骨组织金属种植体的临床应用反思与发展前景

吴晓绵，胡小蕾综述，邓 锋审校

（1.重庆医科大学口腔医学院/口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室/重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆401147；2.重庆医科大学附属口腔医院正畸科，重庆400015；3.重庆医科大学检验医学院临床检验诊断学重点实验室，重庆400016）

骨组织金属种植体的临床应用反思与发展前景

吴晓绵1，2，胡小蕾3综述，邓 锋1，2审校

（1.重庆医科大学口腔医学院/口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室/重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆401147；2.重庆医科大学附属口腔医院正畸科，重庆400015；3.重庆医科大学检验医学院临床检验诊断学重点实验室，重庆400016）

金属； 种植体； 骨和骨组织/解剖学和组织学； 聚醚醚酮； 钛

近年来，由于生物医学工程和组织工程学及其相关学科，如材料学、生物力学、表面化学、蛋白质组学、基因组学等的发展，以及激光烧结成形，计算机辅助设计与制造（CAD-CAM）等相关制备工艺和micro CT等检测技术的突飞猛进的发展，体内植入物也得到飞速的发展[1-2]。常用的体内植入物包括心脏瓣膜、假体眼球、骨组织植入物等，而骨组织植入物包括修复患者关节的人工节关，长骨和脊柱受伤的人工骨椎、骨科固定板和骨钉，修复牙列缺损、缺失的牙科种植体等[3-5]。体内植入物促进了医学的发展，解决了身体组织缺损给患者带来的巨大痛苦，也解决了医学上很多瓶颈问题，在临床得到广泛应用。现今临床常用的种植体是金属材料，特别是以钛和钛合金为主的种植体，更得到广泛的应用。但是经过长期临床检验和分析，发现金属种植体存在无菌性骨吸收最终导致种植体脱落的缺陷[6-7]。给患者带来经济、生理、心理上的负担。

1 金属种植体的缺点

“骨结合”是指除了金属种植体与骨组织之间不存在骨组织之外的结合。种植体植入体内之后，金属种植与骨组织接触的部分要求形成“骨结合”。而从根本上讲，金属种植体发生无菌性骨吸收，是由金属种植体自身理化性能所决定的。首先，金属种植体和骨组织两者的生物力学性能不匹配。无论是弹性模量，还是拉伸强度金属种植体都是骨组织的几倍到几十倍。以应用最广泛的钛以及钛合金（弯曲模量116 GPa;弯曲强度965 MPa）为例，弯曲模量和弯曲强度均为正常骨组织（在长轴方向：弯曲模量17.7GPa；弯曲强度133 MPa）的7倍左右[8]。这种力学性能的不匹配最终将导致种植体周围形成骨组织形成“应力屏障”[8-10]。将对骨组织形成慢性的病理学刺激。再者，长期使用后金属种植体脱落下来的碎屑，可引起组织的炎症反应最终导致骨吸收[7-8]。脱落的碎屑首先被巨噬细胞吞噬，导致巨噬细胞分泌IL-1、 IL-6、IL-12，GM-CSF，IFN等促炎因子，这些促炎因子一方面将诱导炎症细胞浸润，另一方面抑制成骨细胞形成和诱导破骨细胞形成，最终导致骨吸收。

2 高分子种植体材料的优点

在1978年，聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）第一次被合成，它是PAEK材料家族的一员。PEEK耐磨、耐酸、耐碱、耐伽马射线，这给临床器材消毒方面带来方便。与钛和钛合金相比，PEEK具有优越的生物力学相容性，PEEK（弯曲模量8.3 GPa；弯曲强度139 MPa）跟骨组织的弹性模量和拉伸强度更加接近，也是所有高分子材料中与骨组织最接近的[8]。再者，更为难得的是与金属种植体不同，PEEK磨削不会引起明显的炎性反应，并且还具有CT可透性和MRI扫描无伪影[8]。因此，PEEK成为了多种材料中替代金属植入物的最佳选择。

3 高分子材料的生物学性能改性

作为一种骨种植体材料，需要其具备良好亲水性，有利于细胞黏附，并促进成骨细胞的增殖、分化，形成有利于种植体稳定的“骨结合”。PEEK虽然具备良好的生物相容性、生物力学性能等优点，但是PEEK为生物惰性材料，表面疏水，这些成为研究的难点和热点。动物对比实验表明，与纯钛和锆相比，纯PEEK种植体骨结合率明显较差[8，11]。现今，对PEEK生物学性能的研究，除了于PEEK生物摩擦性能相关研究外，主要研究集中在以提高植入物的生物活性和体内稳定性为目的，通过生物活性材料与PEEK形成复合材料，和通过表面改性的生物活性研究[12-13]。

