氮化硅陶瓷在牙科種植體方向的應(yīng)用前景

氮化硅是一種非氧化物生物陶瓷修復(fù)材料，具有高耐磨性

、斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度和較穩(wěn)定的機(jī)械性能，同時(shí)，氮化硅種植體具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的生物安全性。氮化硅自1989 年以來(lái)就作為骨科關(guān)節(jié)植入物開始應(yīng)用，氮化硅對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞（L929）的生長(zhǎng)影響，與醫(yī)用的鈦合金（TiAl

V

）、氧化鋁無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異

。對(duì)患者應(yīng)用氮化硅椎間融合體術(shù)后30 年的臨床評(píng)估也證實(shí)了這一點(diǎn)

。此外，氮化硅還可抑制革蘭陽(yáng)性菌和革蘭陰性菌的黏附和增殖以及體內(nèi)誘導(dǎo)成骨再生

，降低了細(xì)菌的黏附和增殖進(jìn)而降低了種植體周圍炎和種植體脫落失敗的機(jī)率。具有優(yōu)秀機(jī)械性能和抗細(xì)菌粘附能力的氮化硅，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。本文旨在綜述氮化硅生物陶瓷的抗菌性和成骨性，通過回顧氮化硅作為骨科植入物的相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)一步分析氮化硅是否符合牙科種植體的基本要求，探討其作為牙科種植體的應(yīng)用潛力。

1 氮化硅獨(dú)特的表面特性

影響種植體生物活性的表面特性包括表面形貌、化學(xué)成分和生物物理特性（親水性）。

氮化硅的表面通常顯示出由突出的棒狀β-氮化硅晶粒（直徑1～2 μm）組成的微粗糙表面，其具有六邊形橫截面，并相互交織形成獨(dú)特的微米/納米級(jí)形貌。拋光后，氮化硅表面棒狀晶?；鞠?，表面光滑，具有微米級(jí)/納米級(jí)的氣孔。具有微粗糙表面形貌的植入物可以與細(xì)胞和組織相互作用，從而對(duì)骨整合產(chǎn)生積極的影響

。

應(yīng)用物理方法計(jì)算熱力輸送系數(shù)。Monin-Obukhov基于相似性理論和量綱分析建立了一個(gè)含有大氣下墊面粗糙度的方程(Monin and Obukhov,1954):

2017年11月，在滴滴成為ofo大股東后被派駐到ofo擔(dān)任高管的付強(qiáng)等人，全部被戴威“請(qǐng)”走了。一個(gè)被媒體反復(fù)描述的場(chǎng)景是，戴威沖著電話那頭的付強(qiáng)怒吼：“滴滴的人都給我離開ofo！”

在小鼠顱骨缺損內(nèi)植入氮化硅，周圍69%的區(qū)域有新骨生成，而作為對(duì)照組的聚醚醚酮和鈦周圍分別僅有24%和36%的區(qū)域有新骨生成，說明氮化硅陶瓷種植體相比于傳統(tǒng)鈦等種植材料具有更好的促進(jìn)新骨形成能力

。使用山羊模型比較聚醚醚酮與氮化硅生物材料作為椎間融合體的植入結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氮化硅組（52.6%）比聚醚醚酮組（27.9%）在關(guān)節(jié)融合方面表現(xiàn)更好，說明了氮化硅在成骨性方面的優(yōu)勢(shì)

。一項(xiàng)對(duì)于氮化硅作為腰椎融合體的大規(guī)模臨床評(píng)估，也充分證實(shí)氮化硅優(yōu)秀的成骨性能

。

氮化硅表面的微米/納米級(jí)形貌有效減少細(xì)菌定植是其主要的抗菌機(jī)制之一

。氮化硅表面的Si-O、Si-NH

和Si-NH

等主要官能團(tuán)為其創(chuàng)造一個(gè)親水表面。而這種親水的氮化硅表面通過蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞粘附阻礙了細(xì)菌生物膜的形成

。在生理pH 的水溶液條件下，氮化硅能將氫原子從Si-OH 基團(tuán)中解離出來(lái)，使其表面帶負(fù)電荷

。通過靜電作用阻礙細(xì)菌附著。同時(shí)氮化硅表面-NH

基團(tuán)的反應(yīng)自發(fā)釋放的氨增加了介質(zhì)的pH

，導(dǎo)致建立了不利于細(xì)菌粘附的弱堿性環(huán)境（pH 值約為8.5）

，也影響了細(xì)菌的代謝

。另一方面，釋放出的氨（NH

）會(huì)形成過氧亞硝酸鹽（ONOO-），這會(huì)影響細(xì)菌的正常新陳代謝，導(dǎo)致它們死亡

。為了闡明氮化硅的抗菌活性的確切機(jī)制，還需要進(jìn)一步的研究。

2 氮化硅具有良好成骨性

由于氮化硅在氧化或含水環(huán)境中熱力學(xué)不穩(wěn)定，其表面通常覆蓋一層厚度約為3～5 nm 的氧化層，由氮氧化硅組成，存在硅氮、硅氮氧和硅氧鍵

。由于這種氧化，氮化硅的組成從原本的純硅氮鍵到氧化層內(nèi)部區(qū)域的硅氧氮，再到表面的硅氧，若是氧化層足夠厚，其組成相當(dāng)于二氧化硅。當(dāng)暴露于水介質(zhì)時(shí)，Si-N鍵會(huì)反應(yīng)形成Si-OH和NH

。

3）果園懸掛糖醋液，誘殺蘋小食心蟲，可減輕其危害。糖醋液配制比例：糖0.5 kg、醋1 kg、水10 kg。

氮化硅材料的優(yōu)秀成骨性能依賴于以下諸多機(jī)制。首先是氮化硅的微粗糙表面以及親水性，可以增加成骨細(xì)胞黏附，這是后期成骨分化、基質(zhì)礦化和骨再生的基礎(chǔ)

