椅旁紫外線光功能化技術(shù)提高鈦種植體生物活性的研究進(jìn)展

張華英， 趙雨薇， 于海洋

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)院修復(fù)科，四川 成都（610041）

目前臨床種植體?骨結(jié)合率（bone?implant con?tact，BIC）為40%～70%［1］。對(duì)于骨質(zhì)疏松或糖尿病等危險(xiǎn)系數(shù)較高的患者來(lái)說(shuō)，采用噴砂、微弧氧化、等離子噴涂、陶瓷化處理等表面改性方法提高骨結(jié)合的效果是可選的方案［2?3］。這些表面處理技術(shù)都是應(yīng)用于種植體生產(chǎn)階段，而對(duì)生產(chǎn)定型后的成品種植體無(wú)法進(jìn)行上述常規(guī)表面處理。由于術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中患者實(shí)際情況不符、骨質(zhì)變化、多顆種植、導(dǎo)板誤差等原因，有時(shí)會(huì)因?qū)Τ善贩N植體增加攻絲、更改方案內(nèi)容等而意外延長(zhǎng)種植體暴露時(shí)間，而部分品牌種植體本身就無(wú)抗氧化包裝，文獻(xiàn)報(bào)道鈦種植體一旦暴露在空氣中就會(huì)發(fā)生表面鈍化，鈦表面的生物活性會(huì)隨暴露時(shí)間的增加而逐漸下降，保存4 周后的鈦表面即可充分老化［4］。因此，在椅旁對(duì)成品種植體選擇進(jìn)行無(wú)損的表面活化，也是一個(gè)可行的方案。紫外線（ultraviolet，UV）介導(dǎo)的光功能化技術(shù)已被認(rèn)為是一種有效的表面改性方法，UV 光功能化可以重新獲得活性表面，利于實(shí)現(xiàn)鈦種植體更好更快的骨結(jié)合，提高種植體的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高、更均勻的BIC，提高種植手術(shù)的成功率，適合椅旁使用，應(yīng)用方便［5］。為了全面了解UV 光功能化對(duì)鈦種植體生物活性的影響，本文對(duì)椅旁UV 光功能化種植體的研究進(jìn)展作一綜述。

1 UV 光功能化技術(shù)的活化機(jī)制

1997 年，Wang 等［6］證實(shí)UV 光催化可以使TiO2膜表面產(chǎn)生超親水性，此后UV 照射作為一種新的表面處理技術(shù)用于提高種植體生物活性。而UV光功能化概念上是指UV 照射后鈦表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化和生物學(xué)能力的提高?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明UV 光功能化使TiO2氧化膜產(chǎn)生超親水性表面的機(jī)制主要有兩個(gè)：①親水性—由于TiO2介導(dǎo)的光功能化去除了疏水層的碳?xì)浠衔锘蚱渌嘉镔|(zhì)，導(dǎo)致水與清潔的TiO2表面互相吸引；②UV照射將TiO2表面電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，Ti4+離子轉(zhuǎn)化為Ti3+離子，從而產(chǎn)生氧空位，氧空位具有強(qiáng)氧化性，可以把吸附在TiO2表面的OH?和H2O 分子氧化成·OH 自由基，·OH 自由基可以將TiO2表面的碳?xì)浠衔镅趸蒀O2和H2O［6?7］。UV 處理通過(guò)改變鈦表面的物理化學(xué)性質(zhì)，將鈦表面的疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水性。該方法已大量應(yīng)用于環(huán)境工程和微生物學(xué)等領(lǐng)域［8?11］。

2 UV 光功能化技術(shù)對(duì)鈦表面特性的影響

鈦表面的生物活性會(huì)隨著暴露時(shí)間的推移而下降，新鮮制備的純鈦表面為超親水性，而老化鈦表面形成一層TiO2氧化膜，表現(xiàn)為疏水性［12］，經(jīng)UV 光功能化后可形成具有0°接觸角的高度親水親油表面［13?14］。X 射線光電子能譜分析結(jié)果表明，UV 光功能化技術(shù)可使鈦表面碳元素含量明顯下降，由35%～55%［15?18］降至低于20%，與新鮮制備的鈦表面相當(dāng)［19?20］（表1）。無(wú)論紫外線的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度如何，總能量為2 000 mJ/cm2是實(shí)現(xiàn)最高生物活性所需的最小能量［21］。這些研究數(shù)據(jù)表明，UV光功能化技術(shù)可增加鈦表面的表面能、增加親水性、降低碳?xì)浠衔锖浚也粫?huì)改變表面形貌，這種變化對(duì)于后續(xù)的細(xì)胞增殖、分化和骨結(jié)合能力都至關(guān)重要。