在PEEK生物改性的研究中，被研究得最多的2种PEEK复合材料是碳纤维加强和羟基磷灰石加强的复合材料。通过碳纤维（CF）加强的材料，应力分布更加均匀。体外对比实验表明，PEEK与临床广泛应用的钛合金植入物Ti6Al4V相比，二者对成骨细胞黏附、增殖和碱性磷酸酶的活性，以及骨钙素和TypeⅠ胶原纤维表达上并没有统计学差异[14]。将PEEK与直径为19.94 μm羟基磷灰石（HA）颗粒按不同体积百分比（HA：5%、10%、20%、30%、40%）混合，经注入塑形得到的HA-PEEK复合材料。随着HA含量的增加，复合材料的显微硬度、抗压强度、杨氏模量不断增加，拉伸强度则相反，而且复合材料的生物力学性能与骨组织更加接近[15]。

影响种植体生物学性能主要有以下几个方面：基质材料的组分，种植体表面的润湿性以及种植体表面粗超度。对于PEEK复合材料来说，在种植体基质材料组分方面，影响加强复合材料性能的因素主要有：加强物的力度、形状和粒度分布；加强物的体积百分比和性质；基质材料性质，如粒度、分子量等；基质材料和加强物的活性；加强物在基质材料中的分布。作为复合材料，加强材料其性能由各个组分材料的性能所决定[16]。

二氧化钛（TiO2）和纳米氟磷灰石（n-FA）均为性能优越的生物活性材料。TiO2由于具有良好的生物相容性、生物活性、亲水性、抗菌活性和耐腐蚀性，也是对材料进行表面涂层的优越材料。实验表明在3.5%NaCl溶液和模拟体液中，TiO2涂层后的PEEK是耐腐蚀的；涂层结合状况良好。用纯PEEK作为参照，实验结果显示类成骨细胞MC3T3的黏附率，增殖率和分化率分别达到110.5%、115.6%。116.5%[16]。人们使用氟及氟化物已经有很长的历史，而且在某些疾病的预防方面氟化物被认为是不可缺少的重要成分，比如龋病、肿瘤和其他某些疾病[17]。将破骨细胞培养在氟磷灰石（FA）和HA混合物图层的钛合金圆片上，与将破骨细胞培养在牙本质上的情况相比，破骨细胞对牙本质有明显的吸收，而对HA/FA图层的吸收能力却很弱，特别是当FA在HA/FA中的比例比较高的时候[18]。

表面粗糙度被认为是生物材料最重要的参数之一，因为材料表面直接和受体的组织接触；而种植体的成功与否是由它是否与周围骨组织结合来决定的[19-21]。与光滑表面相比，大量的研究报道表明，金属材料的表面粗糙度能够增强生物材料的生物活性。与经过抛光的光滑钛表面相比，经过喷砂、酸蚀等表面粗糙化处理的钛样品表面，成骨细胞有很成骨基因被调高[22-23]。在种植体表面粗糙度方面，金属种植体众多报道其粗糙度明显影响种植体对成骨细胞的诱导分化和成骨作用，同时也影响种植体的受力稳定[24]。Rønold等[25]用TiO2处理纯Ti得到不同粗糙度的表面，植入与兔子10周后表明粗糙度对种植体的愈合以及骨结合强度有明显的影响。

4 PEEK研究前景展望

对PEEK的生物学改性是国内外组织工程研究中的一个热点。具有广阔的发展前景，如今，PEEK已经被试图用于骨科的人工脊椎，眼科的假体，人工关节，口腔种植体等等。再者，以PEEK优越的生物相容性和生物力学性能替代金属种植体是种植体发展的一大进步，它将为广大需要进行种植的患者带来实实在在的好处。对PEEK进行生物改性，有着迫切的临床的需求，坚实的理论基础，广阔的发展空间和提高人民健康水平深远意义。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.12.015

:A

:1009-5519（2015）12-1801-03

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国家自然科学基金青年基金（31400808）；国家自然科学基金面上项目（81271183）。

吴晓绵（1982-），男，广东揭阳人，讲师，主治医师，主要从事口腔医学的临床、科研与教学;E-mail：wuxiaomian898@163.com。

邓锋（E-mail：deng63@263.net）。