钛种植体表面生物改性的研究进展

2017-12-15 11:12 来源:中华口腔医学杂志
作者:夏一菁 赵彬阅读量:10915

    20世纪50年代,Bränemark教授提出种植体骨结合理论,为口腔牙列缺失修复敞开新的大门。后人在提高植入技术的同时,不断改变种植体表面性质以弥补钛自身性质的不足,如生物惰性、低亲水性等。经过30余年,基本形成较成熟的物理和化学改性体系。但已有研究显示,单纯改变种植体表面形貌和成分对种植体植入早期的细胞应答改善效果不佳。种植体改性仍需要生物活性物质直接作用于周围细胞组织,在短时间内促进细胞增殖、分化和矿化。

    生物改性是在物理化学改性基础上,形成一定的膜结构或生物活性结构,加载特定的生物活性物质,如生物活性因子、活性蛋白物质或药物等,从而提高种植体表面生物活性。已有实验显示,生物改性后的种植体在植入体内早期即可释放生物活性物质,且细胞应答反应更迅速,细胞增殖和分化活动更明显。这不仅提高了骨结合水平,也缩短了骨愈合时间,真正意义上将惰性的钛金属变成有机的金属植入物。现从生物改性的主要活性物质和常用方法两个方面综述钛种植体生物改性的研究现状。

    1.钛种植体生物改性的主要活性物质

    目前用于生物改性的活性物质包括细胞生长因子、多肽或蛋白类物质及药物制剂。细胞生长因子是人体的重要调节因子,对调控机体生长发育和代谢有重要作用。目前与骨愈合和修复有直接联系的生长因子主要包括血小板衍生因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)、胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor,IGF)、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族及TGF-β亚家族——骨形态发生蛋白2(bone morphogenic protein-2,BMP-2)。这些生长因子可不同程度促进骨细胞增殖分化,增加成骨能力。多肽或蛋白类物质目前运用较广泛。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arginine-glycine-aspartic,RGD)多肽序列是体内存在的一类骨相关蛋白依赖物,大多数骨细胞信号转导的激活及之后的生长、增殖均依赖RGD多肽序列,其能有效调节骨细胞增殖分化,同时增加骨细胞对生物活性物质的黏附。此外,一些非胶原蛋白如丝素蛋白及骨钙蛋白等均对骨细胞的增殖分化及矿化有重要的调控作用。药物制剂在目前种植体改性中的应用也较多,例如抗菌抗炎药物地塞米松、卤代呋喃酮类化合物,骨质疏松类药物阿伦膦酸钠、辛伐他汀等。一定浓度的药物可减少微生物菌膜生长,提高骨组织愈合和修复能力;在种植体植入后起抑菌、促进骨生成的作用并可缓解骨质疏松症带来的成骨不足。

    2.钛种植体生物改性方法

    目前,种植体表面生物改性的方法已由最初简单的物理吸附,逐步改进形成如纳米化方法、化学键结合技术、自组装技术及核酸链相关技术等较先进的方法。这些方法均在一定程度上提高了种植体表面形貌的稳定性。此外,生物改性方法使种植体表面形成药物缓释系统,更有利于生物活性物质长效、稳定地作用于骨组织。

    (1)物理吸附:

    通过活性物质与一定pH的缓冲溶液混合,再将种植体浸入溶液一定时间,活性物质与金属表面依靠非共价键(范德瓦耳斯力、氢键、静电荷、分子轨道能)吸附结合。这种方法操作简单,但结合力较弱,且形成的改性层厚度不均匀,有较大的局限性。

    (2)纳米技术:

    是目前广泛使用的改性方法之一,通过阳极氧化、喷砂等处理改变种植体表面形貌,形成搭载生物活性物质的纳米载体结构,使纳米结构与载体共同发挥作用,促进骨组织生长和愈合。

    1)二氧化钛纳米管阵列:

