钛种植体的腐蚀研究进展

王 胜，梁 潇，惠光艳

(1.海军青岛特勤疗养中心，山东 青岛 266071；2.陆军后勤部信息保障室，北京 100072)

0 前 言

种植牙因具有不伤邻牙、美观、耐用、可防止牙槽骨萎缩等优点而成为国际口腔医学界公认的牙齿缺失的首选修复方式。种植牙由种植体、基台和牙冠组成(图1)，种植体植入牙槽骨中、充当人工牙根，为整个种植系统提供支撑、固定作用，并通过基台与上部的牙冠连接。种植体是种植牙的核心，直接影响牙齿种植的质量，其费用约占整体医疗费用的40%。钛由于具有生物相容性好、耐蚀性高、强度高、弹性模量相对低、成型性能好、机械加工性能优等特点，使其成为最常用的制作种植体的材料。钛是一种过渡金属元素，当温度低于其相变温度时，钛的晶体结构为密排六方相(α相)；当温度高于其相变温度时，则转变为体心立方相(β相)。商业纯钛有1～4共4个等级，随着等级的增加，杂质铁的含量依次增大，屈服强度和抗拉强度也增加。因此，出于强度考虑，大部分由纯钛制作的种植体选用4级钛。纯钛种植体最早可追溯至20世纪60年代Albrektsson等[1]的工作。加入合金元素会影响钛α相和β相的稳定性，导致β相和α+β双相钛合金的出现，如最常用的Ti6Al4V钛合金由于β相稳定元素V的存在而呈现出α+β的双相结构，该合金比商业纯钛具有更高的屈服强度和抗拉强度，也是种植体的常用材料。

由于钛对氧具有很高的亲和性，在氧存在的环境中钛表面可形成一层薄而稳定的致密钝化膜，其厚度一般为几纳米。该钝化膜由一系列的钛氧化物组成，包括TiO2、TiO、Ti2O3等[2]。这层钝化膜可抑制基底钛金属的活性溶解，使得钛及其合金具有优良的耐蚀性。尽管钛具有优良的耐蚀性，但Olmedo等[3]发现，在钛种植体周围黏膜的上皮细胞的内部和外部、巨噬细胞中均可检测到钛金属颗粒，且牙髓炎患者的种植体周围组织中的钛离子含量高于未患病者，这表明钛种植体在人的口腔中亦不能免于腐蚀。钛腐蚀引起的钛离子浓度升高可引起过敏反应，引发种植体周围黏膜炎和牙髓炎，进而增加钛种植体在短期内失效等风险[4]。因此，有必要对钛种植体的腐蚀进行研究。本文依据腐蚀影响因子的类型，从无机物与有机物作用下的腐蚀、微生物作用下的腐蚀和摩擦腐蚀3个方面对钛种植体的腐蚀研究进展进行综述，以期为开发科学合理有效的种植体腐蚀防护技术提供理论基础，为种植体的长期安全应用保驾护航。

1 无机物与有机物作用下的腐蚀

钛种植体在根据ISO/TR10271配制的人工唾液(成分：1 L蒸馏水中加入0.400 g NaCl、0.400 g KCl、0.780 g NaH2PO4·2H2O、0.795 g CaCl2·2H2O、0.005 g Na2S·2H2O、1.000 g尿素，使用乳酸调整pH值至5.8)中发生的腐蚀较为微弱，但当由含氟牙膏或漱口水引入氟离子、炎症细胞(如巨噬细胞、中性粒细胞)代谢产生过氧化氢等无机物时，其腐蚀会加速。

