纳米技术改性口腔种植体的研究进展

杨雨青，曹志炜，巫佩瑶，周 陶，解 亮

(四川大学华西口腔医学院 口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心，成都 610041)

牙列缺损及牙列缺失可由牙周病、发育异常、外伤、肿瘤等引起，并进一步导致颞下颌关节紊乱、咀嚼功能减退、牙周组织病变、面部美观性及言语功能下降等，影响患者生活质量及心理状态[1]。随着医学技术的发展及人群口腔健康意识的不断提高，种植体植入技术暨将人工牙根植入牙槽骨以固定、支撑替代牙冠已成为失牙后功能重建的重要方法，此技术较为成熟，成功率为90%～95%[2]。但目前的种植体植入仍存在问题，主要为植入物周围感染及其与邻近骨连接的缺失，这些并发症可导致组织愈合时间延长甚至种植治疗的失败[3]。研究表明，种植体表面结构及本体材料的改良可改善其理化性能、机械性能及生物性能，尤其是纳米层面上的修饰，能够明显改进以上两点不足，从而提高口腔种植治疗成功率[4- 5]。现就纳米技术对口腔种植体性能改善的研究进展及相关的临床试验予以综述，旨在为纳米技术改性种植体的临床使用提供参考。

1 纳米材料与技术

根据欧盟委员会的定义，纳米材料是一类天然的、偶然产生的或人工制造的，半数以上粒子一维或多维的外部结构在1～100 nm范围内的材料，其中的粒子可以分散、团粒、聚合形式存在[6]。制造纳米材料所需的技术即纳米技术，在口腔医学领域有极广泛的应用，包括疾病早期诊断与监督、靶向药物的开发、口腔治疗仪器设备的研发及种植体性能改善等[7- 11]。不同处理方式对种植体性能也有影响[12]。纳米技术可通过控制理化条件向材料中添加元素或在材料上形成纳米表面，改善其拓扑结构与化学性能，达到促进骨整合、抑制炎症反应的目的，因而越来越多地应用于种植体改性，见表1[13- 20]，种植体改性分为本体改性及表面改性。

表1 不同元素纳米表面性能比较

2 纳米改性种植体

常用口腔种植体材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子聚合材料与混合材料4类，见表2[21- 29]，下面分别介绍纳米技术对这4种材料性能的改善。

2.1纳米改性金属种植体 纳米结构的金属材料在口腔种植体材料中有重要地位，生物力学性能良好，强度与韧性适宜，可通过普通方法达到无菌标准。纳米级金合金、不锈钢、钴铬(Co- Cr)合金、镍铬(Ni- Cr)合金可用于制作假肢部件[30]，而纳米结构钛及其合金[如钛- 6铝- 4钒合金(Ti- 6Al- 4V)等]已应用于口腔种植治疗。纳米表面能改善金属及合金材料的性能，研究表明以超速激光诱导等方法形成的纳米级钛种植体或种植体表面的钛纳米涂层有良好的润湿性[31]，能显著促进间充质干细胞黏附及成骨分化[32]，显微CT扫描显示种植体周围的骨密度和骨量明显高于对照组[33]，可加速种植体周围骨整合，进一步研究表明，这类种植体可上调成骨细胞的Rho相关激酶蛋白、β联蛋白及Wnt5a，表明Rho相关激酶- Wnt5a通路可能参与纳米表面调节成骨的过程[34]。Guida等[35]研究证实，钛种植体表面氧化后形成的复杂纳米结构，对牙龈成纤维细胞的黏附、增殖、细胞外基质沉积及Ⅰ型胶原合成有促进作用。除促进成骨外，钛纳米表面还可裂解细菌达到提高细菌杀灭率、延缓长期生物膜形成的效果，从而有效控制感染[36]，这可能与种植体表面的纳米阵列排布有关[37]。Khudhair等[38]研究发现载二氧化钛(titanium dioxide，TiO2)纳米管钛种植体耐腐蚀性高、力学性能好、比表面积大，在体内外实验中均表现出对间充质干细胞生物学行为[39]、周围骨整合及骨的矿化速率的正向影响，并可有效减少表皮葡萄球菌的黏附与定植[40]，载羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)纳米涂层钛种植体也有类似的性能[41]。此外，钛种植体表面的混合纳米涂层也能显著提高其力学性能与生物学性能，应用电流体沉积技术制作的载氧化锌/HA纳米涂层钛种植体有良好的抗菌作用，明显减少厌氧菌和链球菌附着，抑制生物膜形成[42]；聚多巴胺修饰载银钛种植体能进一步提高种植体的抗感染及骨整合效应[43]；载纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite，nHA)/壳聚糖钛种植体可通过重新激活局部黏着斑激酶- 骨形态发生蛋白2/Smad蛋白途径改善糖尿病模型的成骨细胞黏附及分化过程[44]。

