Ti—FG—BM型钛合金种植体表面处理及生物相容性研究进展

徐锡平+石红兵+金光春

【摘要】 钛合金由于具有良好的机械性能、优秀的生物相容性特征和体液环境的耐腐蚀性，成为牙科修复临床应用中的常见材料。但是当前临床中使用的钛合金比人骨有更高的弹性，所以经常会出现种植的牙齿与骨骼之间因为弹性规模不匹配造成的种植体周围出现了骨吸收的情况，經常会出现种植体断裂或松动等，严重影响了种植的成功率。因此，开发研制与骨组织相近的低弹性模量Ti-FG（function group）-BM（bioactive material）型种植就成为当前研究的热点。

【关键词】 低弹性模量； 种植体； 功能组

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.11.088 文献标识码 A 文章编号 1674-6805（2017）11-0160-03

钛合金在牙科修复物中作为首选的材料，是因为钛合金具有良好的生物相容性特征，并具有良好的机械力学性。但是钛合金由于是金属材料，并且没有促进新骨骼生成的能力，所以没有生物活性。所以找到一种具有促进骨骼整合并可以与骨骼整合的材料是非常重要的。本文对开发研制与骨组织相近的低弹性模量Ti-FG-BM型种植体材料在口腔种植修复应用的重要内容的研究进展作一综述。

1 口腔种植研究的主要方向

由于当前人们生活水平的不断提高，人们对牙齿的美观程度要求也越来越高，并且牙齿种植也可以从很大程度上提高人们的生活质量，所以口腔种植手术在牙科应用越来越广泛。但是口腔种植体材料较为昂贵，所以很多学者不断寻找有较好的生物相容性且与人体骨骼组织的弹性硬度相匹配的材料，为降低消费者种植费用和提高种植手术成功率不断努力。在20世纪初期，临床上常用的种植体材料主要有钛合金、钴合金和不锈钢，但是钛合金与不锈钢的弹性较大，所以与骨骼之间弹性模量不匹配，在种植以后载荷并不能有效传递到周围的骨骼组织，所以在种植以后种植体容易出现松动或周围骨组织吸收的现象，最终导致种植术失败[1-3]。与此同时，钛合金表面经过处理的生物惰性氧化层与骨骼不能发生化学结合反应，仅仅是与骨骼融合，从而限制了其在较大承载部位的使用。基于以上原因，科学家不断研究有更高生物相容性和更接近骨骼弹性模量的Ti-FG-BM的种植体，可以更充分满足对口腔植入材料的要求，也成了当前研究的热点话题。

2 国际社会的研究状况

钛合金作为植入体材料在20世纪60年代首次在瑞典用于口腔种植，其优良的特性也促进了临床对外科植入体材料的深入研究，随后钛合金材料在临床上被用作替换材料。在20世纪70年代以后，在外科修复和替换器件的发展中，钛合金被广泛应用。第一代钛合金主要包括纯钛、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V等，但是临床中人们发现V对人体有较大的毒性，并且这类合金的耐腐蚀程度差，所以迫切需要下一代生物医用合金的研发。一直到20世纪80年代中期，德国和瑞士先后开发了新一代钛合金Ti-6AL-7NbTi-5A12.5Fe，并且在临床中得到了广泛应用[4-5]。我国自行研制的Ti-51A1、Ti-6A1-7Nb、Ti-2.5A1-2.5Mo-2.5Zr，非常实用的固定器械[6-8]。“十五”期间开发出两个新型a型钛合金TLM1和TLM2，并获国家发明专利[9]。

