钛种植体表面改性的研究进展▲
2019-03-18马子洋
马子洋 陈 溯
(1 首都医科大学口腔医学院,北京市 100050,mzyusual@126.com;2 首都医科大学口腔医学院特诊特需科,北京市 100050)
【提要】 钛种植体表面改性可以促进骨整合,提高临床种植成功率,已逐渐成为临床及基础研究的重点。本文针对国内外几种钛种植体表面改性方法的研究进展进行综述。
种植义齿是目前牙列缺损、牙列缺失的重要修复方式,而良好的骨整合是种植体长期稳定于口腔的关键。种植体表面改性是指在不改变种植体材料及原有性能的基础上,赋予种植体表面新的性能。种植体表面改性可以有效促进骨整合,提高种植修复的成功率[1]。钛种植体是常用于种植修复的种植体,具有良好的生物相容性、可加工性、耐腐蚀性、耐磨性和较低的弹性模量[2]。钛种植体的表面改性是目前的研究热点,多数研究从改善种植体表面粗糙度,在种植体表面掺入生物活性物质,以及在种植体表面制备纳米管阵列等方面,对种植体表面进行处理,以达到促进骨整合的目的。本文将对以上3种钛种植体表面改性方法的研究进展进行综述。
1 改善表面粗糙度
喷砂、酸蚀、等离子喷涂、激光处理可以改善种植体表面的粗糙度。增加种植体表面粗糙度有利于成骨细胞在种植体表面黏附、增殖、分化,促进骨组织在种植体表面的嵌合,利于骨整合,可以增加种植体初期稳定性[3]。
1.1 喷砂与酸蚀 喷砂是将一定粒度的硬质颗粒加压喷射到种植体表面,以达到增加种植体表面粗糙度的目的。常用于喷砂的材料包括石英砂、羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、氧化铝、氧化钛、氧化铁颗粒。将喷砂表面粗糙度算术平均高度值控制在1~2 μm,有利于种植体表面骨整合,是增加种植体初期稳定性的传统方法[4]。除有利于骨整合外,喷砂可在钛种植体表面产生压缩残余应力层,增加种植体疲劳试验的寿命[5]。此外,使用特定尺寸、形状、速度的喷砂颗粒可以增加种植体表面的粗糙度[6]。
酸蚀是利用强酸,如氢氟酸、硝酸、硫酸等,或多种酸的混合物,对种植体表面进行处理的方法。酸蚀可以清洁种植体表面,处理种植体表面的氧化膜,使其具有更高的表面自由能,增强其表面粗糙度和扭矩[7]。酸蚀可以获得均匀粗糙的种植体表面,对基体的形状及尺寸要求较小。酸蚀种植体表面有利于成骨细胞的黏附和骨的形成,促进骨整合[2]。调整酸的种类、浓度可以改变酸蚀速率[8]。调整酸蚀时间可以改变钛表面的粗糙度与润湿性,从而改变成骨细胞的黏附能力[9]。浓硫酸已被证明可用于处理钛表面,增加其粗糙度[10]。氢氟酸可被用于制备钛种植体表面纳米、微米级结构,以促进钛种植体表面的骨整合,增加种植体的扭矩[11]。双酸蚀是指先后或混合使用两种酸,对种植体表面进行处理的方法。与使用单一酸进行酸蚀相比,双酸蚀可以获得种植体微粗糙表面,以实现快速的骨整合[12]。亦有学者着眼于多重酸蚀处理,发现三酸蚀对钛种植体表面的骨整合有促进作用[13]。
