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钛表面改性提高种植体亲水性的研究进展

钛及钛合金是种植体制备的主要材料。纯钛可在空气环境中自发形成高表面能的二氧化钛表层,然而这种表层在很短时间内会吸附空气中无机离子和有机碳氢化合物,生成一层附着力极强的致密氧化膜,从而改变表面化学组成并降低其亲水性。现在部分的理论倾向于亲水性表面具有更高的生物活性,利于成骨细胞的粘附和伸展,从而促进早期成骨。所以,如何提高钛表面亲水性成为研究热点。本文通过分析比较几种提升种植体亲水性的改性方法,对其成骨效果做一综述。

 

1.喷砂酸蚀表面处理法

 

喷砂可在种植体表面形成相当于骨陷窝的孔洞以增加表面的粗糙度,促进成骨细胞的黏附。但仅进行此项处理得到的粗糙表面是不均匀的,且有喷砂材料的颗粒残留。为形成洁净均匀的粗糙表面,在喷砂后将种植体浸入不同的酸溶液中,进行酸蚀处理。比起单纯机械改性的种植体,酸蚀能蚀刻金属表面的氧化膜,增加亲水性,更好的与成骨细胞结合,不仅提高了骨整合能力,而且明显增加了种植体的扭矩。然而,喷砂酸蚀处理(SLA)的钛种植体表面暴露于空气中会在微观结构形成碳化组织,使材料表现为疏水特质。所以,学者在惰性气体保护下对纯钛材料及钛锆合金材料进行喷砂酸蚀,而后保存在0.9%NaCl溶液中,隔绝了碳化污染,还可在种植体表面形成二氧化钛纳米颗粒,或在种植体植入机体前,将种植体浸泡在调节液中,改善种植体表面的化学组成,提高表面能。形成具有接触角接近0°的超亲水表面,可更多更快的吸附血液中多种蛋白质成分,促进骨整合,提高种植修复的速率和成功率。

 

2.激光表面处理法

 

激光处理种植体过程中,不直接接触表面,不生成新的杂质污染,加工精度高,高热影响区小。有学者利用激光对锆种植体进行改性,植入美国猎狐犬中3个月后发现,锆种植体的初期稳定性,二期稳定性和骨结合率方面与钛种植体无显著性差异。通过控制激光能量密度,能使钛形成超亲水性表面,并在大气环境中维持30天左右。利用飞秒激光还可在纯钛表面制备出具有多级粗糙度有利于细胞攀附生长的形貌,提高了种植体的生物相容性,促进种植体表面的成骨细胞黏附和生长。有学者通过飞秒激光在含有2mg/ml的纳米羟基磷灰石溶液中对种植体改性,使种植体表面能同时形成微观形貌并沉积钙磷涂层,随着激光辐照能量的增大,可促进成骨细胞的黏附。这种改性方法比SLA具有更强的骨结合力。而激光煅烧处理的Ti-6Al-4V种植体较传统机械加工的种植体具有更好的成骨性能。

 

3.表面氧化法

 

利用阳极氧化法可在纯钛表面形成分布均匀、排列整齐有序的TiO2纳米管阵列,促进成骨细胞的黏附和骨整合能力。纳米管的管径对生物效应具有较大的影响。目前的生物学研究主要集中在30-100nm管径之间,其中70-100nm管径的TiO2纳米管能显著促进间充质干细胞向成骨细胞分化及更好的促进种植体周围骨整合的性能。研究发现,当纳米管径从30nm增长到190nm,接触角由35°降为2°。Yoriya等采用阳极氧化法,以含有0.5%-2%氢氟酸的二甘醇为电解液,在钛片上制备出了直径达350nm的TiO2纳米管阵列。他们将氧化处理时间延长至120h,并认为阳极氧化时间对于纳米管直径的作用要显著地强于氧化处理电压,氢氟酸含量和氧化处理时间共同决定了纳米管的直径。

 