钛合金是一种安全性较高的生物材料，随着铸造加工技术的不断发展和完善，钛合金在口腔医学中的应用也不断普及。由于钛合金的生物学性能较好，所以成了牙种植体、脊柱矫形内固定系统、髓内定、矫形钢板及人工关节植入等常用材料[4，10]。由于纯钛在临床中存在多种缺陷，所以不能在临床中直接使用，需要以合金形式使用，这是因为纯钛（暴露在空气中，短时间内表面就能被氧化形成极薄的TiO2层，厚度仅为3～10 nm）作为一种生物惰性材料，其结构和性质与生物体骨骼细胞和骨骼组织差异较大，并不能如生物活性材料一般在种植以后与骨骼形成稳定的化学键，所以在种植完成后的一段时间，稳定性较差，很难与组织之间紧密连接，从而降低了其生物活性。而且硬度低、耐磨性差、生物惰性等是作为医用材料不容忽视的问题。提高钛合金生物活性的有效方法是对材料的表面进行活性涂层，涂层修饰还可以有效提高材料的力学稳定性[11-13]。对钛合金表面进行涂层或处理的主要目的是提高金属的耐腐蚀性和改善材料的表面机械性能，还可以提高钛合金的生物相容性。钛合金表面处理在牙科种植体方面有较广泛的应用。钛合金强度高、韧性大，并且具有良好的加工性，基于这些特性来看，特别适合作为牙科植入材料，并且从弹性模量看来，钛合金在所有金属材料中与骨骼相差最小的，但是仍然存在一定的差异，所以钛材料种植体与骨骼之间极易产生机械不适应，而且其化学成分与天然的骨骼成分差异较大。因此当植入材料植入到骨骼以后没有紧密的化学性结合，只是机械性整合，出现了较大的手术失败率，所以当前人们对钛合金表面的涂层研究越来越多，这也成了牙科种植体材料研究的大趋势所在。当前钛合金表面处理包括有羟基磷灰石表面涂层法[14-15]、电泳沉积法[16]、碱热处理法[17-18]、阳极氧化法[19]、离子注入法[20]、微弧氧化法[21]、溶胶-凝胶法[22]，旨在使钛合金表面形成一层具有生物活性的膜或涂层，涂层可以结合在材料表面形成多孔氧化层结构，促进骨骼细胞与材料相互粘附，增加金属的抗腐蚀性，提高钛合金的表面生物活性，提高生物相容性及更好的骨整合作用。

另外，研究通过表面纳米结构化改性，使纳米层次的材料与细胞或组织之间形成相互作用，并进行纳米级别的结合，使材料与细胞受体相互配对，进而使骨骼细胞在钛合金表面生长和粘附，实现骨骼与材料的紧密结合，实现与骨组织的生物功能，必将对钛合金表面处理技术的改进起到一定的推动作用[23-25]。

3 经济效应与社会效应

在口腔医学领域中，口腔材料的质量好坏无疑会对临床修复与治疗的效果起到极大的影响作用，也正因此，口腔材料的发展状况不仅仅能够代表口腔医疗的水平高低，更能够借此以窥探出整个社会现代化的发展状况。为了扩大此钛合金种植体在口腔的应用，许多学者对钛合金种植体的综合性能进行了研究。目前人口老龄化已成为世界范围的社会问题，同时疾病与牙齿缺损患者剧增，人们对口腔种植技术和种植材料的重视使钛合金材料存在着巨大市场。我国2006年包括种植体、基台、种植工具在内的种植产品销售额达到1300万美元，近年来种植市场的年综合增长率超过35%，到2011年，包括种植体、基台、种植工具在内的种植产品销售额达到1.2亿美元[26-28]。

当前国内外学者仍然在新材料探索的道路上不断前进，我国也应当从国企入手开发出价格低廉的新钛合金种植体，消化和吸收国外已定的钛合金，使此种材料尽快实现国内生产，尽早结束口腔种植体材料依赖于进口的现状。我国应加大研发投入，得到更多的具有临床价值的資料，并将材料的优缺点及时反馈给相关的研发部门，使其对材料按照临床应用进行改进，开发出适应临床发展的新材料。

当今时代，口腔种植技术已经变得越发完善，再加上铸造紧密钛合金的技术的不断发展，众多的医学专家已经开始尝试将新型钛合金种植体作为齿科治疗的主要材料，而这一情况也随着齿科材料的焊接、粘接技术的完善而显示出了极好的发展前景[29]。

综上所述，考虑到国内外对新型钛合金的研究现状及其在国内所存在的巨大潜力，最终目标是开发研制与骨组织相近的Ti-FG-BM型种植体材料，对配方选择和制造工艺进行优化选择，重点对国内首次合成真正意义上的低弹性模量Ti-FG-BM型种植体材料的生物相容性进行评价，完成系列动物实验，为其临床推广应用打下基础。

参考文献

[1] Marc L，Rack H J.Titanium alloys in total joint replacementa materials science perspective[J].Biomaterials，1998，19（18）：1621-1639.

[2] Li S J，Yang R，Niinomi M， et al.Formation and growth of calcium phosphate on Biomaterials[J].Biomaterials，2004，25（13）：2525-2532.

[3] Fukuda A，Takemoto M，Saito T，et al.Bone bonding bioactivity of Ti metal and Ti-Zr-NbTa alloys with caions incroporated on their surfaces by simple chemical and treatments[J].Acta Biomater，2011，7（3）：1379-1386.

[4]宁聪琴，周玉.医用钛合金的发展及研究现状[J].材料科学与工艺，2002，10（1）：100-106.

[5] Niinomi M，Akahori T.Improvement of the fatigue life of titanium alloys for biomedical devices through microstructural control[J].Expert Rev Med Devices，2010，7（4）：481-488.

