金属及金属氧化物在牙种植体中的抗菌应用

马歆茹，周诗雨，杜 芹△

(1.遵义医科大学，贵州 遵义 563003；2.四川省医学科学院·四川省人民医院口腔科，四川 成都 610072；3.川北医学院，四川 南充 637000)

牙种植是一种常见的缺牙修复方法，具有较高的长期存活率。但在种植后的前5 年中，种植体周围炎的发生率高达 14.4%，并且呈现出增长的趋势[1]。种植体周围炎是导致种植失败的重要原因之一，菌斑是种植体周围炎的始动因素。种植体周围炎患者常需抗生素治疗，而耐药菌株的出现为治疗带来了一定的困难。对种植体进行表面改性或合金化，引入无机金属抗菌剂，可以避免抗生素耐药性，并赋予种植体优异的抗菌性能。本文主要介绍金属及金属氧化物抗菌原理及其在牙种植体中的抗菌应用，为种植体表面改性提供理论基础。

1 金属及金属氧化物的抗菌原理

金属及金属氧化物的主要抗菌机制主要有以下几个方面：①通过金属及金属氧化物表面溶解出金属离子，与功能蛋白结合：如锌离子(Zn2+)可以与功能蛋白结合，从而改变细胞膜通透性。细胞内增多的Zn2+与酶的硫醇基(-SH)相互作用，影响各种细菌的酶促反应，减弱糖酵解并诱导细胞死亡[2]；银离子(Ag+)与细胞膜中存在的蛋白质中-SH反应形成稳定的S-Ag键，使其失活并导致ATP合成中断；②通过产生活性氧(ROS)引起细菌细胞脂质，蛋白质和核酸等生物大分子的氧化：如Zn2+、Ag+和Cu2+可引起微生物细胞产生过量ROS，导致氧化应激[3]；氧化锌纳米颗粒和二氧化钛纳米颗粒可在光或紫外线照射下激活电子-空穴对产生 ROS，导致氧化应激[3，4]；③金属及金属氧化物纳米颗粒可以破坏细胞壁及细胞膜：金纳米颗粒附着在细菌膜上，破坏膜电位，抑制ATP酶活性并降低ATP水平[5]；④金属及金属氧化物纳米颗粒可以机械性的破坏细菌细胞结构：如氧化锌纳米颗粒上的各种物理结构，如不规则的突起和锋利的边缘可机械地破坏杀伤细菌[6]。

2 种植体抗菌表面改性的方法

使用无机抗菌剂对种植体进行表面改性的方式通常有三种：①通过制备合金，或通过离子注入和原位合成等方法，将无机抗菌剂直接富集于种植体表面；②通过微弧氧化和离子束辅助沉积等方法，在种植体表面原位生长形成二氧化钛(TiO2)氧化物层并掺杂抗菌剂；③通过溶胶-凝胶技术和等离子喷涂技术等方法向种植体表面沉积TiO2或羟基磷灰石等涂层，并向其中掺杂抗菌剂。

3 金属及金属氧化物在牙种植体中的抗菌应用

通过表面改性与合金化的方式，可以将金属及金属氧化物引入牙种植体中，赋予种植体良好的抗菌性能，减少种植体周围炎的发生。常用于向种植体中引入金属无机抗菌剂的方式主要为物理改性和化学改性，如离子注入、磁控溅射技术、电镀和选择性激光熔覆等，化学改性方法包括阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积和溶胶-凝胶技术等。通过这些不同的方式改变种植体的化学成分及表面形貌，调控抗菌金属离子的释放，能够影响细菌的黏附与生长。

