增强钛种植体表面亲水性能研究进展

2017-3-3 10:03  来源:中国实用口腔科杂志
作者:耿双双 赵宝红 阅读量:269

    钛种植体因其良好的生物相容性和优异的机械性能在牙、、颌面器官缺损修复领域应用越来越广泛,以纯钛或钛合金为主的钛基生物材料成为目前口腔种植体的首选材料。但从临床需求角度,仍然存在需要提高材料的生物活性,提高材料与骨组织结合的效率和效果等问题。

    20世纪60年代,Branemark提出了骨整合概念,对于种植体的成功与否有很大影响。影响骨整合的因素很多,其中种植体的表面性能尤为重要,已成为近年的研究重点。机械性能以及生物活性可影响种植体植入后机体的生物学反应、影响骨结合率以及骨结合速度,对种植体行使正常功能有重要意义。提高种植体表面性能的方法很多,其中亲水性能的提高为主要研究热点之一。本文主要就提高钛种植体表面性能尤其是亲水性能的研究现状做一综述。

    1.提高种植体表面性能的修饰方法

    物理法主要是指种植体表面超微结构的改变,包括喷砂酸蚀、电解蚀刻、激光处理和表面陶瓷化等。喷砂酸蚀表面粗化技术优化了种植体表面的超微结构,提高骨组织与种植体表面之间的机械锁能力。近年来,喷砂酸蚀是进行种植体表面改性的研究重点,证实确实可以获得良好的生物活性表面。

    化学法主要通过在钛表面形成羟基磷灰石这一重要结构,是一种骨仿生材料,具有良好的生物相容性和骨引导作用,包括溶胶-凝胶法、等离子喷涂法、离子束辅助沉积技术和电化学沉积法等。生物化学法是通过将特定的蛋白、酶或肽固定于种植体表面,来诱导成骨细胞增殖分化,更为直接有效地促进骨结合。目前常用的生物活性分子包括三大类:蛋白类、生长因子和活性肽。

    近年来,一种新的亲水性化学活化喷砂酸蚀纯钛表面在促进骨结合的过程中显示了显著的优越性。通过提高种植体的表面亲水性能以促进骨结合的方法也越来越多,亲水性表面对成骨细胞的增殖与分化有显著影响。

    2.亲水性钛表面生物学活性

    2.1亲水性钛表面对成骨细胞增殖和分化的影响

    研究表明,如果纯钛在惰性气体保护下进行喷砂酸蚀工艺,结束后立即置于生理盐水中保存,形成的钛片由于避免了空气接触造成的污染,表面具备优良的润湿性和亲水性。动物实验表明,亲水性的钛表面在种植体植入早期对骨结合有促进作用。

    临床研究也发现,未受空气污染的亲水性钛种植体在植入骨内后2周,稳定性即开始上升。杜娟等实验结果表明,亲水性化学活化大颗粒喷砂酸蚀处理(modSLA)表面MC3T3-E1细胞的增殖活性比大颗粒喷砂酸蚀处理(SLA)表面更低;而细胞的碱性磷酸酶(ALP)表达,modSLA表面高于SLA表面,表明前者更能促进分化。研究发现,modSLA表面在植入体内2~4周内就有良好的新骨形成。体外实验显示,ALP和成骨终末分化产物骨钙素(OCN)、骨桥蛋白(OPN)的表达在modSLA表面显著高于SLA表面,且成骨相关的转化生长因子-β1(TGF-β1)和前列腺素E2(PGE2)水平亦较高。体内外实验均提示,亲水性表面通过促进成骨细胞的增殖和分化提高种植体与骨组织的整合能力。

