種植體摻離子表面改性技術及其促進骨結合的研究進展

俞 舟，黃廷賁，王慧明，楊國利

基于臨床醫(yī)學水平的進步與材料科學的發(fā)展，口腔種植技術日趨成熟，其在修復牙列缺損方面的突出表現(xiàn)解決了該類患者許多的問題，被譽為“人類的第三副牙齒”。相比于傳統(tǒng)的活動義齒，種植牙無論是在美觀還是咀嚼、發(fā)音等功能方面，修復效果顯著提升，極大改善了患者的生活質量。種植牙的成功率很大程度上有賴于種植體與牙槽骨之間形成緊密的骨結合。研究表明，種植體植入后，宿主會對植體產(chǎn)生一系列復雜且關聯(lián)的反應，其中包括炎癥反應、免疫反應等，而免疫反應的程度直接影響種植體的穩(wěn)定性和宿主的健康狀態(tài)。在臨床應用中，促進種植體與人體牙槽骨間的骨結合是種植成功的關鍵。大量研究也致力于通過種植體表面改性技術，以提高生物相容性，促進骨結合[1]。因此，本文通過總結種植體表面改性技術現(xiàn)狀、離子摻入技術及其具體相關機制，來明確未來的發(fā)展方向。

1 種植體表面改性技術現(xiàn)狀

種植體表面改性技術是通過對種植體表面進行活化處理，即改變材料表面的結構、成分、形態(tài)等物理化學性質，以期提高種植體的穩(wěn)定性及生物相容性，并賦予其一些特殊的性能，從而提高種植的成功率。

目前，種植體表面改性根據(jù)其技術原理不同可分為三類：一是物理方法，如噴砂酸蝕[2-3]、激光處理[4]、等離子噴涂、陶瓷化處理等，該類方法主要是適當改變種植體表面的粗糙度、表面形貌及電荷比例等，提高成骨相關因子、細胞、組織的粘附來促進成骨[5-6]；二是化學方法，如微弧氧化[7]、電化學沉積[8]、陽極氧化、溶膠-凝膠技術、酸堿處理等；三是生物方法，如表面硅烷化[9]、光化學接枝、蛋白固定等。后兩類方法主要是通過在種植體表面制備無毒、無副作用的生物活性涂層，提高其骨誘導及骨傳導能力，使種植體與牙槽骨之間形成良好的骨結合?；诜N植體表面改性技術的多樣性及其在促進種植體骨結合方面所表現(xiàn)出的巨大潛力，我們對種植體表面改性技術進行了相應整理。

2 種植體表面改性技術

2.1 電化學沉積技術

早在19世紀初，金屬電化學沉積就已出現(xiàn)，其發(fā)展時間較長，工藝也相對成熟。電化學沉積是指在外加電場的作用下，通過電極上發(fā)生氧化還原反應，使得電解液中的離子發(fā)生遷移，從而獲得所需鍍層。電化學沉積技術[10]可以在各種復雜的材料表面上進行沉積，并且所獲得涂層的均勻溫度，具有一致性；其次，電化學沉積可控性強，可通過調(diào)節(jié)電壓、沉積時間、溫度等參數(shù)實現(xiàn)對涂層表面形貌的控制；再者，電化學沉積成本較低、操作簡便。諸多優(yōu)點使得電化學沉積技術發(fā)展迅速，被廣泛應用于醫(yī)用材料領域之中。

2.2 微弧氧化法

近幾年，陶瓷材料因其獨特的性能受到了廣泛關注，而微弧氧化法作為一種能夠進行陶瓷化處理的技術，也隨之在材料領域大量應用。有關微弧氧化的研究，其發(fā)展可以追溯到20世紀30年代初期，德國科學家首先發(fā)現(xiàn)了高壓電場作用于金屬表面可發(fā)生放電現(xiàn)象。從20世紀70年代開始，各個國家紛紛加快了對該技術的研究。目前，此項技術己成為表面處理領域中較為活躍的研究內(nèi)容并進入工業(yè)應用階段。微弧氧化法是指選擇鋁、鎂、鈦等有色金屬作為陽極，向陽極上加載工作電壓，使其突破傳統(tǒng)工作電壓的法拉第區(qū)，其放電所產(chǎn)生的高溫高壓狀態(tài)使得放電通道的離子氣化，形成等離子體，促使金屬原子與電解液中的氧結合，從而在金屬表面原位生成一層以金屬氧化物為主的陶瓷膜層。該涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性，同時還增強了原有金屬的性能。由于電解質也參與該過程，故可通過配置不同成分的電解液，制得含豐富鈣磷元素的氧化膜。然而，對于生物醫(yī)學應用，陶瓷膜層的生物相容性和生物活性有待進一步提高，可通過摻入羥基磷灰石等材料加以改善[11]。

