氧化锆种植体材料特性的研究现状*

刘小明 李冰

随着老龄化社会来临，功能良好且稳定的种植修复得到了广泛应用。钛种植体在过去几十年凭借优良的生物相容性、骨结合能力和杰出的力学性能得到广大医师和患者的认可[1]。然而金属种植体存在的腐蚀性、过敏性、磁共振伪影和美学缺陷限制了其临床应用范围[2]。

伴随着“无金属修复”观念的普及以及患者对美学要求的提高，生物陶瓷材料凭借出色的美学性能已广泛应用于修复体，正畸支架以及种植基台[3]，其中添加稳定剂(氧化镁、氧化钇、氧化铈)的氧化锆克服传统陶瓷材料机械性能不足的同时也避免了金属材料易导电、易导热、易氧化等缺点，成为了潜在的新型种植体材料[4]。氧化锆良好的抗弯强度、韧性及耐磨性、隔热性及适宜热膨胀系数[5]为氧化锆种植体奠定了良好的基础。本文就氧化锆种植体的材料特性进行综述。

1.氧化锆种植体的机械性能

机械性能是保证种植修复成功的重要因素之一。氧化锆根据特定的几何结构和尺寸参数被分为单斜相、四方相和立方相。纯氧化锆在室温下为单斜相结构，在1170℃～2370℃之间四方氧化锆形成，而立方相氧化锆的形成是在更高的温度。四方相在970℃还原为单斜相，在冷却过程中，随着单斜相的形成会发生较大的体积变化(3%～5%)，这种变化足以超出弹性和断裂极限，从而在陶瓷中形成裂纹和缺陷(低温降解)[6]。四方晶相的存在决定了氧化锆具有良好的力学性能[7]，同时稳定剂的掺入可以减少裂纹和缺陷的发生，从而获得高强度和高断裂韧性的氧化锆。传统氧化锆凭借出色的力学性能和美学性能在冠修复体中得到了广泛应用；氧化镁稳定氧化锆(Mg-PSZ)可以抑制低温降解，但是力学性能较差，烧结温度较高(1800℃)限制了其应用范围；2%～3%氧化钇稳定氧化锆(Y-TZP)目前广泛应用于全瓷冠、全瓷基台。氧化钇稳定氧化锆具有良好的弯曲强度(900～1400 MPa)、断裂韧性(9～20MPa·m1/2)和杨氏模量(210GPa)，克服传统陶瓷材料机械性能不足，脆性较大等缺点成为了钛种植体的潜在替代材料；氧化铈和氧化铝共稳定氧化锆(Ce-TZP/ Al2O3)在对抗低温降解的同时拥有更高的强度和断裂韧性使其成为更理想的种植体材料[8]。

Burkhardt等[9]表明氧化锆种植体的断裂韧性符合临床要求。Joda等[10]在体外对氧化锆种植体进行性能试验分析，发现氧化锆种植体可以满足生理状态下的力学负荷。Spitznagel等[11]在循环疲劳测试中氧化锆种植体的机械性能满足临床要求。钛种植体的高弹性模量造成的应力遮挡是导致牙槽骨吸收和骨质疏松的重要原因[12]，而氧化锆种植体较低的弹性模量可以降低骨组织的应力/ 应变能力[13]，从而减缓骨吸收。氧化锆种植体的机械性能满足种植需求，但是，陶瓷材料的长期稳定性及低温降解(老化)仍是其面临的重大挑战。

2.氧化锆种植体的表面形态

表面形态在骨结合中起着基础性作用，通过改变种植体表面形貌、粗糙度和亲水性可以显著提高骨结合和软组织结合的成功率[14]。研究表明种植体的表面粗糙程度与骨-种植体接触程度的高低密切相关，微粗糙氧化锆植入物显示出与微粗糙钛植入物相似的骨结合能力[15]。Munro等[16]研究发现经过喷砂处理后的氧化锆表面粗糙度得到了增强，骨结合能力和种植成功率得到了提升。Mihatovic等[17]将常规喷砂、酸蚀后的三种不同表面粗糙度的氧化锆种植体和同样处理的钛种植体分别植入9 只犬的双侧下颌，分别在3 天、14 天和10 周后评估新骨、旧骨和全骨与种植体接触时的组织反应，发现在整个愈合期骨组织表现为组织重建，氧化锆种植体显示出与钛相似的骨结合能力，随着粗糙度的提升，种植体的骨结合能力得到提升。

