铌在口腔医学中的应用

2016-12-12 10:12  来源:中华老年口腔医学杂志
作者:李萌 刘洪臣

    铌(niobium)属于VB族元素,是过渡元素的一种,化学符号Nb,原子序数为4l。1844年,德国化学家Heinrich Rose证明了钶铁矿中实际包含了两种元素,一种是钽元素,另一种便是铌元素。 

    铌是一种带光泽的灰色金属,在室温下长期存放后变为蓝色,在低温下会呈现超导体性质,虽然它在单质状态下的熔点较高(2468℃),但密度却比其它难熔金属低,且具有较强的耐腐蚀性。由于铌具有优良的理化性能和生物相容性,本文拟将铌在口腔医学领域的研究和应用现状加以综述,以便更全面的了解铌在该领域的应用前景。

    1.铌在口腔种植方面的应用

    自Branemark教授1952年发现了纯钛材料的骨整合现象,并以此为基础将其用于制作种植体以来,人们就没有停止过对种植体性能进行完善的努力和追求。尽管钛及其钛合金拥有良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械强度,并且是临床上应用最为广泛的种植体材料,但由于存在与骨组织弹性模量不匹配,骨结合强度低等原因,曾一度影响了其在临床应用的成功率。改善钛基种植体的综合性能一直是人们研究的热点之一,在已经取得的成就中,B型钛合金(种植体自身材料)的开发和表面改性的进展显得尤为突出。金属铌作为一种生物相容性很高的高熔金属,越来越多的被应用于种植体自身材料的改进和表面改性。

    1.1铌可提高种植体耐腐蚀性和生物相容性

    早在1991年,就有学者对植入兔骨的纯钛种植体和纯铌种植体做了相关研究和分析,结果显示纯铌种植体的开启扭矩显著高于纯钛种植体,并推测可能是由于纯铌种植体相对于纯钛种植体更加不规则的表面形态造成的。然而,更多研究还是倾向于通过在钛合金中引入铌元素,降低钛合金中有毒金属(如镍、钒)离子的析出以改善钛合金生物相容性,以及降低钛合金的弹性模量并提高种植体的机械强度。Sakai等检测了15种常用生物材料元素对成骨细胞样细胞生物活性的影响,结果显示,无论是微粒形式还是离子形式,钒和镍的细胞毒性都远高于铌。

    Park等比较了种植用纯金属和二元钛合金的细胞相容性,铝、钒、铌的平均细胞相容性分别为25.3%,31.7%和93%,纯金属中,纯钛的细胞相容性最高(细胞毒性最低),但Ti-lONb合金展现出了超过纯钛的细胞相容性,其平均细胞相容性为124.8%。D.1igima等的研究表明,Ti-6AI-7Nb合金较纯钛具有更好的耐磨性和机械强度。Yoshimitsu等分别将用Ti-1 5Zr-4Nb-4Ta合金和Ti-6A1-4V合金制成的种植体植入大鼠胫骨,48周后处死,结果显示Ti-15Zr-4Nb-4Ta种植体表面的腐蚀坑较Ti-6Al-4V种植体表面的少,说明前者的耐腐蚀性较后者强。

    ChaUa等将Ti-6A1-7Nb合金和Ti-6A1-4V合金的细胞毒性和成骨前体细胞的细胞反应与做了比较,结果显示Ti-6A1-7Nb种植体在细胞粘附,增殖,活力,形态和伸展方面,均显著高于Ti-6Al-4V种植体。此外,免疫荧光检测结果显示,Ti-6Al-7Nb合金细胞黏附蛋白表达增强,在细胞外区域肌动蛋白张力纤维也有所延展。Stenlund等对比了新型Ti-Ta-Nb-Zr合金种植体和纯钛种植体的体内实验结果,新型含铌合金在长期种植稳定性及骨愈合速度上均优于纯钛种植体,而在骨结合的能力上与纯钛种植体几乎一致。Takahashi等通过对比低弹性模量Ti-Nb-Sn合金和纯钛种植体的生物力学性能,结果合金的生物力学性能完全能够满足骨结合的需要。

