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牙种植体表面涂层研究进展
发布时间:2020-06-25 20:24

  牙种植体自Branemark教授1963年发现骨结合现象并成功应用于临床以来,已成为了全球缺牙患者的首要选择。已有数据表明,2017年全球种植体市场已达到89.8亿美元。牙种植体的材料选择从最初的钛金属种植体到聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)种植体、钛锆金属种植体、氧化锆种植体。表面涂层的负载,可以通过对种植体表面的理化改性,从而提高不同种类种植体的生物活性等功能,是近年来生物医学工程的一个研究热点,也是生物和材料交叉学科最为活跃和发展迅速的领域之一。

  因此,本文将对牙种植体表面涂层研究进展做一简要综述。表面涂层技术,即对种植体表面通过一定的技术手段增加其表面的理化性质,利用改变种植体植入后与骨组织直接发生接触的表面,从而促进种植体与骨组织表面形成更快更好的骨结合,或是赋予种植体更好的生物活性功能。常见的表面改性方法有等离子喷涂法、喷砂酸蚀处理、可吸收性研磨介质处理、微弧阳极氧化法等。

  钛金属以良好的生物相容性、优异的耐腐蚀性能、较高的疲劳强度等优点被广泛地应用于骨组织和口腔植入领域。然而,钛作为一个惰性金属,无法主动促进成骨细胞成骨,并且有应力过大而导致周围组织创伤的风险。钛金属并没有抗菌性能,植入体内后可能发生细菌,如金黄色葡萄球菌等,粘附在种植体表面,形成细菌生物膜,后导致炎症和感染。

  Schwarz等的一项横截面调查研究显示德国种植体周围炎的发病率在8%左右,种植体周围黏膜炎的患病率更是高达42.2%。也有针对某个商业种植系统的研究表明,其钛种植体的失败率在2%~3%。同时,钛弹性模量在102~110Gpa,而人体密质骨的弹性模量接近于14Gpa,以往所认为两者力学性能接近,从而有效减少应力遮挡,也饱受质疑。近年来,为了更好地提高钛材料的生物性能,钛种植体表面改性成为了目前商业公司的不二选择。

  等离子喷涂是迄今为止商业化应用较为广泛的钛种植体表面涂层方法。在真空条件下,利用高温等离子电弧将喷涂材料多为陶瓷材料如羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA),加热至熔融或半熔融状态,高速喷射到基体(种植体)表面待冷却后可形成涂层。这是一种容易产业化的经典制备种植体表面涂层的方法。其次,羟基磷灰石尺寸、组成和晶体结构和天然骨的无机成分类似,是骨组织的重要矿物成分之一。

  骨组织组成开始为胶原纤维(宽1.5nm,长300nm)和羟基磷灰石,后成骨细胞进入,形成微米级的骨层板结构(厚度3~7μm)及微米级哈弗氏层板(骨单位)、环骨层板以及间骨板等结构(直径10~500μm),最终形成皮质骨、松质骨。已证实,HA具有良好的骨传导性,也可以促进血管新生,促进骨生成、矿化及成熟。因此,就仿生学而言,具备纳米级HA涂层的种植体在具备微纳米的表面形貌的同时,更有效地模拟自然骨组织的结构,利于种植体早期负荷的能力。

  如Zimmer公司的Swiss-PLus便是利用此类方法制备的HA涂层种植体,在植入早期就表现出了促进成骨细胞粘附分化的功能,从而能够加快种植体骨结合速度、增加骨-种植体接触面积(bone-implantcontact,BIC)。有1项5年种植体生存率的研究也表明,SwissPlus种植体植入5年后的种植体探诊深度明显低于Astra种植体。但钛金属弹性模量为102~117GPa,热膨胀系数为(9.41~10.03)×10-6/k,而HA陶瓷类材料的分别为68.9GPa、15×10-6/k,两者不相匹配,从而影响了涂层的结合强度。

  Ozgur对于SwissPlus种植体的1项6年跟踪随访表明其边缘骨吸收较为显著,上颌骨的种植体后牙的边缘骨吸收尤为明显。也许和HA涂层缓慢脱落或者降解有一定的相关性。亚洲国际游戏

