种植体表面微纳米化的研究进程范文

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［摘要］种植修复目前已经成为牙齿缺失的一种重要修复方式，种植体表面的生物活性对于种植手术成功率具有重要影响。随着仿生学和纳米技术的不断发展，越来越多的学者希望在传统喷砂酸蚀的基础上，对种植体表面进一步微米化或者纳米化处理，构建出更具生物活性的种植体表面。在梳理了国内外构建种植体表面结构的方法后，本文将在种植体表面构建出微米级孔隙的方法归为一类，将在种植体表面构建出微纳米复合级孔隙的方法归为另一类，并对这两大类的实验方法、对成骨的影响、作用原理进行对比综述，以期为后续研究提供依据。

［关键词］牙种植体;微米化;纳米化;生物活性

Branemark教授创立的骨结合理论是种植修复的基础理论，对种植义齿的发展产生深刻影响。其后，在加拿大多伦多举行的“骨结合在口腔临床应用”国际会议确立了该理论在口腔种植发展中的指导性地位。理想的种植体应具有良好的理化性能、生物安全性能和良好的生物活性。良好的理化性能和生物安全性能能够保证种植体在患者体内达到良好的稳定性，这是种植体植入长期成功的保障。良好的生物活性则能够保证种植体达到理想的初期稳定性，尽快达到理想的骨结合状态，减少种植体植入早期失败的风险［1］。钛金属质量轻、抗锈蚀、易加工且具有一定的强度，这为钛金属作为种植体材料提供了理化性能基础。同时钛表面会自动形成一层氧化钛层，这层氧化钛能提供一个极稳定的界面，这是钛种植体具有良好生物相容性的基础。因此，钛成为目前应用范围最广的种植体基材［2］。但是，这一层极稳定的氧化钛使得种植体表面无法达到优异的生物活性。为了达到增强种植体表面生物活性、促进种植体达到更好骨结合的目的，近几十年来国内外大量学者一直不断努力，通过不同的表面处理方式来改变种植体表面性质。除了传统的喷砂酸蚀等方式使种植体表面粗化以外，越来越多的学者从仿生学的角度，在种植体表面模拟构建类似于天然骨的结构［3－6］。先前已有学者通过纳米生物表征，分析出人体内的自然骨组织中存在着多级排列的结构。通常情况下，骨组织是由三种分子水平的结构组成:①纳米结构(从几纳米到几百纳米)，包括非胶原的有机蛋白、纤维状胶原和嵌入的矿化晶体(羟基磷灰石);②微米结构(1～500μm)，包括薄片状骨、骨单位、哈弗氏系统;③宏观结构，包括松质骨和皮质骨。本综述将分别就传统的种植体表面微米化研究、目前的种植体表面微纳米复合化研究进行综述，讨论二者所采用的处理方法、达到的微观结构特点以及对成骨作用的影响。

1种植体表面微米化的研究

种植体表面微米化处理的方法主要包括大颗粒喷砂酸蚀(sandblastingwithlarge-gritandacid-etching，SLA)和改良的喷砂酸蚀(SLActive)。这两种方式是较为传统的种植体表面处理方式，目前已经广泛应用于临床领域。喷砂酸蚀处理种植体的商业化代表是Straumann系统、Dentium系统。改良喷砂酸蚀商业化种植体的代表是Straumann系统。SLA与SLActive均是以喷砂酸蚀的处理方式为基础，在种植体表面形成了微米级的微孔，以期达到与骨结构哈弗氏系统吻合的目的［7］。

1．1喷砂酸蚀技术(SLA)

形成的微米孔SLA的喷砂过程是将氧化铝、二氧化硅或者羟基磷灰石等研磨材料高速喷射到种植体表面，在种植体表面形成凹陷。然后，用一定浓度的强酸溶液，如硫酸、盐酸等，浸泡种植体表面，实现去除喷砂带来的杂质以及对种植体表面进一步蚀刻的作用。这样的理化蚀刻作用能够在种植体表面形成微米级别的孔隙。经过上述喷砂酸蚀后得到的微孔尺寸，从几微米到几十微米不等。经过不断探索、分析，目前通过控制喷砂时的参数(如砂粒种类、砂粒直径等)以及酸蚀时的参数(如酸的种类、浓度、处理温度、处理时间等)，可以将种植体表面微孔控制在一定范围内［8］。同是处于微米级别，但是不同大小的微米孔隙对于成骨细胞的增殖、分化以及后期成骨过程具有较大的影响。大量研究表明，种植体表面微米级结构为2～5μm时，更有利于成骨细胞的分化，并达到良好的骨结合效果［9－10］，这与笔者团队之前做的关于种植体表面微观结构的研究结论一致。

