钛种植体表面改性方法

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1、钛种植体表面改性方法杨帮成;周学东;于海洋;吴尧;包崇云;满毅;程磊;孙瑶【摘 要】钛种植体具有美观舒适、不损伤邻牙、临床效果显著等优点,广泛应用于 口腔种植修复领域;但应用中存在骨结合失败、种植体周围骨吸收、种植体周围炎 等问题,使其应用受到一定的限制.对钛种植体进行表面改性,在其表面制备不同的理 化涂层和生物活性涂层,可以提高种植体的种植成功率,满足临床应用需求.本文从物 理、化学、生物三方面对各种钛种植体表面改性方法的特点进行总结,为牙种植材 料的研究和临床应用提供参考.期刊名称】华西口腔医学杂志年(卷),期】2019(037)002【总页数】6页(P124-129) 【关键词】 钛;种

2、植体;表面改性;表面涂层【作 者】 杨帮成;周学东;于海洋;吴尧;包崇云;满毅;程磊;孙瑶【作者单位】 四川大学生物材料工程研究中心 四川国佳生物医学材料工程技术有 限公司,成都 610064;口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中 心四川大学华西口腔医院牙体牙髓病科;口腔疾病研究国家重点实验室国家口腔疾 病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院修复科;四川大学生物材料工程研究中 心 四川国佳生物医学材料工程技术有限公司,成都 610064;口腔疾病研究国家重点 实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院;口腔疾病研究国家 重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中

3、心四川大学华西口腔医院种植科,成都 610041;口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心四川大学华西口腔医院牙体牙髓病科;同济大学口腔医学院附属口腔医院种植科,上海200072【正文语种】中文【中图分类】R783钛及钛合金种植体已广泛应用于临床，但钛及钛合金作为惰性金属，缺少刺激成骨 细胞和骨细胞增殖的能力，主要依靠与牙槽骨的机械性锁合提供固位力。钛表面的 致密氧化钛层可使钛种植体在模拟体液或者机体内几乎不能诱导类骨磷灰石的沉积， 只是与骨组织形成一般的骨整合。将钛及钛合金进行表面活化处理，可增强种植体 与骨的结合，预防种植体周围骨吸收。目前通过研究种植体与生物宿主的相互作用

4、 机制，发现材料表面的化学成分、拓扑结构、表面能、亲疏水性等均会对材料与生 物宿主之间的结合产生影响。本文从物理、化学、生物三方面对钛种植体表面涂层 的成骨和抗菌性能进行总结，为该材料的研究和应用提供参考。1 物理改性1.1 喷砂处理 喷砂处理是利用压缩空气形成的高速喷射束，向种植体表面喷射不同粒径的喷料， 以改变种植体表面的粗糙度。喷砂处理能增加种植体的表面积，促进细胞的黏附和 增殖，提高骨结合能力1。Valverde等2报道，在喷砂过程中调节喷砂介质粒度 和喷射速率，可以改变钛种植体表面的微观形貌及粗糙度。LinezBataillon等3 通过调整喷砂处理参数，改变钛合金Ti6Al4V的表

5、面粗糙度，发现降低粗糙度会 减少小鼠成骨细胞MC3T3E1在Ti6Al4V表面的黏附及相关蛋白质的表达。喷砂 酸蚀表面改性的过程是先采用大粒径喷料进行喷砂处理，获得10 30 pm的一级 粗糙结构，然后采用混合酸（HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3或其混合液）于高 温下对纯钛种植体表面进行酸蚀处理，获得1-3 pm的微孔形成的二级粗糙结构。 一级粗糙结构有利于成骨细胞的黏附，二级粗糙结构能促进成骨细胞的增殖分化， 这种多级粗糙结构的表面形貌有利于种植体和骨的整合4。1.2 等离子处理1.2.1 等离子喷涂 等离子喷涂技术是采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，电离 惰性气体（等离子体）产生

6、热量，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融 状态，并高速喷向经过预处理的种植体表面而形成附着牢固的表面涂层的方法 1。 等离子喷涂兼具沉积速率快、沉积厚度大以及成本较低等优点。目前常用于临床的 羟磷灰石（hydroxyapatite，HA）涂层，就是将HA颗粒经高温喷涂在种植体表 面快速冷却后形成的涂层5。喷涂HA涂层的种植体植入体内后能促进其骨性结 合，促进骨快速修复6。但是HA涂层也存在一些缺点，例如涂层可能发生脆性 损坏；涂层和基材之间会因为黏合强度的变化而发生分层，导致界面处的黏合性差； 此外，涂覆过程也可能导致HA结构改变。近年来多孔钛涂层也受到人们的关注， Cunha 等7研

