牙种植体多种表面处理、改性方法研究及最新进展

2017-2-3 16:02  来源:中国口腔种植学杂志
作者:程巧愉 谢雨航 王馨怡 何永文 李自良 阅读量:240

    种植修复因能恢复缺牙患者的美观及咀嚼功能成为目前最佳的修复方式。种植体能否形成稳定的骨结合,其表面处理是关键,并成为目前口腔种植领域研究热点之一。钛种植体表面经过物理、化学、生物改性处理后,其表面形貌、化学成分和生物活性等发生改变,能成功稳定形成骨结合。本文从物理、化学、生物三个方面对种植体表面改性的方法进行如下综述。

    1.物理改性

    物理改性指通过物理方法如等离子喷涂、喷砂、激光处理等,改变种植体表面形貌及粗糙度,提供更好的骨结合基础。

    1.1等离子处理

    等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并以高速喷向经过预处理的种植体表面而形成附着牢固的表面层的方法。目前临床上常使用羟基磷灰石涂层,在高温下用羟基磷灰石颗粒喷涂在种植体表面,快速冷却后,形成裂纹涂层。CunhaA等研究表明大气等离子喷涂多孔钛涂层能提高纯钛种植体的骨结合能力。OmoriM等使用大气压等离子体对钛种植体表面进行预处理,然后将来自于人脱落乳牙培养基中的干细胞固定在其表面,以促进种植体周围骨再生。

    1.2离子注入

    离子注入技术的基本原理是将离子束入射到种植体中,离子束与种植体中的原子或分子发生一系列物理和化学的相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在种植体中,使种植体表面成分、结构和性能发生变化。利用离子注入技术可将镁、锌、钙、银等注入种植体表面,优化表面性能。将银等离子体注入经酸蚀的钛种植体表面能降低银纳米颗粒的流动性,产生良好的抗菌活性,与哺乳动物细胞有良好的相容性。

    将镁离子注入种植体表面可增加表面细胞粘附性,有益于提高种植体的骨结合能力。用等离子体浸没离子注入和沉积技术将锌离子注入光滑纯钛表面,可增加其生物相容性。离子注入技术不受限,具有多样性、牢固性,可控性和重复性好,但注入层薄,离子只能直行,设备造价高,应用前景广阔却不易推广。

    1.3喷砂处理

    喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料高速喷射到种植体表面,使其获得一定的清洁度和粗糙度。喷砂增加其表面积,可改善细胞的附着和增殖,提高骨结合能力。

    1.4可吸收性研磨介质的处理

    可吸收性研磨介质表面处理是在种植体表面喷射磷酸钙陶瓷的处理方式。可吸收性研磨介质处理的钛种植体可增强氯消毒后的吸收效果,显示较高的抗菌活性。Gonshor等在4年的临床观察研究中发现经可吸收性喷砂介质处理的种植体整体植入成功率较高,且没有明显的牙槽骨丧失。以此种方式获得一定表面粗糙度后可用弱酸清除残留在表面的磷酸钙颗粒,减少异物质残留,是其优点。

    1.5物理气相沉积

    物理气相沉积技术是在真空条件下,将材料源———固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体,使其在种植体表面沉积,形成功能性薄膜的技术。近年发展起来的规模性磁控溅射镀膜,沉积速率较高,工艺重复性好,便于自动化,应用于种植体表面改性能增加骨-种植体接触率,有巨大的发展潜力。

    1.6电火花加工

    电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法。经处理的种植体表面产生的微粗糙且具有生物活性的二氧化钛层可增强骨-种植体界面的强度,降低周围骨对应力屏蔽的敏感性。YamakiK等在日本大耳白兔股骨内放置电火花加工处理过的种植体螺旋钉,1周后新生骨量显着增多,由此看来电火花成形技术很可能是一种支持增强成骨的表面改性方法。

    1.7热处理

    热处理是将种植体放在一定的介质内加热、保温、冷却,通过改变表面或内部的组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。随着温度的升高,种植体表面特性和生物相容性也随着温度的升高而升高。将钛在大气压或过氧化物中进行加热处理,其表面可形成一层致密的氧化膜,生物相容性增加。Shi等先用气体氮在种植体表面制备氮化钛涂层,然后用氯化钙溶液对氮化钛表面进行热处理,确定了120°C为水热处理条件的临界温度,120°C以下的热处理可将钙结合到氮化钛表面,保持其形貌和硬度,改善润湿性。

    热处理后其表面成纤维细胞的附着和增殖明显改善,提示水热处理有望使钛涂层具有良好的耐磨性和软组织生物相容性。此外,通过水热处理可将镁固定在钛表面,使表面蛋白质吸收增加,细胞附着和扩散增强,说明使用氯化镁溶液热处理是使钛种植体表面生物相容性增加的好方法。

