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钛种植体表面涂层的研究进展

来源:      2018-10-30 11:32:01      点击:
目前大部分种植体的材质主要是纯钛。研究发现,钛金属的生物相容性较好、机械强度高、化学性质稳定,能与正常骨组织形成良好的骨结合。但纯钛作为一种惰性金属,缺少刺激成骨细胞和骨细胞增殖的能力,主要依靠与牙槽骨的机械性锁结提供固位力。为增强种植体与骨的结合、预防种植体周围骨组织吸收、保证长期稳定性,学者们尝试了很多种植体表面改性技术,如使用大颗粒喷砂酸蚀(sandblasting and acid etching,SLA)、等离子喷涂(plasma spraying,PSP)、微弧氧化(micro arc oxidation,MAO)、MAO后碱处理等形成能改变种植体表面成分、形貌、能量、粗糙度以及耐腐蚀性的表面理化涂层,或通过电化学沉积技术、浸涂-烧结法、整合-烧结法、溶胶-凝胶法等形成能提供成骨细胞黏附和生长的铆钉点以及三维生长空间,完善种植体的骨诱导性生物活性涂层。现对钛种植体表面处理技术形成的种植体表面涂层的研究进展进行综述。
1.钛种植体表面理化涂层
钛种植体表面理化涂层主要是采用PSP、阳极氧化、MAO等表面加成的方法形成钛浆涂层、羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层、聚吡咯涂层、陶瓷涂层等,采用SLA、可吸收性介质研磨等表面减少的方法形成SLA涂层等。理化涂层一定程度上提高了种植体的生物相容性,增强了种植体的亲骨性,促进了种植体周围成骨。
1.1SLA涂层
SLA是目前应用最多的表面改性技术,通常是指在120V左右的电压下以二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等为介质对钛种植体进行表面粗糙化处理后,再用盐酸、硝酸、氢氟酸等进行酸蚀处理。SLA处理后可在种植体表面形成10~50μm孔坑的一级粗糙表面和大量1~3μm微孔坑的二级粗糙表面,类似于天然骨陷窝,可刺激成骨细胞分化和增殖,增强骨结合。
研究发现,SLA处理还可以使钛种植体表面产生一层薄的钛氧化物层,增加碱氢含量,促进钙磷沉积均匀核化,使种植体具有更高的生物活性,表面骨细胞增殖速度明显提高,骨愈合时间缩短,种植修复治疗时间减少。但该方法也存在表面残留金属污染、亲水性不足、结合强度不牢等问题,影响种植体的远期稳定性和成功率,限制了进一步的应用。
1.2HA涂层  
HA涂层与SLA涂层一样,广泛用于口腔种植领域。HA是一种与骨组织有相似化学成分和组织的磷酸钙类陶瓷,与骨组织以化学键的形成结合,还可以诱导前体成骨细胞分化形成新生骨。制备HA涂层主要采用溶胶-凝胶法、PSP法、离子束辅助沉积技术、激光法、仿生法等将微米级的HA涂覆在种植体表面。HA涂层既提高了钛金属的生物活性,刺激了成骨细胞分裂、增生,增强了骨结合,又能满足种植体所需的力学性能,承受较大的咬合力。临床应用研究证实,HA涂层的种植体在降低种植体周围骨吸收、预防和减少牙龈生物学宽度、防止种植体周围炎等方面效果显著,但目前工艺制备的HA涂层也存在结合强度低、溶解过快、残留应力无法消除的缺点。与此同时,HA涂层多孔隙的表面和良好的生物活性也有利于致病菌的黏附和增殖,导致涂层吸收、崩解或消失,不利于种植修复的长期效果。
1.3聚吡咯涂层 
