紫外线照射后钛种植体表面光功能化的研究进展

解 涓 王燕一

自20 世纪60 年代，瑞典的Branemark 教授创立“骨结合”理论，并于1965 年完成世界第一例种植牙手术起，即开启了人类牙列缺损及牙列缺失修复治疗的全新的技术革命。成功的骨结合需要大量骨组织直接沉积在钛种植体表面，而没有软组织的介入，是种植手术成功的基础。然而，种植体表面骨覆盖总面积，即骨-钛种植体接触率约为50%～75%[1-3]，远低于100%。喷砂、酸蚀、等离子涂层、微弧氧化等钛种植体表面处理技术研发出来[4]，在一定程度上提高了种植体骨结合率，使口腔种植在临床中获得了较高的成功率。但是，一些高风险因素，诸如骨质疏松、糖尿病、吸烟等，会影响种植体表面成骨[5-7]。并且，钛种植体的骨结合时间较长，需3～6 个月。因而提升骨结合效率，缩短种植疗程成为口腔种植领域的研究热点。由此，紫外线光功能化对钛种植体骨结合的影响受到了广泛关注。现就钛种植体表面经紫外线照射后所产生的物理化学性质及生物特性的变化作一综述。

1.什么是紫外线光功能化

钛和钛合金，如Ti-6Al-4V，以其卓越的生物相容性和机械性能，广泛应用于口腔医学领域。钛表面暴露于空气或水中，可与氧反应形成一薄层氧化物保护膜，厚度约为4～6nm。二氧化钛膜耐腐蚀性强，生物相容性好。但是，该层二氧化钛膜不均匀，机械性能差，并且，不能促进创伤的愈合。于是，许多修饰技术得以发展，以期改善二氧化钛的生物活性等特性，促进骨结合。

1997 年，Wang 等发现，二氧化钛表面经紫外线处理后，可由疏水性变为超亲水性[8]。由此，二氧化钛的光催化作用被广泛研究。紫外线光功能化是指紫外线处理后，二氧化钛的表面修饰，包括其物理化学特性和生物学性能的改变。当用波长小于385nm 的紫外线照射二氧化钛，产生电子空穴对。氧和水等被吸收的分子迅速减少，并被分别氧化产生超氧化物离子(O2-)和羟自由基(OH-)。这些离子可与有机物如附着的细菌反应，生成二氧化碳和水[9]。

2.紫外线光功能化对钛种植体物理化学特性的影响

钛表面是疏水性的，表面与水的接触角一般大于60 度，甚至可接近或大于90 度，水在这些表面无伸展性而保持半球状。经紫外线照射后，钛表面则变为超亲水性，表面与水接触角变为0 度，水滴在该表面可延展[8]。光处理后，亲水相的表面结构发生改变。桥接位点表面氧空缺，Ti4+位点转换为Ti3+位点，后者更易吸收游离水[8]。种植体表面亲水性的维持是伤口愈合和骨形成过程中的一个关键因素[10]。

随着钛的老化，由于碳氢化合物的掺杂，钛表面碳元素比例可以达到60%～75%[11]，而紫外线照射是清除碳污染的有效方式[12]，可使该比例降至20%甚至更低，不会改变钛表面粗糙程度和二氧化钛结构形态、结晶相组成。X 射线光电子能谱分析结果显示，经紫外线照射后，钛片中碳含量、羟类(-CH)、有机物污染量降低[13,14]。Zhang 等用短时高强度紫外线处理钛表面也得到了相似的结果，碳原子含量降低超过50%，但钛纳米结构无明显改变[15]。

钛作为一种生物惰性材料，与生物分子和细胞之间并不存在直接的相互作用，需要依靠离子桥的介导来吸附必要的蛋白和细胞，尤其是二价阳离子。Iwasa 等的研究发现，经紫外线照射后，钛表面静电状态改变，使其可以作为诱导体直接吸附所需要的细胞，而不需要离子桥的参与[16]。这一发现可引申出一种新的认识，即经紫外线照射的钛具有了生物活性[17]。

3.紫外线光功能化对生物学性能的影响

3.1 对宿主成骨细胞的影响 在紫外线照射的钛表面，细胞增殖的速率提升了20%～50%[18,19]。紫外线处理后，粘附于钛表面的成骨细胞数量可提高3～5 倍。并且，随着紫外线处理时间的延长，呈现出剂量依赖性的特点[18]。