  浆喷涂同样也是利用了等离子喷涂的方法,在高温条件下,将熔融的钛金属液滴高速喷射在种植体的表面,形成疏松粗糙的表面。不同的是之前的等离子喷涂所使用的是陶瓷材料,而钛浆喷涂使用的是金属材料,两者是金属-金属的结合。已有研究证实,增加种植体表面粗糙度,可以促进种植体和骨组织间的机械嵌合能力。而表面粗糙度与细菌大小之比大于1时,可以降低细菌的粘附能力。

  早期的Straumann,IMZ-twinplus,Steri-oss种植体都曾采用过该种工艺。类似的烧结多孔表面涂层法是把直径为44~150μm粒状的钛合金利用有机粘接剂粘接在种植体表面后,在1250℃的线h左右热处理,形成微细的小孔,可形成粗糙的微米级形貌,增加摩擦力,增加种植体的初期稳定性。但是,钛浆表面喷涂法及烧结多孔法制备的种植体都不能暴露种植体表面,否则容易导致牙菌斑的堆积,从而引起种植体周围炎症。该类方法已较少被各商业公司使用。

  酸蚀喷砂法是在电压环境下利用不同直径的三氧化二铝、二氧化硅、碳化硅颗粒为介质喷射种植体表面,进行表面粗糙化后经过超声清洗,酸钝化处理。酸蚀喷砂处理后种植体表面可形成粗糙的微纳米结构如二级粗糙表面,促进细胞蛋白粘附,增强骨结合。根据Albrektsson和Wennerberg研究,种植体表面粗糙度在1~2μm范围内是较为合适的促进骨结合的数值。而通过酸蚀喷砂处理的表面粗糙度都在该范围内如Camlog种植体平均表面粗糙度在1.3μm。

  李等一项通过迷你猪的牙种植体动物研究表明种植体表面通过酸蚀喷砂处理后显示出更为优越的骨结合性能。Buser的一项对于Straumann种植体10年回顾性研究发现511个种植体在10年存留率达到98.8%。种植体周围炎的发生率低于1.8%。而对于Camlog种植体的回顾性研究同样表明353个种植体在40个无牙颌患者中观察到了99.2%的4年存活率。

  利用相似的种植体表面处理方法还有登士柏公司的FRIADENT,扫描电镜结果显示种植体表面形成了多种不同级别的粗糙表面,平均粗糙度在3.19μm。Degidi等对于登士柏种植体进行了临床实验,发现存留率在99.6%。因而该方法成为目前主流种植厂商的选择。当然,酸蚀喷砂也可能会残留金属颗粒,亲水性和表面能不足。也有登腾公司为了避免金属颗粒残留,使用磷酸钙陶瓷进行表面粗糙化处理,最终的粗糙度为1.5~1.8μm,该方法也被称为可吸收性研磨介质表面处理法。

  Kim等学者一项对于用金属颗粒及陶瓷颗粒进行酸蚀喷砂不同种植体表面进行的回顾性对照研究发现,后者上颌的边缘骨吸收更少;但不同种植体的存留率没有显著差异。

  目前商业种植体使用较为成熟的电化学处理方法为阳极氧化法。即以钛为阳极,用银、铂、铅等作为阴极,在一定的电解液中,施加电流、电压,使在阳极的钛表面发生氧化反应,可在钛表面有一定排列方向的纳米级氧化膜形成。同时电解液也会侵蚀氧化层,这种现象在钛氧化表层持续进行,直到达到平衡,终而形成喷火口形状的表面。瑞典诺贝尔公司的TiUnite种植体便是利用了该种方法。

  该种植体表面形成了多孔的微纳结构,平均表面粗糙度在1μm,表现出了优越的种植体表面微纳米形貌特性,具备更大的表面积,更容易吸附蛋白,促使成骨细胞和成纤维细胞的粘附增殖分化,利于软组织的封闭。一项临床研究表明,与传统的机械加工抛光钛种植体相比TiUnit种植体可以获得更好的BIC,及更高的种植体存留率。

  溶胶-凝胶法是一种将金属无机、有机化合物通过混合后经过水解缩聚,经陈化后形成凝胶状,而获得具备不同微纳表面形态的氧化物的方法。通过将溶胶-凝胶法与酸蚀法相结合,3i公司NanoTite种植体获得了表面均匀的钙磷涂层,又称该方法为离散晶体沉积法。有学者将其与奥齿泰公司种植体相比发现,前者对细菌的粘附力下降。