聚吡咯是一种经典的导电高分子聚合物,具有光、电、磁等部分半导体和导体的特性,与种植体结合较为牢固。目前最常使用电化学方法制备表面均匀且与基底钛紧密结合的聚吡咯涂层,增加了有机修饰活性位点数,降低了金属腐蚀速度,同时由于聚吡咯与血液生物相容性好,又能与周围的金属离子发生氧化还原反应,使种植体的生物相容性和结合强度明显提高。贾骏等认为,聚吡咯涂层结合强度优于HA涂层,与种植体的结合更为牢固。

Paun等的研究显示,将聚吡咯喷涂到钛种植体表面后,形成了一张封闭的聚吡咯膜,阻断了钛与腐蚀性物质的接触,防止钛金属表面的腐蚀和有害金属粒子的析出,有效防止种植体周围炎的发生,同时也可与其他生物大分子材料掺杂、共价、侧枝、偶联复合为生物活性过渡层,提高种植的成功率。目前聚吡咯涂层促进成骨细胞生长的机制及细胞毒性未知,有待于进一步研究。
1.4玻璃陶瓷涂层
玻璃陶瓷涂层在机械强度上优于HA涂层,对人体无危害,具有良好的生物相容性,与骨组织的结合较为牢固。更为重要的是,玻璃陶瓷涂层可以调节涂层的热膨胀系数和生物活性,有利于与钛金属形成牢固的结合。贺定勇等通过PSP技术在钛基底表面制得AP40玻璃陶瓷涂层,进行热处理后发现,陶瓷涂层的结晶度明显提高,陶瓷与金属的结合强度也明显改善。扫描显微镜下观察,涂层内部均匀致密,孔隙减少。
目前还常使用β-磷酸三钙(β-tricalciumphosphate,β-TCP)制作玻璃陶瓷涂层,β-TCP为六方晶构,是一种典型的生物可吸收型和降解型材料,发生降解后析出钙离子和磷离子,有利于新生骨组织形成,可作为理想的骨组织材料。但玻璃陶瓷涂层也存在体内降解速度高于新骨生成速度,不能形成成骨与破骨的平衡,限制了β-TCP的全面普及与应用。
1.5钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷涂层
颌骨对力敏感,受到机械性应力后,颌骨相邻骨细胞间会产生电极化现象,出现电位变化,产生电流刺激颌骨,适宜刺激在一定程度上可促进新骨生成,但刺激过大时会导致种植体脱落,这就是骨的压电效应理论。BaTiO3为强介电化合物材料,介电常数较高、介电损耗低。赵明莉等通过磁控溅射技术,在种植钉表面形成BaTiO3压电陶瓷涂层,并植入到犬的下颌骨体,每隔2周对种植钉进行加力,持续1个月后发现,种植钉植入到骨组织后相邻骨组织所受应力明显增加,骨组织间发生电极化现象,促进周边骨质改建,刺激骨质新生,增大骨接触面积。光学显微镜下发现,成熟骨组织更加粗壮,骨结合更加牢固,在抗轴向脱位力以及侧向力两个方向提高了稳定性。压电陶瓷涂层的压电效应具有影响骨骼生长、加速骨折愈合、提高骨骼力学性能的作用,目前该技术已进入到临床试验研究。
1.6石墨烯涂层
石墨烯是由碳原子按照SP2杂化轨道组成的二维晶体结构,其基本结构单元是碳六元环,是其他维度石墨材料的基本模块,被称为“新材料之王”。石墨烯具有优异的机械性能,唐梦龙等在理想的塑性弯曲模型(环氧基树脂系统)中添加0.1%的氧化石墨烯后,模型的拉伸模量增加了12%,断裂韧性增加了111%,单轴拉伸疲劳寿命增加至原来寿命的1580%。
此外,石墨烯还具有高表面积比和离域电子的特性,是骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)的载体,并能缓慢释放BMP,促进成骨干细胞迁徙、黏附、增殖并分化为成骨细胞;还可以装载治疗性蛋白,提高骨结合速率和矿化成骨;石墨烯还具有优异的抗菌性能,可提高远期成功率。目前,石墨烯刺激干细胞分化的机制和信号通路尚未完全明了,对种植体周围感染微生物的抑制作用还未完全证实,这些因素限制了石墨烯在口腔种植领域的发展。
1.7TiO2纳米管仿生涂层
