纯钛种植体表面处理技术促进骨整合研究进展

曲露露 李美华 罗云纲

(吉林大学第二医院口腔科，吉林 长春 130041)

纯钛种植体表面处理技术促进骨整合研究进展

曲露露 李美华 罗云纲

(吉林大学第二医院口腔科，吉林 长春 130041)

纯钛种植体；骨整合；生物相容性；种植体表面处理技术

目前在口腔医学领域纯钛种植体的研究和应用日益广泛，但还发现一些有待解决的问题：①生活骨与种植体之间的整合率在25%～85%〔1〕之间；②纯钛种植体种植周期长，无法满足患者迫切要求尽早恢复功能和美观的愿望；③种植体界面处于动态平衡状态并不稳定〔2〕等。种植体表面早期骨形成影响因素包括受植区的生物学特性和种植体的表面特性。受植区的生物学特性是指受植区骨的解剖生理学特点，包括骨代谢特点、骨密度、血供、生长因子和成骨细胞来源等。种植体的表面特性是指种植体的表面形态、表面元素和表面亲水性等〔3〕。通过对种植体表面处理可增加粗糙度，增强润湿性，改变表面化学组成，使其达到早期骨整合和更高的结合强度，缩短纯钛种植体种植周期〔4〕。本文通过对纯钛种植体表面处理技术即种植体自身微结构改变和种植体表面涂层进行综述，分析比较目前几种种植体表面处理技术的效果及展望临床应用前景。

1 纯钛种植体自身表面微结构改变技术

研究发现种植体植入骨组织后，组织细胞的黏附、增殖和分化行为、蛋白质的吸收、接触的面积与种植体表面微形态有直接决定性关系，种植体—骨界面的骨整合时间、结合率和结合强度因此受到影响〔5〕。种植体中与光滑表面比较发现，粗糙表面的种植体在早期骨整合及应力稳定性上有明显优势，但粗糙度过大会造成离子泄露也多，其抗腐蚀性因此就会降低。那么如何在种植体表面处理中达到适当的粗糙度已成为讨论热点。

1.1 表面酸蚀处理法 酸蚀即将种植体放置在酸性溶液中，去除种植体表面杂质，形成微孔(大小主要为1～3 nm)和离子键，以增加亲水性，从而提高了骨整合能力。在常温下进行操作，程序简单〔6〕。

1.2 喷丸/喷砂表面处理法 喷丸/喷砂是指高速连续喷射弹丸至种植体表面形成孔洞以增加表面的粗糙度。这些孔洞相当于骨陷窝，可以促进成骨细胞的黏附。孔洞的直径大小与弹丸的尺寸大小、喷射距离的远近及喷射压力有关。弹丸材质有铸铁、铸钢、陶瓷和玻璃等多种，喷丸和喷砂的区别在于弹丸的材质不同，但仅此项处理得到的粗糙表面是不均匀的，且有弹丸颗粒残留。为弥补以上不足，形成洁净均匀的粗糙表面，将酸蚀与喷砂结合，经过多年的实验，使其成为目前技术最成熟应用最广泛的表面处理方法。目前常用的喷砂酸蚀是首先用大颗粒喷砂获得10～30 μm孔洞并形成一级粗糙度，类似于骨陷窝便于成骨细胞的附着以及血管的长入和骨代谢物的排泄，并增加机械锁合力；混合酸高温酸蚀获得1～3 μm微孔形成二级粗糙度，利于骨细胞等吸附、增殖分化和矿化成骨，同时清除了喷砂颗粒的残留，这种多级立体结构不仅有利于骨整合，且明显增加了种植体的扭矩值〔7〕。瑞士的Straumman种植体系统(SLA/SLActive)、德国的Ankylos系统、美国3i牙种植体系统均采用喷砂酸蚀处理。目前认为表面微孔直径为1～4μm、粗糙度为1～3.62 μm的种植体表面较利于骨细胞附着生长，粗糙度>3.62 μm不利于骨组织附着结合〔8〕。