  一项多中心的回顾性研究表明NanoTite种植体的一年存留率达到了94.9%。根据Carmo学者的临床随机试验发现,与奥齿泰、SLA、SLA活性种植体对比,术后35-61天SLA活性和NanoTite种植体稳定值相近,且与植入扭矩正相关。Cannizzaro等发现在一项对于NanoTite种植体的早期负重和即刻负重临床随机试验中,9年后两者种植体周围骨吸收没有显著差异。当然,溶胶-凝胶法也存在着涂层结合强度较低的问题。

  20世纪以来尽管钛及钛合金已成为了牙种植体材料的主流选择,但其存在潜在致敏性,高弹性模量导致的应力遮挡引起牙槽骨吸收等问题,因此,学者一直在寻找其替代材料。PEEK是一种有机合成聚合物,是半结晶性的热塑性塑料化合物,具有良好的生物惰性、射线透射性和机械性能。未经改性的PEEK的弹性模量为3~4Gpa,接近于松质骨的弹性模量1.34GPa;而经碳纤维加强的PEEK的弹性模量在18GPa,接近于皮质骨的弹性模量14GPa。因而相比钛,PEEK可以减少更多的应力遮挡。

  PEEK目前已应用于颅骨缺损、脊柱损伤、颅颌面重建等。然而,PEEK也有自己不足,如:和钛相似不具备生物活性,且不能类似钛和骨直接接触后形成骨结合,不能耐受类似于等离子喷涂方法等高温处理技术。BIOPIK就是法国IMI公司研发的PEEK种植体。尽管投入市场多年,仍未有广泛应用,且GowdaEM等研究发现BIOPIK即刻负载一年后失败率36%,早期负载失败率24%。因而,如何通过表面涂层赋予PEEK材料良好的骨传导性、高表面能的亲水表面是众多企业和学者研究的方向。

  常见的PEEK表面涂层改性技术有旋转沉积法,气体等离子蚀刻法、电子束沉积法、离子注入法。旋转沉积法主要结合高速旋转,将物质如纳米级羟基磷灰石沉积在基材上。该方法可形成纳米级别的表面涂层,改善PEEK与一定尺寸颗粒结合会导致机械性能下降的现象。也有学者研究发现旋转沉积HA的PEEK表现出了更高的旋出扭矩。但目前尚未发现有文献报道通过该种方法改性后HA和PEEK的结合强度。

  气体等离子蚀刻法是将PEEK种植体置入水蒸气、氧气、氩气、氨气等进行纳米蚀刻的技术。该方法可以增加种植体的亲水性,促进细胞粘附。Rochford等研究提示即使在表皮葡萄球菌的存在下,使用气体等离子蚀刻表面的PEEK植入物也能促进成骨细胞的粘附。同时,其表面性能会随着时间的推移而降低。电子束沉积法是以离子注入技术为基础,在充满氩气的真空条件下,采用辉光放电技术将氩气电离产生氩离子,氩离子在电场力作用下加速轰击阴极,使阴极材料被溅射下来沉积到基体表面形成涂层。该方法与离子注入法相似常被应用于在PEEK表面负载钛涂层。

  氧化锆种植体以具有较高的弯曲强度(900~1200MPa)、硬度(1200Vickers)和优良的美学效果为商业所用,基于其稳定的化学性质,目前商业应用如WhiteSky、Zeramax、PURECeramic种植体的主要表面涂层仍为酸蚀喷砂法。也有学者对氧化锆种植体通过等离子喷涂、溶胶-凝胶等方法制备HA和生物玻璃陶瓷类材料的涂层,显示了优异的生物活性。也有学者将氧化锆种植体进行紫外线照射,从而增加种植体的亲水性。该方法也同样应用于钛种植体。

  不同材料的种植体因其材料的特性具备一定优异性能的同时,很难达到尽善尽美的效果。而种植成功的重要因素之一为形成良好的骨结合。种植体材料及表面涂层本身在骨结合的过程发挥着关键的作用。未来将继续以仿生出发制备出具有适宜的表面涂层结构,使种植体具备完美的微纳结构、高亲水性、适当表面粗糙度、良好的生物相容性及骨传导性。

  来源:冯妍慧芝,王佐林.牙种植体表面涂层研究进展[J].口腔颌面外科杂志,2019,29(05):284-289.