制作方法对金属种植体的纳米改性也有影响，如碱性条件下用水热法制成的纳米级钛种植体生物学性能及力学性能等优于未处理的钛种植体[45]。3D打印技术可制作高精度种植体，便于控制微观结构，应用该技术制成的载TiO2纳米管Ti- 6Al- 4V种植体[46]、载HA纳米涂层钛镍合金(Ti/Ni)种植体[47]生物学性能有所提升，而实际应用中技术仍不够成熟、长期安全性、力学性能仍有待证实，但随着科技的发展，该技术将在种植体制作过程中起重要作用。

表2 各类种植体性能

-:未描述

目前对金属种植体纳米涂层材料的研究较局限，多为HA、TiO2等，可在此方面进行创新。如在钛种植体表面添加纳米级锂(Li)涂层[48]、锶(Sr)涂层[49]等，还可以在金属种植体表面加载含官能团的纳米涂层，如将重组人骨形态发生蛋白- 2相关寡核苷酸锚定到喷砂酸蚀处理的钛种植体表面可以增加骨- 种植体连接[50]；针对载釉原蛋白钛种植体的体外试验发现，该种植体能够促进牙周韧带细胞及骨髓间充质干细胞的初代黏附和成骨分化[51]。

通常来讲，钛植入物中必须添加其他元素以提高强度和耐腐蚀性，但目前认为不含合金元素的纳米结构钛种植体未来可能有重要的生物医学用途，不但可以避免合金元素潜在的毒理学作用，还可以使种植体获得更好的机械性能。

2.2纳米改性陶瓷种植体 陶瓷是经高温压实、烧结而成的无机材料，纳米结构陶瓷材料具有高强度、高耐腐蚀性、低导热导电性、低生物降解性、适宜的弹性及美观性等优良性能，可用于口腔种植体的制作。目前，HA、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)是使用较普遍的陶瓷种植体材料，其中HA具有极好的骨整合能力，可促进细胞外基质矿化[52- 53]，同时具备优良的生物安全性[54]，被认为是承重植入体的良好选择。在该种植体表面增加纳米涂层后能够获得更好的机械性能及表面活性，促进成骨细胞黏附、增殖、分化等[55]，还可在纳米表面加载多巴胺以进一步提高其生物学性能[56]。ZrO2、Al2O3均有良好的生物相容性，与Al2O3相比，ZrO2具有更高的断裂韧性和强度[57]，添加纳米涂层后可提高种植后稳定性[24]。而Al2O3具有较高的硬度和优良的耐磨性，两者形成的复合材料具有更合适的断裂韧性、延展性及表面形貌，在种植体领域有广泛应用[58]。目前有关陶瓷种植体的纳米表面形貌或涂层与骨整合的研究较多，虽然结论不完全相同，但普遍认为纳米表面能够显著促进种植体表面的骨生长和附着，加快骨整合进程，促进功能重建，提高种植成功率[58]。然而，这类种植体在力学性能、商业生产等方面仍存在一些不足，还需进一步探索。

2.3纳米改性高分子种植体 口腔高分子聚合材料包括聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚氨酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等[59- 60]，多数具有与软组织相近的弹性模量、更适合的拉伸强度、理想的孔隙率、低导电导热性、良好的生物相容性，且制造方便，成本低廉。使用纳米技术进行表面改性或本体改性可改善高分子种植体性能[61]。

聚醚醚酮是传统治疗中常用的高分子聚合物，具有适宜的生物力学性质及生物相容性，但其抗菌能力和骨整合能力较差，目前认为HA纳米涂层可明显提高生物活性。研究表明高分子种植体表面的纳米涂层对移除扭矩及提高生物相容性有重要作用[62]，新西兰兔体内实验显示该种种植体的种植体- 骨结合程度显著强于未经涂层处理的种植体[63- 64]。

此外，还可采用复合注射成型等技术形成纳米结构混合型材料进行本体改性，如目前研究较多的nHA/纳米聚醚醚酮(nano polyetheretherketone，nPEEK)种植体、纳米氟羟基磷灰石/nPEEK种植体、纳米碳/nPEEK等。体外实验表明纳米氟羟基磷灰石/nPEEK种植体可以促进初代细胞的黏附并进行生物活性调节，提高碱性磷酸酶活性及细胞外基质矿化速率，同时可抑制细菌定植与生物膜形成[65]。对nHA/nPEEK与纳米碳/nPEEK种植体生物学特性的研究发现，两者均可促进种植体- 骨界面的骨结合，且纳米碳/nPEEK种植体有更高的骨接触率与形成量，提示其骨整合能力更强，目前认为这种表现与纳米硅酸钙释放钙微粒和硅微粒后形成的多孔结构有关[66]。深入研究发现，nHA/nPEEK种植体可显著减轻种植体周围的炎症反应[67]，有良好的生物相容性，可能与钙离子相关蛋白上调、RNA相关蛋白质下调有关[68]。聚乙烯也是医学中常用的材料，但临床应用仍存在一些问题，如高密度聚乙烯弹性模量低、生物相容性差且存在黏弹性。γ射线作用下形成的nHA/高密度聚乙烯种植体内各粒子分布均匀，上述不足均有明显改善，使高密度聚乙烯成为口腔种植体材料的一项良好选择[28]。Raimondo等[69]用电子束蒸发技术制成了纳米结构聚乙烯并探究相关性质，结果显示其机械性能、耐磨程度、表面能量明显优于传统光滑表面，与蛋白质黏附增强，可促进成骨细胞及血管内皮细胞的黏附与迁移，有利于种植体的骨整合。研究表明nHA/聚氨酯材料也有类似性能[70]。