1.3 激光表面处理法 激光作为材料加工技术应用于种植体表面处理时间并不长，处理过程中，不直接接触种植体表面，不生成新的杂质污染。目前通过对激光能量和照射时间的控制可以形成微孔和沟槽等结构，由于其拥有杀菌、清洁、孔洞均匀、高效、便利和可控，可提供表面形态理想等众多优点，发展十分迅速。激光表面合金化(LSA)、激光表面熔覆陶瓷涂层及脉冲激光沉积(PID)等技术已被广泛应用〔9〕。有学者〔10〕用Nd：YAG激光轰击种植体表面发现：种植体和骨组织的接触面积增大、机械性能提高、有利于骨整合。Palmquist等〔11〕报道：激光处理后种植体植入人下颌骨2.5个月后，表面沟槽形态仍存在且对微结构观测发现了骨整合。除了以上优势外，激光表面处理技术还能增加钛表面的耐腐蚀性。

飞秒激光近年来被大家熟知于角膜整形，目前将其应用于种植体表面处理也成为国内外的研究热点。Wang等〔12〕利用飞秒激光在纯钛表面制备出了多种具有多级粗糙度有利于细胞攀附生长的图案，均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生长。

2 纯钛种植体表面涂层技术

涂层技术是通过将生物活性较好的材料或离子等附着于种植体形成一定厚度和强度的膜层结构，改变种植体表面形态，改善种植体骨界面的接触面积、提高结合强度并加快整合速度。影响涂层的因素包括涂层材料的成分和沉降率，操作温度，操作距离，操作环境等。

2.1 等离子喷涂(TPS)法 TPS法最常见的为羟基磷灰石(HA)TPS和纯钛粉等TPS。二者均可在种植体表面形成微孔，引导和促进骨整合。HA层的骨接触率高于纯钛粉TPS〔13〕，骨修复速度较快。HA涂层内部应力释放产生平行或垂直于界面的裂纹，导致涂层剥离〔14〕种植失败。纯钛粉TPS可以使种植体与骨组织的接触面积增加，结合强度增大，但同时也会使离子泄露更多，防腐蚀性降低，同时TPS存在设备成本高，涂层薄厚不均易剥脱等问题。为解决上述矛盾，近年来研究者多采用制备梯度涂层获取低结晶度HA、添加其他材料提高结合强度、离子束辅助沉积技术、结合激光表面处理法共同应用等手段。可吸收的钙-磷涂层也是近期的研究重点。

2.2 微弧氧化膜法(MAO) MAO是阳极氧化技术的一种，又称微等离子体氧化或阳极火花沉积。在普通阳极氧化的基础上，在高温高压下氧化膜被击穿，微弧放电瞬间高温区熔化甚至气化，在基底层形成了新的均匀多孔膜层的一种电化学反应。孔径大小与电压电流大小、电解质浓度、电解质种类、时间等因素有关。多用来铝、钛、镁金属及其合金等耐热、耐磨件的表面处理，以及电工材料、生物材料等的表面改性。20世纪30年代初期，由Gunterschulze和Betz首次报道，通过微弧氧化的方法改变纯钛种植体表面的氧化层结构促进骨整合是近年发展的新技术 。纯钛种植体在自然环境中表面会形成一层氧化膜，通过微弧氧化处理后，表面重新形成多孔粗糙类似于“骨小梁”结构较以前更厚的氧化膜，有利于成骨细胞黏附增殖分化，具有良好的稳定性、生物相容性、抗腐蚀性和耐磨性〔15〕。王磊等〔16〕研究也通过微弧氧化处理钛合金证实了这个结论。

此外，可在电解液中添加钙(Ca)、磷(P)元素，使其在纯钛种植体表面的氧化膜层附着，提升羟基磷灰石在表面的沉积速度〔17〕。此外，微弧氧化技术存在的能源利用率低、能量耗费多等问题限制其应用，需要进一步解决。

2.3 仿生溶液生长法 仿生溶液生长法是指模拟生理体液，将经机械或物理化学等预处理后的种植体浸入，使其吸附仿生溶液中的物质，形成磷酸钙涂层，促进骨整合〔18〕。利用仿生溶液方法处理钛种植体表面的生物活性溶液可分为细胞黏附分子和生长因子两大类。

