氧化鋯牙種植體的現(xiàn)狀與未來(lái)

洪 光

（日本東北大學(xué)大學(xué)院齒學(xué)研究科口腔創(chuàng)新合作交流中心，仙臺(tái)，日本980-8575）

口腔種植體作為人工牙根用于種植義齒修復(fù)，已在口腔臨床上廣泛使用?？谇环N植體的10年存活率已達(dá)到96.4%，在口腔臨床的普及率也已大幅度提高。目前為止，鈦金屬依然是種植材料的首選材料，已在臨床上成功地使用了近60年。但是，對(duì)于牙齦較薄的患者，容易透出鈦金屬種植體的金屬顏色，而且，種植體植入以后的牙齦萎縮也會(huì)導(dǎo)致金屬外露，難以充分滿足個(gè)別患者對(duì)種植修復(fù)美觀性能的要求。還有一些學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在鈦種植體周邊的淋巴組織中有鈦離子的沉積，并指出鈦金屬可能是某些人潛在的致敏源。基于以上原因，無(wú)金屬全瓷口腔種植體成為研究的熱點(diǎn)，并且已有一些氧化鋯種植體上市用于臨床。第一代陶瓷種植體是氧化鋁種植體，在20世紀(jì)80年代在口腔種植體以及口腔外科手術(shù)領(lǐng)域使用，但因?yàn)槠渖锪W(xué)特性、斷裂韌性并不理想，長(zhǎng)期存活率較低，繼而退出了市場(chǎng)。隨著氧化鋯材料的普及以及技術(shù)的成熟，其材料特性也得到不斷地改善與提高，目前，氧化鋯材料的強(qiáng)度可達(dá)到1 200 mPa以上，其斷裂韌性也提高到10 mPa·m，已在牙科冠橋修復(fù)領(lǐng)域廣泛使用。自1995年以來(lái)，氧化鋯材料因其卓越的機(jī)械性能以及出色的生物相容性，并具有牙齒顏色等優(yōu)點(diǎn)，作為潛在的種植材料受到關(guān)注，在種植體以及種植牙基臺(tái)中已開(kāi)始使用。

由于有關(guān)氧化鋯種植體的研究還不多，且臨床觀察時(shí)間較短，仍需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)探討氧化鋯種植體的可行性。本文將通過(guò)介紹氧化鋯材料的特征、各種表面改性方法、臨床使用注意事項(xiàng)及最新研究進(jìn)展等，來(lái)展望氧化鋯種植體的未來(lái)。

1 氧化鋯材料的分類及材料特性

氧化鋯是鋯的氧化物-二氧化鋯的通稱。氧化鋯在室溫條件下，呈現(xiàn)單斜晶系結(jié)構(gòu)，但隨著溫度升高，在1 170℃左右，呈現(xiàn)四方晶系結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度提高到2 370℃左右，氧化鋯就呈現(xiàn)立方晶系結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程叫做“相變”，特別是從單斜相到四方相的相變過(guò)程當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生4%的體積收縮。四方相氧化鋯出現(xiàn)微裂紋的時(shí)候，裂紋周邊的結(jié)晶相會(huì)有應(yīng)力集中，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致四方相到單斜相的相變，這時(shí)候會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，抑制裂紋的擴(kuò)展，最終會(huì)加強(qiáng)材料本身的強(qiáng)度和韌性。這就是氧化鋯特有的“相變?cè)鲰g”現(xiàn)象。利用這個(gè)相變?cè)鲰g，讓氧化鋯具有更好的強(qiáng)度以及韌性。但是，四方相在常溫狀態(tài)下不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致低溫退化，也就是老化。為了讓四方相以及立方相在常溫下保持穩(wěn)定，在氧化鋯會(huì)添加少量氧化鈣或氧化釔等稀土類氧化物，形成固溶體，這樣的氧化鋯稱作穩(wěn)定化或者部分穩(wěn)定化氧化鋯。目前口腔臨床上使用最多的是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，特別是添加3mol%氧化釔（YO）的氧化鋯，在室溫下其四方相接近100%，稱作四方氧化鋯多晶體（Tetragonal Zirconia Polycrystal，3Y-TZP），從21世紀(jì)初開(kāi)始在口腔修復(fù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。3Y-TZP也是現(xiàn)有的氧化鋯牙種植體的主要材料。