    在种植体表面通过水热法、硬模板法、溶胶-凝胶法以及阳极氧化法等形成二氧化钛纳米管阵列,再于纳米管上搭载相关生物活性物质。纳米管阵列为顶部开口底部封闭的均匀二氧化钛膜结构,通过控制溶液浓度、电解质成分、反应电压、温度和时间等因素,改变二氧化钛纳米管壁直径、厚度及形态。纳米管阵列可表现出优异的生物相容性,在种植体植入早期即有细胞伪足伸入并锚定于纳米管管壁;在骨愈合过程中,纳米管阵列表现出较好的抑菌性;其为生物活性物质提供搭载结构,使多种生物活性物质能稳定地锚定于种植体表面。

    Lee等通过真空浸涂将重组人BMP-2(recombinant human BMP-2,rhBMP-2)大分子加载于种植体纳米管阵列中,再将种植体植入新西兰白兔胫骨内,8周后组织形态定量分析显示,纳米管加载rhBMP-2组的骨-种植体结合率及短期内的成骨率均高于3个对照组(空白组、喷砂处理组、纳米管组)。Zhang等认为,使用真空抽提法可增加生物活性物质在纳米管表面的附着力,并形成相对稳定的药物控释系统。将重组人PDGF(recombinant human PDGF,rhPDGF)加载于纳米管表面,真空抽提10 min后取出,扫描电镜可见rhPDGF-BB呈微球形附着于纳米管壁内及纳米管表面。酶联免疫吸附测定显示,rhPDGF-BB在体外呈缓释状态,蛋白质印迹法显示,rhPDGF-BB的缓慢释放可上调PDGF因子相关信号通路磷酸化蛋白激酶B和磷酸化细胞外调节蛋白激酶的表达水平。Yang等在纳米管上加入聚乳酸胶团微粒和药物样品维生素C及阿司匹林,有效形成了药物控释系统,分子动力学模拟以及耗散粒子动力学模拟实验结果显示,药物试样分散于聚乳酸基质中,并随聚乳酸降解缓慢释放,释放时间超过240 h。Kim等将药物及GRGDS多肽序列(glycine-arginine-glycine-aspartic acid-serine)加载于纳米管阵列上,体内外实验显示,纳米管阵列与生物活性物质可共同促进骨细胞活性,促进骨生成和骨结合。

    2)纳米粒子:

    膜结构常均存在骨传导障碍,并使种植体表面失去应有的粗糙度,这些因素均可影响骨结合。纳米粒子覆盖型膜结构有一定的粗糙度,可增加骨组织与种植体的结合力,解决传统膜结构的不足。Shim等通过电喷涂将FGF-2高分子聚合物纳米粒子喷涂于阳极氧化后的钛表面,模拟体液实验显示,FGF-2呈缓释状态,释放时间在2周左右,且释放速度与聚合物内FGF-2浓度及纳米颗粒尺寸呈正相关。种植体与人骨肉瘤细胞共培养4 h后可见细胞伸出明显的丝状伪足,且细胞与钛表面结合牢固。FGF-2不仅可直接作用于骨细胞并增加其活性,还可同时形成纳米粒子物理结构,增加钛表面粗糙度,进而增加细胞的延展及固定。Sharma等将丝素蛋白纳米颗粒通过硅烷偶联剂偶联于种植体表面,并在丝素蛋白上搭载庆大霉素;体外培养显示,丝素蛋白有较好的负载能力,且对庆大霉素有控释作用。庆大霉素的持续释放对细菌等致病因素有较好的抑制作用。同时,丝素蛋白颗粒自身促进了骨细胞的增殖分化及黏附。通过纳米改性实现生物活性物质的搭载是目前使用较多的方法,改性后的种植体对骨组织愈合有较好的促进作用。但目前对纳米管阵列的管径及纳米颗粒尺寸等均无统一结论,尚需深入研究。

    (3)化学键结合技术:

    通过偶联剂或交联剂使钛表面与相关生物活性物质间形成规整的化学键(离子键、共价键、金属键)结合。一种方法即在金属与生物活性物质中加入偶联剂、交联剂或螯合剂,通过其两个活性基团,以共价键方式将钛与生物活性物质结合起来。常用的化学试剂有多巴胺、聚乙二醇、聚吡咯、硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷等。以多巴胺为例,其含有氨基和邻苯二酚羟基基团,在水相介质中不仅可自聚,同时可与其他基团形成共价偶联。Zhang等通过多巴胺将酪氨酸酶活化的IGF-1与钛偶联,使IGF-1能稳定加载于种植体表面,同时能直接作用于骨组织。

