鈦金屬在骨組織工程中的應用進展

董大偉(綜述)，閆景龍(審校)

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院骨四科，哈爾濱150001)

近年來，隨著醫學技術和醫用材料學的發展，鈦金屬作為醫用材料已受到了足夠的重視。由于鈦金屬及其復合材料具有良好的生物相容性、力學性能和耐腐蝕性，已逐漸成為臨床常用的骨科替代材料，已成為骨組織工程中的重要材料之一。

1 鈦金屬及其合金的應用

1.1 鈦金屬及其合金的生物學特性 鈦金屬質輕，密度近似于人骨，能更好地模擬人骨，發揮替代材料的功能。鈦金屬越純，塑性越好。這是因為純鈦結構中具有多個滑移面，表現為良好的塑性。該金屬為元素周期表中的過渡元素，存在α型晶型和β型晶型。鈦元素具有不飽和電子層，常與其他替換元素組成固溶體鈦合金。室溫下的鈦合金存在α型、近α型、α與β混合型、穩定β型和亞穩態β型五種晶型。鈦合金的組成、合金的預處理與機械加工條件、α與β晶型的相對比例等條件均會影響鈦合金的生物力學性能。穩定β型和亞穩態β型鈦合金強度大、成型性好、淬硬性高，被認為是彈性模量最低、力學性能最佳、抗腐蝕性優良的鈦合金。α與β混合型鈦合金同時存在兩種晶型，力學性能較好，機械強度相對較大。晶型為α型、近α型的鈦合金抗腐蝕性好，作為生物材料使用時可發揮持續穩定的效果。此兩種晶型只有在較低的室溫下才能發揮最佳性能，臨床應用常受到溫度的限制。鈦金屬及其合金的生物性能研究表明，鈦生物比不銹鋼、鈷合金材料具有更好的相容性，抗疲勞和耐腐蝕性也優于兩者［1］。研究證實，鈦具有良好的生物相容性，主要歸功于鈦金屬表面附著的氧化層［2］。該氧化層化學惰性高，生物毒性低，水溶性好，生物分子反應小，還具有良好的抗炎效果［3］。正常人體液包含水、糖類、蛋白質、類脂質以及微量金屬元素和無機鹽，這些均會對替代材料產生腐蝕。另外，機體組織和體細胞中也存在能加速替代醫用材料腐蝕的物質，這些物質不僅縮短替代材料壽命，還會在人體內蓄積，對機體產生一定毒性。動物埋藏金屬試體后鏡檢結果顯示，鈦比其他種類的金屬具有更低的組織排異反應［4］。鈦金屬及其合金組織排異小的原因可能與其氧化層有關，該氧化層的介電常數較大，接近于水［5］。較高的介電常數使得鈦金屬水溶性高，在水中極化后產生的靜電力較小，吸附蛋白質分子的概率也較小，組織排異性低［6］。目前也有研究表明，過渡元素在體內毒性易聚集，常導致骨骼、腎臟、肝脾等器官蓄積中毒，臨床應用受到一定限制。

1.2 鈦金屬在臨床中的應用

1.2.1 鈦金屬在牽張成骨術中的應用 牽張成骨術能促進骨組織再生，保留骨膜并適當延長軟組織，起到關閉骨骼裂縫、矯治缺損的作用。目前，已有鈦金屬及其合金作為牽張成骨術牽張器的報道［7］，現用的鎳鈦合金牽張器均是自行研制［8］。趙忱光等［9］通過研究不同溫度下鎳鈦合金絲的彈力恢復情況得出結論，在某溫度下鎳鈦合金絲所產生的彈力最大?？蓱么藴囟认碌拟伜辖鹱鳛闋繌埰?，兩腳間距離越大則牽張力越大。

1.2.2 鈦金屬在牙槽嵴增高術中的應用 傳統的牙槽嵴增高術應用的骨替代材料，術后材料吸收率高，遠期療效差。近年來已有學者應用半埋置鈦金屬牽張器增高牙槽嵴高度［10］。謝旻等［11］應用自制的鈦鎳合金牽張器增高牙槽嵴高度，并于高溫下將鈦鎳合金絲放入斷開的骨組織中，冷卻后加以固定，術后效果良好。