7、究表明，大气等离子喷涂多孔钛涂层能提高钛种植体的骨结合能力。1.2.2离子注入离子注入技术是将离子束入射到种植体中，离子束与种植体中的原 子或分子发生物理和化学作用，入射离子能量逐渐损失，最后停留在种植体中，使 种植体表面成分、结构和性能发生变化的改性方法1。研究8表明，氮离子注入 钛及其合金能改善其机械性能。da Silva等8用N2/H2混合气体对钛合金进行离 子注入改性，当混合气体注入时间达到90 min，最高可获得约88 nm氮渗透， 改性后样品的硬度较未改性样品提高了 47%。Cao等9利用离子注入技术在钛表 面注入银离子，随着注入时间的延长，纳米银粒子粒径变大，改性后样品的耐腐蚀

8、能力降低，并能抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长，增强成骨细胞样细胞系 MG63的增殖。利用离子注入技术，注入一些重金属离子可改善钛的抗菌性能。Wan等10利用离子注入技术将铜和银分别注入钛合金，改性后的样品对大肠埃 希菌和金黄色葡萄球菌都具有良好的抗菌性，摩擦系数也降低，但是银注入后的样 品耐腐蚀能力略有降低。1.3 物理气相沉积 物理气相沉积技术是在真空条件下将材料源表面气化，并低压沉积在种植体表面， 形成功能性薄膜的技术1。磁控溅射是一种较为成熟的物理气相沉积技术，采用 该方法对种植体表面进行改性能增加骨种植体的接触率11。Xu等12发现，采 用磁控溅射法制备的氧化钛薄膜具有较好的血液

9、相容性。1.4 激光处理选择性激光熔覆(selective laser melting，SLM )技术是利用金属粉末在激光束 的热作用下将其完全熔化，经冷却凝固而成型的一种技术，在种植体表面改性方面 具有广阔的应用前景13。Qin等14使用SLM工艺制造具有微米结构表面的钛 合金Ti6AI4V种植体，然后通过电化学阳极氧化法将其进一步纳米结构化，形成 二氧化钛纳米管，随后通过HA涂层进行生物活化，使用人原代成骨细胞和细胞系 模型检测改性后种植体的成骨特性，结果显示晚期成骨细胞/骨细胞基因gja1和 phex的表达增强，表明该技术改性能促进种植体表面的细胞成熟和表面矿化。SLM技术的不足之处在于

10、，单纯使用SLM改性的钛种植体的粗糙表面可促进细菌 黏附和生物膜形成，因此需要结合其他手段来赋予种植体抗菌功效。Hu等15采 用喷砂、阳极氧化和电化学沉积技术，在具有微米结构的SLM改性钛基板上构建 二氧化钛复合纳米管结构，该结构可提高SLM表面的抗菌功效。2 电化学改性2.1 阳极氧化阳极氧化是通过放电氧化在金属表面形成氧化物薄膜，是一种十分成熟的金属材料 表面改性手段。阳极氧化在电场作用下，电解质中的正负离子向阴阳两极扩散，并 发生氧化还原反应，钛表面氧化膜的形成与消失交替进行，最终在钛金属表面形成 均匀的微纳米小孔或者小管。在阳极氧化过程中，将待氧化的钛基材料固定在电解 池的阳极，通过调

11、控加载两个电极之间的电压和处理时间可调控生成的阳极氧化膜 的性质，所生成的金属氧化物涂层可改变钛基材料的表面色泽、抗腐蚀性、硬度等 性质。通过改变处理参数，在不同电解质中通过阳极氧化可以在钛基材料表面产生 各种表面结构，例如纳米管、纳米孔、纳米棒和微纳米纹理。 自然状态下，钛种植体表面形成不具有生物活性的二氧化钛，经过阳极氧化处理后， 种植体表面生成具有生物活性的金红石型二氧化钛（Rutile ）和锐钛矿型二氧化钛（Anatase ）。Diamanti等16将钛浸于硫酸电解质溶液进行阳极氧化处理，发 现提高电流密度或者降低电解质浓度可以使钛表面生成的锐钛矿的比例提高。Yang等17发现，在1

12、molL1的硫酸溶液中，通过70 V直流条件进行阳极氧化 处理1 min ，钛表面生成具有纳米结构的多孔金红石型和锐钛矿混合相的二氧化钛， 这层氧化物使钛表面出现大量钛羟基，促进了 HA的沉积和成骨细胞黏附。 阳极氧化表面处理方法中，电解质成分对沉积的氧化物涂层的组成具有较大的影响。 将生物功能元素（如钙、磷、银和铜）的盐溶解在电解质中，可以将生物功能元素 掺入氧化物中，从而对涂层组合物和性质进行改性。仿生的钙磷涂层具有与天然 HA相近的钙磷比，可促进骨种植体的直接接触。其他元素，如锶18、锰19和 锌20掺入涂层中，可促进骨整合及骨再生。为减轻与植入物相关的感染，可将银、 铜和锌等抗菌金属元