1．2改良喷砂酸蚀技术(SLActive)

形成的微米孔隙改良喷砂酸蚀技术是在喷砂酸蚀技术基础上发展而来的一种技术。SLActive的原理是，对喷砂酸蚀得到的种植体表面，进行进一步的化学改性，这些化学改性包括改变种植体表面物质结构、引入新的化学离子等，以期得到具有更佳亲水性和表面活性的种植体表面。更佳的亲水性意味着种植体能够更好地与血液、体液及相关蛋白迅速接触，这对于种植体表面尽快实现成骨细胞沉积具有重要作用［11］。较之于SLA，SLActive处理得到的种植体表面的骨钙素沉积量、血管组织数量，均有显著提高。在种植体植入后3个月，SLActive植体表面已经被新骨完全填充，而SLA植体周围的新骨仅局限在缺口处的顶部［12］。SLActive较之于SLA技术，将单一的物理结构改变变成了物理化学性质的双重改变，更加有效地促进了骨形成。钛种植体表面的这种微米化的改性不仅可以改善材料的生物相容性和生物学活性，还能影响细胞的活性和组织的反应，从而产生更多的新骨形成，促进种植体的初期骨结合。与平滑的钛表面相比，通过喷砂酸蚀处理形成的微米级的种植体表面可以快速促进成骨细胞的粘附生长和周围牙槽骨组织的改建，更具有成骨优越性。目前，解释微米级的种植体表面结构是如何促进成骨细胞增长及促进种植体的骨－种植体接触率，主要有三种理论:①生物力学理论［13］;②接触骨形成理论［14］;③表面信号传导理论［15］。生物力学理论认为种植体表面结构被改变后，其受力下的力学性能随之改变。接触骨形成理论认为对种植体表面进行微米化处理后，种植体的表面积增大了，这增大了与骨组织尤其是处于微米级的骨单位和哈弗氏系统的接触面积，更好地促进了骨细胞的生长。表面信号传导理论则认为，微米化的种植体表面之所以能够更好地促进成骨，并非仅仅是机械性地增大了表面接触所致，它认为种植体表面的微米结构使得骨细胞及相关成骨因子的细胞信号传导过程受到了一定的影响［16］。然而，也有不少学者通过细胞学实验等体外实验指出:微米级粗糙的牙种植体表面与机械平滑面比较，更有利于成骨细胞的分化，从而可以促进种植体周围骨组织的成熟;而微米级界面上沉积的骨细胞数量却小于机械平滑面，成骨细胞的增殖减缓［17－18］。

2种植体表面微纳米复合化的研究

纳米材料是指尺度在1～100nm的材料，因为当一种材料尺寸达到纳米级别后，它会表现出不同于宏观尺寸的特殊效应，即为纳米尺寸效应。这种变化使得纳米材料成为近些年来材料学尤其是生物材料学研究的热点和发展方向。纳米技术通常涉及纳米级点状突起、纳米线或者自组装的复杂纳米管。纳米生物材料根据它们的理化结构及物相结构特点又可以分为纳米晶体、纳米颗粒及纳米涂层等等［19－20］。种植体表面微纳米复合结构的研究，源于仿生学的高速发展。仿生学在各个领域的成功，使得研究者们希望在种植体表面能够构建出更加接近于天然骨组织的多级结构。此外，Albrektsson教授和Wennerberg教授的理论也为这一设想提供了一定的理论基础。他们将种植体表面性能划分为三部分:①机械力学性能;②形态学功能;③物理化学功能。他们还指出这三部分性能密切相关、相互影响，改变其中任何一个性能，其它两种性能也可能随之发生变化［7］。通过改变种植体表面形态，来改变种植体表面的理化性能以及生物活性成为可能［21－23］。从工业化生产的角度来说，通过改变生物材料的表面形态，来达到改变该生物材料生物活性，也是最为稳定且经济实惠的处理方式。目前在种植体表面构建微纳米复合结构的方法，主要有以下几种。

2．1离子注入技术

形成的纳米结构等离子注入即对钛种植体表面注入某种新的离子、原子、官能团来改变其本身的生物学活性或生物相容性。具体来说，是指从气体或是从溅射表面产生离子化原子，在真空中提取这些原子并将其向目标材料表面加速。不同的速度能够改变离子注入的深度。目前离子注入包括钙离子注入、银离子注入及镁离子注入等。这些离子由于自身性质不同，往往能给种植体带来不同的性能改变，比如注入的钙离子、镁离子能够提高种植体表面活性［24－25］，注入的银离子能够使种植体具有一定的抑菌作用［26］。离子注入技术虽然能改变种植体表面的性能，但离子涂层与种植体基体间的剥脱却是这种技术的最大缺点，这种剥脱可以导致种植手术的失败。