    韩雪等的研究发现,经微弧氧化碱热处理的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金种植体能与Bio-Oss及其周围新生的类骨质形成很好的骨整合,引导骨组织再生。

    1.2含铌涂层亦可增加种植体耐腐蚀性

    由于金属铌价格较为昂贵,而且具有较高的氧亲和力和熔点,其合金加工制造成本也较高,从而影响了铌及其合金的广泛应用。为弥补以上不足,研究者们尝试通过各种方法在不锈钢、钴铬、钛及钛合金种植体上形成含铌元素的涂层,从而在尽可能节省贵金属材料(降低成本)的前提下保证种植体仍具有良好的生物相容性和机械性能。Subramanian的研究显示,覆有多层纳米结构氮化钛和氮化铌涂层的316L不锈钢的耐腐蚀性得到了增加。

    Velten等隧用溶胶凝胶法在经过抛光的纯钛试件上制备了Nb2O,涂层(氧化膜厚度小于200nm),相对于无涂层的纯钛试件和以相同工艺制备的TiO2涂层的纯钛试件,其细胞分布、I型胶原的合成和润湿性都较强。此外,实验还发现氧化膜的纯度对细胞粘附至关重要,混有有机杂质的氧化膜会对细胞粘附产生不利影响。Pauline等将合并有锶元素的纳米多孔Nb20,涂层通过溶胶凝胶法沉积在316L不锈钢表面,并对其进行了净水接触角测量、离体生物活性试验、溶液分析和电化学分析。结果显示,其润湿性较无涂层不锈钢有所增加;0.05M(tool/L)涂层的生物活性较0.1M涂层的生物活性高;控释锶元素也有助于发挥涂层促进羟基磷酸钙生成的作用;此外,由于增加了电荷转移阻抗,降低了表面电容,该涂层也具有优秀的耐腐蚀性。

    Wojcieszak等的研究发现,含有铜和铌的二氧化钛涂层表面粗糙度更高;润湿性降低,甚至由亲水性转为疏水性;拥有良好的抗菌性,而不含铜和铌的二氧化钛涂层没有此作用。Zhang S等的研究表明,直径为15μm至50μm的多孔铌涂层可以通过选择性激光熔化技术加载于不锈钢、钴铬合金和其它传统生物材料表面,并且仍具有良好的生物相容性和生物活性。

    2.铌在口腔外科方面的应用

    金属生物材料在颅颌面外科的应用非常广泛,常被作为骨畸形和缺损的替代材料以及支架材料,以改善患者的生活质量,其中代表性的金属生物材料为不锈钢,钴铬合金,钛及钛合金。在这些金属材料中,不锈钢具有更好的延展性和循环扭转强度;钴铬合金具有最高的刚度和耐磨性,以及相对较高的强度;钛合金具有最好的生物相容性,耐腐蚀性,和比强度(拉伸强度与密度比),但刚度最低。

    除了机械性能,由于需要长期植入人体,有些后期可能还需要取出,因此金属生物材料的生物相容性和细胞毒性等生物学指标也受到研究者们的广泛关注,并为其提高和改善做了许多尝试。降低金属材料的弹性模量,使之尽可能的接近骨组织,以减少应力遮挡效应,是近期研究者们努力地方向之一。较早期的研究显示,钛合金中加入无毒性金属元素铌、锆、钽、钼等,能够有效降低合金的弹性模量,并提高耐腐蚀性。尽管如此,有关铌及其合金在颅颌面外科领域应用的文献还比较少。