将成骨细胞接种在未经紫外线处理的钛表面3h 后，细胞呈圆形，细胞骨架向伸展方向呈现出各向同性，罕见细胞突形成。而钛表面经紫外线照射后，接种的成骨细胞明显变大，细胞质内可见细胞骨架和板状肌动蛋白伸展，细胞在多个方向上出现philopodia 样细胞突[18,20]。黏着斑蛋白是细胞粘附膜分子、整合蛋白以及肌动蛋白丝之间相互联系的纽带，在启动和建立细胞粘附，细胞形态发生及细胞骨架形成过程中起着关键的作用[20]。通过机械振动或酶消化法检测成骨细胞黏附力发现，经紫外线照射后，钛表面黏附的成骨细胞数量是对照组的1.5～2 倍，伴黏着斑蛋白表达增高，说明紫外线光功能化可增强钛表面对成骨细胞的黏附力。进一步研究发现成骨细胞黏附力的增强与黏着斑蛋白表达的增强有关，经紫外线照射的钛表面，成骨细胞中黏着斑蛋白高表达于胞质突起的尖端，并沿着细胞轮廓连续分布[20]。

钛的物理化学性质和生物特性之间最重要的联系在于碳对种植体表面的影响。已经发现，钛表面的含碳量与成骨细胞活性成反比，含碳量降低，成骨细胞的附着会呈指数增长[18]。此外，钛表面碳含量与白蛋白的吸附量负相关，含碳量降低，钛表面白蛋白的吸附量提高。蛋白质吸附在种植体表面对细胞的附着起着重要的作用。细胞要附着于生物材料表面，需要首先吸附到生物材料表面的蛋白[20]。白蛋白和纤维连接蛋白吸附在经紫外线照射的钛表面的数量要高于对照组80%～300%[21]。进一步说明了紫外线照射对减少碳污染的作用。

将成骨细胞接种于钛表面，经紫外线处理的钛表面碱性磷酸酶(ALP)阳性区域面积较对照组扩大了2 倍，并且ALP 活性也显著提高。von Kossa染色证实，经紫外线处理的钛表面成骨细胞形成的矿化结节形成面积增大，钙沉积量显著提高[18]。Zhang 等的研究也发现，经紫外线处理后，钛表面人骨髓间充质干细胞BMMSCs 向成骨细胞分化增强，每细胞单元碱性磷酸酶活性增强，晚期成骨分化标记物骨钙蛋白产量增高、细胞外基质矿化标记物钙沉积增多。同时，成骨相关基因ALP、Runx2、BMP 和OPN 表达上调。ALP 和Runx2 是调控成骨分化的重要转录因子，表达于成骨分化的早期阶段。而BMP 和OPN 代表了晚期成骨分化阶段的成骨产物。说明紫外线光功能化可促进钛表面BMMSCs 从成骨早期到晚期阶段的分化[15]。经紫外线照射的种植体表面形成的骨组织中钙磷比例要高于未经紫外线照射的种植体。骨膜细胞和骨髓来源的成骨细胞的细胞增殖速率、碱性磷酸酶活性、钙沉积，均要高于未经照射的钛盘。紫外线的照射明显提升了种植体表面骨组织形成的质量，这可能与骨膜细胞和成骨细胞的功能获得改善有关[22]。

3.2 对宿主牙龈成纤维细胞的影响 种植牙的成功不仅取决于骨结合的程度，还依赖于周围软组织与种植体穿龈部位的附着情况。软组织封闭作为防止细菌侵入种植体周组织的屏障，是影响种植体的远期成功率的重要因素。种植体穿龈部位的表面修饰会显著影响软组织附着。软组织封闭富含成纤维细胞。Areid 等经紫外线照射的钛基板，接种其上的人牙龈成纤维增殖速度高于未经紫外线处理的对照组[9]。

3.3 对种植体表面微生物的影响 钛种植体的存活率为98.8%，10 年成功率为97.0%。种植体周围炎是种植失败的主要原因[23]，减少种植体表面细菌定植是预防种植体周围感染的重要考虑因素。术后感染作为种植术的短期并发症，常发生于种植体植入后1 月内，是造成早期种植失败的主要原因之一。钛种植体的感染发生率约为10%，近2/3的感染种植体失败于承担功能负荷之前。但是，种植手术不可能在完全无菌的环境下进行，口腔中含有超过600 中不同的微生物类群，在植入种植体的过程中，口腔细菌就可粘附于种植体表面。种植体植入后，细菌微生物也可与成骨细胞竞争新获得的空间[15,24]。很多细菌不仅可以直接与种植体表面的离子和带电分子相互作用，还能够借助蛋白质定植在种植体表面[25]。因此，种植术中、术后避免细菌污染对成功的骨结合至关重要。

Avila 等研究发现，紫外线光功能化增加了钛表面亲水性而不影响其形态，减少了钛表面细菌粘附及生物膜形成，生物膜密度的减少及表面覆盖面积的减少反映了细菌生物量的减少[26]。JIN 等的研究也发现，与未经光功能化处理的种植体表面相比，粘附在光功能化种植体表面的细菌数量明显减少，但是细菌存活力没有受到影响[25]，短时高强度紫外线处理也可降低钛种植体表面附着的细菌，但细菌形态未见明显改变[15]。