1.2.3 鈦金屬在面部骨骼部分缺損修復術中的應用 傳統上頜骨、下頜骨、顴骨部分缺損修復術常采用骨骼移植法。該法往往不能完全修復缺損，骨感染率、壞死率高，給患者帶來較大創傷?，F階段已有報道稱臨床外科應用鈦合金金屬牽引器作牽引成骨術，具有微創、重建骨功能等優點［12］。周宏志等［13］應用鎳鈦絲的記憶張力作牽引，促進新骨形成，術后療效滿意。曾融生等［14］利用自制鎳鈦絲合金牽張器修復下頜骨缺損，成功建立了傳送盤與近中牽張區間的骨連接。

1.2.4 鈦金屬在腭裂修復術中的應用 腭裂修復以往常采用外科手術分離口腔內軟組織來修復腭部軟組織的裂隙。該法雖能部分恢復腭部的形態和功能，但未能真正實現硬腭部位的骨修復，且易導致骨面裸露，引發瘢痕痙攣，面部發育畸形，遠期療效差。有學者利用自制鎳鈦合金牽張器進行了動物腭裂模型研究，結果表明鈦合金不僅能關閉裂隙，還能伸長硬腭后緣。李新民等［15］利用鈦合金牽張器修復犬腭裂，結果發現牽張成骨器難做到兩側骨端的均勻接觸、牽張力不夠大、牽張時間不夠長，臨床療效仍需進一步研究。

2 鈦金屬復合材料的應用進展

鈦金屬作為醫用材料具有良好的力學性能和彈性模量，抗腐蝕性好，生物相容性高，已逐步應用于骨科內固定手術。鈦金屬生物惰性高，植入骨內后易暴露在生理環境中，被纖維組織包裹而導致周圍骨組織的分離，最終引發松動，植入失敗。鈦合金表面涂布納米生物材料，可使該惰性金屬具有更好的生理特性，更適用于成骨細胞的外環境。對鈦金屬進行納米涂層修飾能幫助鈦及其合金在體內建立天然骨組織模型，形成生理性的過渡層，從而更好地增強成骨細胞的功能性，促進骨組織再形成，提高植入材料與周圍骨組織的整合性。

2.1 鈦金屬復合材料的生物力學研究 人體生理環境內存在較多體液，這樣的環境對植入材料潤濕性的要求較高。潤濕性越高，植入材料和機體組織結合性能越好。有學者研究表明，鈦金屬通過一定加工方法噴涂納米材料，可增加金屬表面光滑性，潤濕性大大增加。還有學者通過測試納米材料涂層的鈦金屬與液體表面的接觸角來表示其潤濕性。研究結果表明涂層后鈦金屬具有更低的接觸角，潤濕性更高［16］。還有研究表明，對噴涂復合材料的鈦金屬進行體外模型實驗后，噴涂納米涂層的植入材料從種植體分離時需要的拉應力高于未涂層的鈦合金植入材料［17］。有學者通過人成骨細胞的培養研究證實，噴涂納米材料后的鈦金屬植入材料表現出細胞擴散早，細胞數目多、活動性小等特點［18］。肌動蛋白染色實驗表明涂層后的鈦金屬表面更早附著成骨細胞［19］。也有研究指出鈦金屬涂層的穩定性仍需進一步研究。

2.2 鈦金屬復合材料在骨組織工程中的應用

2.2.1 無機鈣磷酸鹽涂層鈦金屬復合材料的應用鈣磷酸鹽因具有更好的生物適應性常被用作鈦金屬植入物材料的涂層，該涂層能降低植入材料和周圍骨組織間的間隔，保證植入材料的堅強固定［20］。但該涂層常不能滿足骨骼負載部位的要求，且涂層的厚度和表面形貌不能有效控制。該涂層尚存在惰性金屬結合強度時限制，需預先進行噴砂處理以增加金屬表面的粗糙度才能增加結合力［21］。有研究證實，通過鈣磷酸鹽仿生沉積法制備納米磷酸鈣晶體涂層能同時沉積生物活性復合物，增加與骨組織結合性能［22］。靜電噴射沉積法制備的多孔磷酸鈣涂層能增加植入材料的表面積，更有利于植入材料和吸附蛋白的相互作用［23］。