限制该类材料广泛应用的主要问题在于难以通过普通的环氧乙烷或高压蒸汽进行灭菌，且表面的静电现象会聚集口内其他微粒，导致局部感染，引起种植的失败。此外，由于其弹性模量与软组织相近，易产生弹性形变，可能封闭组织向内生长的孔隙，使植入体承重能力降低。

2.4纳米改性混合材料种植体 混合型种植体由两种或两种以上材料组成，涉及基质材料和次级颗粒或薄膜的组合，基质可为高分子聚合物、陶瓷或金属材料[71]。通过涂层或表面图案化技术形成的纳米结构混合型种植体能够促进种植体- 骨整合的形成，并在咀嚼过程中分散咬合力，纳米纤维、纳米管、纳米棒、纳米球等结构有较高的比表面积，可添加表面官能团、增加组织细胞附着面积，提高种植的成功率。

体外实验结果显示，载碳纳米纤维聚醚醚酮/HA种植体能明显促进MG- 63细胞的黏附与增殖[72]，TiO2- 壳聚糖- 4- 硫酸软骨素纳米复合材料[73]、聚丙烯乙二醇包被nHA形成的纳米复合材料[74]也有类似的作用。Diez- Pascual和Diez- Vicente[75]研究发现，载TiO2纳米管聚醚醚酮/聚醚酰亚胺种植体有更强的载重能力，可能与纳米表面的应力分散作用有关[76]。目前认为纳米混合材料的处理方式也会影响其性能，如碱改性二氧化铈稳定四方相ZrO2多晶陶瓷基纳米氧化锆/氧化铝复合材料比纳米ZrO2/Al2O3复合材料有更好的表面润湿性，对蛋白质的吸附能力更强，且能提高成骨细胞的碱性磷酸酶活性、骨钙素表达及细胞外基质钙沉积，从而提高骨整合能力[77]。

3 纳米种植体的临床研究

已有许多临床试验显示了口腔纳米结构种植体有效性与安全性。Goene等[78]分别应用双重酸蚀处理及酸蚀处理后添加纳米磷酸钙涂层的种植体修复上颌牙齿缺失区，结果显示后者平均种植体- 骨接触明显提高且新形成的骨与种植体表面螺纹贴合更密切，可明显缩短愈合时间，进行早期承重[78- 79]。Ostman等[80]进行的多中心前瞻性研究也支持以上观点，并发现其更适合单牙修复。有关种植体纳米羟基磷灰石涂层的临床研究显示，其炎症反应与常规种植体无区别[81]，但在合适的涂层厚度、磷酸钙溶解度、纳米拓扑结构下能够改善骨整合情况[82]。研究者对植入多孔纳米HA/PA66种植体的患者进行了为期5年的随访，结果显示纳米结构种植体有良好的生物安全性与相容性，可诱导种植体- 骨界面的骨形成[83]，且适当功能负荷能够进一步促进骨整合[84]。此外，一项为期2年的前瞻性研究表明同样的下颌后牙区垂直牙槽嵴增量治疗，被覆聚四氟乙烯- 钛混合涂层的纳米HA种植体的早期载重能力强于普通种植体[85]。

然而部分研究者也认为纳米种植体的应用存在潜在危险[86]，如解离出来的纳米微粒表面积大，易被相邻组织吸收，一方面会集聚其他无法降解的粒子，另一方面可能导致机体损伤。有研究称球形纳米材料可进入肺泡引起呼吸道感染，若进入血液循环，则可能导致心血管病变甚至系统性疾病[87]，若透过血脑屏障定植于中枢神经系统影响神经元膜电位，则可能导致中枢神经系统损伤[88]。目前，纳米材料种植体的临床应用时间尚短，长期安全性仍需进一步验证，且种植体的理化性质也会影响其毒性，需不断改进制作工艺使之更加标准化。

4 结 语

随着生物医学材料的不断发展，纳米技术的应用不仅能改善种植体的力学性能与理化性能，使之比普通种植体更适用于牙体组织，还可赋予种植材料抗菌性能、成骨活性等生物学特性，减少感染的发生，促进种植体周围骨形成，从而缩短治疗时间，提高种植技术成功率，展现了独特的优越性与发展空间。但纳米技术改性种植体的相关研究仍存在不足：①其生物安全性仍需更多基础研究及临床试验验证；②种植体的机械性能与牙体组织存在差异，有待改善；③纳米技术及制作工艺的简化也是研究的重要方向。纳米结构种植体的研发有巨大潜力，随着研究的不断进展、性能的不断提升，未来将会有更大的临床价值。