3 UV 光功能化技術(shù)對(duì)細(xì)胞生物學(xué)行為的影響

鈦表面生物活性的下降也稱為生物老化［19，22］。保存4 周后的鈦表面生物活性明顯下降，早期減弱的生物學(xué)過(guò)程對(duì)隨后成骨細(xì)胞的功能表達(dá)會(huì)產(chǎn)生不利影響［4］。老化鈦表面帶負(fù)電，不會(huì)主動(dòng)與帶負(fù)電的細(xì)胞相互作用，而是需要離子橋（特別是二價(jià)陽(yáng)離子）來(lái)吸引細(xì)胞［4，23?24］。UV 光功能化的鈦表面帶正電，可作為細(xì)胞黏附的化學(xué)吸引劑，與帶負(fù)電的細(xì)胞相互作用［4］。多項(xiàng)研究表明，親水性程度和生物學(xué)潛能之間沒有明確的相關(guān)性［4，22，25］。Iwasa 等［25］通過(guò)去除表面電荷或用陰離子處理來(lái)改變鈦表面的靜電狀態(tài)，電荷中和前后鈦表面均保持超親水性，但電荷中和前鈦表面的細(xì)胞黏附明顯增強(qiáng)。這項(xiàng)研究證實(shí)在調(diào)節(jié)生物活性方面，UV 光功能化鈦表面的靜電狀態(tài)是決定鈦表面生物活性（尤其是細(xì)胞黏附能力）的關(guān)鍵因素。UV 光功能化鈦表面生物活性提高表現(xiàn)為蛋白吸附能力增強(qiáng)，早期細(xì)胞黏附增加至老化鈦表面的2～4 倍，細(xì)胞增殖提高2 倍，成骨細(xì)胞堿性磷酸酶活性和礦化結(jié)節(jié)面積提高2 倍［19，26?28］，促進(jìn)細(xì)胞骨架發(fā)育［29］（表1）。

UV 光功能化使鈦表面帶正電荷，將更多的帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)和成骨細(xì)胞帶到鈦表面，碳?xì)浠衔锏臏p少有助于細(xì)胞黏附，促進(jìn)細(xì)胞增殖，從而加速和增強(qiáng)骨形成［28，30］。同時(shí)，UV 光功能化可以促進(jìn)磷灰石在鈦表面的沉積，從而進(jìn)一步增加成骨細(xì)胞的增殖和分化。

4 UV 光功能化技術(shù)對(duì)種植體骨結(jié)合的影響

近年來(lái)，關(guān)于UV 光功能化種植體的體內(nèi)研究成為熱點(diǎn)。很多種植體病例因較低的BIC 或種植體?骨界面的破壞性改變而失敗［31］。研究表明，UV 光功能化的種植體與骨之間幾乎沒有軟組織介入，種植體周圍有大量的新生骨生成，在愈合第4 周時(shí)BIC 即可達(dá)到最大化（近100%），經(jīng)UV光功能化的種植體在3 周和8 周時(shí)具有更高的骨密度和更多的骨組織附著［22，32?33］，種植體周軟組織的生物封閉性能增強(qiáng)［34］。種植體生物力學(xué)測(cè)試表明，UV 光功能化技術(shù)使種植體穩(wěn)定性提高4 倍［22］。UV 光功能化種植體可降低早期失敗的風(fēng)險(xiǎn)，甚至在極差的條件下也可以保證更快、穩(wěn)定的骨結(jié)合［35］。已有學(xué)者證實(shí)UV 光功能化的種植體在2 型糖尿病大鼠及骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)骨結(jié)合良好，可達(dá)到或高于正常的骨結(jié)合水平［36］，實(shí)現(xiàn)快速的骨結(jié)合（表1）。

表1 UV 光功能化前后鈦表面的變化Table 1 Changes in titanium surface before and after UV photofunctionalization