现有的表面处理技术(如机械加工、抛光、紫外线处理、溶胶-凝胶处理、涂层)中，喷砂后酸蚀的种植体表面具有均匀的微粗糙度，被视为表面处理的金标准[18]。然而这些表面处理存在一些风险：种植体表面残留的陶瓷颗粒污染、细菌定植的扩散以及底层材料结构和性能的改变，这些风险可能对氧化锆种植体的临床生存造成不利影响，因此需要新的表面改性方法对氧化锆进行处理。目前先进制造技术通过阳极氧化、高强度激光和表面涂层等技术在氧化锆上形成纳米级的纹理，通过提升微粗糙度，为成骨细胞的附着和增殖提供更易接受的表面[19]。Tang等[20]在氧化锆表面制备二氧化钛涂层降低低温降解的影响，改善氧化锆表面的亲水性和粗糙度，使氧化锆具有良好的生物相容性，促进成骨基因表达和成骨细胞增殖、扩散、矿化。Huang等[21]采用等离子喷涂技术制备纳米氧化锆涂层，将纳米氧化锆涂层的氧化锆种植体植入兔胫骨，结果显示纳米氧化锆涂层种植体的表面粗糙度和润湿性比钛涂层种植体更适合进行骨结合，并且较钛涂层种植体在早期更好地诱导骨形成。Gnilitskyi等[22]报道了在氧化锆表面使用高速飞秒激光进行表面纳米处理，这已被证明在动物模型中对细胞粘附和骨结合具有重要意义。Wu等[23]采用磁控溅射结合纳米氧化技术在氧化锆表面制备一层纳米多孔钽涂层，来提高植入体的早期骨结合能力，这些先进处理技术有望在改善氧化锆种植体骨结合方面得到临床应用，但仍需要更多的临床研究验证。

3.氧化锆种植体的美学性能

义齿的美学修复已颠覆了传统的修复理念，成功的种植美学不仅要考虑白色美学，还要考虑粉红色美学，包括种植体周围牙龈轮廓和牙龈颜色。钛种植体由于牙龈退缩而显露金属边缘，或者由于种植体周围的黏膜半透明性而呈现灰色，尤其是薄龈生物型的患者[24]。Golasik等[25]研究发现钛种植体周围组织中大量释放离子型钛，在参加代谢后影响免疫系统，从而导致生物学并发症。

与钛种植体相比，氧化锆种植体在粉色和白色美学指数方面美学效益更加[26]，金属光环即使在颊侧骨缺损或薄龈生物型的患者中也均未显露。Kniha等[24]对氧化锆和钛种植体的白色和粉色美学进行评分，氧化锆种植体的美学评分高于钛种植体且明显高于临床可接受阈值。氧化锆种植体由于与天然牙相近的颜色，在种植修复中具有很大优势,并且还减少了细菌和菌斑粘附的机会从而减少种植体周围炎的发生率。目前氧化锆在高度苛刻的美学修复区域(特别是前颌骨和软组织受损部位)以及对金属存在过敏的患者中得到广泛应用。

4.氧化锆种植体的抗菌性能

种植体周围的微生物菌斑聚集可发展为种植体周围炎，是导致种植修复失败的重要原因。细菌生物膜早期主要是由链球菌聚集形成，后期是由牙周致病菌在内的晚期致病性细菌形成。生物膜的存在可能腐蚀钛种植体(尤其是在酸性环境中)，并导致腐蚀产物沉积，引发过敏反应[27]。Kunrath等[28]观察不同种植体表面的表皮葡萄球菌数量,发现氧化锆表面上的细菌粘附较少。由于较低的表面能和表面润湿性，氧化锆种植体的细菌粘附力低于钛种植体，生物膜的积累量也较少[29]。Roehling等[30]发现氧化锆表面细菌黏附数量较钛种植体明显减少，愈合基台和种植体周围软组织炎性细胞数量明显减少。与钛种植体相比氧化锆可以减少微生物的聚集，改善血液循环，有利于上皮附着的形成，更有利于软组织屏障的形成[31]。

