钽及多孔钽表面改性技术在组织工程学及口腔医学的研究进展

2017-7-3 14:07  来源:中华老年口腔医学杂志
作者:董伟 刘洪臣 阅读量:770

    钽金属(Tantalum,Ta),具有优异的抗腐蚀性能,并具有高熔点、大强度、耐磨损的特点,被广泛应用于飞机、火箭等耐热材料以及需要高强度零部件的工业领域[1]。此外,金属钽有良好的物理力学特性、较好的生物相容性能,成为了继钛金属之后又一种新型生物材料,被广泛应用在口腔种植体植入、股骨头坏死治疗、冠状动脉支架植入、人工髋臼假体植入、外科手术缝合线制作等医学相关领域。

    近年来,随着对金属钽研究的深入,人们发现多孔钽具有与人体松质骨近似的蜂窝状立体结构,具有低弹性模量和高摩擦力特性,故多孔钽又被称之为“钽骨”(Tantalumbone)。本文将从钽及多孔钽的结构力学性能、生物学特性、表面改性技术的研究进展、在口腔医学中的应用几方面介绍当前国内外研究现状。

    1.多孔钽的结构力学和生物学特性

    多孔钽的制备工艺较为复杂,主要方法包括:气相沉积法、有机泡沫浸渍法、粉末烧结法和激光快速成形法等,上述方法所制备出的多孔钽的孔隙直径大小为300-600um,与其他具有多孔结构的金属材料相比具有较高的孔隙率(66.7%-80%),这一特点可加速组织向孔隙内部长入,提高了多孔钽内部的营养交换,从而使其具备了较高的组织内向性生长的潜力。此外,多孔钽具有低弹性模量、较高的表面摩擦系数、优异的力学性能等特点,其弹性模量为1.22GPa,介于松质骨(0.1-0.5GPa)和密质骨(12-18GPa)之间,在医疗过程中植入人体骨组织内可避免产生“应力遮蔽”效应,有利于生物学应力的正常传导。较高的表面摩擦系数可增大骨细胞附着表面,有利于细胞的紧密贴合、生长,并具备引导成骨细胞分化成熟及发挥其成骨功能的作用。

    2.医用钽及多孔钽的表面改性在组织工程学的研究

    医用钽及多孔钽由于其具有良好的组织工程学性能和生物相容性,在骨替代物及牙种植等领域具备广阔的前景。其中,植入体表面微环境至关重要,良好的表面性能增加了植入体与骨组织之间的接触面积,提高了接触质量,有利于植入体的早期稳定,特别是在口腔种植领域,即刻种植、即刻修复、即刻负重理念的提出需要种植体具备良好的初期稳定性以进行早期功能负载。所以,现阶段的热点集中于研究医用钽及多孔钽的表面改性技术,来加速植入体体内骨愈合以及提供更持久、稳定的骨结合。自从上世纪七十年代以来,研究已开始致力于钽金属及多孔钽的表面改性以期获得更佳的生物学特性。回顾近十年国内外发表文献,主要的表面改性技术研究包括:表面阳极氧化法、仿生涂层、表面功能化、碱热处理活化改性等。

    2.1表面阳极氧化

    表面阳极氧化技术作用方式为依靠酸性溶液(硫酸、草酸、磷酸、硅酸等)作为电解质,在一定的电流电压下电解氧化从而在其表面形成排列有序的纳米管层(nanotube films)结构的五氧化二钽(Ta2O5)氧化层表面,改变其表面的生物学特性。目前已有关于钽及多孔钽表面进行阳极氧化后的生物学性能研究。WangNa等的体外实验研究报道,经过改性处理的金属钽表面五氧化二钽纳米管氧化层结构可增强牛血清白蛋白、纤连蛋白的吸附,提高兔骨髓间充质干细胞的粘附和增殖,并促进其相关成骨因子碱性磷酸酶(ALP)、I型胶原蛋白(CollagenI)、骨钙素(Osteocalcin)的表达,促使其成骨向分化。另有学者在体外实验发现:经过五氧化二钽氧化层表面改性的钽金属表面可明显促进人成骨细胞粘附、增殖,提高人成骨细胞碱性磷酸酶的表达、骨结节的产生、骨基质的矿化沉积。

    2.2表面仿生涂层仿生涂层表面处理技术

    基于异相成核原理,将植入体浸入过饱和磷酸钙溶液中,磷酸钙在其表面成核并生成涂层。由于仿生涂层是在水溶液中接近生理条件下制备的,因此其成分和结构与天然硬组织中的矿物质更为接近。Elena等研究发现,经过磷酸钙仿生涂层处理的金属钽板在体外可促进骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化,F.Barrere的研究小组将带有磷酸钙仿生涂层的圆柱形多孔钽植入体植入山羊背部肌肉中,12周后在植入处肌肉内出现异位成骨(ectopicbone);随后,该研究小组将带有磷酸钙仿生涂层的多孔钽植入体植入14周龄雌性山羊的股骨骨干处,术后第6、12、24周测得植入体与骨组织的接触面积均大于无涂层植入体。