2.3 等離子噴涂技術

等離子噴涂是20世紀50年代后期發(fā)展起來的一種新工藝技術。作為較早應用于材料表面改性的方法，等離子噴涂技術采用溫度高達10 000 ℃以上的高速等離子射流作為熱源，將待噴涂的金屬、合金、陶瓷等材料經(jīng)高溫熔融后，高速噴涂于經(jīng)預處理的材料表面上，形成均勻而附著牢固的涂層。該技術具有沉積效率高、涂層均勻、可重復性好等優(yōu)點，是研究成熟、應用較廣的一種方法[12]。但該方法所制備的涂層與材料表面間多為物理結合，結合強度不高。同時在種植體表面改性應用中，多以制備羥基磷灰石涂層為基礎；由于等離子噴涂技術的熱源溫度高達10 000 ℃，羥基磷灰石在高溫狀態(tài)下易分解，影響涂層的穩(wěn)定性與生物相容性，故限制了其在口腔臨床中的應用[13]。

2.4 水熱法

種植體表面所需的涂層要求形貌均一穩(wěn)定，而水熱法恰好能夠滿足這一要求。“水熱”一詞大約出現(xiàn)在150年前，原本用于描述地殼中的水在溫度和壓力聯(lián)合作用下的自然過程。20世紀70年代，水熱法逐漸發(fā)展用于晶體材料的合成。水熱法是指在密閉的壓力容器中，以水溶液作為反應介質，在100～250 ℃溫度范圍內(nèi)所進行的化學反應[14]。該方法工藝簡便、成本低、反應可控，廣泛用于材料制備、化學反應及處理等領域。文獻表明，水熱法可用于制備可控尺寸的微/納米結構，所得的樣品形貌均一穩(wěn)定[15-16]。并且大量研究證實，種植體表面的納米級修飾可以影響細胞的行為，如促進細胞的歸巢等，從而有利于成骨活動[17-18]。因此水熱法同樣被認為是一種經(jīng)濟、有效的納米材料制備方法，其應用前途十分廣闊。

2.5 溶膠-凝膠法

1986年美國科學家Yamane等報道了溶膠-凝膠法。其將所需涂層的配料制備成溶液，進行水解、縮合等化學反應，形成溶膠，將溶膠涂布至材料表面，經(jīng)溶劑揮發(fā)后溶膠發(fā)生縮聚反應而膠化，形成凝膠膜，再經(jīng)干燥、熱處理后形成涂層。該方法具有反應條件溫和、可控等優(yōu)點，在玻璃、氧化物涂層、功能陶瓷粉料，尤其是傳統(tǒng)方法難以制備的復合氧化物材料、高臨界溫度氧化物材料的合成中有廣泛的應用，但制備過程十分復雜，周期也相對較長。并且凝膠在干燥過程中會發(fā)生劇烈收縮，易使涂層開裂、不穩(wěn)定。這些問題都有待于進一步解決。

2.6 仿生沉積法

仿生沉積法是指在外界條件下模擬人體內(nèi)羥基磷灰石的礦化機制，將材料置于與人體體液類似的模擬體液之中，從而在材料基底表面自然沉積獲得生物涂層。通過該方法制備出的涂層與人體內(nèi)構成骨組織的無機礦物質具有相似的微觀結構與組成。且沉積的溫度為37 ℃，與人體的溫度水平一致，利于蛋白質類物質的沉積和保持良好活性。但該方法制備周期較長，所獲得涂層的強度不足，同時對模擬體液的配制有著嚴格的要求[19]。

2.7 聚多巴胺(Polydopamine, PDA)的表面改性

近年來，科學家們發(fā)現(xiàn)即使在潮濕條件下，海洋貽貝也可以附著在金屬、巖石等多種不同材料的表面，這有賴于貽貝粘附蛋白(Mussel adhesion protein, MAP)的主要成分。受到貽貝粘附能力的啟發(fā)，研究人員已開發(fā)出一種通用的聚多巴胺，它可以附著于各種有機和無機材料，例如金屬、玻璃、陶瓷和其他合成聚合物。通過PDA涂層共價修飾鈦表面上的固定Ⅰ型膠原的兩步法即可促進MC3T3-E1細胞粘附和早期成骨分化。

