构建牙科种植体抗摩擦磨损表面微结构的可行性分析*

张艳芳 杨瑟飞

患者口内天然牙缺失后常需要进行义齿修复，种植牙由于能恢复缺失牙功能，且美观、舒适感强，在临床上的应用越来越广。但是有研究[1]发现，牙科种植体从植入牙槽骨开始，在种植体-骨接触界面会发生摩擦行为，这将导致种植体表面材料的磨损，引发局部炎症甚至导致早期骨结合不良。本文我们将拟进行对种植体表面摩擦和磨损行为的基础理论及相关进展的讨论，并进一步分析和推测抗摩擦磨损种植体表面研究应用于临床的可能性。

1.牙科用钛及钛合金抗摩擦磨损研究的必要性

钛及钛合金具有良好的机械性能、生物相容性、耐高温、抗冲击性等，被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空及舰船等领域[2]。其中，钛优良的生物相容性和耐腐蚀性是其应用于牙科种植领域的最重要原因。钛密度小，与人体骨组织相容，能够与之形成骨结合，且与其他金属相比，其弹性模量与骨组织最接近，接触时可减轻机械应力，减少骨吸收的发生[3]；属于惰性金属，暴露于大气或电解质环境时表面可形成一层薄而稳定的TiO2氧化膜，使基体能耐受体液等的腐蚀，具有抗腐蚀性[4-5]。但该氧化层机械性能差，表面剪切阻力低，有体外摩擦测试发现，外部应力容易将其破坏，且表面暴露后无法立即重新钝化，从而导致金属表层消耗，出现碎屑、分层甚至形成裂纹，发生塑性变形和脱层反应[6]。因此钛及其合金耐磨性差。目前在牙科种植体表面已进行喷砂等表面处理来改善其抗磨性，但临床研究仍发现种植体在植入过程或开始负载后，其接触界面由于相对运动发生摩擦可产生磨损颗粒，甚至可能引发局部炎症反应，加速电化学腐蚀，影响骨结合[7]。因此发生在种植体-骨界面的生物摩擦学行为是需要我们研究并关注的。

2.种植体-骨界面的摩擦学机理

摩擦学(tribology)是研究摩擦、磨损与润滑行为的学科。摩擦在两接触表面发生相对运动时产生，可引起滑动阻力和能量损耗。磨损是摩擦的结果，是两接触表面由于摩擦导致形状、尺寸、组织和性能变化的过程，可造成材料表面损坏和损耗。

种植体从植入到开始负载后，与牙槽骨接触形成种植体-骨界面，其接触界面发生的摩擦行为包括滑动摩擦与微动摩擦两个方面：

2.1 滑动摩擦 临床上为了保证初期稳定性制备种植体窝洞时通常较植体略窄，种植体在垂直向力和骨侧壁压力的作用下植入时与牙槽骨接触滑动并发生相对位移，产生摩擦，进而导致植体表面磨损[8]。其摩擦系数主要受载荷、滑动速度与温度、表面膜的影响[9]：

2.1.1 载荷 种植体和牙槽骨表面均具有一定的粗糙度，静止时两接触表面的实际接触面积只是几何面积的一小部分，在载荷作用下两表面的粗糙峰彼此嵌入，可产生接触应力和塑性变形，使实际接触面积增加，且随接触时间延长，发生的相互嵌入和塑性变形都会增加，摩擦系数随之增大[10]。

2.1.2 滑动速度与温度 滑动速度增大导致表面发热，温度升高会改变表层的性质，引发表面原子或分子的扩散、吸附，表层结构变化和相变等，摩擦系数也将随之增加。

2.1.3 表面膜 钛金属表面常常会形成一层氧化膜，使接触表面间的原子或离子结合力被较弱的范德华力代替，降低表面分子力作用，从而减少摩擦。但其过薄时减摩性不足以发挥，过厚时因机械强度低于基底金属材料，滑动剪切阻力小，受力下的植入过程中容易被损坏，使基底金属被暴露发生磨损，摩擦系数增大。