在1998年，Nawa等人開(kāi)發(fā)了一種基于氧化鈰穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)氧化鋯/氧化鋁復(fù)合材料（NANOZR）。該復(fù)合材料由10 mol%的二氧化鈰（CeO）穩(wěn)定的TZP作為基體和30 vol%的AlO作為第二相組成。與3Y-TZP相比，NANOZR具有更高的強(qiáng)度和斷裂韌性，并且完全耐低溫退化，它的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度是3Y-TZP的兩倍以上，具有良好的機(jī)械性能，已在口腔臨床上開(kāi)始應(yīng)用。作為種植體材料，氧化鋯和鈦相比，有其長(zhǎng)處也有短處。氧化鋯在化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨耗性、顏色及強(qiáng)度方面比鈦優(yōu)秀，但是在韌性方面不如鈦。

2 氧化鋯種植體的表面改性及研究進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，因?yàn)榫哂休^高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的生物相容性，氧化鋯一直被用于髖關(guān)節(jié)股骨頭置換手術(shù)。 進(jìn)入21世紀(jì)后，氧化鋯作為潛在性口腔種植材料受到關(guān)注，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，3Y-TZP口腔種植體在細(xì)胞附著、細(xì)胞增殖和組織學(xué)反應(yīng)方面與鈦種植體相當(dāng)。和鈦種植體比較，氧化鋯種植體的骨-種植體接觸率（BIC）和鈦種植體沒(méi)有明顯的差異，在有些情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以及實(shí)驗(yàn)條件的不同，氧化鋯顯示出更好的BIC。而且，3Y-TZP種植體的靜態(tài)斷裂力在725 ～ 850 N之間，是臨床可接受的范圍。然而，3Y-TZP存在低溫退化（LTD）問(wèn)題，從而會(huì)導(dǎo)致種植體的斷裂。此外，氧化鋁增韌氧化鋯（ATZ），氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA），氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯（Mg-PSZ）和氧化鋯/氧化鋁納米復(fù)合材料（NANOZR）也被視為潛在的口腔種植體材料。

眾所周知，材料表面形態(tài)，化學(xué)成分及表面粗糙度是影響生物材料表面新組織形成的主要因素?？谇环N植體表面改性會(huì)影響骨結(jié)合及材料的機(jī)械性能。因此，為了提高氧化鋯的生物活性及組織相容性，研究人員特別關(guān)注探索有效的氧化鋯表面改性方法。對(duì)氧化鋯的表面改性方法可分為物理處理方法、化學(xué)處理方法和涂層方法。

2.1 物理處理方法

物理處理方法可分為噴砂處理、激光處理以及紫外線照射。粗糙化的種植體材料表面可以有效促進(jìn)骨整合度。噴砂是一種獲得粗糙表面的最有效的方法之一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)噴砂處理的氧化鋯種植體的表面粗糙度明顯高于機(jī)械加工的氧化鋯種植體，而且隨著表面粗糙度的增加，骨-種植體接觸率（BIC）也提高。機(jī)械加工的氧化鋯種植體移除扭矩（RTQ）明顯低于多孔性氧化鋯種植體。然而，噴砂會(huì)導(dǎo)致材料表面的微裂紋，而且噴砂過(guò)程中的機(jī)械力會(huì)誘發(fā)LTD。所以，噴砂處理對(duì)于氧化鋯而言，弊大于利。

相比之下，激光處理是一種快速、清潔和易于操作的方法。激光在牙科的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代末，通過(guò)激光照射可以提高表面粗糙度也已得到證實(shí)。經(jīng)過(guò)激光處理的氧化鋯種植體的表面粗糙度有明顯提高，可以提高新骨的形成并可以提高骨-種植體界面的機(jī)械強(qiáng)度。此外，激光處理也可以提高氧化鋯表面的潤(rùn)濕性，提高細(xì)胞的附著、增殖與分化，有助于加快氧化鋯的骨整合，而且研究表明，激光處理不會(huì)導(dǎo)致氧化鋯相變而影響其機(jī)械性能。從提高材料表面濕潤(rùn)性的觀點(diǎn)來(lái)講，紫外線（UV）也是一種非常有用的方法。紫外線處理可以通過(guò)去除材料表面污染，以有效地提高氧化鋯表面的濕潤(rùn)性。體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)紫外線處理的氧化鋯種植體比未處理的氧化鋯種植體，可以促進(jìn)細(xì)胞的初期附著、伸展以及增殖，并可以促進(jìn)軟組織附著，在BIC以及骨量上也都有明顯的增加。