细胞黏附分子中有一种特殊的结构-RGD序列，RGD序列由精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸组成，存在于多种细胞外基质中，能有效地促进细胞对生物材料的黏附。RGD序列的空间结构、修饰密度、周围序列对其活性都有一定影响。将RGD序列固定于钛或钛合金种植体表面，可以促进成骨细胞对纯钛种植体表面的黏附，进一步促进骨整合。但实验证实由于其高度亲和，多种细胞均含有同一整合蛋白，故缺乏特异性。Liu 等〔19〕将含RGD序列的骨桥蛋白吸附经过预处理的种植材料表面，增强了材料的生物相容性，排斥反应明显降低。有学者〔20〕经动物实验发现：有 RGD 肽链涂层的 Ti-6Al-4V 种植体周围骨合成量较无涂层组显著增多，同时纤维组织形成显著减少。Rapuano 等〔21〕研究显示：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Ti-6Al-4V 种植体表面，发现其具有刺激成骨细胞分化的功能。由于RGD 肽链涂层技术操作简单经济有效，因此在临床推广应用上有优势。

种植体骨整合是一个复杂的过程，在不同阶段会有不同的细胞生长因子表达，且各生长因子的协调作用于整个过程。刘康等〔22〕研究显示：HA涂层复合转化生长因子，促进新生骨形成。Lind 等〔23〕通过体外及动物实验均证明转化生长因子β(TGF-β)涂层可以显著促进种植体骨整合。在种植体表面处理中，应用最广泛的一类生长因子是骨形态发生蛋2(BMP-2)。2007 年美国食品药物管理局批准一种缓释的BMP-2 应用于颅面部缺损治疗。重组人骨形态发生蛋白(rhBMP)能诱导未成熟细胞向软骨细胞和骨细胞转化，具有诱导成骨作用〔24〕。今年来为达到持续发挥诱导成骨作用，学者们研究较多的是骨形态发生蛋(BMP)复合载体。何爱珊等〔25〕研究制备的HA-rhBMP涂层可明显促进种植体与骨的结合。Nie 等〔26〕将rhBMP-2与聚乳酸-羟基乙酸/羟基磷灰石(PLGA/HA)的复合缓释，可以增强细胞对支架的附着性，降低毒性。

综上所述，纯钛种植体的表面处理方法有多种，单凭一种方法获得理想的骨整合效果是几乎不可能的。进一步从分子水平和基因水平探索骨整合的机制，多种表面处理方法联合应用，提高骨整合速度和强度，使种植技术周期缩短，成本降低，成功率升高，使其在临床得到进一步推广。

1 Gross KA，Berndt CC，Coldschlag DD，etal.In vitro changes of hydroxyapatite coatings〔J〕.Int J Oral Maxillofac Implants，1997；12(5):589-97.

2 Steflik DE，Corpe RS，Lake FT，etal.Composite morphology of the bone and associated support tissue interfaces to osseointegrated dental implants：TEW and HVEM analyses〔J〕.Int J Oral Maxillofac Implants，1997；12(4)：443.

3 Schneider GB，Perinpanayagam H，Clegg M，etal.Implant surface roughness affects osteoblast gene expression〔J〕.J Dent Res，2003；82(5)：372-6.

4 Avila G，Misch K，Galindo-Moreno P，etal.Implant surface treatment using biomimetic agents〔J〕.Implant Dent，2009；18(1)：17-26.

5 Deyneka-Dupriez N，Kocdemir B，Herr U，etal.Interfacia〗shear strength of titanium implants in bone is significantly improved by surface topographies with high pit density and microroughness〔J〕.J Biomed Mater Res B Appl Biomaten 2007;82(2)：305-12.

6 Kim H，Choi SH，Ryu JJ，etal.The biocompatibility of SLA-treated titanium implants〔J〕.Biomed Mater，2008;3(2)：025011.

7 Zhang EW，Wang YB，Shuai KQ，etal.In vitro and in vivo evaluation of SLA titanium surfaces with further alkali or hydrogen peroxide and heat treatment〔J〕.Biomed Mater，2011;6(2)：025001.

8 Ohtsuki C，Kushitani H，Kokubo T,etal.Apatite formation on the surface of Ceravital-type glass-ceramic in the body〔J〕.J Biomed Mater Res，1991;25(11)：1363-70.

9 Jiang Y，Matsumoto Y，Hosokawa Y，etal.Trapping and manipulation of a single micro-object in solution with femtosecond laser-induced mechanical force〔J〕.Applied Physics Letters，2007;90(6)：061107.