2.2 微动摩擦 种植体植入完成开始负载后，在体液环境和载荷的交互作用下，种植体-骨的接触界面可发生微米量级的相对运动，即微动(fretting)。微动会造成接触界面的摩擦磨损，使接触表面破坏，裂纹萌生、扩展与断裂，且对骨组织也会产生损伤，有研究认为种植体植入后微动幅度在50～150μm 时不影响骨结合。但受振动及载荷等的影响，当微动幅度增加到组织损伤超过自身修复能力时，就会发生骨吸收、骨结合不良等反应，导致种植失败[11,12]。根据实际造成的破坏过程微动摩擦可分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀3 种形式[13]：

2.2.1 微动磨损 载荷作用下，接触表面的微凸体可发生黏着和塑性变形，局部黏着点断裂脱落后形成磨屑，磨屑在接触界面被碾压后发生迁移和氧化，使接触表面形成麻点或虫纹形损伤。因此选择抗黏着磨损特性好的材料可以减轻微动磨损。

2.2.2 微动疲劳 接触表面因微动可萌生裂纹源，在微动摩擦力和疲劳应力的协同作用下裂纹扩展，最终导致疲劳断裂，这就是微动疲劳，其破坏程度与载荷、微动振幅和环境因素有关。

2.2.3 微动腐蚀 微动腐蚀是材料表面在腐蚀性介质(具有腐蚀性的液体及气体等)作用下产生的损耗。种植体植入后，接触的介质主要为口腔环境(包括骨组织)中的体液。因此，提高种植体表面的耐腐蚀性可减少表层材料的磨损。

综上我们发现，种植体-骨界面的摩擦机理较为复杂且和多个因素有关，其中种植体材料的表面理化性能是主要的影响因素。因此，为种植体构建抗摩擦磨损的表面结构是有望通过研究实现并应用到临床的。

3.钛及钛合金种植体表面抗摩擦磨损的研究现状

研究种植体-骨界面生物摩擦学机理的目的是为了在实际应用中减缓和防止摩擦磨损对种植体表面的影响。笔者查阅文献发现目前学者们主要从物理及化学表面处理、机械强化、仿生学方面来改善钛及钛合金种植体表面的抗磨性[14]。

3.1 物理处理 通过改变温度，使种植体表层固相发生转变，可使其表面硬度和强度增加，从而减轻微动损伤。比如对Ti-6Al-4V 植体进行热氧化处理(在600℃下持续60h)后[15]，在表面可生成金红石型氧化钛硬化层，增加了种植体表面的硬度和强度，且经滑动磨损测试可见材料表层磨损量少，裂纹扩展不明显，抗磨性提高。使用液氮将材料冷却至大约-185℃，可消除种植体表面的残余应力，提高其耐磨性[16]。其机理是低温处理会导致晶粒细化和β 相减少，且高位错密度和孪晶的存在消耗了在滑动摩擦过程中产生的高能，阻止表面产生裂纹[17]。

3.2 化学处理 通过磷化、硫化和阳极氧化等化学处理手段，在牙科种植体表面可形成一层非金属涂层，涂层具有多孔性，便于磨粒的储存，从而使材料的抗微动损伤能力增强。比如对钛板进行阳极氧化处理[18]，表面可形成TiO2纳米管涂层。TiO2纳米管的弹性模量与皮质骨接近，可以避免种植体-骨界面处应力分布的突然变化，从而减少应力屏蔽现象和骨的磨损；还可以增加种植体表面粗糙度，形成一个类似多孔的种植体，引导骨小梁结构向内长入，增强早期骨结合。微观下可见该涂层晶体结构紧密，具有一定的机械强度和弹性模量，在种植体植入过程中可表现出一定的耐碎裂性，而且即使发生碎裂也可被压实，从而形成更紧凑的涂层，保护基体材料免受摩擦影响[19]。