在钛表面通过阳极氧化技术制备出能促进骨髓基质干细胞分化成熟以及提高成骨细胞内碱性磷酸酶活性以促进基质钙沉积的TiO2纳米管阵列,然后再用0.5mol/L的NaOH溶液进行碱热处理,最后放入模拟体液中,37℃下培养24h,制得可控仿生磷灰石的、生长的TiO2纳米管涂层。
于卫强等发现,TiO2纳米管仿生涂层的种植体表面被众多直径为10~20nm的絮状结构相互交错所覆盖,表面的钙磷涂层也为纳米线性结构。研究发现,TiO2纳米管仿生涂层表面的骨钙蛋白和碱性磷酸酶呈高表达状态,促进了成骨细胞的分化、成熟与矿化。动物实验发现,种植体植入后可观察到成骨细胞的细胞突起长入TiO2纳米管内,成骨细胞和骨细胞的增殖能力提高3~4倍,表现出优异的成骨效应,甚至优于HA。但目前关于TiO2纳米管仿生涂层的临床试验尚未开展。
2.钛种植体表面生物活性涂层
上述钛种植体表面理化涂层可以提高钛金属的机械性能和耐腐蚀性,但对于种植体生物活性的提高有限,故该涂层属于生物惰性涂层。目前种植体表面处理的另一个研究方向是通过电化学沉积技术、浸涂-烧结法和整合-烧结法、溶胶-凝胶法等形成生物活性涂层,该涂层不仅能提供成骨细胞黏附和生长的铆钉点和三维生长空间,还可以运载生长因子或生物活性离子等,减弱机体的排斥反应,完善种植体的骨诱导性,实现长期缓释作用以促进成骨细胞的增殖分化。
2.1珍珠质活性涂层
珍珠质的主要成分是文石型磷酸钙,与骨组织中主要的无机成分HA相似,具有与钛金属相似的机械强度,生物相容性良好,能够被人体降解吸收,不影响周围肌组织和结缔组织的新陈代谢,还拥有丰富的含钙层和多种微量元素,能够诱导新骨的生成以及沉积。细胞实验发现,珍珠质涂层种植体较HA涂层种植体有较高的促骨细胞增殖、聚集、黏附、分化的作用,增强骨结合,使种植体拥有更好的初期稳定性。由此可见珍珠质涂层在提高种植体表面的生物相容性、增强骨结合等方面具有广阔的应用前景。
2.2矿化胶原活性涂层
胶原蛋白约占骨组织中有机物的90%,为结晶纤维蛋白,具有较高的生物活性。通过电化学沉积法在钛金属表面合成HA/胶原复合矿化涂层,胶原蛋白以凝胶的形式附着在钛金属表面,电镜下观察为多孔结构,为细胞提供了相互协同连接的空间。体外模拟体液实验发现,矿化胶原涂层可稳定存在,并增加表面粗糙度,加快细胞的初期吸附,加速种植体表面的矿化进程,增强成骨细胞增殖,显著提高种植体的生物活性。检测发现,碱性磷酸酶、Ⅰ型胶原蛋白的表达明显提高,内部结构与细胞之间发生协同作用,促进后续基因的表达。这表明矿化胶原活性涂层兼具无机磷酸钙和有机胶原的活性基团,对后期成骨细胞分化以及矿化诱导产生重要影响,更有利于增强种植体的骨结合。目前对矿化胶原涂层平台载体的作用研究相对较少,如果能装载生长因子、抗菌药物或基因等可能会扩大其应用范围。
2.3生物肽活性涂层(arg-gly-asp,RGD) 
RGD的生物肽是由精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸组成的短肽序列,大部分学者认为其是促进细胞黏附最有效的多肽序列,目前RGD主要通过化学偶联和物理吸附等方法制得。Garate等研究发现,种植体表面经RGD多肽修饰后,早期表面细胞黏附数增多,丝足铺展面积更大,更为致密,提高了种植体周围骨细胞的生成速度,增强了骨结合程度,有利于种植体获得更好的初期稳定性。武秀萍等发现,种植体植入2周,种植体周围出现核深染的骨细胞,成骨反应活跃;4周时种植体纤维结缔组织基本消失;第8周即可出现板层骨和新生骨线。基因分析发现,骨组织中Ⅰ型胶原蛋白和骨钙蛋白的表达水平高于正常值。以上表明,RGD在加快种植体周围骨结合速度,提高种植体周围骨结合程度,增强种植初期稳定以及缩短治疗时间等方面发挥着积极作用,成为解决种植体初期稳定性不足的一条有效途径。