    2.2亲水性纯钛表面对成骨细胞黏附行为的影响

    目前对于钛材料表面亲水性的研究多集中于钛表面对细胞增殖、分化的影响,而对细胞黏附影响的研究相对较少。由于细胞都是先发生黏附后才进一步迁移、增殖、分化并分泌钙基质,因此其在材料表面上的黏附能力直接影响其后续的增殖分化活动,是接触成骨的关键因素。目前多数学者对“高表面能、高亲水性能的表面有利于促进细胞黏附”的观点持认可的态度,认为亲水性材料表面对细胞黏附的促进作用主要依靠增加单位时间内细胞在材料表面的理化黏附数量,达到增加生物学黏附的作用。

    姜焕焕等对modSLA和SLA的钛片进行细胞培养实验,设置2个监测时间点(1h和3h),结果这2个时间点的modSLA组表面黏附率均显著高于SLA组,说明亲水性处理确实可以提高材料表面的细胞黏附率。

    2.3亲水性钛表面对蛋白吸附的影响

    成骨细胞在种植体表面的黏附也依赖生物学黏附,材料先与生物活化因子作用,然后通过细胞与因子表面的活性识别位点结合,将材料和细胞之间的互相作用信息传递到细胞内,从而调控细胞基因的表达。生物活化因子包括细胞外基质蛋白和细胞膜蛋白等。史婕等实验证明,吸附了蛋白的钛片更能促进细胞在其上的黏附、迁移、增殖和分化,细胞活性更好,且吸附纤维连接蛋白(FN)的试样对细胞的分化和增殖效果最好,使材料具有更高的成骨活性。亲水性钛表面对于蛋白质吸附有良好的促进作用,对于细胞的生物活性也就有积极的影响。

    2.4亲水性钛表面的动物研究

    Buser等分别将modSLA表面种植体与SLA表面种植体植入成年小猪的上颌骨,观察其2、4、8周的愈合情况。两组种植体在2周时均观察到有编织骨支架形成;4周时均发现平行纤维骨沉积、编织骨小梁加固、骨密度增加;8周时骨重建均使得骨密度进一步增加。但在2、4周时两组差异显著,modSLA表面种植体有更快的愈合速度,骨沉积与骨密度增加更明显,表明亲水性表面对于骨结合有明显促进作用。

    3.提高钛表面亲水性能方法

    3.1碱热处理法

    此方法是将钛片置于5mol/L的NaOH溶液中,60℃下保温24h,晾干装入自封袋密闭保存备用。卢世松等分别将微弧氧化和喷砂酸蚀工艺制作的钛片经碱热处理后置于模拟体液中一段时间,期间对其静态水接触角进行检测,结果显示微弧氧化钛片接触角保持在65~75°之间,喷砂酸蚀钛片保持在50°上下,均属于中等湿润表面,研究认为细胞在中等润湿的材料中粘附能力最强。表面元素成分分析表明,碱热处理后的纯钛有很强的类骨磷灰石生成能力。综上说明,碱热处理的钛片具有较好的亲水性,且属于中等润湿材料,有利于成骨细胞的黏附。

    3.2化学活化法

    此方法是将钛片在惰性气体保护下加工,然后将喷砂酸蚀的纯钛材料浸没在特定的液体中保存,隔绝了空气中的碳酸盐和碳氢化合物,阻止了其与材料表面的羟基发生反应,以隔绝材料表面的碳化污染,使钛表面具有较高表面自由能和亲水性能。姜焕焕等把此种钛片与SLA钛片一起用于细胞培养,6h时前者可以观察到较为清晰的肌动蛋白结构,较后者表面细胞铺展更为显著,说明亲水性处理可以提高细胞在材料表面的黏附率,促进细胞铺展能力。

    3.3钛表面聚氨酯涂层法

    该法是将纯钛片置于聚氨酯(PU)预聚体中,保持2min后提拉法将钛片快速拉出,然后于室温下自然风干,然后浸泡在37.5℃过饱和Ca-P溶液中进行矿化,3d后取出。郭志君等实验表明,表面矿化后的PU表面对水接触角仅6.42°,亲水性显著较高,因此其生物相容性及骨结合促进作用显著提高。

