鈦種植體表面改性的研究進展▲

馬子洋 陳 溯

(1 首都醫科大學口腔醫學院,北京市 100050,mzyusual@126.com；2 首都醫科大學口腔醫學院特診特需科,北京市 100050)

【提要】 鈦種植體表面改性可以促進骨整合,提高臨床種植成功率,已逐漸成為臨床及基礎研究的重點。本文針對國內外幾種鈦種植體表面改性方法的研究進展進行綜述。

種植義齒是目前牙列缺損、牙列缺失的重要修復方式,而良好的骨整合是種植體長期穩定于口腔的關鍵。種植體表面改性是指在不改變種植體材料及原有性能的基礎上,賦予種植體表面新的性能。種植體表面改性可以有效促進骨整合,提高種植修復的成功率[1]。鈦種植體是常用于種植修復的種植體,具有良好的生物相容性、可加工性、耐腐蝕性、耐磨性和較低的彈性模量[2]。鈦種植體的表面改性是目前的研究熱點,多數研究從改善種植體表面粗糙度,在種植體表面摻入生物活性物質,以及在種植體表面制備納米管陣列等方面，對種植體表面進行處理,以達到促進骨整合的目的。本文將對以上3種鈦種植體表面改性方法的研究進展進行綜述。

1 改善表面粗糙度

噴砂、酸蝕、等離子噴涂、激光處理可以改善種植體表面的粗糙度。增加種植體表面粗糙度有利于成骨細胞在種植體表面黏附、增殖、分化,促進骨組織在種植體表面的嵌合,利于骨整合,可以增加種植體初期穩定性[3]。

1.1 噴砂與酸蝕 噴砂是將一定粒度的硬質顆粒加壓噴射到種植體表面,以達到增加種植體表面粗糙度的目的。常用于噴砂的材料包括石英砂、羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、氧化鋁、氧化鈦、氧化鐵顆粒。將噴砂表面粗糙度算術平均高度值控制在1～2 μm，有利于種植體表面骨整合,是增加種植體初期穩定性的傳統方法[4]。除有利于骨整合外,噴砂可在鈦種植體表面產生壓縮殘余應力層,增加種植體疲勞試驗的壽命[5]。此外，使用特定尺寸、形狀、速度的噴砂顆粒可以增加種植體表面的粗糙度[6]。

酸蝕是利用強酸,如氫氟酸、硝酸、硫酸等,或多種酸的混合物，對種植體表面進行處理的方法。酸蝕可以清潔種植體表面,處理種植體表面的氧化膜,使其具有更高的表面自由能,增強其表面粗糙度和扭矩[7]。酸蝕可以獲得均勻粗糙的種植體表面,對基體的形狀及尺寸要求較小。酸蝕種植體表面有利于成骨細胞的黏附和骨的形成,促進骨整合[2]。調整酸的種類、濃度可以改變酸蝕速率[8]。調整酸蝕時間可以改變鈦表面的粗糙度與潤濕性,從而改變成骨細胞的黏附能力[9]。濃硫酸已被證明可用于處理鈦表面,增加其粗糙度[10]。氫氟酸可被用于制備鈦種植體表面納米、微米級結構,以促進鈦種植體表面的骨整合,增加種植體的扭矩[11]。雙酸蝕是指先后或混合使用兩種酸,對種植體表面進行處理的方法。與使用單一酸進行酸蝕相比,雙酸蝕可以獲得種植體微粗糙表面,以實現快速的骨整合[12]。亦有學者著眼于多重酸蝕處理,發現三酸蝕對鈦種植體表面的骨整合有促進作用[13]。