13、素掺入阳极氧化涂层中，以抑制细菌的初始黏附21。在这些 元素中，尽管银是最强的杀菌剂，但其爆发释放会刺激细胞毒性。Wu等22在水 热处理中将铜引入阳极氧化涂层中，在掺入铜的样品上培养大鼠骨髓干细胞，细胞 的血管生成相关因子和成骨相关基因表达均有上调，而且掺入铜的二氧化钛涂层具 有良好的抗菌活性。1999年，Zwilling等23报道在氢氟酸水溶液中可制备纳米多孔/管状二氧化钛， 此后通过阳极氧化法制备二氧化钛纳米管开始被广泛关注24。Gong等25率先 将阳极氧化法应用于制备二氧化钛纳米管阵列，因纳米管具有空心的管状结构，其 比表面积大、吸附能力强，使钛的生物活性大大提高。Das等26通过阳极

14、氧化法 制造二氧化钛纳米管，随后用银沉积处理，这些纳米管能促进成骨细胞黏附和增殖， 而且可作为纳米银的载体起到抑制细菌的作用。通过阳极氧化在钛基材料上制造的 二氧化钛纳米管除了可直接调节细胞行为外，还可作为生物活性分子的载体，通过 改变纳米管尺寸来控制活性分子的释放27。通过装载的生长因子（如骨形态发生 蛋白2）和二氧化钛纳米管的纳米级表面几何形状提供的协同效应，可增强钛基植 入物的骨整合28。2.2 微弧氧化（microarc oxidation，MAO）MAO技术是在有色金属表面原位生成具有生物活性涂层的改性方法，是阳极氧化 技术的升级。通过调整电解液和相应电压或者电流参数，利用弧光放电产

15、生的瞬时 高温作用，在钛及钛合金表面形成一层厚达数十微米，内层致密外层多孔的氧化膜。MAO改性形成的微纳米生物活性钛涂层，可促进细胞在种植体表面的黏附，并增 强附着力29。口等30在MAO涂层中掺入锌、钙和磷元素进行优化，其结合 强度可高达（455）MPa，显示出良好的诱导磷灰石沉积能力，对大肠埃希菌和 金黄色葡萄球菌也具有良好的抗菌能力。MAO涂层表面抗菌能力的提高取决于掺 入元素的综合效果和MAO涂层的表面性质。Du等30利用MAO技术，用四硼 酸盐电解质在钛表面制备具有微纳米双尺度结构的二氧化钛涂层，该涂层表面形成 结合有纳米孔的微米结构，表现出超亲水性，能显著促进人骨髓间充质干细胞的黏

16、 附、增殖及分化，具有优异的骨整合作用，可提高植入成功率。Li等31 在含有钙、 磷和硅元素的电解质中通过MAO技术在超细晶粒钛上制备多孑L二氧化钛涂层，该 涂层具有较高的表面能和较大的表面粗糙度，能更好地促进成骨细胞的黏附和扩散。2.3 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是将基底材料浸入溶胶凝胶前驱液中，反复抽提烧结获得具有生物活性 表面层的方法32。Wen等33用该方法在钛合金表面制备HA/二氧化钛涂层， 在模拟体液中浸泡后可见有类骨质磷灰石形成，表现出良好的生物活性。不足之处 在于，经该方法获得的涂层中常观察到裂缝。据报道34，涂层厚度低于0.5 pm 可降低裂缝的产生。与其他热沉积方法一样，溶胶凝

17、胶法需要考虑热效应带来的影 响，故其目前在临床的使用受到一定的限制。3 化学处理3.1 碱热处理 碱热处理技术是将钛种植体浸入一定浓度的强碱溶液中处理一段时间，然后经300 800 C热处理得到多孔氧化层。Nishio等35发现，钛经碱热处理后，表面 粗糙度大大增加，经模拟体液浸泡后，微米级多孔结构的钛化合物作为形核点可诱 导磷灰石沉积。Zhang等36对多孔钛进行连续碱热处理、预钙化和模拟体液浸 泡来获得HA涂覆多孑L钛。将多孑L钛和HA涂覆多孔钛分别植入新西兰白兔的胫骨 缺损模型，后者可更有效地降低骨折风险及增强骨愈合。在高幅低频(highmagnitude lowfrequency ,

