噴砂酸蝕對鈦網表面成骨細胞影響的實驗研究

劉巧榮，張娜娜，張旭英，謝麗梅，高育新，楊麗梅，路興華，石 磊

（甘肅省人民醫院，甘肅 蘭州 730000）

面部骨組織缺損重建和修復一直是外科手術治療的難點，目前臨床上常采用自體骨移植的方法進行治療。但該方法存在修復骨來源有限、手術難度大、供區創傷大、可能出現并發癥等缺點。因此，開發利用新型材料取代自體骨移植成為近年來臨床研究的熱點。生物醫用材料是一類人工合成或天然的材料，機械強度高、力學性能好，臨床應用較廣泛。鈦及鈦合金因其穩定的化學性質、廣泛的來源以及良好的抗腐蝕性等優勢，在醫學領域特別是骨科領域得到廣泛應用[1-2]。我們利用物理、化學及生物表面改性方法，對鈦網表面進行處理，提高其粗糙度，促進成骨細胞黏附和增殖[3]。目前，這種經過處理的材料已被廣泛用于口腔種植牙技術領域[4]，但在面部骨缺損重建和修復領域的應用仍處于探索階段。

噴砂酸蝕（SLA）是融合物理蝕刻和化學蝕刻的表面處理方法，是將鈦片或鈦網噴砂處理后再進行酸蝕，從而使其表面形成大小不同的彈坑狀二級孔洞。處理后的鈦網表面粗糙，能增加與細胞的接觸面積，提高成骨細胞活性，利于骨細胞增殖和分化[5]。本實驗通過建立實驗兔頜面外周圍骨缺損動物模型，將噴砂酸蝕處理前后的鈦網植入實驗動物骨缺損處，飼養一段時間后取出鈦網，觀察并對比噴砂酸蝕前后鈦網誘導成骨效果，為鈦網表面改性、重建上頜骨局部缺損提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

醫用鈦網，100 mm×80 mm×1 mm（西安中邦生物材料有限責任公司）；箱式噴砂機（百德機械設備有限公司）；倒置顯微鏡及照相系統（Olympus CX31）；發射掃描電子顯微鏡（FESEM，JSM-6701F）；超聲波清洗器（CQ-500AD，上海躍進）；Al2O3顆粒（北京環球金鼎科技有限公司），HCl、H2SO4（上海禹秦化工有限公司）；去離子水（＞18.2 MΩ·cm）。

1.2 噴砂酸蝕前后鈦網表面形貌觀察

將醫用鈦網用支架固定于噴砂箱內，選用200～400 μm的Al2O3，在0.6 MPa壓強下噴砂30 s，保持噴嘴與鈦網表面垂直，兩者最近距離15 cm，依次用去離子水、無水丙酮、無水乙醇超聲清洗5 min，吹干備用。配制18%HCl和48%H2SO4混合酸蝕液，將鈦網置于其中酸蝕15 min，按上述方法清洗后取出干燥。利用掃描電鏡分析噴砂酸蝕處理前后鈦網表面形貌，利用三維形貌儀檢測其表面粗糙度。

1.3 實驗動物與方法

選擇6只新西蘭新生兔（甘肅中醫藥大學動物實驗中心），雌雄不限，不計體質量，隨機分為對照組和實驗組，對照組植入未經噴砂酸蝕處理的鈦網，實驗組植入經噴砂酸蝕處理的鈦網。實驗方法：實驗兔肌內注射麻醉，待麻醉成功后按外科無菌操作方法切開額部皮膚，在無菌生理鹽水冷卻下用球鉆定位，去除2 cm×2 cm的顱骨，植入未經噴砂酸蝕處理的鈦網（對照組）或經噴砂酸蝕處理的鈦網（實驗組），沖洗創面，對位縫合創口。術后肌注慶大霉素，每日兩次，連用7天。

1.4 評價指標

1.4.1粗糙度 利用三維形貌掃描儀對實驗兔三維形貌特征進行分析，測量其鈦網表現粗糙度并建立三維立體圖像。

1.4.2表面骨質 連續飼養實驗動物6個月，之后切開植入鈦網處皮膚及骨膜，小心解剖分離原植入區域，注射過量戊巴比妥鈉致實驗兔死亡，取出鈦網并置于福爾馬林固定液中浸泡，觀察對比兩組鈦網表面成骨效果。