。其次，氮化硅表面特有的生化反應(yīng)提供了硅酸根離子（SiO

）

、氨以及一氧化氮，氮化硅表面硅酸和含氮化合物的釋放增強(qiáng)了細(xì)胞的代謝、增殖、以及成骨向分化活性。硅酸和含氮化合物可以通過上調(diào)骨保護(hù)素和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 的表達(dá)來(lái)影響成骨細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生活性，在強(qiáng)烈刺激成骨細(xì)胞分化的同時(shí)，它們也抑制破骨細(xì)胞的形成

。并且，Si 和N 元素可以刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨向分化，加速骨生長(zhǎng)

。同時(shí)，（SiO

）

和N 離子在骨磷灰石形成中為成骨細(xì)胞的活動(dòng)提供了有利的化學(xué)環(huán)境，例如表面電荷對(duì)蛋白質(zhì)折疊

、細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)和增殖的促進(jìn)作用

，以及對(duì)相關(guān)生物學(xué)信號(hào)的調(diào)控

。還有，硅酸根的析出可營(yíng)造出弱堿性環(huán)境

。弱堿性微環(huán)境可對(duì)成骨細(xì)胞增殖和隨后的成骨細(xì)胞分化產(chǎn)生積極影響

。在體內(nèi)這些因素和周圍組織和細(xì)胞的綜合作用有助于氮化硅種植體與周圍骨組織的結(jié)合。

與氧化鋯、聚醚醚酮、鈦和鈦合金相比，氮化硅可以有效抑制表皮葡萄球菌和大腸桿菌的生長(zhǎng)

。與鈦和氧化鋯相比，氮化硅對(duì)牙齦卟啉單胞菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落形成均有抑制作用。且氮化硅在活菌/死菌染色中表現(xiàn)出強(qiáng)的紅色熒光，說明氮化硅導(dǎo)致了大量的牙齦卟啉單胞菌死亡

，這也驗(yàn)證了之前的研究

。說明氮化硅不僅抑制細(xì)菌的黏附，還有一定的抗菌性能。

3 氮化硅具有抗菌活性

然后，KF利用對(duì)當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的觀測(cè)值來(lái)更新在上一階段的預(yù)測(cè)值，從而獲得一個(gè)平均誤差更小的估計(jì)值，測(cè)量更新過程如下：

由此可見，在恒定pH 值（7.4）的水介質(zhì)中，氮化硅表面的主要官能團(tuán)為Si-O、Si-NH

和Si-NH

。這些親水性基團(tuán)使氮化硅表面表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性

，有利于成骨細(xì)胞的黏附，促進(jìn)早期成骨

。

4 氮化硅具有阻射性

氮化硅具有部分阻射性

。通過影像學(xué)檢查清楚地看到種植體與周圍骨組織的結(jié)合情況

，而且不會(huì)像鈦種植體一樣在牙科錐體束CT 掃描中出現(xiàn)放射偽影的問題。并且，氮化硅陶瓷種植體的射線密度與牙釉質(zhì)相當(dāng)。因此，可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氮化硅種植體與周圍組織，特別是骨組織接觸的密合性。

5 小 結(jié)

目前，氮化硅材料應(yīng)用于牙科種植體還存在以下問題：①氮化硅材料的傳統(tǒng)加工方法成本高，由于氮化硅具有很高的硬度，傳統(tǒng)的氮化硅植入物通常需要制造后經(jīng)金剛石加工和拋光才能生產(chǎn)出所需的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)，所需成本可能較高；②關(guān)于氮化硅生物活性的臨床研究尚不充分，氮化硅的抗菌性能，雖然已在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到證明，但還缺乏進(jìn)一步的臨床研究來(lái)評(píng)估；③關(guān)于氮化硅材料口腔致病菌抗菌性研究不足，已有研究表明氮化硅對(duì)于牙齦卟啉單胞菌等細(xì)菌具有抗菌性，但當(dāng)其作為牙科種植體時(shí)，它還可能會(huì)面對(duì)伴放線放線桿菌、中間普氏菌等口腔細(xì)菌的侵襲，目前相關(guān)研究尚存空白，難以針對(duì)臨床問題形成較好的指導(dǎo)意見；④氮化硅目前的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究主要集中在長(zhǎng)骨、顱骨等，對(duì)于頜骨植入氮化硅后的成骨活性和抗菌性能方面研究還不充分。

針對(duì)以上問題，在今后的研究中需要：①引進(jìn)新的成型工藝，降低生產(chǎn)成本；3D 陶瓷打印技術(shù)

在生產(chǎn)具有所需的解剖形狀、精確的尺寸和良好控制的微結(jié)構(gòu)的氮化硅方面具有更高的成本效益，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化高、性能高效、低成本的定制牙科種植體；②加強(qiáng)對(duì)氮化硅生物活性的臨床研究，加深對(duì)不同燒結(jié)助劑、燒結(jié)工藝制備的氮化硅生物陶瓷成骨性、抗菌性等性能進(jìn)行的評(píng)價(jià)性研究，推進(jìn)氮化硅動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)，研究氮化硅材料與生物組織之間的相互作用；③明確氮化硅抗菌機(jī)制，繼續(xù)研究氮化硅對(duì)不同口內(nèi)優(yōu)勢(shì)致病菌的抑制作用；④開展專項(xiàng)課題，集中研究氮化硅材料植入頜骨后的成骨活性和抗菌性能。

【Author contributions】 Zou RF collected the references and wrote the article. Lai X revised the article. Deng B guided the writing of the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

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