或紫外線照射下激活電子-空穴對產(chǎn)生 ROS，導(dǎo)致氧化應(yīng)激[3，4]；③金屬及金屬氧化物納米顆粒可以破壞細(xì)胞壁及細(xì)胞膜：金納米顆粒附著在細(xì)菌膜上，破壞膜電位，抑制ATP酶活性并降低ATP水平[5]；④金屬及金屬氧化物納米顆?？梢詸C械性的破壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)：如氧化鋅納米顆粒上的各種物理結(jié)構(gòu)，如不規(guī)則的突起和鋒利的邊緣可機械地破壞殺傷細(xì)菌[6]。

2 種植體抗菌表面改性的方法

使用無機抗菌劑對種植體進行表面改性的方式通常有三種：①通過制備合金，或通過離子注入和原位合成等方法，將無機抗菌劑直接富集于種植體表面；②通過微弧氧化和離子束輔助沉積等方法，在種植體表面原位生長形成二氧化鈦(TiO2)氧化物層并摻雜抗菌劑；③通過溶膠-凝膠技術(shù)和等離子噴涂技術(shù)等方法向種植體表面沉積TiO2或羥基磷灰石等涂層，并向其中摻雜抗菌劑。

3 金屬及金屬氧化物在牙種植體中的抗菌應(yīng)用

通過表面改性與合金化的方式，可以將金屬及金屬氧化物引入牙種植體中，賦予種植體良好的抗菌性能，減少種植體周圍炎的發(fā)生。常用于向種植體中引入金屬無機抗菌劑的方式主要為物理改性和化學(xué)改性，如離子注入、磁控濺射技術(shù)、電鍍和選擇性激光熔覆等，化學(xué)改性方法包括陽極氧化、微弧氧化、電化學(xué)沉積和溶膠-凝膠技術(shù)等。通過這些不同的方式改變種植體的化學(xué)成分及表面形貌，調(diào)控抗菌金屬離子的釋放，能夠影響細(xì)菌的黏附與生長。

3.1 用于牙種植體表面改性的金屬元素

3.1.1銀 銀是人類最早使用的一種廣譜無機抗菌金屬。大量研究表明，相較于銅和鋅，銀具有更強的抗菌性能，Ag+的最小抑菌濃度與 Cu2+和 Zn2+的最小抑菌濃度相差了數(shù)百倍。銀主要通過釋放Ag+影響細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和功能，銀納米顆粒由于其高表面積可釋放更多的Ag+，更常用于種植體表面改性。如Gunputh等[7]用原位合成的方法，將銀納米顆粒均勻修飾在生長有 TiO2納米管的鈦合金表面，使其能穩(wěn)定而緩慢溶解出Ag+，殺滅金黃色葡萄球菌。Mohandas等[8]采用水熱法將銀納米顆粒的嵌入鈦表面，形成嵌入Ag-NPs的納米葉結(jié)構(gòu)TiO2，能顯著降低耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的黏附性及活性，且具有良好的生物相容性，利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的存活、增殖和成骨分化。體內(nèi)實驗也證實了銀納米顆粒涂層優(yōu)異的抑菌和抗感染性能，如王曉婧等[9]通過電沉積在純鈦種植體表面制備納米亞晶狀銀涂層，并將其植入比格犬下頜前磨牙區(qū)，發(fā)現(xiàn)該組種植體在誘導(dǎo)種植體周圍炎2 個月后仍愈合良好，黏膜水腫較輕，表明改涂層可以預(yù)防并改善種植術(shù)后早期感染所致炎癥。

3.1.2銅 銅參與著機體的多種生理功能，是人體不可缺少的微量元素。銅能發(fā)揮優(yōu)異的抗菌活性，如Astasov等[10]采用火花輔助陽極氧化方法將銅沉積在鈦盤上，顯著抑制了其表面附著及環(huán)境中的牙齦卟啉單胞菌。Ghosh等[11]首先使用陰極電解合成法在鈦表面生長羥基磷灰石納米晶，再將這種由羥基磷灰石包覆的鈦作為陰極，將溶液中的銅離子電化學(xué)還原為銅納米顆粒，可持續(xù)的釋放出Cu2+以發(fā)揮持續(xù)的抗菌活性，有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。銅還能促進血管生成和新骨形成，以改善種植體的骨整合。如Zong等[12]在通過在純鈦表面上對不同銅含量的磁控濺射Ti-Cu涂層進行陽極氧化，將銅引入TiO2納米管陣列中。該涂層可以持續(xù)釋放Cu2+，發(fā)揮持久的抗菌活性，且能促進血管內(nèi)皮細(xì)胞合成一氧化氮及分泌血管內(nèi)皮生長因子。

3.1.3鋅 鋅是人體必需的微量元素之一，在人類機體中發(fā)揮著重要作用。鋅的抑菌性能優(yōu)良，如Huo等[13]通過陽極氧化和水熱法在鈦植入物上制備了結(jié)合鋅的TiO2納米管涂層，該涂層不僅能通過產(chǎn)生ROS有效減少其表面金黃色葡萄球菌的黏附定殖，且能通過釋放Zn2+抑制周圍的浮游細(xì)菌。鋅不僅能發(fā)揮良好的抑菌性能，且Zn2+可以促進骨代謝，促進骨骼生長并減少骨吸收，利于種植體的骨整合。如Jin等[14]采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在草酸刻蝕的鈦中注入鋅，使其能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。且隨著鋅注入的時間的延長，提升了該材料表面成骨細(xì)胞黏附、增殖和分化的能力以及對大腸桿菌的抑菌效果菌。Li等[15]采用溶膠-凝膠法在微弧氧化鈦基體上制備了一層含不同濃度Zn2+的羥基磷灰石涂層，不僅能對牙齦卟啉單胞菌有良好的抑制作用，且能促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖及成骨分化。