3.1 用于牙种植体表面改性的金属元素

3.1.1银 银是人类最早使用的一种广谱无机抗菌金属。大量研究表明，相较于铜和锌，银具有更强的抗菌性能，Ag+的最小抑菌浓度与 Cu2+和 Zn2+的最小抑菌浓度相差了数百倍。银主要通过释放Ag+影响细菌的结构和功能，银纳米颗粒由于其高表面积可释放更多的Ag+，更常用于种植体表面改性。如Gunputh等[7]用原位合成的方法，将银纳米颗粒均匀修饰在生长有 TiO2纳米管的钛合金表面，使其能稳定而缓慢溶解出Ag+，杀灭金黄色葡萄球菌。Mohandas等[8]采用水热法将银纳米颗粒的嵌入钛表面，形成嵌入Ag-NPs的纳米叶结构TiO2，能显著降低耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的黏附性及活性，且具有良好的生物相容性，利于骨髓间充质干细胞的存活、增殖和成骨分化。体内实验也证实了银纳米颗粒涂层优异的抑菌和抗感染性能，如王晓婧等[9]通过电沉积在纯钛种植体表面制备纳米亚晶状银涂层，并将其植入比格犬下颌前磨牙区，发现该组种植体在诱导种植体周围炎2 个月后仍愈合良好，黏膜水肿较轻，表明改涂层可以预防并改善种植术后早期感染所致炎症。

3.1.2铜 铜参与着机体的多种生理功能，是人体不可缺少的微量元素。铜能发挥优异的抗菌活性，如Astasov等[10]采用火花辅助阳极氧化方法将铜沉积在钛盘上，显著抑制了其表面附着及环境中的牙龈卟啉单胞菌。Ghosh等[11]首先使用阴极电解合成法在钛表面生长羟基磷灰石纳米晶，再将这种由羟基磷灰石包覆的钛作为阴极，将溶液中的铜离子电化学还原为铜纳米颗粒，可持续的释放出Cu2+以发挥持续的抗菌活性，有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。铜还能促进血管生成和新骨形成，以改善种植体的骨整合。如Zong等[12]在通过在纯钛表面上对不同铜含量的磁控溅射Ti-Cu涂层进行阳极氧化，将铜引入TiO2纳米管阵列中。该涂层可以持续释放Cu2+，发挥持久的抗菌活性，且能促进血管内皮细胞合成一氧化氮及分泌血管内皮生长因子。

3.1.3锌 锌是人体必需的微量元素之一，在人类机体中发挥着重要作用。锌的抑菌性能优良，如Huo等[13]通过阳极氧化和水热法在钛植入物上制备了结合锌的TiO2纳米管涂层，该涂层不仅能通过产生ROS有效减少其表面金黄色葡萄球菌的黏附定殖，且能通过释放Zn2+抑制周围的浮游细菌。锌不仅能发挥良好的抑菌性能，且Zn2+可以促进骨代谢，促进骨骼生长并减少骨吸收，利于种植体的骨整合。如Jin等[14]采用等离子体浸没离子注入技术在草酸刻蚀的钛中注入锌，使其能有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。且随着锌注入的时间的延长，提升了该材料表面成骨细胞黏附、增殖和分化的能力以及对大肠杆菌的抑菌效果菌。Li等[15]采用溶胶-凝胶法在微弧氧化钛基体上制备了一层含不同浓度Zn2+的羟基磷灰石涂层，不仅能对牙龈卟啉单胞菌有良好的抑制作用，且能促进骨髓间充质干细胞的增殖及成骨分化。

3.1.4镁 镁是骨骼生长必不可少的元素，镁离子不仅可以抗菌，还能促进钙的沉积。局部富含镁的微环境可以提高成骨细胞的粘附率，促进新骨的生成并调节成骨细胞的信号传导，以利于种植体材料的骨整合[16]。如Zhao等[17]采用微弧氧化方法在钛种植体表面制备了镁掺杂TiO2的微孔涂层，该涂层可抑制种植体周围金黄色葡萄球菌的感染，促进成骨细胞的黏附、增殖和分化，且可能通过ERK/c-Fos信号通路促进骨整合。最近Tan等[18]采用磁控溅射法在生物医用钛表面沉积了氧化镁以调节种植体表面碱度，该膜无细胞毒性，可通过削弱跨膜质子浓度梯度干扰细菌的呼吸作用，选择性杀灭细菌，并促进其表面的成骨细胞增殖。