由于具有优良的防龋效果，含氟牙膏、漱口水的使用量不断增长，氟离子对钛种植体的安全服役存在很大威胁。氟离子可渗透至种植体与牙槽骨的狭小缝隙中，且难以完全清理，使得氟离子对种植体的威胁可能长期存在。氟离子对钛种植体的腐蚀作用主要通过破坏钛钝化膜进行，其往往通过氢氟酸起作用，且氟离子转变为氢氟酸的过程与介质的pH值密切相关。氢氟酸通过与钝化膜中的钛氧化物反应生成钛氟化合物[反应式见式(1)～(3)]，导致钝化膜的溶解破坏[5]。为了确定能够引起钛钝化膜破坏的氟离子浓度，人们研究了钛种植体在含不同浓度氟离子介质中的腐蚀行为。如Alves Rezende等[6]研究了商业纯钛和Ti-10%(质量分数，下同)Mo在含0.05%氟化钠介质中的电化学腐蚀行为，发现这一浓度的氟化钠对钝化膜的稳定性的影响可忽略。Huang等[7，8]研究发现，在口腔酸性环境下，当氟离子浓度高于0.10%时，Ti6Al4V的阳极溶解氧电流迅速增大、阻抗迅速减小(图2)，且在0.10%～0.50%的氟离子浓度范围内腐蚀速率随浓度增加而增大。杨西荣等[9]研究了纯钛在不同氟离子浓度(0.1，0.3，0.5，1.0 g/L)、不同pH值(5.6，6.2，6.8，7.6)下人工模拟唾液中的腐蚀行为，发现与pH值相比，氟离子浓度对腐蚀行为的影响更大，氟离子浓度越高，材料耐蚀性越差。赵炼等[10]也发现纯钛在氟浓度为0、0.02%、0.10%和0.20%的人工唾液中的腐蚀随着氟离子浓度的提高而愈发严重。因此，使用钛种植体的患者应尽量避免使用高浓度的含氟口腔清洁用品。

Ti2O3+ 6HF → 2TiF3+ H2O

(1)

TiO2+ 4HF → TiF4+ 2H2O

(2)

TiO2+ 2HF → TiOF2+ H2O

(3)

除氟离子外，过氧化氢也被认为是引起钛种植体腐蚀的重要无机物，过氧化氢作为活性氧物质主要与人体的炎症响应有关。过氧化氢对钛种植体的腐蚀作用主要是通过与钛氧化物形成可溶解相(如TiO2-nH2O)来改变钝化膜的结构实现，钝化膜的结构变化可能有多种，Pan等[11]认为过氧化氢可使得钛钝化膜的多孔外层变厚，Al-Mobarak等[12]认为过氧化氢不仅使钛钝化膜的外层变得更厚与多孔，而且使得内层缺陷增加，Fonseca等[13]认为过氧化氢使钝化膜更加粗糙，且具有更高的离子导电性。过氧化氢对钛腐蚀的促进影响与其浓度密切相关，Yu等[14]研究了Ti6Al4V在含不同浓度(0、0.1%、0.5%和1.0%，质量分数)过氧化氢的介质中的腐蚀行为，发现溶出钛离子浓度随过氧化氢浓度的增大而增大，且β相优于α相发生腐蚀。因此，当钛种植体植入口腔后，应尽量避免炎症的发生，从而减弱过氧化氢对钛种植体的不利影响。

目前，有关有机物对钛种植体腐蚀的影响的研究主要集中于蛋白方面，这是因为在钛种植体植入口腔的过程中和植入后，血浆、唾液、食物残渣中的蛋白可与其接触、并在其表面吸附形成吸附层，进而可能对其腐蚀产生影响。蛋白在钛种植体表面的吸附与种植体表面的羟基数量、表面能的极性分量密切相关，蛋白吸附层的形成会覆盖活性位点、抑制氧向钛表面的传输，因而蛋白一般被认为是阴极反应抑制剂，会降低钛种植体的阴极电流。另一方面，蛋白又可以螯合金属离子，有促进钛种植体腐蚀的倾向。因此，钛种植体在含蛋白的溶液中的腐蚀是钝化膜生长与蛋白吸附共同作用的结果，蛋白与金属离子的螯合可促进钛的氧化与钝化膜的生长，钝化膜的生长又可提高钛种植体的表面疏水性进而促进蛋白的吸附，吸附的蛋白又可作为阴极反应抑制剂。这些过程使得蛋白对钛种植体的腐蚀的影响比较复杂，蛋白浓度的差异可导致不同的结果。Huang等[8]发现向人工唾液中加入0.01%～0.50%的白蛋白对Ti6Al4V的电化学阻抗没有影响，因而不影响腐蚀；而Dragus等[15]发现向人工唾液中加入1.6 g/L的白蛋白后，Ti6Al4V的阴阳极电流减小、极化电阻增大，腐蚀被抑制；Karimi等[16]系统研究了血清蛋白含量对Ti6Al4V腐蚀的影响，发现当血清蛋白的含量为0.2～4.0 g/L时，钝化电流密度随蛋白含量的增加而减小，且当蛋白含量为4.0 g/L时的钝化电流密度小于不添加蛋白的(图3)，亦即当蛋白含量高于4.0 g/L时才能抑制腐蚀。在实际人体环境中，总是无机物与有机物并存，因而有许多报道关注白蛋白与氟离子或过氧化氢共同作用下对钛种植体的腐蚀。研究发现白蛋白的添加可抑制氟离子、过氧化氢对钛种植体的腐蚀促进作用，这与白蛋白在钛表面形成的吸附层密切相关[14,17]。