單一的鈦種植體表面粗糙化方法常常難以達到理想的表面性能改善。例如,僅對種植體表面進行噴砂處理,通常得到的種植體表面粗糙程度不均勻,且有噴砂所用的顆粒殘留,同時噴砂會將污染物引入種植體表面,與光滑表面相比,噴砂粗糙化處理后,細菌黏附性更大,且積累量更多[14]。未加以控制的噴砂,如速度過快、性狀尺寸不當,會使種植體表面形成裂紋,材料易疲勞而降低種植體壽命[15]。為形成均勻潔凈的噴砂后種植體表面,近年來噴砂處理多與其他表面改性方法共同使用,如將噴砂后種植體進行酸蝕處理,即噴砂酸蝕處理(sand-blast,large-grit,acid-etching,SLA)。SLA是指用強酸酸蝕已經噴砂處理過的種植體表面,增加其粗糙度,促進骨整合的方法。與雙酸蝕相比,SLA可以促進種植體表面更好地骨整合,使種植體表面的生物活性更強；與單一噴砂處理相比,經SLA的種植體表面粗糙程度更加均勻[16]。

1.2 等離子噴涂 等離子噴涂指將熔融狀態下的生物活性材料,如HA、生物活性玻璃、惰性材料(鈦、氧化鈦、碳化物等)噴射到種植體表面形成涂層,該涂層可以增加種植體表面粗糙度,使其具有良好的機械性能和生物相容性。其中,惰性材料由于不具有生物活性,與骨組織結合強度低,但與合金基體結合強度高；生物活性材料與骨組織結合強度高,但與合金基體結合強度低。HA及以HA為基礎的復合材料是目前常用的鈦種植體等離子噴涂材料。

研究表明,鈦種植體表面經等離子噴涂處理后,骨整合速度加快,骨接觸率、骨結合界面結合強度提高,并在植入種植體早期促進骨愈合[17]。等離子噴涂技術已成功應用在商業種植體上,能夠使HA黏附在鈦種植體上,并取得了較好的臨床效果。Fouda等[18]發現,與未進行等離子噴涂的種植體相比,具有HA涂層的鈦種植體加快了骨愈合。Xie等[19]發現,HA涂層更好地促進了鈦種植體表面細胞的增殖。Xue等[20]發現,堿改良的等離子噴涂可使種植體表面的微孔中形成更多新骨,并更快生長,促進骨愈合,提高種植成功率。

等離子噴涂可以提供多孔的種植體表面,增加骨接觸面積,是理想的種植體表面粗糙化方法,但由于該技術所需設備成本高,工藝要求復雜,容易形成不均勻的涂層,造成剝脫、降解等問題,應用于種植體改性仍有一定局限性。其中，HA涂層雖易與骨組織結合,但其與合金基體結合強度較低。研究表明,經模擬體液浸泡后,HA在鈦合金上的粘接強度降低,且粘接強度隨著在模擬體液中的浸泡時間增加而降低[21-22]。以涂層方式,如等離子噴涂涂層、生物改性涂層、抗菌涂層進行鈦種植體表面改性后,在植入過程中涂層易因摩擦而磨損消耗。

1.3 激光處理 激光可以用于種植體表面粗糙化。摻釹釔鋁石榴石激光是鈦種植體表面改性的常用激光,常用于種植體表面改性的其他激光包括摻鉺釔鋁石榴石激光、二氧化碳激光等[23]。激光不直接接觸種植體表面,熱效應低,對種植體表面影響小、處理精度高、不引入外來雜質,并可以去除種植體表面細菌。Wang等[24]使用摻釹釔鋁石榴石激光處理鈦-鋁-釩(Ti-6Al-4V)試件,與傳統的SLA相比,前者處理后的種植體表面更有利于成骨細胞的增殖和分化。

2 摻入生物活性物質

特定的生物活性物質可以改善種植體表面性能,可將不同的生物活性物質摻入種植體表面的涂層、添加到種植體表面，或者形成抗菌涂層后，涂覆于種植體表面,增強種植體表面的成骨能力。

2.1 摻入種植體表面的涂層 生物活性物質可以摻入種植體表面的HA涂層后,可改善其表面性能。摻入氧化鋯可增強HA涂層在鈦種植體上的粘接強度和溶解行為,提高種植體表面的粗糙度和生物活性[25]。與單純HA涂層相比,HA/氧化釔穩定的氧化鋯/Ti-6Al-4V復合涂層在模擬體液浸泡后,拉伸強度降低的更少,亞穩態磷酸鈣溶液可以為復合涂層提供優異的生物活性,誘導骨樣磷灰石在種植體表面成核生長[26]。研究表明,摻入鍶的HA涂層可以促進成骨、抑制破骨,加速骨在種植體表面的形成[27]。