    Kondo等的研究表明模拟体液中的Nb-2Zr合金展现出了优秀的耐腐蚀性和疲劳强度。Kanetaka等通过其新开发的Ti-Nb-Al记忆合金对大鼠头盖骨进行的牵张成骨实验表明,该新型合金具有可靠地生物相容性。Vandrovcova等[ml对经过热氧化处理的钛铌合金进行成骨细胞样细胞Saos-2和MG-63的细胞活性分析,结果显示经热氧化处理的纯钛和钛铌合金均具有提高细胞活性的作用,但钛铌合金的作用倾向于促进骨细胞增殖,而纯钛则倾向于诱导细胞分化。

    3.铌在口腔修复方面的应用

    金属牙科修复体在口腔修复的应用已经非常广泛和普及。由于口内环境比较复杂,在保证材料良好生物相容性的前提下,如何改善其机械和化学性能,尤其是耐腐蚀性,以提高修复体的耐久性,一直是研究的重点。Haoka等测试了含铌磁性附着体的电化学性能,结果显示较传统磁性附着体,Pt-30.0mass%Fe-0.6mass%Nb合金制成的磁性附着体具有更好的耐腐蚀性。Lee等对钛铌合金的结构性能进行了测试,结果显示,Ti-10Nb和Ti-27.5Nb合金具有最高的强度,而以Ot’相为主的(17.5Nb、20Nb)合金和以B相为主的合金(>30Nb)弹性模量最低。此外,参与测试的所有钛铌合金均表现出出色的耐腐蚀性。

    Kikuchi等对含有不同比重铌的铸造钛铌合金进行了机械性能测试,结果显示含铌5wt%钛合金的硬度已经明显增强;含铌10wt%及以上钛合金的屈服强度和拉伸强度均明显增强,而延伸率却显著下降;含铌30wt%钛合金在保持较高硬度、强度和弹性模量时,具有更好的研磨性。胡欣等的研究也证实,高强度、高弹性模量的钛锆铌锡合金是一种具有良好生物安全性的口腔修复用金属材料,但随着表面载荷的增大,其磨损机制由磨粒磨损转变为粘着磨损。

    4.铌在口腔正畸方面的应用

    金属正畸弓丝有其基本的机械性能要求,例如足够的回弹力,较低的刚度,良好的成形性,以及良好的生物相容性和环境稳定性。常用的金属正畸弓丝材料有不锈钢、钻铬合金、镍钛合金和钛钼合金。铌应用于正畸弓丝的文献报道较少,已有文献显示铌主要作为B钛合金弓丝的组成成分,以改善弓丝的机械性能,降低弹性模量。含铌钛合金弓丝具有较为均衡的机械性能,例如适度的回弹力,均衡的刚度,良好的成形性,并且能够与附件焊接在一起。Suzuki等对比了Ti-Nb-Al合金弓丝和传统Ni-Ti合金弓丝在机械性能方面的差别,结果显示Ti-Nb-Al合金弓丝的初始回弹力仅为Ni-Ti合金弓丝的一半,这说明前者可以施加更缓和及持久的回弹力。此外,实验还显示Ti-Nb-Al合金弓丝可以使牙齿移动的过程更加平稳和连续。Kuroda等的实验也证实钛铌合金弓丝的扭矩较钛钼合金和传统镍钛合金弓丝小。

    随着材料科学的不断发展,用于正畸弓丝的材料不断更新,许多非金属材料弓丝材料已经被开发并应用于临床,临床上应根据牙列不齐的种类和个性化的矫治计划,选用不同材料和型号的弓丝。

    5.铌在口腔内科方面的应用

    关于铌在口腔内科方面应用的文献报道较少,现有文献显示铌主要以氧化铌微粒的形式作为X线阻射剂添加入粘接树脂和根管封闭剂,以改善其性能。Leitune等尝试在粘接树脂中加入氧化铌,并测量了树脂性能,结果显示氧化铌微粒呈现出典型的微米级单斜结晶相化学基团结构,树脂的X线阻射性和显微硬度随氧化铌含量增多而增高;此外,实验还发现氧化铌微粒能够渗入牙本质的混合层。

