鈦種植體表面生物活性涂層的應(yīng)用進展

王麗娜， 王佐林

（上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，同濟大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·同濟大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔種植科，上海 200072）

鈦種植體因其優(yōu)異的生物相容性、高機械強度和耐腐蝕性能被廣泛應(yīng)用于口腔領(lǐng)域[1]。20世紀40年代初，Bothe等首次將鈦引入醫(yī)療領(lǐng)域，直至1910年純鈦種植體的誕生[2]。然而，純鈦種植體表面的金屬特性使之與骨組織的結(jié)合有著明顯界限，因此各國學(xué)者們開始采用在鈦種植體上添加不同表面生物活性涂層的方法，以期使之獲得理想的與天然骨組織微環(huán)境協(xié)調(diào)一致的種植體表面結(jié)構(gòu)。本文將對此類方法作一綜述。

1969年，Hench教授[3]首先提出生物活性的概念。生物活性是指生物材料與骨組織之間存在化學(xué)鍵的特征。生物活性材料[4]是指該材料能與周圍微環(huán)境進行動態(tài)互動，從而促進和增強骨組織的形成。其中最具代表性的生物活性材料如磷酸鈣材料等，這些材料不僅具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，而且還可以在體內(nèi)降解釋放離子，形成一個弱堿性的環(huán)境，以提高細胞活性和加速骨修復(fù)[5]。

在生物醫(yī)學(xué)材料工程領(lǐng)域中，學(xué)者們提出了許多對鈦及其合金表面改性的方法[6]。這些方法側(cè)重于對種植體表面形貌和形態(tài)的改變[6-8]。近年來，有學(xué)者提出通過物理化學(xué)和生物化學(xué)沉積技術(shù)在鈦表面獲得額外生物活性涂層的方法[6]。

本文將從以下3個方面進行概述[9]。首先是無機磷酸鈣涂層，即與天然骨組織中的無機礦物相類似的磷酸鈣涂層；其次是有機生物分子涂層，指各種有機生物分子固定在種植體表面的涂覆方法；最后是有機-無機復(fù)合涂層，即模擬天然骨組織結(jié)構(gòu)和成分的涂層。

1 無機磷酸鈣涂層

1.1 磷酸鈣材料

磷酸鈣材料的生物活性現(xiàn)象主要由物相決定[9]。磷酸鈣材料的晶相、分子結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和孔隙率變化決定了磷酸鈣形成不同的物相[9]。這些物相包括磷酸三鈣、磷酸八鈣、無定形磷酸鈣、羥基磷灰石和碳酸型磷灰石等[10]。

1.2 磷酸鈣涂層的制作方法

1987年，有學(xué)者提出使用磷酸鈣涂層對種植體表面進行處理[11]。實驗證明磷酸鈣涂層材料具有生物活性，骨組織能直接附著于其表面而實現(xiàn)骨結(jié)合。同時磷酸鈣涂層的種植體具有良好的機械強度和出色的生物學(xué)特性。

磷酸鈣涂層的形成方法：通過將生物材料浸入過飽和磷酸鈣溶液中誘導(dǎo)材料表面的磷酸鈣成核，包括沉積工藝和物理沉積。沉積工藝如浸涂、溶膠-凝膠[12]、電泳沉積、仿生合成[13]；物理沉積如等離子噴涂[14]、濺射工藝、熱噴涂等[6,15]。但這些方法各有優(yōu)缺點。

目前，獲得種植體表面磷酸鈣涂層頗具代表性的方法是等離子噴涂技術(shù)[14]。等離子噴涂技術(shù)可以高效快速地形成磷酸鈣涂層，具有可以控制涂層厚度、表面形貌和化學(xué)成分等優(yōu)點。盡管大量研究證實了等離子噴涂涂層的骨傳導(dǎo)性和骨結(jié)合行為[14]，但該技術(shù)仍存在一些嚴重的問題。這些劣勢包括：①噴涂過程中的溫度過高、冷卻速度過快；②陶瓷粉材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量與鈦金屬的差別較大[15]，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致涂層在鈦合金基體上的相變和開裂，降低了涂層與基體的結(jié)合強度[16]；③基底形狀復(fù)雜不容易獲得均勻的涂層；④高溫、高壓條件下無法將有機化合物（如細胞因子、抗生素、生長因子、蛋白質(zhì)、多肽、DNA等）摻入磷酸鈣涂層中。隨后，Ke等[14]提出通過激光工程凈成形技術(shù)在Ti6Al4V上制備梯度羥基磷灰石涂層后進行等離子噴涂沉積，結(jié)果表明粘接強度從（26±2）MPa提高到（39±4）MPa。盡管改善了結(jié)合強度，但這種技術(shù)仍然存在高溫條件下羥基磷灰石的分解以及不能均勻的涂覆在鈦表面的問題。

溶膠-凝膠法制備的磷酸鈣涂層是在低溫下進行的，因此溶膠-凝膠法可以獲得比較均勻的涂層表面，但凝膠在燒結(jié)過程中會有較大的收縮，涂層易開裂，結(jié)合強度很弱[15]。因此，有學(xué)者通過陽極氧化形成二氧化鈦納米管，可以輕微改善溶膠-凝膠涂層與羥基磷灰石黏附性差的問題[15]。還有學(xué)者提出一種新技術(shù)——冷氣噴涂技術(shù)[16]，通過冷氣噴涂技術(shù)可以獲得高孔隙率、高結(jié)合強度的鈦-羥基磷灰石復(fù)合涂層。該技術(shù)雖然可以避免磷酸鈣材料發(fā)生相變，但成本較高。