3 種植體表面摻離子改性促進骨結合的機制

3.1 鋰離子

在諸多單價元素之中，鋰元素因其在成骨活動中的突出表現(xiàn)而備受關注。一般而言，鋰元素是治療躁郁癥及其他精神類疾病藥物的主要成分。國外學者在一項研究中偶然發(fā)現(xiàn)，接受適宜劑量鋰鹽治療的患者在某幾個特定區(qū)域如腰椎和股骨近端均具有較高的骨密度[20]。進一步研究證明，鋰離子能夠抑制糖原合成激酶3(Glycogen synthase kinase3β， GSK-3β)的生成，而GSK-3β是Wnt信號通路的負調(diào)控因子[21-22]。眾所周知，Wnt信號通路在骨形成和改建過程中具有重要作用[23]。此外，一些研究表明，在骨/軟骨骨折愈合過程中，鋰離子能夠激活β-連環(huán)蛋白所介導的T細胞因子依賴性轉錄，從而促進成骨活動，而β-連環(huán)蛋白正是Wnt信號通路中的重要介質[24]。我們知道，成骨細胞可產(chǎn)生核因子κB(nuclear factor kappa-B， NF-κB)配體受體激活劑RANKL，刺激破骨細胞的產(chǎn)生[25]。同時，成骨細胞也產(chǎn)生骨保護素OPG，與RANKL產(chǎn)生競爭作用，通過高親和力與RANKL結合，有助于減少破骨細胞形成。OPG與RANKL的平衡是骨形成的重要因素，而骨保護素OPG的表達也受到Wnt信號通路的調(diào)節(jié)[26-28]。鋰離子可以通過Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路，促進OPG表達，介導RANKL/OPG信號軸，調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞之間的平衡，即促進成骨細胞分化，抑制破骨細胞的形成，從而達到增強成骨過程的目的。因此，鋰元素能夠有效促進種植體與牙槽骨間的骨結合，可以為臨床應用提供新的治療方向和思路。

3.2 鋅離子

作為人體必需的微量元素之一，鋅不僅和人體骨骼生長發(fā)育息息相關，更是人體內(nèi)許多金屬酶結構形成、催化調(diào)節(jié)功能正常行使的關鍵，而堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)則是其中之一。作為成骨過程中不可缺少的一部分，堿性磷酸酶是糖基磷脂酰肌醇錨定的鋅金屬化糖蛋白。成骨細胞在成熟過程中釋放堿性磷酸酶，催化磷酸單酯水解為無機磷酸鹽。本質上，它們的作用是營造一個堿性的環(huán)境，有利于無機磷酸鹽沉淀和礦化到成骨細胞產(chǎn)生的細胞外基質上[29]。大量研究表明，在骨改建過程中，鋅可從骨組織中釋放，微環(huán)境中多余的鋅能阻止破骨細胞的骨吸收，并刺激成骨過程[30]。ZIP1作為一種普遍存在于質膜上的鋅轉運蛋白，負責破骨細胞對鋅的攝取，并且對破骨細胞的分化具有顯著地抑制作用，而鋅能夠促進ZIP1過表達。此外，ZIP1還能阻斷NF-κB的信號傳導途徑。與此同時，鋅也能抑制破骨細胞前體細胞中的基礎NF-κB水平，而這些均對破骨細胞的分化至關重要[31-32]。進一步研究表明，鋅離子能夠促進成骨細胞膠原基質的生成[33-34]。膠原基質的增加促使成骨細胞與基質整合素α2β1的結合增加，介導MAPK通路，激活ALP和Runx2基因轉錄，最終上調(diào)骨鈣素的表達，促進成骨。