    (4)自组装技术:

    自组装技术是高分子结构单元间存在一些特定基团,两种基团间自发以非共价键结合,从而形成一定的规则有序结构。在医学中,运用自组装技术形成多样的短肽、核酸结构,以此形成新型活性物质检测工具或进行相关疾病治疗。自组装技术在种植体改性中可弥补物理气相沉积的不足,适用于物理气相沉积中无法气化的高分子结构,在溶液中可使两种物质形成均匀稳定的复合结构,且相对于其他膜结构,自组装技术搭载生物活性物质结合牢固,不易剥脱,能更稳定持久地作用于周围组织。Lee等将儿茶酚高聚物纳米颗粒层层自组装于钛表面,形成较稳定的共价及非共价结合力,并由儿茶酚阴离子基团结合BMP-2形成稳定的改性结构;体外脂肪间充质干细胞培养显示,细胞表现出较好的黏附、增殖能力,碱性磷酸酶测试显示细胞分化和细胞活性较强;同时,该结构形成较好的药物控释系统,BMP-2释放时间超过35 d。Lv等通过自组装技术将壳聚糖和藻酸盐形成复合结构并搭载米诺环素,结果显示自组装后种植体有良好的亲水性,且结构稳定,同时表现出持久的抑菌效果。Tack等将氧化后的钛与牛血清蛋白分别进行自组装及偶联剂结合;结果显示,两种技术均能达到较好的结合效果,但偶联剂结合技术可能影响甚至阻断蛋白质功能,细胞对蛋白的吸收率也有所下降。因此自组装技术在生物安全性及细胞相容性方面更具优势。

    (5)核酸链杂交技术:

    借助于核酸链或DNA寡核糖核苷酸(oligodeoxynucleotide,ODN)互补结合,将生物活性物质固定于种植体表面。基本原理是首先在种植体表面锚定一段核苷酸链,将搭载生物活性物质的另一端核苷酸链与之杂交互补,生物活性物质随互补链结构搭载于种植体表面。生物方法的特异性高,搭载稳定性好,且可形成控释系统。但需要进行较严格的核酸链特异性选择过程,操作较复杂。Wolf-Brandstetter等比对不同类型ODN加载系统后认为,选用多聚腺苷酸、增加核苷酸链密度、缩短核苷酸链长度、在反应溶液中添加Mg离子等措施,可提高核苷酸链的互补率及生物活性物质的搭载量。Schliephake等认为,通过控制DNA链的种类及相对分子质量实现一定的药物浓度梯度,能更有效控制药物释放,从而使药物能稳定长效作用于周围组织。核酸链杂交技术是一种新型改性方法,其要求载体及搭载物质均有较高的种属特异性,且DNA的加入对机体的影响仍不明确,需进一步研究。此外,DNA形态结构难以控制也是改性的一大难题。有学者将蛋白质作为定型物质插入碱基对之间,使DNA的结构可控性提高,且蛋白质与DNA可共同促进成骨。Sakurai等通过三氟代乙烷磺酰氯激活及自组装技术将鱼精蛋白和DNA链固定于种植体表面,经体内外实验证实,DNA与鱼精蛋白形成了较稳定的结构,对种植体早期成骨(3周内)有积极作用,且对革兰阳性菌有明显的抑制作用。

    目前生物改性的方法较多,大多采用一些媒介物质偶联,形成种植体-膜-生物活性物质复合层结构。生物活性物质的加入对骨细胞生长增殖、致病菌控制等均直接有效,是一种更优良的改性方法。但在使用生物改性物质的同时,应注意掺入物种类、剂量以及一定时间内释放浓度的控制。生物改性后的药物在短期内释放仅影响早期骨修复,且局部生长因子的短时间大量释放可能产生一定的毒性反应,甚至导致疾病(炎症、骨生成异常、纤维瘤、恶性肿瘤等)的发生。因此,在种植体表面形成控释系统,使生物活性物质缓慢、持续释放仍是需要深入研究的热点。

编辑: 陆美凤

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