2 有機生物分子涂層

目前，將蛋白質(zhì)等有機物固定在種植體材料上的生物化學(xué)方法引起了人們的極大關(guān)注[17]。將不同的生物功能性分子固定在鈦表面上，可以促進種植體界面處的骨再生。有機生物分子的修飾是利用骨組織中的有機成分來影響組織反應(yīng)。

2.1 生物分子固定在鈦表面的方法[9]

2.1.1 物理吸附 物理吸附是通過范德華力或靜電的相互作用而實現(xiàn)的[18]。吸附是在溫和的條件下進行固定的方法，因此幾乎不會破壞生物分子的活性。但是，通過將鈦種植體浸入到溶液中，生物分子的吸附濃度依賴于實驗條件，如pH值的高低、溫度的變化和溶劑的成分等。同時，在種植體植入后這些表面吸附的分子會不可控地單個爆發(fā)、快速釋放[19]。

2.1.2 物理捕獲 物理捕獲是生物分子通過屏障系統(tǒng)保留界面，沒有發(fā)生化學(xué)結(jié)合。因此，該技術(shù)比較溫和，適用于任何生物分子。但屏障系統(tǒng)通常很脆弱，若被撕裂或腐蝕將導(dǎo)致生物分子流失。

2.1.3 共價結(jié)合 共價結(jié)合是指鈦表面通過共價連接的方式衍生為反應(yīng)性基團的一種方法，如氨基或醛基[20]。共價結(jié)合具有非常高的表面能和較低的生物分子流失，但與其他固定生物分子的方法相比更復(fù)雜，更耗時。

2.2 有機生物分子涂層的應(yīng)用

學(xué)者將生物分子摻入如膠原蛋白等材料制成的種植體表面涂層中，這樣可以控制種植體表面生物分子的釋放[21]。將生物大分子摻入磷酸鈣種植體表面涂層材料中，這些生物分子可以誘導(dǎo)磷酸鈣物相的轉(zhuǎn)變，從磷酸八鈣變?yōu)樘妓嵝土谆沂c天然骨礦物質(zhì)更相似[21]。

有學(xué)者將生長因子添加到磷酸鈣涂層的種植體或膠原蛋白涂層的種植體中[22]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與鈦表面未結(jié)合生長因子的涂層相比，添加生長因子的涂層可以更有效地誘導(dǎo)骨形成[22]。

還有學(xué)者采用層層礦化技術(shù)[23]，將DNA中的陰離子磷酸基團與陽離子聚電解質(zhì)通過靜電相互作用而穩(wěn)定在種植體磷酸鈣涂層內(nèi)。該研究結(jié)果表明，有機生物分子DNA可以改善磷酸鈣的沉積速率，有利于將骨組織直接沉積到種植體表面[17]。

3 有機-無機復(fù)合涂層

3.1 有機-無機復(fù)合涂層的組成

骨骼是由有機基質(zhì)（其中90%是膠原蛋白）和無機相磷酸鈣納米晶體（碳酸型磷灰石）組成的[24]。有機分子可以在相當長一段時間內(nèi)維持其生物活性，而無機磷酸鈣涂層可以支持涂層的機械強度。因此，大多數(shù)學(xué)者研究的重點是開發(fā)類似于骨組織仿生納米顆粒的復(fù)合涂層，即由膠原蛋白和磷酸鈣制成的有機-無機復(fù)合涂層。

3.2 有機-無機復(fù)合涂層的應(yīng)用

有學(xué)者采用仿生礦化技術(shù)，通過有機生物分子促進或抑制磷酸鈣的組裝，可以獲得具有復(fù)雜形狀、多層次結(jié)構(gòu)、優(yōu)異機械性能的有機-無機復(fù)合材料[25]。納米磷酸鈣礦物相可以模擬天然骨組織的成分和結(jié)構(gòu)，具有良好的強度、骨傳導(dǎo)性與生物相容性[26]，同時還可以被人體組織降解吸收。因此，仿生礦化技術(shù)被認為是制作有機-無機復(fù)合涂層最有前途的技術(shù)之一[13]。

Izawa等[27]利用仿生礦化技術(shù)在黃原膠水凝膠上通過交替浸泡羥磷灰石（Xan/Hap=2.7）的方法，獲得了出色的機械性能（伸長率約為370%）。磷酸鈣涂層中摻入的生長因子，有利于促進骨組織與種植體界面處的骨形成[17]。Ciobanu等[28]學(xué)者通過仿生方法獲得摻雜鈰的羥基磷灰石/膠原涂層，研究結(jié)果表明該涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌效果。也有學(xué)者采用浸涂法涂覆硅-羥基磷灰石（Si-HA）涂層并以血管內(nèi)皮生長因子修飾[29]，運用綿羊骨質(zhì)疏松模型進行研究。結(jié)果表明，血管內(nèi)皮生長因子在Si-HA涂覆的支架上表現(xiàn)出協(xié)同吸附作用，獲得了更粗大的骨小梁、更高的骨形成率和血管生成率。

綜上所述，模擬天然骨組織的無機成分和有機成分的涂層可以直接影響種植體周圍組織的增殖分化反應(yīng)。有機成分的添加有利于改善新骨的形成。但將其應(yīng)用到臨床上仍有許多的問題和挑戰(zhàn)。目前臨床上的種植體表面無神經(jīng)、血管依附，不具有生物活性。如何運用合適的技術(shù)在其表面修飾促進血管、神經(jīng)和成骨的有機活性因子仍然是未來種植體發(fā)展的方向之一。因此，有機-無機復(fù)合涂層可能形成真正的類骨涂層，有望獲得功能與生物學(xué)性能優(yōu)異的新一代種植體。