3.3 鈷離子

眾所周知，骨骼是高度血管化的組織，骨組織完整性的維持有賴于血管和骨細胞之間的密切關系。血管是骨細胞傳遞氧、營養(yǎng)素、激素、神經(jīng)遞質和生長因子等的主要通道，同時骨血管還參與協(xié)調(diào)造血過程。因此，血管生成在骨骼發(fā)育、修復和重塑中起關鍵作用。同樣，理想成骨過程的建立需要快速和良好的新生血管的形成，這不僅為細胞生存和增殖提供營養(yǎng)供應，還促進間充質干細胞歸巢到種植體表面，促進骨結合[16]。現(xiàn)代骨組織工程中存在的主要問題是合成植入材料周圍缺乏足夠的血管形成?；诖?，鈷元素的特殊性質引起了科學界的注意。鈷是人體所需的微量元素，同時也是體內(nèi)許多金屬蛋白的輔助因子。參與人體骨髓紅細胞生成的維生素B12即是由鈷組成。長期以來，氯化鈷一直用于上調(diào)缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)。而后者則通過產(chǎn)生缺氧模擬條件促進血管生成。大量研究表明，鈷元素摻入的人工合成骨材料如生物活性玻璃、β-磷酸三鈣陶瓷和羥基磷灰石能夠模擬缺氧，并且具有顯著提高血管生成的特性[15,35-36]。其具體機制為鈷離子能夠調(diào)節(jié)并穩(wěn)定細胞內(nèi)的缺氧誘導因子(HIF-1α)，模擬缺氧狀態(tài)，隨后激活HIF-1α的靶基因如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)和促紅細胞生成素EPO，細胞通過表達這些靶基因，促進新生血管形成和血管生成來補償缺氧環(huán)境[37]。因此，摻入鈷元素將會是提高種植體血管生成能力和成骨活性的一種新方法，特別是結合種植體表面改性。值得注意的是，過量的鈷不僅會引起細胞毒性，還可能對周圍組織產(chǎn)生嚴重不良反應[36,38]。據(jù)有關報道[39]，鈷離子能激活和增加破骨細胞分化，造成無菌性骨溶解和種植體松動。因此必須合理控制其摻入劑量。

3.4 鎂離子

作為人體骨組織中含量最為豐富的微量元素，鎂是人體許多必需酶的輔助因子，參與生物體內(nèi)各項催化反應及控制生物功能，同時由于其對骨基質和礦物質代謝有間接影響，使得鎂在骨組織工程學方面?zhèn)涫荜P注[40-42]。據(jù)報道，羥基磷灰石中摻雜鎂有助于成骨細胞的粘附、增殖和礦化[43]。此外，大量體內(nèi)實驗證實，長期缺乏鎂會導致骨質疏松，同時鎂摻入的人工骨材料應用于骨缺損修復時表現(xiàn)出良好的成骨特性[44]。有研究表明，內(nèi)皮細胞中鎂離子誘導NO產(chǎn)生的機制與血管內(nèi)皮生長因子VEGF誘導血管生成的機制基本相同[45-46]。其具體機制為VEGF激活內(nèi)皮細胞跨膜VEFGR2受體，從而激活多條通路促進血管生成，包括內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)(血管通透性)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)(增殖與存活)、細胞間粘附分子ICAMs/血管細胞粘附蛋白VCAM/基質金屬蛋白酶MMPs(遷移)[47]。因此推測鎂在維持血管功能方面上具有重要作用。目前臨床上已用于磷酸鎂骨材料和一些生物玻璃之中。

3.5 鍶離子

在人體骨組織中，鍶的含量約為0.035%。鍶離子與鈣離子的大小相似，因此推測其在成骨過程中可取代鈣離子。近幾年來，大量體外和體內(nèi)實驗清楚地表明了鍶對骨形成的促進作用[48-49]。研究發(fā)現(xiàn)，鍶可能通過雙重作用來刺激成骨[50]。首先鍶離子可激活成骨細胞內(nèi)的鈣敏感受體CaSR和下游信號通路，促進成骨細胞增殖、分化和存活。同樣，破骨細胞中的CaSR和下游信號通路也可被鍶激活，減少骨吸收，誘導破骨細胞凋亡。再者，鍶可增加骨保護素OPG的生成，并降低RANKL的表達[51]。而OPG/RANKL的比例是骨吸收和破骨細胞的一個強有力的調(diào)節(jié)器。另外，鍶離子也能促進NFATc/Wnt信號、前列腺素E2(PGE2)、成纖維細胞生長因子受體FGFR在成骨細胞中的表達，減少硬化蛋白表達(由骨細胞產(chǎn)生的Wnt信號通路的拮抗劑)[52]。鍶強大的促成骨能力引起了臨床科研工作者的廣泛關注。目前，雷尼酸鍶已被用于治療骨質疏松，其低廉的價格和獨特的雙重抗骨質疏松作用給患者帶來了極佳的臨床效益。有趣的是，低劑量的鍶能促進骨形成，與此相反，高劑量的鍶則可引起骨礦化缺陷和改變礦化物結構，故鍶離子應用的最佳濃度仍值得我們關注[53]。