1.5 統計學方法

采用SPSS 20.0軟件包處理實驗結果，計量資料以（x±s）表示，P＜0.05表示差異有顯著性。

2 結果

2.1 鈦網表面形貌

對照組鈦網表面可見方向一致的劃痕（掃描電鏡，2 000倍），比較光滑（見圖1a、c），實驗組鈦網表面生成了形態不規則、類似蜂窩狀的孔洞（見圖1b、d）。表面形貌圖中顏色的變化代表垂直方向上各點相對高度的差異（見圖1c、d），顏色深淺代表縱深度的深淺，即顏色越豐富，高度差異越大，表面越粗糙。說明噴砂酸蝕可增加鈦網表面粗糙度，增大與成骨細胞的接觸面積，有利于成骨細胞形成。

圖1 噴砂酸蝕處理前后鈦網表面形貌

2.2 鈦網表面粗糙度

對照組表面平均粗糙度為（0.26±0.01）μm，實驗組表面平均粗糙度為（2.36±0.09）μm，組間差異有顯著性（P＜0.05）。

2.3 表面骨質

6個月后，兩組鈦網表面均有骨組織生成，但對照組鈦網誘導生成骨組織能力差，生成的骨組織量少且不連續；而實驗組鈦網表面則形成了連續骨組織，骨量較多（見圖2a、d）。圖2c、d為鈦網表面骨組織切片染色結果。其中，對照組骨組織疏松且不緊密，實驗組骨組織較為緊密且連續，說明粗糙結構更適合誘導成骨細胞生成骨組織，植入經噴砂酸蝕處理的鈦網能夠誘導骨組織生成，長期植入可形成薄的骨質。

3 討論

3.1 以新西蘭新生兔作為實驗模型的可行性

建立動物模型是現代生物醫學研究的重要方法和手段，可以避免在人身上進行實驗帶來的風險，且實驗容易復制，便于操作和采集標本，備受學者青睞。目前，用于骨缺損研究的動物有鼠、馬、兔、豬、狗、羊等，但都有一定的局限性。如小動物模型（嚙齒類）體積小、手術操作困難，大動物（狗、豬、馬等）價格昂貴、來源困難、飼養條件要求高。兔模型為骨組織修復和重建研究提供了一個更合適的小動物模型[6-7]，由于其體積適中，便于手術和標本處理，繁殖、飼養以及麻醉、解剖等技術較成熟，因此被越來越多地應用于臨床骨組織修復研究領域。

3.2 SLA對鈦網表面粗糙度和表面骨質的影響

圖2 鈦網表面成骨效果圖

鈦及其合金是目前生物醫學領域常用的金屬材料之一。在骨缺損治療中，鈦及其合金可作為植入裝置，替代損壞或缺損的組織。近年來，相關研究多集中在鈦及其合金表面改性方法上，如鈦漿噴涂、羥基磷灰石涂層、微弧氧化、激光照射及陽極氧化法等[8]。研究發現，非涂層的移植體表面處理相對于涂層的表面處理方法更有優勢[9]。目前，國內外使用最為廣泛的非涂層表面處理方法是噴砂酸蝕，其原理是在特定壓力條件下和時間內，將一定大小的Al2O3通過高速氣流噴射到種植體表面，形成凹陷，然后用酸性溶液處理種植體表面，使其產生大量微孔。噴砂酸蝕結合了物理蝕刻和化學蝕刻的優點，造價低廉，簡單易行。研究證實，種植體表面的粗糙度與其表面的新生骨量呈正相關[10]。本實驗以噴砂酸蝕處理醫用鈦網，使其表面形成形態不規則的蜂窩狀的孔洞，6個月后在其上生成的骨量較光滑表面多。究其原因，我們認為SLA是一種具有代表性的鈦種植體表面處理方法，被應用于多種知名種植系統表面處理，可使鈦表面形成多級微米級形貌，不僅能有效增大表面積，還可在一定程度上增強成骨細胞黏附及增殖能力。細胞黏附是骨細胞增殖及分化的前提，而早期黏附與生物材料的表面形貌密切相關[10]。本實驗以植入未經噴砂酸蝕處理鈦網的實驗兔作為對照組，以植入經噴砂酸蝕處理鈦網的實驗兔作為實驗組，觀察6個月后鈦網表面骨組織生成情況。研究結果表明，經噴砂酸蝕處理的鈦網表面形成大量蜂窩狀凹陷，與光滑表面相比，與成骨細胞接觸面積更大，更有利于誘導成骨細胞生成骨組織，促進骨質早期形成。