3.1.5钛 钛属于惰性金属，抗菌性能较差，但是通过对钛表面形貌调控，制备纳米结构的钛表面，可以减少细菌的黏附定殖，抑制生物膜的形成。如Bierbau等[19]采用阳极氧化的方法在光滑的钛表面上制备不同的纳米孔结构，可以抑制其表面的血链球菌初期黏附，防止生物膜成熟，并且不影响其表面的细胞黏附生长。Liu等[20]采用水热法在TiO2纳米管表面和内部修饰3～8 nm的二氧化钛纳米颗粒以增强其光催化活性。在经紫外光处理后，该材料表面可生成大量ROS，下调变异链球菌糖基转移酶基因以抑制其黏附，并减少变异链球菌和牙龈卟啉单胞菌数量。同时由于该材料的纳米形貌和高表面能，TiO2纳米管的生物相容性也得到了改善。

3.1.6多种金属元素 将多种不同抗菌金属元素同时用于牙种植体的表面改性，通过不同的机制抑菌，可能发挥较单种金属元素更优异的抑菌活性和生物性能。如Jin等[21]通过等离子体浸没离子注入技术将锌和银共注入到钛中，由于锌银共注入钛中锌离子的长程相互作用和银纳米颗粒的短程相互作用的协调效应，赋予了该材料良好的成骨活性和抗菌能力。Yu等[22]通过等离子体浸没离子注入技术，研制了双锌镁离子共注入钛的种植材料，不仅能发挥良好的成骨活性、促血管生成作用，且能一定程度上抑制牙龈卟啉单胞菌和具核梭杆菌等口腔厌氧菌。种植体涂层中锶和钽等异种金属的添加可能降低抗菌金属元素的细胞毒性，提升生物相容性。如Geng等[23]通过水热法将银引入钛表面的磷酸钙涂层中，同时添加锶减弱银的毒性。银涂层虽然抗菌性能显著提升，但细胞的增殖和分化明显降低，而同时添加银和锶后，该涂层在保持抗菌性能的同时还可以发挥良好的生物相容性。

3.2 用于牙种植体合金化的金属元素抗菌金属可与钛制备成合金新材料，可赋予种植体持续的抗菌性能。Liu等[24]设计并制备了一种新型的含铜钛合金，与纯钛相比，能够有效杀灭变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌并抑制其生物膜的形成，从而抑制细菌感染，防止种植失败。Shi等[25]制备了一种钛银合金，并表明其抗菌机制为主要受钛银颗粒的控制的接触杀菌。随着钛银合金中银含量的增加，其抗菌性能提高。此外，通过对合金表面进行处理，能促进抗菌金属颗粒的暴露，抗菌金属离子的释放及骨整合。如钛银合金经喷砂处理和酸蚀后会形成含微米、纳米孔隙和海绵状纳米结构的微观粗糙的表面，使表面暴露更多的银且能在溶液中释放 Ag+以发挥抗菌活性[1]。

4 结语

应用金属及金属氧化物对牙种植体进行合金化或表面改性，可以赋予种植体抗菌性能，减少微生物的黏附及聚集。铜，锌和镁等金属还可以诱导种植体的骨整合，促进骨组织的形成和改建。目前，金属及金属氧化物在牙种植体中的抗菌研究多数仍停留在体外研究阶段，临床研究相对较少，且存在一些局限，如金属离子的释放量会逐渐降低。如何避免不利因素，制备生物相容性良好且能发挥持续的抗菌活性的种植体，提高种植成功率并减少相关并发症，是金属及金属氧化物在种植体中应用的研究热点及趋势。