    Leitune等还尝试在根管封闭剂中加入氧化铌微粒,结果封闭剂的X线阻射性和显微硬度同样得到了增强。Viapiana等的研究不仅证实了上述实验结果,还将加入氧化铌微粒的根管封闭剂与市售根管封闭剂AH Plus做了对比,发现两者均能达到满意的封闭效果,但氧化铌微粒能够渗入牙本质,AH Plus中的填料却没有此效果。Viapiana等还对比了加入氧化锆和氧化铌微粒的硅酸盐基根管封闭剂和传统市售封闭剂的物理化学及力学性能,结果显示改良封闭剂具有较MTA Fillapex和Sealapex更低的溶解性,且与AH Plus一样有膨胀效果,但膜厚度最高且X线阻射性最低,并分析可通过调整阻射剂含量以增强阻射性。

    6.铌在口腔放射方面的应用

    上世纪90年代,数字化X线摄影技术尚未得到广泛普及,用于牙科诊断、治疗的X线影像系统还在应用胶片显影,如何在保证图像质量的前提下减小患者的受辐射剂量一直是研究者们关注的方向。许多学者尝试运用铌基滤波器的方法以减小患者的辐射剂量。Price等例发现铌基滤波器会使胶片感光度增加,减小X线射线束,并且胶片对比度并不受束流质量的影响。White等均实验也证明了铌基滤波器的应用能够降低20%到30%的辐射量,并同时证明D速感光胶片的成像质量受影响较轻微,E速感光胶片的成像质量受影响较明显。McDonnell等的研究显示,铌基滤波器能够降低浅层区域(2 cm)辐射量,但却会相应增加较深层区域(6 cm)的辐射量。

    Byrne等对应用铌基滤波器后皮肤射线暴露值和甲状腺辐射剂量分布的研究显示,铌基滤波器能够显著降低皮肤表面射线暴露值,但却无法降低更深层的甲状腺的暴露值,甚至甲状腺其中一个部位的暴露值还有了明显升高。Scarfe等的研究也表明,铌基滤波器会导致深层软组织,比如甲状腺,的辐射剂量升高。因此,对于应用铌基滤波器的合理性和必要性,也有学者提出了不同的意见。

    Tetradis等认为,应用铌基滤波器除了会导致辐射束过硬,还会增加辐射时间,造成动态模糊,降低成像对比度。Bianchi等运用方波响应函数分析实验结果后也认为,尽管铌基滤波器相比较于传统铝基滤波器能够在一定程度上减少表面辐射剂量,但考虑到对深层软组织辐射增高的风险,以及成本增加、磨损加重的因素,应用铌基滤波器是得不偿失的。

    在应用铌基滤波器对成像质量的影响方面,也有一些学者做了研究。Wakoh等运用调制传递函数分析了应用铌基滤波器前、后的成像对比度,发现其仅有较小程度的降低;与铝基滤波器相比,铌基滤波器不会明显降低成像质量。Borden等发现是否应用铌基滤波器,对诊断正畸不锈钢弓丝下铝制受试件的密度差异没有明显影响。随着数字化X线摄影技术的发展,清晰度高,辐射剂量低的口腔X线成像技术逐渐成为可能,铌基滤波器在口腔放射领域的应用研究也逐渐淡出了人们的视野。

    7.总结

    综上所述,铌由于其优良的生物相容性和耐腐蚀性在各个口腔专科领域均有应用,但主要集中于种植及颌面外科领域,作为纯钛的补充或钛合金中有毒元素的替代品,以提高生物材料的机械性能、化学性能,改善生物相容性,或者以纳米结构涂层的形式覆盖于植入体表面以降低植入体及其加工成本。铌在口腔放射领域的应用和研究开始较早,但随着数字化X线摄影技术的进步逐渐减少。铌在口腔内科领域的研究开始较晚,只到最近,才有文献报道氧化铌作为添加剂应用于粘接树脂和根管封闭剂,以改良其综合性能。由于与工业制造领域关系密切,铌在口腔设备和器材方面的应用本文没有涉及。

编辑: 陆美凤

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