单一的钛种植体表面粗糙化方法常常难以达到理想的表面性能改善。例如,仅对种植体表面进行喷砂处理,通常得到的种植体表面粗糙程度不均匀,且有喷砂所用的颗粒残留,同时喷砂会将污染物引入种植体表面,与光滑表面相比,喷砂粗糙化处理后,细菌黏附性更大,且积累量更多[14]。未加以控制的喷砂,如速度过快、性状尺寸不当,会使种植体表面形成裂纹,材料易疲劳而降低种植体寿命[15]。为形成均匀洁净的喷砂后种植体表面,近年来喷砂处理多与其他表面改性方法共同使用,如将喷砂后种植体进行酸蚀处理,即喷砂酸蚀处理(sand-blast,large-grit,acid-etching,SLA)。SLA是指用强酸酸蚀已经喷砂处理过的种植体表面,增加其粗糙度,促进骨整合的方法。与双酸蚀相比,SLA可以促进种植体表面更好地骨整合,使种植体表面的生物活性更强;与单一喷砂处理相比,经SLA的种植体表面粗糙程度更加均匀[16]。
1.2 等离子喷涂 等离子喷涂指将熔融状态下的生物活性材料,如HA、生物活性玻璃、惰性材料(钛、氧化钛、碳化物等)喷射到种植体表面形成涂层,该涂层可以增加种植体表面粗糙度,使其具有良好的机械性能和生物相容性。其中,惰性材料由于不具有生物活性,与骨组织结合强度低,但与合金基体结合强度高;生物活性材料与骨组织结合强度高,但与合金基体结合强度低。HA及以HA为基础的复合材料是目前常用的钛种植体等离子喷涂材料。
研究表明,钛种植体表面经等离子喷涂处理后,骨整合速度加快,骨接触率、骨结合界面结合强度提高,并在植入种植体早期促进骨愈合[17]。等离子喷涂技术已成功应用在商业种植体上,能够使HA黏附在钛种植体上,并取得了较好的临床效果。Fouda等[18]发现,与未进行等离子喷涂的种植体相比,具有HA涂层的钛种植体加快了骨愈合。Xie等[19]发现,HA涂层更好地促进了钛种植体表面细胞的增殖。Xue等[20]发现,碱改良的等离子喷涂可使种植体表面的微孔中形成更多新骨,并更快生长,促进骨愈合,提高种植成功率。
等离子喷涂可以提供多孔的种植体表面,增加骨接触面积,是理想的种植体表面粗糙化方法,但由于该技术所需设备成本高,工艺要求复杂,容易形成不均匀的涂层,造成剥脱、降解等问题,应用于种植体改性仍有一定局限性。其中,HA涂层虽易与骨组织结合,但其与合金基体结合强度较低。研究表明,经模拟体液浸泡后,HA在钛合金上的粘接强度降低,且粘接强度随着在模拟体液中的浸泡时间增加而降低[21-22]。以涂层方式,如等离子喷涂涂层、生物改性涂层、抗菌涂层进行钛种植体表面改性后,在植入过程中涂层易因摩擦而磨损消耗。
1.3 激光处理 激光可以用于种植体表面粗糙化。掺钕钇铝石榴石激光是钛种植体表面改性的常用激光,常用于种植体表面改性的其他激光包括掺铒钇铝石榴石激光、二氧化碳激光等[23]。激光不直接接触种植体表面,热效应低,对种植体表面影响小、处理精度高、不引入外来杂质,并可以去除种植体表面细菌。Wang等[24]使用掺钕钇铝石榴石激光处理钛-铝-钒(Ti-6Al-4V)试件,与传统的SLA相比,前者处理后的种植体表面更有利于成骨细胞的增殖和分化。
2 掺入生物活性物质
特定的生物活性物质可以改善种植体表面性能,可将不同的生物活性物质掺入种植体表面的涂层、添加到种植体表面,或者形成抗菌涂层后,涂覆于种植体表面,增强种植体表面的成骨能力。
2.1 掺入种植体表面的涂层 生物活性物质可以掺入种植体表面的HA涂层后,可改善其表面性能。掺入氧化锆可增强HA涂层在钛种植体上的粘接强度和溶解行为,提高种植体表面的粗糙度和生物活性[25]。与单纯HA涂层相比,HA/氧化钇稳定的氧化锆/Ti-6Al-4V复合涂层在模拟体液浸泡后,拉伸强度降低的更少,亚稳态磷酸钙溶液可以为复合涂层提供优异的生物活性,诱导骨样磷灰石在种植体表面成核生长[26]。研究表明,掺入锶的HA涂层可以促进成骨、抑制破骨,加速骨在种植体表面的形成[27]。