Itabashi 等将细菌接种在钛表面后进行紫外线照射，无菌落形成。而紫外线处理钛表面后再接种细菌，0 小时时，存活的细菌量较低，随后细菌量逐渐增长，但抗菌活性可维持至紫外线照射后7 天[27]。Aliva 等报道，紫外线照射对钛种植体表面细菌粘附及生物膜形成的影响至少能维持16 小时，即使细菌能够到达种植体植入的位置，也不能附着在种植体表面。而以游离状态存在的细菌容易被机体免疫系统所清除[26]。

4.光功能化对钛种植体骨结合的影响

Liu 等的研究证实钛表面紫外线光功能化能够增强新生骨组织和钛表面的骨结合[28]。Kim 等拔除比格犬下颌前磨牙，12 周后进行延期种植，证实紫外线光功能化可促进钛种植体表面骨结合。Micro-CT结果显示，紫外线处理后，种植体周围骨量较对照组显著增多。组织形态学分析显示，紫外线处理后，骨-种植体接触率增高，而新骨形成率未见明显增高，同时，骨吸收率显著降低[29]。Aita 及其团队的大鼠研究模型证实，钛表面经紫外线处理后，在骨结合的早期愈合阶段，骨-钛结合强度可提高1.8～3.1 倍；在晚期愈合阶段，骨结合仍可提高50%～60%。进一步研究发现，在早期愈合阶段，未经紫外线处理的种植体表面新骨形成呈碎片化或局灶性，常见软组织迁移至骨与种植体表面之间，干扰了骨-种植体的直接接触。而在经紫外线处理的钛种植体表面区域，大量新骨形成活跃，这样就防止了软组织干扰骨-种植体间的结合，使得骨直接沉积在种植体表面。在晚期愈合阶段，未经紫外线处理的种植体，可见多处软组织将种植体表面与骨组织分隔开。经紫外线处理的钛种植体表面可见大量骨组织沿种植体表面延展，而无软组织的介入，骨-种植体接触率高达98.2%[18]。最近一项动物研究显示，种植体植入后4 周，骨替代材料覆盖的区域经紫外线照射后，种植体骨界面结合率和新骨形成量均增加了[29]。在2 型糖尿病大鼠模型的研究中，有学者也证实了同样的效果，即经紫外线照射后，骨密度、骨连续性、骨-种植体直接接触面积、骨组织成熟度均较未经紫外线照射的对照组显著改善[30]。

种植体的旋除扭矩值的大小反映了骨组织和种植体之间的界面剪切力的强度。经紫外线处理后，钛种植体旋除扭矩值显著增高[31]。Soltanzadeh 等[32]利用大鼠模型进行种植体骨结合生物力学研究，结果发现，种植术后2 周，未经紫外线照射的钛种植体骨结合率仅为28.6%，而经紫外线照射的钛种植体骨结合率达到了100%，并且其抵抗侧向力的能力是对照组的3.4 倍。有限元分析显示，紫外线照射后，钛种植体骨结合率的增加使种植体颈部的机械应力下降了50%[33]。

在即刻种植中，种植体被植入于新鲜拔牙窝中，种植体部分表面与牙槽骨接触，而另一部分与牙槽骨壁之间存在间隙，常常同时植入骨替代材料来填充此间隙，该部分种植体骨结合强度约为与牙槽骨接触部分的1/3。Uneo 等发现，钛种植体经紫外线照射后，植入种植体2 周，间隙内新生的骨量是未经紫外线照射组的3～4 倍。经紫外线照射钛种植体骨结合强度与未经紫外线照射的种植体在牙槽骨内的骨结合强度相当[22]。

紫外线光功能化不仅能加速骨结合的进程，还能提升骨结合的水平，同时，种植体表面与新生骨组织之间的软组织干扰大幅下降，低于1%，而未处理的种植体周围软组织的生长占到了21%[18]。

5.总结与展望

经紫外线照射的钛种植表面的骨形成形态明显改善，骨结合效率明显提高，动物研究模型中种植体骨结合率近乎100%。紫外线照射方法简单，成本低廉，也被证实对各种类型的种植体表面均有效。紫外线光功能化对于改善某些特殊条件下的种植治疗效果是一种新颖高效的方式。但是紫外线光功能化的处理时间一般为48 小时，这在椅旁很难实现。并且，紫外线光功能化的效果只能维持16～48 小时，当钛表面暴露在空气中，由于超亲水性的丧失和碳含量增高，其所产生的生物学效应会逐渐减弱至原来状态[15,26]。这些都限制了紫外线光功能化的临床应用。未来，还需要更多的基础及临床研究来改进紫外线光功能化的处理技术(如能否缩短照射时间，提高照射强度等)，并证实其临床应用效果，以期早日运用于临床并推广，使种植技术的发展更进一步。