2 微生物作用下的腐蚀

口腔是人体非常重要的微生物寄居系统，微生物种类繁多、数量庞大，钛种植体在使用过程中面临微生物腐蚀的挑战。目前全球最大的口腔微生物组数据库HOMD(human oral microbiome database)已收录775种口腔微生物，其中70%的微生物可在实验室培养。目前，已有少量有关口腔微生物对钛种植体腐蚀的影响的研究，这些研究大多集中于单菌株的作用。

在口腔微生物腐蚀研究中，受到最多关注的是链球菌属的细菌，包括变形链球菌、轻型链球菌、血链球菌等。链球菌可以消耗糖类产生乳酸，且其耐酸性强。Souza等[18]研究了在富含蔗糖的人工唾液中变形链球菌对纯钛腐蚀的影响，发现变形链球菌可在钛表面形成生物膜，尽管没有发生局部腐蚀，但其可使得腐蚀电位负移、钝化膜极化电阻减小、耐蚀性降低(图4)。变形链球菌对钛腐蚀的促进作用被认为与其代谢产生的有机酸所致pH值降低密切相关，而唾液中蔗糖浓度对变形链球菌的腐蚀性有重要影响。当蔗糖浓度高时，变形链球菌生长旺盛，其利用蔗糖代谢产生的胞外多糖增加，进而有利于其在钛种植体表面形成生物膜，生物膜中有机酸的积累会促进钛的腐蚀[19]。与变形链球菌相似，轻型链球菌亦可促进钛的腐蚀，其代谢产生乳酸被认为对钛的腐蚀起重要作用[20]。血链球菌对钛腐蚀的促进作用除与代谢产生乳酸有关外，还与代谢产生的过氧化氢有关[21]。

除链球菌外，经常会出现在口腔深处的厌氧微生物硫酸盐还原菌也会对钛种植体的腐蚀产生影响。硫酸盐还原菌不是生物学分类上的概念，而是指一类能够把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物及元素硫还原成硫化物的细菌的统称，硫酸盐还原菌造成的微生物腐蚀损失约占整个微生物腐蚀损失的一半。硫酸盐还原菌对碳钢、低合金钢、铜合金等的腐蚀性强，对钛的腐蚀促进作用相对较弱。Mystkowska[22]研究了致黑脱硫肠状菌对Ti6Al4V钛合金腐蚀的影响，发现在含菌介质中暴露28 d和56 d后，钛合金腐蚀坑的面积比分别为1.8%和3.1%。但有关硫酸盐还原菌对钛腐蚀的影响机制目前还不清晰，Harada等[23]认为在中性介质中添加13.0，50.5，100.0 mmol/L硫化钠对钛的腐蚀没有影响。硫酸盐还原菌主要通过胞外电子传递机制促进碳钢、低合金钢、不锈钢的腐蚀，而其对钛的腐蚀促进作用是否也通过这种机制实现，还未有报道。

除上述2类微生物外，牙龈卟啉单胞菌、内氏放线菌等对钛腐蚀的促进也有文献[24,25]报道。同时，基于钛种植体在人体口腔中所遭受的微生物腐蚀是多种微生物共同作用的结果这一事实，有文献开始关注混合菌作用下钛的腐蚀。Souza等[26]研究了变形链球菌与白色念球菌共同作用下钛的腐蚀，发现2菌株共存下在钛表面未观察到局部腐蚀坑，但电化学测试发现开路电位负移、极化电阻减小，表明耐蚀性降低，酸性代谢产物所致pH值降低被认为是主要的腐蚀促进机制。