2.2 添加到种植体表面 生物活性物质可以添加到种植体表面形成生物改性涂层。这些物质包括细胞黏附因子、生长因子两类。Rapuano等[28]将纤连蛋白预吸附在Ti-6Al-4V种植体材料表面,发现在体外纤连蛋白可刺激成骨细胞分化。Ma等[29]将骨形成蛋白的功能性多肽,结合在阳极氧化法形成的种植体表面聚多巴胺二氧化钛纳米管上,植入家兔胫骨,与二氧化钛纳米管及聚多巴胺二氧化钛纳米管相比,其具有更好的骨整合。
2.3 形成抗菌涂层涂覆于种植体表面 抗菌涂层是将抗菌物质掺入种植体表面涂层,减少细菌污染对种植体表面骨整合的不利影响,达到控制种植体周围感染,提高种植成功率的表面改性方法[30]。抗菌涂层应用的抗菌物质主要包括无机抗菌材料(如银离子)、有机抗菌材料(如抗菌肽、溶菌酶、生物活性因子)等。Zhang等[31]将万古霉素负载于阳极氧化法形成的钛种植体表面二氧化钛纳米管上,发现在体内外钛种植体表面细菌黏附均减少,但在体内试验中其未能阻止感染的发展。Walter等[32]将多西环素结合在钛高合金种植体表面,在体内外试验中均观察到了骨整合的改善。Funao等[33]通过低热浸渍法使用肌醇六磷酸盐螯合银离子,将其固定在钛种植体表面HA涂层中形成抗菌涂层,在体内外试验中均观察到急性感染期血清学指标降低,表明该抗菌涂层可以减少种植体相关感染。
2.4 掺入生物活性物质的手段
2.4.1 电化学沉积法:生物活性物质可以通过电化学沉积掺入种植体表面。电化学沉积是以种植体基体为阴极,以惰性电极为阳极,共同浸于电解液中,外加电压,使种植体表面发生还原反应,电解液中的生物活性组分沉积于种植体表面的表面改性方法。Daugaard等[34]将电化学沉积处理形成的覆有HA涂层的钛种植体植入犬的肱骨近端,与等离子喷涂处理的钛种植体相比,其在增强机械性能和骨整合方面无明显差异。
2.4.2 离子注入法:生物活性物质也可以通过离子注入的方法掺入种植体表面。离子注入是指在电场中将离子加速,冲击种植体表面,并停留于种植体表面下的表面改性方法。Braceras等[35]将钴离子注入钛种植体表面,与未进行离子注入的钛种植体相比,前者具有更好的骨整合。De Maeztu等[36]将注入钴离子注入的钛微型植入体植入人的上颌结节或下颌三角,3个月后将植入体与周围骨组织一并取出进行组织学检验,发现前者具有更良好的骨整合,且在3年的随访中未观察到不良反应。等离子体浸没离子注入是指在电场中将等离子中的粒子加速,掺入种植体表面的表面改性方法。Cheng等[37]将钙等离子体注入喷砂酸蚀后的钛种植体表面,发现该处理能有效促进新骨形成。Meirelles等[38]将氧等离子注入钛种植体表面,获得了金红石型二氧化钛纳米结构,植入家兔模型后获得了更高的去除扭矩,提示该处理促进了种植体表面的骨形成。
3 制备纳米管阵列
在钛种植体表面制备二氧化钛纳米管,能够获得纳米级的微粗糙表面,可以负载生物活性物质,并且在一定处理下可获得抗菌能力,是目前钛种植体表面处理方法的研究热点。通过阳极氧化法,钛种植体表面可以形成均匀、整齐排列的氧化钛纳米管阵列。阳极氧化是以种植体基体为阳极、惰性电极为阴极,两极浸于电解液中,外加电压,使种植体表面发生氧化反应,形成一层致密、厚度均匀的氧化膜。通过阳极氧化,种植体表面会有一定的粗糙度、孔隙率,并可以附着特定的氧化物。阳极氧化法形成的氧化钛纳米管阵列,可以提高种植体金属的抗腐蚀性能、稳定性、骨整合率等,且调节电压、电流、溶液离子及浓度,还可获得不同粗糙度的种植体表面。