此外，UV 光功能化技術(shù)可增強(qiáng)種植體的機(jī)械固位。Ishijima 等［37］評(píng)估了UV 光功能化對(duì)老年大鼠種植體骨結(jié)合的影響。愈合兩周后，UV 光功能化的微型種植體具有更高的旋出力矩。UV 光功能化技術(shù)是提高BIC、促進(jìn)骨結(jié)合過(guò)程、增強(qiáng)種植體穩(wěn)定性的一個(gè)可行方法，在基礎(chǔ)研究和臨床研究中均具有重要價(jià)值。

5 椅旁UV 光功能化技術(shù)處理種植體的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀

目前臨床上可用的親水性種植體都儲(chǔ)存于特定的溶液中［1］，UV 光功能化或?qū)⑵浔４嬖诮橘|(zhì)中均可以誘導(dǎo)或保持種植體表面的親水性，促進(jìn)骨愈合過(guò)程并實(shí)現(xiàn)早期骨整合。UV 光功能化種植體與這些種植體之間的區(qū)別在于：UV 光功能化種植體表面是干燥、清潔的，而不是濕潤(rùn)的或伴有離子、分子的表面，儲(chǔ)存在介質(zhì)中可導(dǎo)致種植體表面異物沉積，并且沒有消除鈦表面的碳?xì)浠衔?。此外，介質(zhì)儲(chǔ)存的方法在促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附和擴(kuò)散方面的作用不如UV 光功能化［38］。因此UV 光功能化技術(shù)是提高種植體表面生物活性更安全的方法。

Funato 等［39］報(bào)告了第一例UV 光功能化種植體的臨床研究，在2.5 年的隨訪期內(nèi)，UV 光功能化種植體組（222 顆）的種植體穩(wěn)定系數(shù)（implant stabili?ty quotient，ISQ）每月增長(zhǎng)量為2.0～8.7，而未經(jīng)處理種植體組（168 顆）的ISQ 每月增長(zhǎng)量?jī)H為?1.8～2.8。UV 光功能化種植體所需的平均愈合時(shí)間為3.2 個(gè)月，而常規(guī)種植體約為6.5 個(gè)月。UV 光功能化種植體和常規(guī)種植體的成功率分別為97.6%和96.3%。

Hirota 等［40］研究發(fā)現(xiàn)，在初始穩(wěn)定性極低和/或骨量不足的情況下，UV 光功能化種植體仍能實(shí)現(xiàn)更快、更高的骨結(jié)合。在常規(guī)和復(fù)雜（骨增量、即刻種植等）情況下，UV 光功能化種植體的7 年成功率為100%［40］，但對(duì)于口腔癌患者，由于口腔癌相關(guān)的治療導(dǎo)致頜骨受到病理生理上的損害，頜骨切除后使用腓骨重建部位的骨質(zhì)差，不易產(chǎn)生骨結(jié)合。使用顆粒松質(zhì)骨和骨髓進(jìn)行頜骨重建部位的種植體也極易發(fā)生種植體周圍炎，即便是使用UV 光功能化種植體，其成功率也僅為22.2%［41］。這表明UV 光功能化不是一種在任何情況下都能實(shí)現(xiàn)成功骨結(jié)合的全能技術(shù)，對(duì)于口腔癌患者要慎重選擇可靠的種植治療。

UV 光功能化可增強(qiáng)機(jī)械加工和噴砂酸蝕種植體表面的骨結(jié)合能力，顯著降低早期種植失敗的風(fēng)險(xiǎn)［42］，該技術(shù)有望推廣至其他表面類型的鈦種植體。

6 小 結(jié)

綜上，UV 光功能化種植體的表面處理方法可在牙科、面部和整形外科等領(lǐng)域的植入治療中廣泛應(yīng)用。UV 光功能化增強(qiáng)骨結(jié)合歸因于超親水性的產(chǎn)生、表面碳?xì)浠衔锏娘@著減少以及鈦表面靜電狀態(tài)的改善。這些表面性質(zhì)的變化導(dǎo)致成骨細(xì)胞的增殖、黏附、分化和整體表達(dá)增加。但生物活性增強(qiáng)的基礎(chǔ)機(jī)制、超親水性和碳?xì)浠衔锶コ认嗷プ饔玫牡臋C(jī)制還亟待進(jìn)一步探索。因此，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)充分了解UV 光功能化的作用。

【Author contributions】Zhang HY wrote the article. Zhao YW, Yu HY revised the article. All authors read and approved the final manu?script as submitted.