    3.4紫外线照射法

    文献表明,紫外线照射能增强钛种植体表面的骨结合能力,使钛种植体与骨组织之间的骨结合发展快速且完全。孙彦维等研究结果显示,紫外线照射的钛片接触角比较小,与之相应其亲水性也较好,对后期的细胞粘附增殖以及分化有良好的促进作用。紫外线照射使钛片加快了骨结合速度,提高了骨结合能力,种植体周围骨组织的骨结合率甚至可达100%。研究表明,紫外线照射已经存放一段时间的钛片,可使其从疏水水性表面恢复为亲水性。

    3.5喷砂酸蚀-加热处理法

    此方法是用硫酸和盐酸对喷砂钛表面进行酸蚀,并对其进行加热处理。林曦等研究表明,450℃加热处理的SLA钛片较未加热处理的SLA钛片表面接触角小,亲水性高,认为热处理过程中形成了活性羟基,羟基提高了钛表面的生物学活性,因此可以解释热处理后钛表面的亲水性增高。

    3.6微弧氧化-碱热处理法

    李玉海等采用微弧氧化-碱热处理复合方法,在纯钛表面制备出较大表面积且成分单一的TiO2陶瓷膜,并在模拟体液中对膜层的生物活性予以评价,结果表明形成的膜层具有较好的亲水性。碱热处理后的膜层置于模拟体液中培养14d,可以发现膜层表面有大量的类骨磷灰石覆盖接近于全覆盖,证明经此处理的钛片表面能够形成与人体自然骨成分相似的结构,使钛片具有良好的生物活性。

    3.7提高TiO2薄膜亲水性法

    3.7.1TiO2薄膜亲水特性的原理

    超亲水性的产生原理是氧空位吸附羟基,通过羟键吸附水分子,进一步使TiO2薄膜具有超亲水性的特性。改善TiO2薄膜亲水特性的起效条件和如何使TiO2薄膜在短时间内保持超亲水性是实现应用的关键。提高TiO2薄膜的可见光响应,延长超亲水性的保持时间是近年来研究的热点。

    3.7.2提高TiO2薄膜亲水性的方法

    3.7.2.1多孔TiO2/SiO2复合薄膜

    近年来研究者发现,TiO2薄膜在紫外光照射下有着超亲水性能,如果无紫外光照射,TiO2薄膜很难表现出超亲水性。为了使TiO2薄膜能在自然条件下同样具有超亲水性,近几年来研究者致力于薄膜表面微观结构的构建以及表面化学组成的修饰,构建多孔薄膜,从而提高表面粗糙度,增加表面积,从而进一步提高薄膜的亲水性。研究表明,将SiO2加入到TiO2薄膜中提高了薄膜表面的羟基含量,使其具有较强的亲水性能,且这种特性可以在黑暗环境下长时间保存。

    3.7.2.2溅射功率和氧氩比对TiO2薄膜亲水性的影响

    TiO2薄膜亲水性受很多因素影响,包括工艺参数、制备条件和热处理方式等。胡俊前等探讨了溅射功率和氧氩比对TiO2薄膜亲水性的影响。研究表明,氧氩比增加,有利于生成符合化学计量比的TiO2薄膜,但是氧氩比过高就不利于沉积过程的稳定,最佳氧氩比为2∶30。同时溅射粒子利于TiO2薄膜性能改善,溅射功率为126W最佳。两者同时具备时能制备出亲水性最好的TiO2薄膜。

    3.7.2.3掺杂TiO2薄膜

    已有研究表明,TiO2薄膜在自然光照射下不具备超亲水性,而在紫外光照射下才具有超亲水性,因此如何使TiO2薄膜具有超亲水性且在长时间内可以维持成为了近年来研究的热点。许华等得出结论,Ta/N双掺TiO2薄膜有较低的静态水接触角,但在日光照射下其接触角增加很快,因此对掺杂进行了研究,结果表明SiO2预镀层会与掺杂薄膜发生反应,对于薄膜亲水性的保持有良好作用。