2.4壳聚糖活性涂层
壳聚糖是甲壳素经N-脱乙酰化制得,是目前唯一的天然碱性多糖,材料稳定性较好,不会随温度的变化发生变形和缩水,具有较好的生物活性,可选择性促进表皮细胞生长,细胞毒性较低,生物降解产物安全无毒,在止痛、止血、抗菌等方面发挥重要作用,已广泛用于骨组织工程领域。
目前,关于壳聚糖涂层的研究主要集中在壳聚糖与其他生物活性材料结合形成复合涂层上。宋慧君等采用电化学沉积法,在种植体表面制备出壳聚糖/明胶功能性涂层,呈薄膜状,内部疏松多孔,与种植体具有较高的结合强度,降解性能优良,可促进新骨形成。李德超等用MAO处理形成了壳聚糖-海藻酸钠复合涂层,该涂层能促进成骨细胞黏附、增殖,促进增强碱性磷酸酶表达,有利于成骨过程的早期矿化,保证种植体的初期稳定性。壳聚糖作为一种理想的种植体表面涂层材料,内部也存在杂质如其他蛋白质,可导致局部区域的炎症反应和种植体周围炎,一定程度上限制了其在口腔种植领域的应用。
2.5抗菌活性涂层
抗菌材料具有良好的抗菌性能,能抑制或杀灭周围微生物。抗菌材料主要分为天然抗菌剂、有机抗菌剂以及无机抗菌剂三种。钛种植体本身并不具备抗菌性能,易造成细菌黏附,从而导致种植失败。因此,在种植体表面引入生物活性涂层和抗菌剂,可同时获得抗菌性能和良好的生物相容性。天然抗菌剂种类繁多,主要是指一些相对短的、亲水氨基酸链组成的肽类物质,因易与带负电荷的微生物表面物质接触而产生抗菌作用,表现出广谱抗菌性,因其复杂的抗菌机制而不容易产生耐药性。
Yanovska等研究发现,将抗菌肽喷涂到种植体表面可以有效降低种植体周围细菌的数目和种类,可预防种植体周围炎的发生。有机抗菌剂是防腐剂、防霉剂以及杀菌剂等的有机化合物。季铵盐能破坏细菌的胞壁、干扰细菌的遗传物质而引起细菌凋亡,又因其具有渗透性良好、抗菌性能稳定、抗菌时间长、皮肤刺激轻微等优势成为有机抗菌剂的代表性物质。
Shi等将含氨基甲酸酯基团的季铵盐掺入聚氨酯后喷涂到种植体表面,细菌培养发现,其对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌具有显著的抑制作用。银和氧化锌因其独特的物理抗菌性能成为无机抗菌剂的代表。Kamaraj等在电解液中添加适量的钙、磷以及银元素,然后进行MAO处理,可在种植体表面制备出含有抗菌元素银的多孔活性涂层。研究发现,该涂层明显提高了种植体的生物活性,而表面适度的粗糙和多孔结构也能诱导成骨细胞和骨组织的长入。Yanovska等通过溶胶-凝胶法在医用钛合金表面制备纳米氧化锌抗菌膜,细菌培养发现,该薄膜涂层对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率达到92.2%和91.4%,植入人体后发现,该涂层能够明显抑制细菌生长,起到防治种植体周围炎的作用。目前,关于抗菌涂层的研究已日趋完善,但抗菌材料与组织以及细胞间相互作用的机制尚不明确,潜在的细胞毒性仍然未知,相信随着研究的不断深入,相关问题都能够得到解决。
3.小结
目前,种植体表面涂层存在结合强度不够、易剥脱、综合生物学性能不足、远期稳定性未知等问题,学者们尝试加入稀有金属和生物活性材料,或将表面颗粒直径深加工等以解决,虽可缓解问题,但仍有局限性。随着材料学与口腔种植学的发展,更多更好的生物材料将会用于种植体表面涂层体系,综合利用材料的优越性,形成一种机械性能牢固、生物相容性好、骨整合牢靠,且具有抗菌性的完美表面涂层,成为学者们亟需解决的问题。在可以预见的未来,完美的种植体表面涂层将有助于提升种植体的成功率,从而促进口腔种植在临床的应用与推广。