[6]黄永光.外科植入用钛及钛合金标准发展现状[J].钛工业进展，2010，1（1）：1-8.

[7]李军，周廉，李佐臣，等.新型医用钛合金Ti-12.5Zr-2.52.5Nb-2.5Ta的研究[J].稀有金属材料与工程，2003，32（5）：398-402.

[8] Zhao X，Niinomi M，Nakai M.Relationship between various deformation-induced products and mechanical properties in metastable Ti-30Zr-Mo alloys for biomedi-cal applications[J].J Mech Behav Biomed Mater，2011，4（8）：2009-2016.

[9]于振涛，王克光.一种外科植入件用·型钛合金[P].2003，CN03153139.3.

[10] Mudford L，Curtis R V，Walter J D.An investigation of debonding between heat-cured PMMA and titanium alloy[J].J Dent，1997，25（5）：415-421.

[11] Lee M H，Yoon D J，Won D H，et al.Biocompatibility of surface treated pure titanium & titanium alloy by in vivo and in vitro test[J].Metals and Mater ials Int，2003，9（4）：35-42.

[12] Hanawa T，Asami K，Asaoka K.Repassivation of titanium and surface oxide film regenerated in simulated bioliquid[J].J Biomed Res，1998，40（4）：530-538.

[13] Feng B，Weng J，Yang B C，et al.Surface characterization of titanium and adsoprtion of bovine serum albumin[J].Mater Charact，2003，49（7）：129-137.

[14] Padilla N，Bronson A.Electrochemical characterization of albumin protein on Ti alloy immersed in a simulated plasma solution[J].J Biomed Mater Res A，2007，81（3）：531-543.

[15] Yang C Y，Wang B C，Lee T M，et al.Intramedullary implant of plasma sprayed hydroxyapatite coating：an interface study[J].J Biomed Mater Res，1997，36（1）：39-48.

[16] Hayashi K，Inadome T，Mashima T，et al.Comparison of bone implant interface shear strength of solid hydroxyapatite and hydroxyapatite coated titanium Implants[J].J Biomed Mater Res，2004，27（5）：557-563.

[17] Kokubo T，Mijaji F，Kim H M，et al.Spontaneous formation of bonelike apatite layer on chemically treated Titanium metals[J].J Am Ceram Soc，1996，79（4）：1127-1129.

[18] Fujibayashi S，Neo M，Kim H M，et al.Osteoinduction of porous bioactive titanium metal[J].Biomaterials，2004，25（3）：443-450.

[19] Neupane1 M P，Kim Y K，Park I，et al.Effect of electrolyte pH on the structure and in vitro osteoblasts response to anodic titanium oxide[J].Metal and Materials Int，2008，14（11）：607-613.

[20] Watanabe k，Okawa S，Kanatani M，et al.Surface analysis of commercially pure implant retrieved from rat bone.Part 1：initial biological response of sandblasted surface[J].Dent Mater J，2009，28（2）：178-184.

[21] Zavgorodniy A V，Borrero-López O，Hoffman M，et al.Characterzation of the chemically deposited hydroxyapatite coating on a titanium substrate[J]. J Mater Sci Mater Med，2011，22（1）：1-9.

[22] Lee I G，Kim Y K，Park I S，et al.Influence of electrolyte temperature on pure titanium modified by electrochemical treatment for implant[J].Surf Interface Anal，2008，40（12）：1538-1544.

[23] Watari F，Yokoyama A，Omori M.Biocompatibility of materials and development to functionally graded implant for biomedical application[J].Composites science and Technology，2004，64（6）：893-908.

[24] Hollander D A，Walter M V，Wirtz T T.Structural，mechanical and in vitro characterization of individually structured Ti-6A-4V produced by direct laser forming[J].Biomaterials，2006，27（7）：955-963.

[25]嚴晓东，高勃，王忠义，等.MTT法评价牙科激光快速成形钛锆合金的细胞毒性[J].临床口腔医学杂志，2006，22（5）：261-262.

[26] Hanawa T.A comprehensive review of techniques for biofunctionalization of titanium[J].J Periodontal Implant Sci，2011，41（6）：263-272.

[27] Yu B，Song P，Min H L，et al.Electrophoretic deposition of carbon nanotubes–hydroxyapatite nanocomposites on titanium substrate[J].Materials Science and Engineering，2010，30（4）：1043-1049.

[28] Yu B，Song P，Min H L.Formation of bioceramic coatings containing hydroxyapatite on the titanium substrate by micro-arc oxidation coupled with electrophoretic deposition[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，95（2）：365-373.

[29]赵艳.口腔钛合金种植体的临床应用[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15（42）：7943-7946.

（收稿日期：2016-12-13）