2.2.2 有機生物分子涂層鈦金屬復合材料的應用生物化學方法可將蛋白質、酶類、肽堿基固定于植入材料表面，從而提高植入物與骨界面的相容性，增加骨再生能力。目前常用的有機分子涂層技術有基質蛋白作為調節因子促進骨細胞黏附、沉積骨生長因子以促進骨骼再生、固定DNA法增強骨骼結構和酶修飾法促使骨骼礦化等。有研究證實將基質蛋白、肽堿基固定于鈦金屬植入材料表面后，能幫助惰性金屬形成生物功能性的光滑表面，增加受體的結合與黏附，最終促進細胞黏附［24］。有學者將生長因子固定于植入材料表面后發現植入材料周圍的骨骼再生能力明顯增強，出現這現象的原因可能與生長因子能更有效地誘導骨組織再生有關［25］。鈦金屬植入材料表面涂層DNA，可加速植入材料和骨界面的整合性，促進骨塑形進程。這可能與DNA能誘發特異性的細胞反應，將信號更好地傳遞到植入部位有關［26］。利用酶分子涂層修飾的鈦金屬表面，能促進植入材料表面骨礦物質的有效沉積;酶分子的表達還能促進新形成骨組織的礦化。有學者將堿性磷酸酶利用靜電沉積法涂層于鈦金屬表明，結果證實酶介導的礦化作用顯著增加［27］。

2.2.3 有機-無機復合物涂層鈦金屬復合材料的應用 制備鈣磷酸鹽涂層時大多是在高溫下施行，極端的高溫非生理條件不利于生物分子涂層的制備。有學者通過在無機物涂層的鈦金屬上黏附生物分子的方法制備有機-無機復合物涂層鈦金屬復合材料，也有學者通過仿生技術結合電噴涂沉積技術在生理條件下制備［28］。有學者研究制備膠原-鈣磷酸鹽復合物涂層鈦金屬，結果證實該復合物涂層具有更好的生物活性，能有效幫助骨組織的再生，增強鈦金屬在周圍骨組織的堅固性。膠原是細胞的主要有機成分，膠原涂層能顯著增強植入材料與骨細胞的黏附性，同時促進細胞的增殖與分化［29］。膠原在體內還具有優良的生物降解性，進一步增加了鈦金屬復合物的生物相容性［30］。還有學者研究制備生長因子與鈣磷酸鹽復合物涂層后發現，將生長因子固定于鈣磷酸鹽涂層鈦金屬的表面，不僅可向周圍骨組織持續釋放生物活性分子，還能更好地增強生物穩定性［26］。

3 結語

單一的鈦金屬或鈦合金作為骨替代材料應用于臨床存在一定的力學性能和生物學性能限制，可通過納米材料涂層的方法來解決此不足。直接將無機材料涂層于鈦金屬表面能保證植入材料在長期體液的腐蝕下持良好的力學性能，避免植入材料與周圍骨組織分離。對鈦金屬植入材料的惰性金屬表面進行生物活性分子涂層，可有效修飾其生物學性能?？赏ㄟ^某些修飾方法實現有機成分(細胞外基質成分、肽堿基、生長因子、酶類等)的涂層，可降低植入部位周圍組織的生物排異反應，盡早促進植入部位骨組織的再生。結合有機、無機材料兩者長處的復合材料能進一步增強涂層與鈦金屬的結合質量，還能更好地發揮其生物學性能，值得深入研究。但如何優化復合材料的涂層工藝，增加高涂層的穩定性也將是將來骨組織工程深入研究的重點。

［1］Ferguson SJ，Langhoff JD，Voelter K，et al.Biomechanical comparison of different surface modifications for dental implants［J］.Int J Oral Maxillofac Implants，2008，23(6):1037-1046.

［2］鄭學斌，丁傳賢.等離子噴涂HA/Ti復合涂層研究［J］.無機材料學報，2000，15(5):897-902.

［3］寧聰琴，周玉，賈德昌.鈦/羥基磷灰石生物復合材料的力學性能與生物行為［J］.硅酸鹽學報，2000，28(5):85-88.

［4］Duan K，Fan YW，Wang RZ.Electrolytic deposition of Calcium etidronate drug coating on Titanium substrate［J］.J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2005，72(1):43-51.

［5］Prieto-Simín B，Campàs M，Marty JL.Biomolecule immobilization in biosensor development:tailored strategies based on affinity interactions［J］.Protein Pept Lett，2008，15(8):757-763.

［6］Fischer U，Hempel U，Becker D，et al.Transforming growth factor beta1 immobilized adsorptively on Ti6Al4V and collagen typeⅠcoated Ti6Al4V maintains its biological activity［J］.Biomaterials，2003，24(15):2631-2641.

［7］Boyd AR，Burke GA，Duffy H，et al.Characterisation of calcium phosphate/titanium dioxide hybrid coatings［J］.J Mater Sci Mater Med，2008，19(2):485-498.

［8］Rammelt S，Illert T，Bierbaum S，et al.Coating of Titanium implants with collagen，RGD peptide and chondroitin sulfate［J］.Biomaterials，2006，27(32):5561-5571.