    1.8激光处理

    激光处理是在大气、真空等环境中利用激光束快速加热种植体,实现局部急热或急冷,使组织结构变化或引入其他材料,改善表面性能。Chikarakara等进行种植体激光表面熔化处理,发现经处理的表面能促进细胞附着和增殖。Rajesh等通过脉冲激光沉积羟基磷灰石涂层于钛基上,从而获得了较高的机械粘附力。然而Gyorgyey等研究发现激光烧蚀处理后种植体表面形态和粗糙度变化显著,但其表面人成骨样细胞附着和增殖不明显。

    1.9紫外线处理

    短波紫外线照射可以提高钛种植体骨结合能力。YamazakiM等将酸蚀刻螺旋状纯钛种植体分别在有和无紫外线照射48小时后植入兔股骨骨干,结果表明紫外线治疗在不使骨密度降低的同时能增加钛种植体冠状位的皮质骨体积。此外,紫外线处理种植体表面24小时后对人牙龈成纤维细胞粘附、增殖和胶原释放等方面的行为产生积极影响。

    1.10纳米级表面粗化处理

    通过纳米技术可使种植体拥有更好的表面微形貌,促进骨结合,缩短愈合时间。微/亚微米级粗糙度及其纳米级特征提高了成骨细胞的分化和局部因子的产生,提示改善种植体在体内的骨结合的潜能。种植体表面改性后多变的尺寸和分布决定了特殊的纳米结构,从而调节体内相关骨反应,就目前的技术发展来看具有不确定性,成为研究的方向。

    2.化学改性

    表面化学改性是指通过种植体表面和表面改性剂之间的化学吸附作用或化学反应,改变表面的结构和状态,是目前最常用的表面改性方法,包括阳极氧化、酸碱处理、溶胶凝胶技术等。

    2.1阳极氧化

    阳极氧化是在相应的电解液和特定的工艺条件下,在外加电流的作用下在金属阳极形成氧化膜的过程。阳极氧化的钛种植体表面多孔,能提高成骨细胞的成骨反应,增强成骨基因表达能力和矿化组织的纳米力学性能。Sharma等将钛和钛锆合金置于含DL-α-磷酸甘油和醋酸钙的电解液中进行阳极氧化,结果种植体表面氧、钙和磷量均增加,平均粗糙度增大,接触角显著下降,种植体周围细胞增殖程度、碱性磷酸酶活性和钙沉积量显著增高,有助于增强骨结合,钛锆合金的发展也为阳极氧化提供了新的发展空间。

    2.2微弧氧化

    微弧氧化是通过电解液与相应电参数的组合,在钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用,形成以金属氧化物为基体的陶瓷膜层。微弧氧化可形成纳米生物活性钛氧化物层,提高种植体的粘附性,使细胞附着力增强。利用微弧氧化方法,在钛合金表面制备多孔的羟基磷灰石涂层,骨种植体接触率和接触界面力学性能显著提高,明显促进骨生长。Li等采用新的双涂层工艺制备具有独特分层的微形貌表面,首先在钛表面进行微弧氧化,然后将涂层在碱性溶液中电化学还原,结果显示种植体周围细胞增殖和骨形成速度增加,骨种植体接触面积增大,细胞粘附性增强,是微弧氧化应用的新思路。

    2.3等离子体电解氧化

    等离子体电解氧化是通过高电压、大电流使置于电解液中的电极表面产生瞬间等离子体微弧放电,击穿钝化层并烧结形成陶瓷性氧化膜的技术。Yeung等试验结果表明,等离子体处理后涂层的亲水性增强,细胞吸附行为明显,胶原合成升高。用等离子体电解氧化法制备的双相羟基磷灰石二氧化钛涂层既具有羟基磷灰石涂层的生物活性,又有表面二氧化钛形貌改善的优点,能有效地促进骨结合,是很有前景的方法。

    2.4电沉积

    Liang等通过电化学沉积技术将掺锶钙磷涂层沉积在种植体表面,锶的掺入使成骨细胞的增殖增强,提示钙磷涂层掺锶是种植体周围骨形成增加的可能机制。Park等首先在钛表面进行阳极氧化形成二氧化钛纳米管,然后将碳纳米管在二氧化钛纳米管上进行电泳沉积,结果表明碳纳米管涂覆在二氧化钛纳米管上有助于提高其生物活性,这种类型的表面改性非常适合于生物医学应用。

    2.5酸碱处理

    酸碱处理即采用化学处理使种植体表面生成一层稳定化合物或者改变其表面形貌,形成微孔隙。酸蚀是种植体表面与酸性介质发生化学或电化学作用而发生形貌改变的现象,可明显影响骨种植体接触,是一种可靠的表面改性方法。Li等通过氢氟酸蚀刻、磁控溅射,开发了一种的分层的混合纳米锶载在钛表面,具有分级纳米形貌,加上锶对增强骨结合有协同效应,有望成为临床新选择。经碱热处理过的表面以大量有裂缝和纳米孔的有序纳米钉和类似海绵状的均匀蓬松内网为特征,能增强牙龈成纤维细胞的胶原合成,获得的牙周样结缔组织附着的抗力性较好。碱热处理可提高骨种植体接触率,能有效地应用于热喷涂钛金属以加强骨结合强度。