18、HMLF )的应力刺激下，HA涂覆多孔钛可以 产生更高的骨愈合效率。通过血清中碱性磷酸酶和骨钙蛋白含量的分子信号传导研 究，进一步揭示了 HA涂覆多孔钛与HMLF压缩偶联对提高骨修复效率具有协同 作用。3.2 酸碱两步法处理 酸碱两步法是先用一定浓度的酸溶液腐蚀材料表面，以获得较大的表面积，然后再 用一定浓度的碱溶液处理材料表面，获得一层粗糙的较厚的表面改性层37。Ban 等38的研究表明，采用酸碱两步法处理材料时，酸处理步骤的主要作用是增加钛 表面的粗糙度，而且先使用酸处理较单纯使用碱热处理的钛表面更能促进HA的快 速沉积，且沉积的HA与钛基底的结合强度更强。4 生物活性改性4.1 自组装技

19、术 自组装技术是指基本结构单元自发形成有序结构的一种技术。层层自组装(layerbylayer selfassembly ,LBL )技术是利用带电基板在带相反电荷的聚电解 质溶液中交替沉积，制备聚电解质多层膜的方法。采用LBL法，将透明质酸钠 和壳聚糖/小干扰RNA纳米颗粒作为聚阴离子和聚阳离子，分别在光滑的钛表面 上构建多层薄膜，改性后的钛表面可以显著促进成骨细胞分化39。以纳米银粒子、 壳聚糖和透明质酸为原料可建立溶菌酶多层涂层，能有效预防早期种植体感染40。 Yuan等41 在钛基底上制备了载有纳米银颗粒的二氧化钛纳米管阵列，然后通过 LBL 技术将壳聚糖和海藻酸二醛生物活性多层膜沉积

20、到载银二氧化钛纳米管阵列上， 由于银离子的释放，LBL样品对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌表现出明显的抗菌活 性。4.2 生物分子吸附吸附是指种植体表面通过分子间作用力或者化学键吸附周围介质中的分子或离子的 现象。Lin等42发现，将壳聚糖、海藻酸钠和果胶共价键合到钛合金Ti6Al4V表 面能促进成骨细胞的增殖和分化。Chen等43通过碱热处理制备具有超亲水性和 带负电表面的多孔钛植入物，吸附带正电荷的鱼精蛋白/藻酸盐/鱼精蛋白涂层，通 过进一步在涂层表面固定外源性骨形态发生蛋白2实现基底层的生物功能化，结 果发现，吸附的鱼精蛋白/藻酸盐/鱼精蛋白涂层有效抑制了吸附蛋白的初始爆释， 实现了均匀的蛋

21、白质分布和持续的生物分子释放。与未处理的钛相比，吸附鱼精蛋 白/藻酸盐/鱼精蛋白涂层者在初始阶段即显示出良好的细胞相容性并可促进细胞黏 附。该研究结果提示，将无机和有机表面改性相结合可以增加植入材料骨整合的潜 力。4.3 抗菌性涂层 在种植体表面通过物理或者化学结合的方式固定一层具有抗菌作用的物质，可获得 抗菌性涂层。KazemzadehNarbat等44啲研究表明，在钛表面生成阳离子抗菌 肽与HA相结合的涂层可以对抗铜绿假单胞菌的定植。壳聚糖本身具有杀菌作用 45，可以用作药物洗脱涂层。有学者46在阳极氧化法制备二氧化钛纳米管的过 程中载入羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，经体外实验证明，该壳聚糖涂

22、层可以抑制金 黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的黏附。Timofeeva等47采用带正电荷的聚合物 充当表面活性剂，与带负电的细菌表面相互作用，可以破坏细菌细胞壁和细胞膜， 导致细菌细胞裂解。Cui等48将甲基丙烯酸酯乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐接枝至 钛合金Ti6A14V表面，与大肠埃希菌、表皮葡萄球菌和变异链球菌培养液共培养 时，表面黏附细菌的覆盖率大幅度降低，由此推测，该涂层可减少与细菌相关的感 染。此外，与无涂层的钛合金表面相比，表面覆盖甲基丙烯酸酯乙二醇甲基丙烯酸 酯磷酸盐涂层的钛合金对MC3T3E1前成骨细胞的成骨效应更好。近年来基于钛基种植体材料表面的改性方法较多，均以提高种植体与骨之间的

23、生物 嵌合及降低钛种植体表面细菌黏附作为核心目标。每种表面改性技术都有各自的优 缺点，仍需要发展并优化更多的表面改性方法以服务于临床治疗。参考文献【相关文献】1 程巧愉，谢雨航,王馨怡，等牙种植体多种表面处理、改性方法研究及最新进展J中国口腔种 植学杂志, 2016,21(4): 189195.Cheng QY, Xie YH, Wang XY, et al. Advances in dental implant surface modificationJ. Chin J Oral Implant, 2016,21(4): 189195.2 Valverde GB, Jimbo R, Teix

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