2.2 添加到種植體表面 生物活性物質可以添加到種植體表面形成生物改性涂層。這些物質包括細胞黏附因子、生長因子兩類。Rapuano等[28]將纖連蛋白預吸附在Ti-6Al-4V種植體材料表面,發現在體外纖連蛋白可刺激成骨細胞分化。Ma等[29]將骨形成蛋白的功能性多肽，結合在陽極氧化法形成的種植體表面聚多巴胺二氧化鈦納米管上,植入家兔脛骨,與二氧化鈦納米管及聚多巴胺二氧化鈦納米管相比，其具有更好的骨整合。

2.3 形成抗菌涂層涂覆于種植體表面 抗菌涂層是將抗菌物質摻入種植體表面涂層,減少細菌污染對種植體表面骨整合的不利影響,達到控制種植體周圍感染,提高種植成功率的表面改性方法[30]。抗菌涂層應用的抗菌物質主要包括無機抗菌材料(如銀離子)、有機抗菌材料(如抗菌肽、溶菌酶、生物活性因子)等。Zhang等[31]將萬古霉素負載于陽極氧化法形成的鈦種植體表面二氧化鈦納米管上,發現在體內外鈦種植體表面細菌黏附均減少,但在體內試驗中其未能阻止感染的發展。Walter等[32]將多西環素結合在鈦高合金種植體表面,在體內外試驗中均觀察到了骨整合的改善。Funao等[33]通過低熱浸漬法使用肌醇六磷酸鹽螯合銀離子,將其固定在鈦種植體表面HA涂層中形成抗菌涂層,在體內外試驗中均觀察到急性感染期血清學指標降低,表明該抗菌涂層可以減少種植體相關感染。

2.4 摻入生物活性物質的手段

2.4.1 電化學沉積法:生物活性物質可以通過電化學沉積摻入種植體表面。電化學沉積是以種植體基體為陰極,以惰性電極為陽極,共同浸于電解液中,外加電壓,使種植體表面發生還原反應,電解液中的生物活性組分沉積于種植體表面的表面改性方法。Daugaard等[34]將電化學沉積處理形成的覆有HA涂層的鈦種植體植入犬的肱骨近端,與等離子噴涂處理的鈦種植體相比,其在增強機械性能和骨整合方面無明顯差異。

2.4.2 離子注入法:生物活性物質也可以通過離子注入的方法摻入種植體表面。離子注入是指在電場中將離子加速,沖擊種植體表面,并停留于種植體表面下的表面改性方法。Braceras等[35]將鈷離子注入鈦種植體表面,與未進行離子注入的鈦種植體相比,前者具有更好的骨整合。De Maeztu等[36]將注入鈷離子注入的鈦微型植入體植入人的上頜結節或下頜三角,3個月后將植入體與周圍骨組織一并取出進行組織學檢驗,發現前者具有更良好的骨整合,且在3年的隨訪中未觀察到不良反應。等離子體浸沒離子注入是指在電場中將等離子中的粒子加速,摻入種植體表面的表面改性方法。Cheng等[37]將鈣等離子體注入噴砂酸蝕后的鈦種植體表面,發現該處理能有效促進新骨形成。Meirelles等[38]將氧等離子注入鈦種植體表面,獲得了金紅石型二氧化鈦納米結構,植入家兔模型后獲得了更高的去除扭矩,提示該處理促進了種植體表面的骨形成。

3 制備納米管陣列

在鈦種植體表面制備二氧化鈦納米管,能夠獲得納米級的微粗糙表面,可以負載生物活性物質,并且在一定處理下可獲得抗菌能力,是目前鈦種植體表面處理方法的研究熱點。通過陽極氧化法，鈦種植體表面可以形成均勻、整齊排列的氧化鈦納米管陣列。陽極氧化是以種植體基體為陽極、惰性電極為陰極,兩極浸于電解液中,外加電壓,使種植體表面發生氧化反應,形成一層致密、厚度均勻的氧化膜。通過陽極氧化,種植體表面會有一定的粗糙度、孔隙率,并可以附著特定的氧化物。陽極氧化法形成的氧化鈦納米管陣列，可以提高種植體金屬的抗腐蝕性能、穩定性、骨整合率等,且調節電壓、電流、溶液離子及濃度，還可獲得不同粗糙度的種植體表面。