3.3 机械强化

3.3.1 机械处理 利用喷砂、滚压等手段，联合涂层、蚀刻等技术，加工后可使材料表面粗糙度及硬度增加，塑性形变降低，同时表面形成硬化层，能对正常应力形成阻力，从而减少裂纹的形成及扩展，提高材料的抗疲劳磨损能力。有学者[20]采用喷砂和双蚀刻技术在种植体表面制备了纳米纹理氧化钛层，植入猪骨后即刻取出观察，发现种植体表面几乎没有机械损伤，证明该氧化物层具有高度的耐磨性。

3.3.2 表面涂层 采用冶金或镀膜技术在种植体表面可制备具有一定厚度和强度的涂层，涂层与基材结合紧密，可增强其机械性能；存在孔隙，可以储存和容纳磨粒，使涂层具有耐磨性。常用的方法有堆焊，热喷涂，浆液涂层，电刷镀，镀膜(真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜和化学气相沉积等)等。

工程材料领域有很多研究使用了该技术。如在钛及钛合金基材上制备类金刚石碳涂层[21]，等离子渗氮[22-23]，C60离子束沉积碳纳米复合材料涂层[24]等，均可改善其表面的强度和硬度，提高抗磨性，减少接触界面的微动磨损；还有利用电极和金属基板之间的高能脉冲放电，将熔化的电极材料沉积到基板上完成冶金反应后，在氮通量条件下制成的TiN 涂层，具有高硬度和高强度，且经磨擦测试发现表面仅有一些浅的沟槽，表层材料的磨损率降低[25]。

3.3.3 基于激光技术的表面处理 通过激光淬火[26]，可获得具有高强度和硬度的马氏体组织，提高种植体表面的抗磨损能力；激光表面纹理化，调整激光参数在钛板上制备不同形态的微观织构,可增加钛板表面硬度，且减小了摩擦过程中的实际接触面积，改善了钛板表面的抗磨擦性能[27-29]；激光纹理化和表面涂层联合应用，不仅可以促进涂层与基材之间的结合，增强涂层的硬度，同时也能提高材料表面的耐磨性[30]，有研究将激光纹理化后的种植体在N2中进行处理，发现生成的氮化物涂层可使种植体表面硬度提高，减少摩擦，且表面纹理使涂层的磨损率也降低了20 倍以上；使用激光束熔化3D 打印技术制造多孔的Ti-6Al-4V 牙科种植体[31]，其粗糙的表面结构也有助于增强种植体的耐磨性和骨整合。

3.4 仿生学设计 除以上的方法外，也有学者开始关注仿生学。他们试图通过喷砂、酸蚀等手段制作模仿骨表面粗糙度的显微结构，生成具有生物启发性的微/纳米结构表面，并和生物大分子(如蛋白质等)结合，来复制成骨细胞在体内的环境[32]。与传统的钛表面相比，该处理方法可增加种植体表面的粗糙度和机械强度，更好更快的引导成骨细胞聚集附着，加速骨结合过程，从而减少摩擦带来的影响。

4.钛及钛合金种植体表面抗摩擦磨损研究的展望

改变牙科种植体的表面形态和性质是改善其在植入过程及早期负荷时表层结构抗磨擦磨损性能的关键。目前的文献研究已经验证了一些表面改性处理有效。但实际应用中我们还需要考虑这些方法的可操作性。热喷涂、涂层制备等技术会涉及到大型仪器设备或实验条件难以达到(如热处理、化学气相沉积温度过高；离子注入技术仪器昂贵等)问题，实验成本较高；表面TiO2纳米管结构制作简单且成本低，但本身机械强度不足；基于激光技术的处理精准度高，且形态可控，但费用较高；仿生学设计研制微纳结构表面，能加快骨结合，降低摩擦的不利影响，但制作微/纳米结构时的表面处理如喷砂时涉及精准度不够的问题等等。因此，结合摩擦学机理和现有技术的优缺点，期望通过更深入的研究和实验，研发出更经济有效的表面抗摩擦磨损结构，并能在临床上推广应用。