3.6 硅離子

硅雖然不是人體所必需的微量元素，但其在人體中具有一些非常重要的功能，比如硅有利于人體內(nèi)軟骨和糖胺聚糖的形成或功能，這可能會影響骨的形成、維護以及心血管健康[54]。在一些動物實驗中，飲食方面的硅缺陷可以導致骨的畸形發(fā)育、膠原形成減少和生長發(fā)育遲緩[55]。此外，有研究還發(fā)現(xiàn)，硅元素摻雜的人工合成材料具有促進骨生長的能力[56]。說明硅對成骨細胞活性具有刺激作用，如促進成骨樣細胞的增殖和分化、成骨細胞的礦化和間充質干細胞的成骨分化，同時也影響破骨細胞的骨吸收率[55,57]。雖然硅誘導骨再生的具體機制仍不清楚，不過硅促進成骨可能是在成骨的早期階段通過合成或穩(wěn)定膠原蛋白來實現(xiàn)，而膠原蛋白是骨基質中最豐富的蛋白質[55]。此外，硅在礦化過程中起著至關重要的作用。生物礦化過程的早期，在鈣化較為活躍的部位可以發(fā)現(xiàn)硅。而在鈣化后期，硅以硅酸的形式，誘導電解質溶液中羥基磷灰石的沉淀[58]。最近的一些研究也指出硅可能具有血管生成的能力。在一項使用含硅酸鈣的材料(無磷)的研究結果表明，硅能誘導人體皮膚成纖維細胞VEGF的表達，增加內(nèi)皮細胞中NO合酶和NO的生成[59]。

3.7 錳離子

錳在人體內(nèi)幾種代謝途徑和細胞穩(wěn)態(tài)中起重要作用。在一項特定的研究中發(fā)現(xiàn)，雛雞中錳缺乏可導致骨變形，并且一些重要骨標志物的血清水平顯著降低，例如降鈣素CT、堿性磷酸酶ALP和抗酒石酸酸性磷酸酶TRAP，而甲狀旁腺激素PTH分泌卻增加[60]。抗酒石酸酸性磷酸酶TRAP是一種由破骨細胞分泌的化學物質，它能夠營造酸性環(huán)境，有利于骨吸收。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)錳在整合素與配體的結合中是必不可少的。甲狀旁腺激素PTH分泌的增加引起了科研人員的關注。隨后的許多研究注意到，原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進與分解代謝作用有關，從而導致骨密度顯著下降。因此錳被認為在甲狀旁腺激素PTH信號通路中起了一定的作用，這是一種關鍵的鈣調(diào)節(jié)機制[61]。另外，錳參與合成錳超氧化物歧化酶MnSOD，其作用是破壞活性氧如超氧離子，保護線粒體。而錳水平的降低會增加氧化應激的發(fā)生，而氧化應激已被證明能降低骨密度[62]。雖然研究已經(jīng)證明了錳在骨生物學中的有益作用，但到目前為止還沒有實際應用。

4 總 結

綜上所述，向人工骨移植材料中添加微量元素可以有效提高材料的機械強度，并對體內(nèi)的成骨反應產(chǎn)生積極影響。因此，向種植體表面摻入離子進行表面改性可以促進種植體骨結合，這不失為一項具有巨大發(fā)展前景的技術。此外，微量元素與組織工程材料相結合具有低成本、低風險、工藝簡便等優(yōu)點，故其引起了組織工程和生物醫(yī)學材料界的廣泛關注。但在實際臨床應用中，我們?nèi)孕枳⒁馕⒘吭卦隗w內(nèi)的釋放量及其是否能在一定水平內(nèi)產(chǎn)生相應積極的影響。未來研究者們將更深入研究這些微量元素，以便更好地了解它們?nèi)绾巫饔糜诠趋赖挠霞吧L過程。通過對微量元素的研究，有利于我們在臨床中尋找到更好的促進種植體骨結合的方法，縮短患者傷口的愈合過程，減少種植手術治療的時間。