鈦種植體表面覆以二氧化鈦納米管后,表面細菌黏附能力降低,成骨細胞黏附能力增加[39]。體內試驗表明,與酸蝕、噴砂等傳統方法相比,納米管結構可以更好地改善種植體表面的骨整合[40]。Yoriya等[41]將鈦箔電極置于含有0.5%～2%氫氟酸的二甘醇電解液中,利用陽極氧化法制備出350 nm的氧化鈦納米管陣列。此外，延長氧化時間、增大電壓可以增大納米管的長度和直徑,增加鈦種植體表面潤濕性,有利于鈦種植體表面成骨細胞的早期黏附、生長、增殖,從而更快地進行骨整合[41-42]。

陽極氧化處理鈦種植體表面所獲得的二氧化鈦納米管，可以作為藥物及生物制劑的儲存倉,在一定條件下釋放儲存物質,加速鈦種植體表面的新骨形成,控制種植體周圍感染。抗骨質疏松藥物如雷洛昔芬、辛伐他丁、唑來膦酸等，可以被儲存入二氧化鈦納米管陣列中,在骨質疏松動物模型中受控釋放,可以促進種植體表面的骨整合[43-45]。抗微生物藥物如銀納米離子、羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖等，也可以被儲存入納米管中,在一定條件下可以在種植體表面釋放,并表現出較強的抗微生物性[46-47]。Liu等[48]將光誘導的二氧化鈦納米顆粒摻入到二氧化鈦納米管中,與純鈦和二氧化鈦納米管相比,其在體外具有更低的細菌數量和更高的細胞成骨水平。

在陽極氧化的基礎上,利用弧光放電激活、增強陽極氧化反應,被稱為微弧氧化法或微等離子體氧化法。使用該法時,在電解液中增加膠體顆粒,可以達到改良種植體表面氧化膜微觀結構的目的。Ran等[49]將微弧氧化法處理的鈦種植體植入獵犬下頜骨,與未經微弧氧化法處理的鈦種植體相比,微弧氧化法處理的鈦種植體具有更高的剪切強度,并能更快、更廣泛地進行骨整合。

使用陽極氧化法在鈦種植體表面制備二氧化鈦納米管時,輔以紫外光的照射,可以改善二氧化鈦納米管的形貌,使其表面的親水性有所提高,有利于骨整合[50]。紫外光同時可以減少鈦種植體表面的污染物碳氫化合物,有效提高鈦種植體表面的抗菌能力[51]。但紫外光對鈦種植體表面的親水性改善持續時間短,如何實現持續性地提升親水性,仍需進一步研究。

4 小 結

多種表面改性方法可用于鈦種植體,以提高鈦種植體表面性能,促進骨整合。目前,不同表面處理方法各有其優缺點。傳統的噴砂表面改性方法難以獲得均勻的鈦種植體粗糙表面,并容易引入雜質,通常需與酸蝕共同處理鈦種植體表面。等離子噴涂可以使鈦種植體獲得多孔的表面結構,但獲得良好的結構需要較高的技術工藝,涂層質量與選用的噴涂材料密切相關。以涂層方式對鈦種植體表面改性后,在植入過程中涂層易因摩擦而磨損消耗。離子注入會導致鈦種植體表面硬化,應用于口腔臨床種植仍需進一步研究。激光處理種植體表面成本較高,目前難以應用于臨床。通過陽極氧化法獲得二氧化鈦納米管結構處理種植體表面后,有良好的親水性,可用于儲存藥物,清除部分表面污染物,是近年來的研究熱點。為實現優勢互補,綜合應用多種表面處理方法,而不是選用單一方法處理鈦種植體表面,是鈦種植體表面改性研究的發展趨勢。隨著新型材料以及新工藝的發明發展,更多的鈦種植體表面改性方法將應用于基礎及臨床研究,更好地促進種植體表面骨整合,提高臨床種植成功率。