10 Faeda RS，Tavares HS，Sartori R,etal.Evaluation of titanium implants with surface modification by laser beam.Biomechanical study in rabbit tibias〔J〕.Braz Oral Res，2009;23(2)：137-43.

11 Palmquist A，Grandfield K，Norlindh B，etal.Bone-titanium oxide interface in humans revealed by transmission electron microscopy and electron tomography〔J〕.J R Soc Interface，2012;9(67)：396-400.

12 Wang H，Liang C，Yang Y，etal.Bioactivities of a Ti surface ablated with a femtosecond laser through SBF〔J〕.Biomed Mater，2010;5(5)：054115.

13 刘宝林，汪 济.我国口腔种植学的回顾与展望〔J〕.中华口腔医学杂志，2001;36(5)：324-7.

14 Gottlander M，Johansson CB，Wennerberg A.Bone tissue reactions to electrophoretically applied calcium phosphate coating〔J〕.Biomaterials，1997;18(7)：551-7.

15 王健平，李星海，孟祥才，等.微量元素与钛基种植体微弧氧化陶瓷膜生物活性的关系〔J〕.中国组织工程研究与临床康复，2010;14(3)：509-12.

16 王 磊，陈建治.钛表面微弧氧化膜的研究进展〔J〕.中国口腔种植学杂志，2006;11(1)：48-50.

17 邓飞龙，张佩芬，刘臣汉，等.喷砂酸蚀纯钛表面微弧氧化的形态学研究〔J〕.中华口腔医学研究杂志：电子版，2010;4(3)：261-7.

18 Maitz MF，Pham MT，Matz W，etal.long beam treatment of titanium surfaces for enchancing deposition of hydroxyapmite from solution〔J〕.Biomol Eng，2002;19(2)：269-72.

19 Liu L，Chen G，Chao T，etal.Reduced foreign body reaction to implanted biomaterials by surface treatment with oriented osteopontin〔J〕.J Biomater Sci Polym Ed，2008;19(6)：821-35.

20 Elmengaarda B，Bechtold JE,Soballe K.In vivo study of the effect of RGD treatment on bone ongrouth on press-fit titanium alloy implants〔J〕.Biomaterials，2005;26(17)：3521-6.

21 Rapuano BE，Hackshaw KM，Schniepp HC，etal.Effects of coating a titanium alloy with fibronectin on the expression of osteoblast gene markers in the MC3T3 osteoprogenitor cell line〔J〕.Int J Oral Maxillofac Implants，2012;27(5)：1081-90.

22 刘 康，何智勇，廖威明，等.双梯度羟基磷灰石涂层复合转化生长因子的研究〔J〕.中华实验外科杂志，2003;20(1)：73-4.

23 Lind M，Overgaard S，Nguyen T，etal.Transforming growth factor-beta stimulates bone ongrowth：hydroxyapatite-coated implants studied in dogs〔J〕.Acta Orthop Scand，1996;67(5)：611-6.

24 Suzuki A，Ghayor C，Guicheux J，etal.Enhanced expression of the inorganic phosphate transporter pit-1 is involved in BMP-2-induced matrix mineralization in osteoblast-Like cells〔J〕.J Bone Miner Res，2006;21(5)：674-83.

25 何爱珊，廖威明，李佛保，等.犬骨形态发生蛋白/羟基磷灰石梯度涂层的结合性能〔J〕.中华实验外科杂志，2005;22(6)：732-4.

26 Nie H，Soh BW，Fu YC，etal.Three-dimensional fibrous PLGA/HAp composite scaffold for BMP-2 delivery〔J〕.Biotechnol Bioeng，2008;99(1)：223-34.

〔2014-09-15修回〕

(编辑 袁左鸣)

吉林省科技厅科研基金资助课题(No.201115097)；吉林省卫生厅科研基金资助课题(No.20115023)；吉林大学白求恩医学科研支持计划-前沿交叉学科创新项目(No.2013106019)

李美华(1963-)，女，主任医师，教授，硕士生导师，主要从事口腔种植学和口腔材料学研究。

曲露露(1989-)，女，在读硕士，主要从事口腔材料学研究。

R783.1

A

1005-9202(2015)12-3474-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.12.138