而Aiempanakit研究认为,阳极氧化率和纳米管长度随着电压的升高而显著增加,纳米管径也与氧化电压直接相关。以上研究表明,纳米管的直径和长度,受电解液,氧化时间和氧化强度共同决定。随着纳米管径的增大,亲水性和表面能增加。虽然大管径纳米管在药物缓释方面具有更大的优势,但其生物利用度仍缺乏相关研究。Bayati等利用微弧氧化法在掺杂钒的钛表面形成了比TiO2纳米管更亲水的表面。部分学者通过双荧光标记法在兔股骨髁部植入具有“脑回形”形貌的微弧氧化TiO2种植体,来评价的骨-种植体结合的能力。研究发现类“脑回形”形貌氧化层由微米级沟槽和纳米级孔洞组成,属超亲水性种植体,早期矿化速率较SLA快。此外,紫外光催化作用可增加钛种植体的骨整合作用。紫外线照射后通过在表面产生氧空位改变TiO2表面分子结构,使得Ti4+位点转化为Ti3+位点,易吸附空气中解离的水形成羟基,使水接触角接近0°。然而这种亲水性并不能持续太久,停止光照,将TiO2薄膜放置黑暗条件下一段时间后,TiO2薄膜与水的接触角会重新恢复到处理之前的状态。所以,近年来有学者利用阴极极化,氢气还原,离子注入等对纳米管进行处理,形成氧空位的缺陷结构和Ti-OH,具有更高的表面结合能和超亲水性,可显著提高其对紫外光的利用度,波长范围甚至可包括可见光,维持较长时间的亲水性。另外,紫外光催化作用还可减少种植体表面的碳氢化合物污染,提高种植体的抗菌性能。

 

4.涂层技术

 

涂层技术是通过将生物活性较好的材料附着于种植体,形成具有一定强度的膜层结构,改变种植体表面形态,提高种植体骨界面的接触面积和结合强度,加快整合速度。目前常用的涂层包括钙磷涂层和生物改性涂层。有学者发现在二氧化钛纳米管表面形成分别掺杂10%的镁和锶的羟基磷灰石涂层具有最优的亲水性和表面粗糙度,可加强成骨细胞活性,促进骨整合。而在羟基磷灰石涂层中掺杂银离子可提高材料表面的亲水性和电势能,既可提高成骨细胞的增殖粘附分化,还具有抑菌作用。透钙磷石比羟基磷灰石易于溶解,在生理条件下具有较快的降解速率,能提供高浓度的钙离子和磷酸盐起到快速成骨作用,掺入10%锶的透钙磷石涂层由于其能促进成骨抑制破骨,具有更好的成骨性能。有学者在钙磷涂层加载可促进成骨的甲状旁腺素进行生化改性,促进早期骨整合。生物改性提高钛种植体表面的生物活性物质可分为细胞黏附分子和生长因子两大类。主要为精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽链和骨形态发生蛋白2(BMP2)。

 

通过实时PCR检测含RGD序列的血浆纤维蛋白涂层与成骨前体细胞MC3T3-E1联合培养的种植体表面,发现其具有刺激成骨细胞分化的功能。利用多巴胺在二氧化钛纳米管表面加载BMP2指节肽,可提高二氧化钛纳米管的亲水性,促进早期骨整合。

 

综上所述,提高种植体亲水性可加快种植体的骨整合作用,缩短修复时间,提高种植成功率。然而,目前任何一种亲水改性技术均有自身局限性。在空气中放置时间过长易污染,丧失亲水活性。激光改性的种植体成本高,效率低,目前少见应用于临床。二氧化钛纳米管虽然具有良好的亲水性及光催化活性,可部分消除种植体表面的污染物,但是其对光的利用度有限,脱离紫外光辐照后亲水性逐渐丧失,不能利用可见光源。带有涂层的种植体在植入过程中,有因摩擦被消耗损失的风险。另外,生物改性的种植体在长时间放置或高温、紫外消毒之后,是否还能保存生物活性尚不能肯定。为此,如何设计一种多效种植体,使其能长期稳定保持自身亲水功能的同时,还能为临床提供充足的操作治疗时间,不被机械损耗,可耐受紫外高温消毒过程,仍然值得我们深入研究。

 

来源:口腔颌面修复学杂志2017年5月第18卷第3期

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