    2.6溶胶凝胶法

    溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应,形成稳定的透明溶胶体系,经陈化后形成凝胶,凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。有机聚合物可通过溶胶-凝胶法赋予二氧化钛表面生物活性,如使用聚对苯二甲酸乙二醇酯进行表面改性,可使骨种植体接触面具有机械稳定性、生物相容性、优良的骨结合能力和骨传导能力。

    软光刻和溶胶-凝胶相结合是在种植体表面创造具有生物活性纳米粒子的微形貌从而引导组织再生的一种办法。Pelaez-Vargas等采用此法产生微型硅薄膜的氧化锆,发现其具有生物相容性,并能诱导成骨细胞粘附、扩散和传播,可以用来引导牙周组织再生,从而促进致密组织沉积,避免发生牙龈退缩和种植体周围炎。

    3.生物改性

    近年来种植体表面的生物改性成为研究热点,旨在使种植体的涂层具有生物活性功能,具有较高的机械稳定性,同时模拟天然骨的结构和组成特性从而更好地促进骨生长,在此做几种介绍。

    3.1自组装技术

    自组装,是指基本结构单元自发形成有序结构的一种技术。自组装单层膜技术在钛表面利用几个不同的官能团可更好地固定生物化学剂,使其表面化学设计具有一定可控性。层层自组装是利用带电基板在带相反电荷的聚电解质溶液中交替沉积制备聚电解质自组装多层膜的方法。通过层-层的方法用CS/siRNA将钛表面功能化,在形成膜的过程中,表面润湿性、形貌和粗糙度交替改变,可显著促进成骨细胞分化。以银纳米粒子、壳聚糖和透明质酸为原料可建立溶菌酶多层涂层,是制备长效抗菌多层涂层的一种策略,能有效预防早期植入感染。自组装技术简便易行,无须特殊装置,具有膜结构分子级控制的优点,近年来受到广泛的重视。

    3.2生物分子吸附

    吸附指种植体表面吸住周围介质中的分子或离子的现象,物理吸附以分子间作用力为主,化学吸附以分子间的化学键为主。Micksch利用锚定肽为种植体表面增加生物功能,在细胞培养基中特定的表面结合肽具有稳定的吸附性,提高种植体的生物相容性。壳聚糖、海藻酸钠交联壳聚糖和果胶交联壳聚糖共价键合到钛表面能改善润湿性,并使其获得壳聚糖涂层的溶胀和药物释放性能。通过胶原蛋白共价固定聚多巴胺涂层也可能是一种提高表面性能的方法。与物理吸附相比,化学吸附运用化学键的力,吸附能较大,稳定性较好。

    3.3生物活性材料涂层

    生物材料一般是指以医疗为目的,用于与活体组织接触并能实现其生物活性功能的无生命材料。生物活性玻璃是一类能对机体组织进行修复、替代与再生、使组织和材料之间形成键合作用的材料,其降解产物能够促进生长因子的生成和细胞的繁衍、增强成骨细胞的基因表达和骨组织的生长,将其涂覆于种植体能安全有效地实现骨结合,是牙科种植体涂层材料的发展方向。

    此外,也有不少生物活性药物可用于种植体表面改性,如通过电喷雾技术在钛种植体表面涂覆聚乙丙交酯/1α,25-二羟维生素D3溶液涂层可产生亚微米大小的颗粒进而刺激骨形成。白藜芦醇作为一种抗炎分子用于种植体表面改性或涂层将有助于加速骨形成。在种植体表面结合广谱抗生素强力霉素可改善骨形成和降低种植体周围感染的风险等。

    3.4仿生沉积

    仿生沉积是模仿生物体内磷灰石的矿化机制,在类似机体环境条件的水溶液中自然沉积于基体表面的磷灰石涂层。Santander等在仿生表面改性的钛合金种植体上利用人骨髓间充质干细胞在体外诱导成骨,其粘附能力改善,增殖率提高。在混合酸处理后的钛表面进行羟基磷灰石仿生沉积,可诱导钛的生物活性。JBiomed等研究了模拟体液浸泡时间对阳极氧化的二氧化钛纳米管的成骨细胞活性的影响,发现3小时的浸泡为最佳时间,浸泡在10倍的模拟体液是提高阳极钛种植体骨结合的快速经济技术,然而种植体的生物活性潜力可能受限于过量和不受控制的羟基磷灰石涂层。以上种植体表面改性是近年来的研究热点,种植体表面改性方法多样,在促进骨形成、骨结合、抗感染等方面取得一定进展,联合应用能使性能更为完善,可能成为未来研究发展的趋势。

编辑: 陆美凤

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