［9］趙忱光，徐旭光，徐實謙，等.頜骨牽張成骨中鎳鈦形狀記憶合金的彈性性能比較［J］.哈爾濱醫科大學學報，2007，41(1):63-65.

［10］丁宇翔，劉彥普.牽張成骨技術在唇腭裂修復中的應用［J］.中國美容醫學，2004，13(4):485-487.

［11］謝旻，胡敏，劉洪臣，等.不同型號記憶合金牽器對牙槽嵴增高高度的影響［J］.華西口腔醫學雜志，2005，23(1):14-16.

［12］崔明軍，潘瑾，孫婷婷，等.山羊下頜骨牽張成骨的實驗研究［J］.口腔頜面外科雜志，2007，17(3):231-234.

［13］周宏志，胡敏，劉洪臣，等.鎳鈦牽引器重建犬下頜骨節段缺失的初步研究［J］.中華口腔醫學雜志，2003，38(5):333-335.

［14］曾融生，張朋，王成.鎳鈦記憶合金牽張成骨修復犬下頜骨缺損與不同截骨方式的關系［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2008，12(2):217-220.

［15］李新民，黃建華，郭新程，等.牽張成骨修復犬腭裂愈合過程的觀察［J］.口腔頜面外科雜志，2005，15(1):46-48.

［16］劉月輝，文三立，肖尊文.復合活性羥基磷灰石的研制及其生物相容性研究［J］.中國生物醫學工程學報，2000，19(1):53-59.

［17］王興，伊彪，梁成，等.內置式頜骨牽引器的研制及臨床研究［J］.中華口腔醫學雜志，2002，37(2):68-72.

［18］牛學剛，韓小憲，郝永.顴骨內置弧形牽張成骨器修復部分上頜骨缺損的可行性［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2007，11(41):8398-8400.

［19］Shao Z，Liu B，Peng Q，et al.Transplantation of osteoblast-like cells to the distracted callus in the rabbit mandible［J］.Plast Reconstr Surg，2007，119(2):500-507.

［20］Liang L，Liu C，Bu R.Distraction osteogenesis for bony repair of cleft palate by using persistent elastic force:experimental study in dogs［J］.Cleft Palate Craniofac J，2005，42(3):231-238.

［21］Liou EJ，Chen PK，Huang CS，et al.Interdental distraction osteogenesis and rapid orthodontic tooth movement:a novel approach to approximate a wide alveolar cleft or bony defect［J］.Plast Reconstr Surg，2000，105(4):1262-1272.

［22］Ascherman JA，Marin VP，Rogers L，et al.Palatal distraction in a canine cleft palate model［J］.Plast Reconstr Surg，2000，105(5):1687-1694.

［23］Nishimura I，Ogawa T.Exploring the determinants of osseointegration:interview with Drs Ichiro Nishimura and Takahiro Ogawa.Interview by John Beumer［J］.Int J Prosthodont，2008，21(2):103-106.

［24］Biggs MJ，Richards RG，Gadegaard N，et al.Regulation of implant surface cell adhesion:characterization and quantification of S-phase primary osteoblast adhesions on biomimetic nanoscale substrates［J］.J Orthop Res，2007，25(2):273-282.

［25］Reyes CD，Petrie TA，Burns KL，et al.Biomolecular surface coating to enhance orthopaedic tissue healing and integration［J］.Biomaterials，2007，28(21):3228-3235.

［26］Smith LJ，Swaim JS，Yao C，et al.Increased osteoblast cell density on nanostructured PLGA-coated nanostructured titanium for orthopedic applications［J］.Int J Nanomedicine，2007，2(3):493-499.

［27］van den Beucken JJ，Vos MR，Thüne PC，et al.Fabrication，characterization，and biological assessment of multilayered DNA-coatings for biomaterial purposes［J］.Biomaterials，2006，27(5):691-701.

［28］Schmidmaier G，Lucke M，Schwabe P，et al.Collective review:bioactive implants coated with poly(D，L-lactide)and growth factors IGF-I，TGF-beta1，or BMP-2 for stimulation of fracture healing［J］.J Long Term Eff Med Implants，2006，16(1):61-69.

［29］van den Beucken JJ，Walboomers XF，Nillesen ST，et al.In vitro and in vivo effects of deoxyribonucleic acid-based coatings funtionalized with vascular endothelial growth factor［J］.Tissue Eng，2007，13(4):711-720.

［30］Liu Y，Huse RO，de Groot K，et al.Delivery mode and efficacy of BMP-2 in association with implants［J］.J Dent Res，2007，86(1):84-89.