2.2 化學(xué)處理方法

氧化鋯的化學(xué)處理方法有酸蝕方法和電化學(xué)方法。酸蝕氧化鋯使用的酸主要有氫氟酸、硝酸和硫酸。氧化鋯酸蝕可以在不破壞材料的情況下，有效地達(dá)成表面粗糙化。由于酸蝕可以去除氧化鋯表面的殘留物包括噴砂處理后的殘留物，所以酸蝕通常與噴砂同時(shí)進(jìn)行，被稱為噴砂酸蝕處理（SLA）。SLA是一種有效的種植體表面處理方法，SLA氧化鋯種植體顯示出良好的成骨細(xì)胞增殖和分化，以及良好的BIC值。然而有些文獻(xiàn)顯示，熱處理和酸蝕有可能降低氧化鋯的抗彎強(qiáng)度，這表明SLA方法不太適合用于氧化鋯的表面處理。

電化學(xué)處理可以在鈦合金表面形成納米結(jié)構(gòu)，可以顯著改善骨整合和抗菌能力。然而，因?yàn)檠趸喪欠菍?dǎo)電性材料，所以長(zhǎng)期以來(lái)電化學(xué)處理方法未能有效地應(yīng)用在氧化鋯材料。2017年，可以從固體金屬氧化物中去除的電化學(xué)脫氧（ECD）技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)ECD處理，氧化鋯表面呈現(xiàn)出良好的微孔結(jié)構(gòu)，接觸角降低，而且單斜相含量也略有下降。電化學(xué)處理技術(shù)也可以有效地在氧化鋯表面制造納米管。納米管具有藥物緩釋功能，有良好的機(jī)械性能以及生物相容性，作為嶄新的表面修飾方法受到關(guān)注。當(dāng)氧化鋯納米管浸泡在模擬體液中（SBF）30 d，在納米管表面形成羥基磷灰石，表明納米管具有良好的生物相容性。但由于氧化鋯的導(dǎo)電率不同，確定成熟的納米管成形方法需要進(jìn)一步的探討。

2.3 涂層方法

不同涂層方法也經(jīng)常被應(yīng)用于氧化鋯表面的改性，目的是改善表面性能以及生物活性。磷酸鈣（CaPO， CP）是一種具有生物活性的磷灰石，可以刺激骨修復(fù)，并加速細(xì)胞附著和增殖。在眾多的磷酸鈣中，羥基磷灰石（Ca（PO）（OH）， HA）是最穩(wěn)定并最不容易溶解的磷酸鈣之一。HA具有與骨相似的礦物成分，因此顯示出良好的生物活性，具有可以提高骨結(jié)合的能力。研究數(shù)據(jù)表明，HA涂層的氧化鋯比未涂層的氧化鋯有更多的新骨形成。然而，現(xiàn)有的氧化鋯磷酸鈣涂層技術(shù)具有涂層穩(wěn)定性差、和基底材料粘接強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，一些填充材料，例如磷酸三鈣和氧化鋯粉，被添加到涂層中以提高涂層的強(qiáng)度。除了磷酸鈣涂層，還有生物玻璃（Bioglass）涂層，聚多巴胺（PDA）涂層，絲素蛋白涂層等多種方法。但生物玻璃涂層也存在缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性、機(jī)械性能不足、涂層脆弱等缺點(diǎn)，絲素蛋白涂層也需要提高涂層效率。所以上述這些涂層方法應(yīng)該是一個(gè)值得探索的方面，但目前都還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究和改良。此外，這些涂層不僅是將惰性氧化鋯轉(zhuǎn)化為生物活性材料，而且一些涂層還具有藥物緩釋作用，可以充當(dāng)藥物傳輸系統(tǒng)（Drug Delivery System，DDS）。