钛种植体表面覆以二氧化钛纳米管后,表面细菌黏附能力降低,成骨细胞黏附能力增加[39]。体内试验表明,与酸蚀、喷砂等传统方法相比,纳米管结构可以更好地改善种植体表面的骨整合[40]。Yoriya等[41]将钛箔电极置于含有0.5%~2%氢氟酸的二甘醇电解液中,利用阳极氧化法制备出350 nm的氧化钛纳米管阵列。此外,延长氧化时间、增大电压可以增大纳米管的长度和直径,增加钛种植体表面润湿性,有利于钛种植体表面成骨细胞的早期黏附、生长、增殖,从而更快地进行骨整合[41-42]。
阳极氧化处理钛种植体表面所获得的二氧化钛纳米管,可以作为药物及生物制剂的储存仓,在一定条件下释放储存物质,加速钛种植体表面的新骨形成,控制种植体周围感染。抗骨质疏松药物如雷洛昔芬、辛伐他丁、唑来膦酸等,可以被储存入二氧化钛纳米管阵列中,在骨质疏松动物模型中受控释放,可以促进种植体表面的骨整合[43-45]。抗微生物药物如银纳米离子、羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖等,也可以被储存入纳米管中,在一定条件下可以在种植体表面释放,并表现出较强的抗微生物性[46-47]。Liu等[48]将光诱导的二氧化钛纳米颗粒掺入到二氧化钛纳米管中,与纯钛和二氧化钛纳米管相比,其在体外具有更低的细菌数量和更高的细胞成骨水平。
在阳极氧化的基础上,利用弧光放电激活、增强阳极氧化反应,被称为微弧氧化法或微等离子体氧化法。使用该法时,在电解液中增加胶体颗粒,可以达到改良种植体表面氧化膜微观结构的目的。Ran等[49]将微弧氧化法处理的钛种植体植入猎犬下颌骨,与未经微弧氧化法处理的钛种植体相比,微弧氧化法处理的钛种植体具有更高的剪切强度,并能更快、更广泛地进行骨整合。
使用阳极氧化法在钛种植体表面制备二氧化钛纳米管时,辅以紫外光的照射,可以改善二氧化钛纳米管的形貌,使其表面的亲水性有所提高,有利于骨整合[50]。紫外光同时可以减少钛种植体表面的污染物碳氢化合物,有效提高钛种植体表面的抗菌能力[51]。但紫外光对钛种植体表面的亲水性改善持续时间短,如何实现持续性地提升亲水性,仍需进一步研究。
4 小 结
多种表面改性方法可用于钛种植体,以提高钛种植体表面性能,促进骨整合。目前,不同表面处理方法各有其优缺点。传统的喷砂表面改性方法难以获得均匀的钛种植体粗糙表面,并容易引入杂质,通常需与酸蚀共同处理钛种植体表面。等离子喷涂可以使钛种植体获得多孔的表面结构,但获得良好的结构需要较高的技术工艺,涂层质量与选用的喷涂材料密切相关。以涂层方式对钛种植体表面改性后,在植入过程中涂层易因摩擦而磨损消耗。离子注入会导致钛种植体表面硬化,应用于口腔临床种植仍需进一步研究。激光处理种植体表面成本较高,目前难以应用于临床。通过阳极氧化法获得二氧化钛纳米管结构处理种植体表面后,有良好的亲水性,可用于储存药物,清除部分表面污染物,是近年来的研究热点。为实现优势互补,综合应用多种表面处理方法,而不是选用单一方法处理钛种植体表面,是钛种植体表面改性研究的发展趋势。随着新型材料以及新工艺的发明发展,更多的钛种植体表面改性方法将应用于基础及临床研究,更好地促进种植体表面骨整合,提高临床种植成功率。