    4.钛表面亲水性能影响因素

    4.1空气中碳水化合物对钛片亲水性影响

    现已得知随着钛片保存时间的延长,其表面的生物学性能会逐渐降低,导致成骨细胞的黏附、增殖、分化以及骨结合能力显著下降,蛋白吸附能力也会越来越弱。有研究认为这可能与钛表面在储存过程中受到碳氢化合物污染,导致表面元素构成的改变及表面能下降有关。

    Kilpadi等证实,钛表面的羟基可与空气中的碳氢化合物发生化学反应,使保存过程中的钛片表面理化性能及生物活性发生显著变化。Lu等等研究表明,碳氢化合物污染改变了钛片表面润湿性,从而使最初的亲水性变成了疏水性,不利于成骨细胞的黏附与增殖。

    4.2保存方式对钛片亲水性能的影响

    常规种植体均为常温常压保存于密封瓶里,随着放置时间的延长其表面或多或少会受到碳氢化合物的污染,导致表面亲水性能发生些许变化。在实际应用中,临床医生于种植手术前不可能得到新鲜制备的种植体,应用时都经过或长或短的保存时间,因此钛种植体表面的生物活性可能有不同程度下降,这将不利于种植体后期即将发生的生物学反应,因此找到可以保持种植体亲水性能的保存方法尤为重要。

    Lu等将保存在水溶液、NaCl溶液及CaCl2溶液中的钛片与常温常压保存的钛片进行实验比较,保持在液体中的钛片接触角增大程度明显较低,且常温常压下保存的钛片表面蛋白吸附能力随保存时间延长下降程度明显。细胞培养结果显示,保存在常温常压下的钛片细胞黏附、增殖效果均显著低于在液体中保存的钛片。由此得知,为了尽量减少碳氢化合物污染,尽可能长时间维持钛表面的亲水性能,将种植体保存于液体中会是一个较好的方法。

    4.3不同价态离子对钛片亲水性能的影响

    卢海滨将钛片保存在水溶液、NaCl溶液及CaCl2溶液中进行比较,结果显示,保存在水中及NaCl溶液中的钛片,其表面的蛋白质吸附能力随保存时间延长而下降的程度大于保存在CaCl2溶液中的钛片,且细胞黏附效果、增殖分化情况一直也是保存在CaCl2溶液中的钛片更佳。因此,保存液的离子对种植体的表面理化性能和生物活性均有一定影响,研究表明,Ca2+更有利于蛋白质的吸附,进而促进成骨细胞的黏附、增殖与分化。

    4.4消毒方法对钛表面亲水性能的影响

    种植体植入前进行消毒灭菌可有效减少钛种植体植入过程中造成的感染。孙彦维等对紫外线照射、高压蒸汽灭菌这两种消毒方法进行了比较,结果显示各个时间点紫外线照射组的静态水接触角均小于高压蒸汽灭菌组,接触角越小表明亲水性能越好;同时,各个时间点下紫外线照射组吸附的蛋白量均显著高于高压蒸汽灭菌组。由此得出结论,紫外线照射相对高压蒸汽灭菌消毒,可使钛片表面形成更好的亲水性能,进而吸附更多的蛋白质,为随后的细胞生物学反应提供良好基础。

    综上所述,目前为促进骨结合速度,提高骨结合率而对种植体表面进行改变特性的方法众多,包括改变其表面形态、化学性能和亲水性能等。近几年来,钛材料的亲水性表面对成骨细胞的生物学作用已逐渐得到了研究者的认可,亲水性表面能够提高成骨细胞的黏附率,明显促进成骨细胞的增殖与分化,对于骨结合有积极作用,因此对于种植体钛表面的亲水性能的研究将会是未来研究的热点。笔者认为,将种植体保存在有利于保持亲水性能的液体中,将是未来的发展趋势。

编辑: 陆美凤

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