5.氧化锆种植体的骨组织结合

种植体和骨组织之间形成快速的骨结合是种植成功的关键。理想的骨结合能力是种植体修复的基础[32]，通过生物力学强度和骨组织形态对氧化锆种植体的骨结合能力进行评估。现有研究中生物力学强度主要通过移除扭矩和压入试验进行评估，骨组织形态是通过骨-种植体接触，骨体积和骨密度来评估[33]。Janner等[34]在犬的下颌前磨牙和磨牙对应位置分别植入氧化锆和钛种植体，4 周和16 周评估种植体的骨结合情况，发现氧化锆种植体与表面形态相似的钛种植体显示出相似的骨结合能力。微粗糙的种植体表面有利于骨结合的发生，Roehling等[35]发现微粗糙化的氧化锆和钛种植体在负载和非负载条件下具有相似的骨结合能力。通过酸蚀、喷砂、激光和生物活性涂层等方式增加了氧化锆种植体表面粗糙度、亲水性和细胞粘附、扩散及迁移的能力[3]，从而提升骨结合能力。

在骨结合早期，纤维组织倾向于生长到具有生物惰性的种植体与骨组织之间，从而导致松解和微运动，因此，如何提高氧化锆表面的早期骨结合成为一个至关重要的问题。Noro等[36]通过超亲水处理(氧等离子体、紫外光)增强了成骨样细胞的初始附着，并改变了细胞形态，有利于早期骨结合的形成。Rashmita[37]通过酸蚀和生物玻璃或亲水性丙烯酸水凝胶涂层对氧化锆进行表面改性，导致成骨细胞的生长和分化得到改善。亲水性丙烯酸水凝胶涂层促进了成骨细胞的增殖，而生物玻璃涂层显示出更好的矿化。亲水性丙烯酸水凝胶涂层有望成为促进种植体骨结合的关键。

6.氧化锆种植体的软组织结合

软组织结合对种植体至关重要，种植体颈部周围软组织起着抑制微生物进入的作用。种植体周围牙龈组织具有与天然牙龈组织相似的屏障功能，以上皮组织和结缔组织为代表的软组织结合决定着生物学宽度，种植体的长期预后取决于软组织对种植体的支持，同时有助于早期的骨结合[38]。种植体表面的湿润性是建立软组织屏障的重要因素，而氧化锆在软组织周围的生物学特性方面具有优势，通过调节蛋白质的吸附和细胞的运动，促进软组织屏障的形成[39]。Kajiwara等[40]发现氧化锆种植体周围组织中的血流与天然牙周围软组织中的血流相似，并且比钛种植体周围血流要好。有动物研究证明与钛种植体相比，氧化锆种植体周围的软组织整合程度更高[41]。Juan等[42]在6 只比格犬下颌骨两侧共植入12 颗种植体，一侧采用氧化锆种植体，另一侧采用钛种植体，来比较钛和氧化锆两种不同材料对种植体周围软组织形态的影响，种植体植入9 个月后研究发现钛和氧化锆与周围软组织的生物学宽度、屏障上皮长度、结缔组织长度、胶原纤维密度百分比相似。

成纤维细胞、红细胞、血小板、防御细胞和上皮细胞的存在是氧化锆在牙周组织和上皮组织中始终显示出更好软组织反应的主要原因，这些细胞对口腔环境中生物材料的成功应用至关重要[43]。氧化锆的软组织结合能力符合种植材料的需求，但仍需要更多的临床研究加以证明。

7.小结

Y-TZP 和Ce-TZP/ Al2O3种植体凭借同钛种植体相似的性能逐渐成为种植体的新材料，尤其是在一些对美学要求较高的区域得到了广泛的应用，并且短期临床效果良好，但远期修复效果尚需更多的研究。同时，氧化锆种植体的加工方式和表面处理技术尚未形成广泛共识，缺乏统一标准，因此氧化锆作为种植体材料的新方向，依然存在着许多亟待解决的问题与挑战。