關(guān)于氧化鋯種植體的研究，主要針對(duì)材料表面改性的研究占大多數(shù)，其次是針對(duì)材料本身機(jī)械性能的改良。因?yàn)楸娝苤?，氧化鋯的斷裂韌性還不能充分滿足臨床使用上的標(biāo) 準(zhǔn)。

3 氧化鋯種植體的臨床使用

自1987年世界上首個(gè)氧化鋯種植體在瑞典開(kāi)發(fā)并成功上市以來(lái)，以歐洲為中心，氧化鋯種植體慢慢普及。起初，氧化鋯種植體是以一體式為主流，但近年來(lái)分體式氧化鋯種植體也慢慢開(kāi)始普及。氧化鋯種植體已被推薦用于口腔領(lǐng)域，但主要還是使用在前牙區(qū)。臨床病例匯報(bào)顯示，氧化鋯種植體的存活率在91.5%，明顯低于鈦種植體。雖然氧化鋯種植體的失敗大多數(shù)發(fā)生在早期愈合階段，種植體植入1年以后的存活率高于植入1年以內(nèi)的存活率，但不同的臨床研究結(jié)果之間存在著差異。

氧化鋯種植體的失敗主要來(lái)源于種植體本身的斷裂或破壞。一部分是在種植體植入中發(fā)生的斷裂，一部分是植入以后使用過(guò)程中的斷裂。斷裂的主要原因還是材料本身的內(nèi)部缺陷，表面微裂紋等為主，而且斷裂容易發(fā)生在又深又薄又尖銳的螺紋邊緣，這個(gè)地方容易被trephine鉆破壞。關(guān)于氧化鋯種植體邊緣骨缺失（Marginal Bone Loss），呈現(xiàn)出與鈦種植體相似或更好的結(jié)果，但也有一些文獻(xiàn)報(bào)道不如鈦種植體。關(guān)于氧化鋯種植體周邊軟組織，研究結(jié)果表明，氧化鋯種植體和基臺(tái)提供了一個(gè)非常好的種植體周圍軟組織界面。對(duì)氧化鋯周圍軟組織反應(yīng)與傳統(tǒng)的鈦相比，氧化鋯的愈合反應(yīng)更好，炎癥浸潤(rùn)也更少。這可能是因?yàn)檠趸啽砻娴募?xì)菌粘附性低于鈦的緣故。雖然對(duì)氧化鋯種植體的前瞻性和回顧性臨床研究有些報(bào)告，但到目前為止，關(guān)于氧化鋯種植體的臨床研究并不多，特別是長(zhǎng)期隨訪研究很少。綜上所述，氧化鋯種植體的短期臨床效果是可以接受的，但仍然需要對(duì)其長(zhǎng)期效果進(jìn)行評(píng)估，以比較氧化鋯種植體和鈦種植體之間的臨床效果。

4 展望

氧化鋯作為新一代的種植材料有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。對(duì)于審美要求較高的患者，特別是對(duì)鈦金屬過(guò)敏的患者來(lái)說(shuō)，以氧化鋯為主的無(wú)金屬全瓷口腔種植體的需求日益增長(zhǎng)，而且氧化鋯種植體在提高其生活質(zhì)量（QOL）上會(huì)起到非常重要的作用。但是為了避免氧化鋯種植體的斷裂，降低種植體的失敗，提高存活率，不只是要針對(duì)氧化鋯材料本身的機(jī)械性能進(jìn)行改良，而且還需要通過(guò)建立合理有效的表面改性方法來(lái)提高氧化鋯材料的生物活性以及組織相容性。并且在氧化鋯種植體的制造過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。合理化氧化鋯種植體的設(shè)計(jì)，通過(guò)減少尖銳的螺紋及螺紋深度等來(lái)避免所有可作為應(yīng)力集中點(diǎn)的區(qū)域。3D打印等快速成型技術(shù)將來(lái)也應(yīng)該用于氧化鋯種植體的制作以減少材料浪費(fèi)。因此，氧化鋯表面改性以及確立3D打印氧化鋯技術(shù)將是未來(lái)氧化鋯種植體領(lǐng)域研究的重要方向。