    还有学者在钽金属及多孔支架上进行磷酸钙仿生涂层改性处理,用于体内及体外试验,与未处理的光滑表面相比,磷酸钙仿生涂层改性处理表面生物矿化性能大幅提高,同时亲水性能也大幅提高,有利于人成骨样细胞的贴付和伸展,并在兔体内软骨下骨缺损修复中促进引导性骨再生的形成。

    2.3表面功能化

    表面功能化技术是指表面通过多种方式与药物结合,形成自组装膜,在体内植入后具备持续释放生物活性物质的功能。已有研究报道,在多孔钽的植入体表面应用静电自组装的方式将抗癌药物阿霉素置入由透明质酸聚合电解质、甲基化胶原蛋白和三元共聚物合成形成的共聚膜中,经过一个月的体内实验观察发现,阿霉素在体内植入体周围持续释放1个月,并可抑制软骨肉瘤细胞系SW1353的增殖。另有学者研究运用电抛光技术加硅烷化学法将RGD多肽(cRGDfK)结合至金属钽表面形成功能化表面改性,实验表明该处理表面能提供给细胞良好的生长环境,血管内皮细胞在结合cRGDfK后的钽表面形成更高的细胞密度、更好的细胞伸展以及细胞间接触,与未功能化(无RGD多肽结合)表面相比,提高了处理表面Saos-2细胞贴附性能,Saos-2细胞的粘附数量及细胞粘附面积均增大。

    KishoreUdipi等研究,在钽板表面以共价结合的方式将具备抗炎特性的低分子量超氧化物歧化酶模拟物(SODm)结合至钽板表面,并植入到雌性大鼠背部皮下组织内,组织学检测急性期(第3天)富嗜中性粒细胞的急性渗出液与对照组比较明显减少,炎症慢性期(第28天),异物多核巨细胞和纤维囊的形成也显著降低。

    2.4碱/碱热处理活化改性

    碱热处理是指将植入体放入NaOH溶液中浸泡,之后在高温下热处理。碱热处理后的植入体在体内可在表面形成仿生磷灰石,并借此与骨直接结合。单纯NaOH处理产生的钠盐凝胶不稳定,与金属基体间的结合较弱,会影响磷灰石与金属基体间的结合,最终影响种植体与骨之间的结合。热处理使钠盐凝胶脱水成为致密稳定的无定形结构,磷灰石层与金属基体间的结合较为紧密。

    有研究证实,在多孔钽合金(Ti6Ta4Sn)支架表面进行碱热处理表面改性后,增强了模拟体液(SBF)的吸附,同时促进了Saos-2细胞的粘附。另有实验研究表明,多孔钽在其表面进行碱处理处理后,其上接种3T3-E1细胞,培养五天后检测到肌动蛋白纤维和骨样组织遍布于3T3-E1细胞内,动物实验表明,新生骨于第4周出现在植入体和宿主骨之间;第4、12周,新生毛细血管和新骨长入多孔钽的空隙中。

    3.医用钽及多孔坦在口腔医学中的应用

    钽金属已作为种植体材料被应用于缺失牙患者的修复治疗中,随着科技的发展,多孔钽也被尝试应用于种植体领域。由于其具备杰出的机械力学性能、生物学性能、具有与骨组织相当的弹性模量、较高摩擦系数,能为种植体提供良好的骨结合和初期稳定性,被称之为骨小梁种植体,除此之外,其具有的与骨组织相当的弹性模量(介于松质骨和密质骨之间)使得种植体在长期的口内功能负载中将牙合力分散至周围骨质中,避免了应力集中。

    有实验表明,在牙合力负载过程中,传统种植体可以吸收负载能量的30%,而多孔钽种植体可吸收50%-75%,而较高的摩擦系数使其在种植体植入过程中具有良好的初期稳定性,从而提高种植牙的结合率,特别是骨质量较差的种植患者。与此同时,刘洪臣教授提出了人工种植牙给药的理念,通过在多孔钽人工牙中载药的方式有望在促进种植体骨结合的基础上,改善骨代谢疾病状态下受损的骨愈合能力。此外,多孔钽在颌骨缺损修复中作用的相关研究也在开展。多孔钽的三维结构有孔隙,有利于骨髓间充质干细胞和成骨细胞在其表面附着,孔隙结构与骨组织相似,为骨组织的长入提供了良好的支架。

    有相关研究报道证实,多孔钽颗粒具有良好的诱导成骨能力,其修复颌骨缺损效果优于临床常用的Bio-oss骨粉,实验构建颌骨骨缺损模型,将多孔钽颗粒和Bio-oss骨粉分别植入比格犬右侧和左侧下颌骨骨缺损区内,三个月后大体标本、X线摄片、硬组织切片检测发现,多孔钽颗粒组在骨形成量、骨组织成熟度上均高于对照组(Bio-oss骨粉组)。

    4.总结

    钽及多孔钽因其良好的生物相容性,在医学的多个领域,如口腔医学、骨外科学、心血管外科学、生物医学工程学等具有重要的临床价值和应用前景,其表面改性技术的应用将使得金属钽及多孔钽具备更加优异的生物学性能,从而大大提高钽及多孔钽植入物与周围骨界面的结合能力,从而更好的提高植入体的临床疗效。

编辑: 陆美凤

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