总的来看，目前微生物对钛种植体腐蚀的影响研究还处于起步阶段，大多数研究使用电化学方法对腐蚀进行评价，而缺少点蚀行为等表征，同时腐蚀影响机制除了代谢有机酸促进机制外，其他机制还不清晰。

3 摩擦腐蚀

摩擦腐蚀是电化学腐蚀与磨损的共同作用，其在腐蚀性介质中以不同的磨损模式进行，如滑动、滚动、微动、冲击等。摩擦腐蚀体系复杂，影响因素众多，为了更好地理解这一腐蚀形式，提出了多种摩擦腐蚀模型。1954年，Uhlig[27]首次提出了两体微动模式下的摩擦腐蚀模型，将金属总损失量划分为化学磨损与机械磨损，化学磨损被认为符合对数氧化速率关系，且与粗糙凸起的数量、尺寸、摩擦速率等密切相关；机械磨损与粗糙接触总面积、行程成正比，而粗糙接触总面积又可由法向力与屈服压力的商求得。该模型计算的总损失量与循环次数成正比、与法向力成抛物线关系、与频率成双曲线关系。在Uhlig模型的基础上，对化学磨损与机械磨损的计算公式进行修正，得到了多种模型，包括水溶液中的磨损促进腐蚀模型、磨损促进腐蚀的电偶耦合模型、基于Archard理论的机械磨损模型、基于疲劳的机械磨损模型等[28]。近期，Cao等[29]又将润滑这一因素融入到两相接触的模型中。与两体模型中只考虑单一磨损形式(塑性变形或疲劳)不同，当存在较厚的产物膜、脱落的颗粒等第三体时，化学磨损与机械磨损之间的相互作用将会更复杂，代表性模型如Quinn[30]提出的氧化磨损理论。此外，还有考虑循环载荷、腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂等因素的多参量退化模式[31]。目前，两体模型是被研究与发展最多的，但其依然存在一些局限性、需进一步研究。对于钛种植体，滑动和微动模式下的摩擦腐蚀较为常见。

钛在滑动模式下的摩擦腐蚀行为受到环境介质性质和材料性质的影响。环境介质中对摩擦腐蚀影响较大且研究较多的物质主要有氟离子、氢离子、蛋白等。氟离子对摩擦腐蚀具有促进作用，但不同研究中的对摩擦腐蚀起促进作用的氟离子浓度存在差异。Licausi等[32]研究了Ti6Al4V钛合金在含有不同浓度氟离子(0、100、1 000 mg/L)人工唾液中的摩擦腐蚀，发现未摩擦时，阳极电流密度非常小，摩擦后阳极电流密度迅速增大，且高浓度氟离子存在时的阳极电流密度大于低浓度氟离子存在时的(图5)，即高浓度的氟离子加剧了磨损，磨损加剧使磨损量增大；进一步研究发现，向酸性(pH=3)的人工唾液中加入1 000 mg/L的氟离子后，失效机制由塑性变形+钝性溶解转变为活性溶解[33]。Souza等[34]发现纯钛在氟离子浓度低于227 mg/L的人工唾液中能够形成致密的钝化膜，随氟离子浓度变化磨损系数不变，但电化学阻抗数据表明钛的耐蚀性随氟离子浓度增大而降低；而当氟离子浓度为12 300 mg/L时，磨损系数减小、但腐蚀量增大。与氟离子对摩擦腐蚀的促进作用不同，氢离子(反映为pH值)对钛的摩擦腐蚀的影响仍有争议。Licausi[33]等研究了Ti6Al4V钛合金在不同pH值(3，6，9)的人工唾液中的摩擦腐蚀，发现失效机制在不同pH值的介质中不变；而Mathew等[35]则发现相较于pH值为3和9的人工唾液，pH值为6时纯钛的腐蚀失重最大、腐蚀最严重，这些差异可能与材料种类、载荷施加量、加载速度等的差异有关。蛋白可在钛表面吸附成膜，进而可能影响摩擦腐蚀。Dimah等[36]研究发现在连续滑动测试条件下，白蛋白的添加对钛合金的腐蚀与颗粒的机械脱附影响微弱；但在周期滑动测试条件下，白蛋白可以抑制摩擦腐蚀，这主要是因为在静止期蛋白的吸附可以降低钝化膜生长速率、增大机械作用空间、降低摩擦损耗。人们往往采用加入合金元素的方式来提高钛的耐摩擦腐蚀性能。如相较于纯钛，Ti6Al4V钛合金具有更好的耐摩擦腐蚀性能，这可能与合金元素的添加可使钝化膜的力学性能提高有关[36]；向Ti6Al4V钛合金中添加铜元素可进一步提高其耐腐蚀磨损性能，因为铜元素的添加可引入α相Ti/Ti2Cu共析物从而提高其耐磨损性能[37]。