2．2激光熔覆技术

形成的纳米孔激光熔覆技术要求先在钛种植体的表面涂上一层1～2mm的熔覆材料，然后利用高能激光将该熔覆层与钛基地的表层一同熔化，从而在钛种植体基体的表面形成具有不同离子或者不同结构的合金层。这一合金层能够明显改善钛种植体表面的耐热、耐摩擦性能。并且通过在这一合金层引入特定离子，可以使得该图层具有不同的生物性能。有学者利用激光熔覆技术和羟基磷灰石，在钛种植体表面构建了生物陶瓷梯度涂层。研究结果表明，控制熔覆过程中的相关参数，可以使得形成的混合涂层与人体骨组织的结构非常相似，并且涂层结构中出现了少量的微孔结构，而微孔的出现有效促进了骨组织的长入［27］。此外，有学者利用该技术对钛种植体表面进行处理，形成了多孔的表面结构，并证实这些孔状结构有助于成纤维细胞的粘附，从而促进了软组织在材料表面的附着并形成更有效的生物屏障［28］。激光熔覆技术使得涂层与钛基体间结合更为紧密，有效地解决了离子涂层剥脱的问题。

2．3微弧氧化技术

形成的微纳米复合孔隙微弧氧化是一种通过高压电弧直接在目标金属表面生成氧化物陶瓷膜的电化学技术。这种高温高压瞬间烧结的作用，能够使得金属表面氧化物发生物相的改变，由原金属表面的无定形氧化物变成更为稳定的晶体相，也就是所说的陶瓷相。通过控制微弧氧化的反应参数，比如电压强度、处理时间等，可以在种植体构建出的微米级表面再进一步构建出分布均匀的纳米级结构［29－31］。较之于传统喷砂酸蚀处理种植体表面的工艺，微弧氧化的参数控制更加有效也更加精确。并且，这种通过微弧氧化所形成的陶瓷相结构与基体材料的结合更牢固，结构也更为致密，具有良好的耐腐蚀和耐磨性。

2．4阳极氧化技术

形成的纳米管阵阳极氧化法也是一种使用电化学方法对种植体表面进行处理的方式。在阳极氧化中以钛金属为阳极，以银、铂等金属作为阴极，并在两者之间放入电解液，构成一个电池通路。然后，在电解液中施加一定的电压，在阳极钛金属的表面就会发生氧化反应，从而形成一层致密的氧化钛膜。这层致密的氧化膜可有效抑制金属离子的释放、增强金属的抗腐蚀性能，并具有一定的细胞生物活性，这些纳米级氧化钛管阵也被一些学者用于离子导入及药物载入［32－33］。有学者研究表明，钛种植体表面构建TiO2纳米管可以改变成骨细胞中碱性磷酸酶的活性［34］。碱性磷酸酶对于成骨细胞的早期成骨作用至关重要。更有学者进一步研究指出，直径100nm的TiO2纳米管相比于直径30～70nm的TiO2纳米管可以正向调节碱性磷酸酶的活性［35－36］。虽然同为电化学处理技术，但是阳极氧化技术较之于微弧氧化技术，可以更加精准地控制纳米管的直径，将其控制在一个更为有利于骨形成的尺寸范围内。在喷砂酸蚀形成的微米级结构上，通过阳极氧化，构建纳米级的纳米管阵，正是目前阳极氧化法实现种植体表面微纳米化的主要途径。

纳米级的表面结构可以显著改变蛋白质与材料基底间的相互作用。Webster教授研究发现纳米级界面的生物材料比普通界面的生物材料表面有更多的玻璃粘连蛋白吸附。另有研究显示自组装的纳米亲水界面更有利于纤连蛋白的吸附、更多的整合素受体激活发生反应［37］。先前还有研究证实纳米级的颗粒状突起可以明显改善生物材料表面的细胞生物学行为，利于成骨细胞、成纤维细胞的粘附。这种改变可能是由于这种纳米级结构促使玻璃粘连蛋白被激活。玻璃粘连蛋白能够介导成骨细胞粘附增殖［38］。另有一些学者发现种植体表面的纳米级结构在细胞分化方面也有着积极的影响，能够促进碱性磷酸酶的合成、含钙矿物质的沉积、骨钙素的高表达等，并有学者试图从基因表达的角度给予解释说明［39－40］。综上所述，随着对种植体表面微观结构研究的不断深入，越来越多的仿生微纳米复合结构被构建成功。但是，这些微观结构对成骨作用影响的机制还有待进一步深入的研究。

作者：刘滋川1；谢伟丽2