3.1.4鎂 鎂是骨骼生長必不可少的元素，鎂離子不僅可以抗菌，還能促進鈣的沉積。局部富含鎂的微環(huán)境可以提高成骨細(xì)胞的粘附率，促進新骨的生成并調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的信號傳導(dǎo)，以利于種植體材料的骨整合[16]。如Zhao等[17]采用微弧氧化方法在鈦種植體表面制備了鎂摻雜TiO2的微孔涂層，該涂層可抑制種植體周圍金黃色葡萄球菌的感染，促進成骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化，且可能通過ERK/c-Fos信號通路促進骨整合。最近Tan等[18]采用磁控濺射法在生物醫(yī)用鈦表面沉積了氧化鎂以調(diào)節(jié)種植體表面堿度，該膜無細(xì)胞毒性，可通過削弱跨膜質(zhì)子濃度梯度干擾細(xì)菌的呼吸作用，選擇性殺滅細(xì)菌，并促進其表面的成骨細(xì)胞增殖。

3.1.5鈦 鈦屬于惰性金屬，抗菌性能較差，但是通過對鈦表面形貌調(diào)控，制備納米結(jié)構(gòu)的鈦表面，可以減少細(xì)菌的黏附定殖，抑制生物膜的形成。如Bierbau等[19]采用陽極氧化的方法在光滑的鈦表面上制備不同的納米孔結(jié)構(gòu)，可以抑制其表面的血鏈球菌初期黏附，防止生物膜成熟，并且不影響其表面的細(xì)胞黏附生長。Liu等[20]采用水熱法在TiO2納米管表面和內(nèi)部修飾3～8 nm的二氧化鈦納米顆粒以增強其光催化活性。在經(jīng)紫外光處理后，該材料表面可生成大量ROS，下調(diào)變異鏈球菌糖基轉(zhuǎn)移酶基因以抑制其黏附，并減少變異鏈球菌和牙齦卟啉單胞菌數(shù)量。同時由于該材料的納米形貌和高表面能，TiO2納米管的生物相容性也得到了改善。

3.1.6多種金屬元素 將多種不同抗菌金屬元素同時用于牙種植體的表面改性，通過不同的機制抑菌，可能發(fā)揮較單種金屬元素更優(yōu)異的抑菌活性和生物性能。如Jin等[21]通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)將鋅和銀共注入到鈦中，由于鋅銀共注入鈦中鋅離子的長程相互作用和銀納米顆粒的短程相互作用的協(xié)調(diào)效應(yīng)，賦予了該材料良好的成骨活性和抗菌能力。Yu等[22]通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)，研制了雙鋅鎂離子共注入鈦的種植材料，不僅能發(fā)揮良好的成骨活性、促血管生成作用，且能一定程度上抑制牙齦卟啉單胞菌和具核梭桿菌等口腔厭氧菌。種植體涂層中鍶和鉭等異種金屬的添加可能降低抗菌金屬元素的細(xì)胞毒性，提升生物相容性。如Geng等[23]通過水熱法將銀引入鈦表面的磷酸鈣涂層中，同時添加鍶減弱銀的毒性。銀涂層雖然抗菌性能顯著提升，但細(xì)胞的增殖和分化明顯降低，而同時添加銀和鍶后，該涂層在保持抗菌性能的同時還可以發(fā)揮良好的生物相容性。

3.2 用于牙種植體合金化的金屬元素抗菌金屬可與鈦制備成合金新材料，可賦予種植體持續(xù)的抗菌性能。Liu等[24]設(shè)計并制備了一種新型的含銅鈦合金，與純鈦相比，能夠有效殺滅變形鏈球菌和牙齦卟啉單胞菌并抑制其生物膜的形成，從而抑制細(xì)菌感染，防止種植失敗。Shi等[25]制備了一種鈦銀合金，并表明其抗菌機制為主要受鈦銀顆粒的控制的接觸殺菌。隨著鈦銀合金中銀含量的增加，其抗菌性能提高。此外，通過對合金表面進行處理，能促進抗菌金屬顆粒的暴露，抗菌金屬離子的釋放及骨整合。如鈦銀合金經(jīng)噴砂處理和酸蝕后會形成含微米、納米孔隙和海綿狀納米結(jié)構(gòu)的微觀粗糙的表面，使表面暴露更多的銀且能在溶液中釋放 Ag+以發(fā)揮抗菌活性[1]。

4 結(jié)語

應(yīng)用金屬及金屬氧化物對牙種植體進行合金化或表面改性，可以賦予種植體抗菌性能，減少微生物的黏附及聚集。銅，鋅和鎂等金屬還可以誘導(dǎo)種植體的骨整合，促進骨組織的形成和改建。目前，金屬及金屬氧化物在牙種植體中的抗菌研究多數(shù)仍停留在體外研究階段，臨床研究相對較少，且存在一些局限，如金屬離子的釋放量會逐漸降低。如何避免不利因素，制備生物相容性良好且能發(fā)揮持續(xù)的抗菌活性的種植體，提高種植成功率并減少相關(guān)并發(fā)癥，是金屬及金屬氧化物在種植體中應(yīng)用的研究熱點及趨勢。