与滑动模式相似，微动模式下的摩擦腐蚀也受到环境介质性质和材料性质的影响。Diomidis等[38]研究了具有β相结构的Ti12.5Mo、Ti13Nb13Zr、Ti29Nb13Ta4.6Zr和具有α+β相结构的Ti6Al4Fe在滚动模式下的摩擦腐蚀行为，发现Ti13Nb13Zr和Ti29Nb13Ta4.6Zr在微动磨损过程中能够修复自身的钝化态，而微动磨损使Ti6Al4Fe被活化、导致形成大的溶解腐蚀坑；当向介质中添加白蛋白、透明质酸、二棕榈酰磷脂酰胆碱后，Ti12.5Mo的磨损系数减小、磨损速率降低。与滑动模式相似，氟离子的添加会对微动模式下的摩擦腐蚀起到促进作用。在不含氟离子的人工唾液中，当微动停止后，Ti6Al4V钛合金能立即钝化；引入氟离子后，钛合金不能立即修复微动区的破坏。且Ti6Al4V钛合金体系的磨损量随氟离子浓度的增加先增大后减小，这是由于高浓度的氟离子会使摩擦副由氧化铝-钛合金转变为覆盖有钛的氧化铝-钛，降低了磨屑的碾压磨损作用，进而降低了磨损速率[39]。除氟离子外，不同缓蚀剂对摩擦腐蚀的影响不同，阳极型缓蚀剂可提高纯钛的耐摩擦腐蚀性能，而阴极型与有机缓蚀剂则使得其磨损量与腐蚀速率增大、摩擦腐蚀性能劣化[40]。与滑动模式相似，相较于纯钛，Ti6Al7Nb钛合金具有更好的耐微动磨损性能，且随着倾斜角度的增加与加载力的减小，磨损程度降低；但两者在切向与径向微动力作用下的磨蚀机制均为脱层、磨料和氧化磨损[41]。

值得注意的是，目前有关钛种植体摩擦腐蚀的研究在装置类型、摩擦副材料与结构、载荷的加载细节等方面存在差异，使得不同研究的结果难以直接比较，这降低了对摩擦腐蚀的认知效率。

4 总结与展望

腐蚀是影响钛种植体长期有效使用的重要因素，由于口腔环境的复杂性，钛种植体的腐蚀是无机与有机粒子、微生物、摩擦腐蚀等因子单独或共同作用的结果。关于无机物与有机物作用下钛种植体的腐蚀研究大多专注于氟离子、过氧化氢、白蛋白等，氟离子与过氧化氢可加剧钛种植体的腐蚀，白蛋白可抑制腐蚀。关于微生物作用下钛种植体的腐蚀研究还处于起步阶段，链球菌属等产酸菌促进腐蚀的研究报道较多，而硫酸盐还原菌等其他类型微生物的腐蚀影响机制还不明朗。关于摩擦力作用下的腐蚀研究大多关注环境介质性质和材料性质的影响，但由于不同研究在摩擦腐蚀性能表征方面的差异使得结果难以直接比较。在后续的工作中，可进一步突出微生物对钛种植体腐蚀的影响作用，建立标准化钛种植体摩擦腐蚀研究的体系，以推动钛种植体腐蚀研究的丰富化与体系化。此外，目前有关钛种植体的腐蚀研究基本都在体外模拟环境下进行，而实际服役环境远比模拟环境复杂，模拟环境下的腐蚀寿命预测适用于服役环境的准确度需要验证。同时，服役环境下钛种植体腐蚀的快速评价与监、检测也是钛种植体腐蚀研究的难点，需要投入更多的精力。