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    微量元素改性鈦種植體表面研究進展

    發布日期:2020-10-16  瀏覽次數:108
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      作者:曹志煒,楊雨青,周陶,巫佩瑤,解亮,四川大學華西口腔醫院
      牙種植術在牙體缺失修復領域占據重要地位。然而,牙種植術仍存在植入物感染、骨整合不完善等危險因素。為了增強種植體骨結合能力與抗菌性,研究者針對種植體材料改性做了大量研究,其中微量元素改性為熱點之一。研究表明,銀、鋅、氟、鍶、錳等微量元素與口腔健康有著密切聯系,在抗菌及促進成骨方面性能卓越。微量元素改性種植體對提高牙種植術成功率、改進治療效果具有重要意義。
      1.微量元素改性鈦種植體表面的應用技術
      1.1等離子體浸入式離子注入法
      傳統離子注入法是將帶電離子加速后垂直射入材料表面,形成一層有特殊性質的涂層,等離子體浸入式離子注入法(plasma immersion ion implantation,PIII)是離子注入法的改良。該方法將材料浸沒于等離子體中,從多個角度進行離子注入,解決了離子注入技術對注入角度要求苛刻的難題,且該技術不影響材料表面結構,適合種植體等結構復雜的材料。
      注入后表面薄膜的組成可以是改性元素的單質、改性元素的氧化物或者改性元素與基體元素的化合物,取決于改性元素與基體的物質組成以及注入時的條件。例如在非金屬元素改性種植體時,可形成TiN、TiF4等化合物,在金屬元素改性鈦種植體時,可形成ZnO、MgO或者是單純的金屬鋅或鎂的沉積。
      1.2微弧氧化法
      微弧氧化法(micro arc oxidation,MAO)是在電解液中,依靠弧光放電產生的瞬時高溫,在金屬表面形成一層厚且穩定的氧化物膜層。該膜層的組成和性能主要受電解液的化學成分影響。該方法制成的氧化物的厚度、孔徑及粗糙度等物理性質相比其他方法也更易控制。與PIII法類似,MAO法在具有復雜表面結構的材料上,仍可形成性質均一、粘附緊密,耐磨的氧化膜。
      1.3其它
      磁控濺射法是在真空中用粒子沖擊靶材表面,濺射出靶材表面粒子,使其冷卻沉積在材料表面,可形成納米涂層結構。該涂層相對較薄,但結合更為緊密。磁控濺射的技術特點為基體升溫低,薄膜的工藝參數相對較容易控制,適用于大面積鍍膜;電化學沉積法是將材料置于相應的微量元素溶液或熔鹽中,通過放電使位于陰極的材料表面鍍上金屬薄膜。將該方法與PIII法聯用,稱之為等離子體浸沒離子注入與沉積法(plasma immersion ion implantation and deposition,PIII&D),在生物醫學領域應用廣闊。對于改性方法的選擇,需要結合材料的性質、改性元素的性質、效率、能耗等進行考慮,而對于同一種元素,不同的改性方法是否會產生不同的生物學效應還可進行比較研究。
      2.用于鈦種植體表面改性的微量元素
      鈦為生物惰性材料,不具備骨誘導性、抗菌性等生物活性,且金屬種植體在口腔均會受到電化學腐蝕。單純的表面形貌改性對鈦種植體的生物性能提升效果有限,而微量元素改性可賦予傳統鈦種植體所不具備的性能。
      2.1氟
      氟化物在口腔領域中有廣泛的應用。Lee等通過氫氟酸(hydrofluoric acid,HF)蝕刻噴砂處理后的鈦盤,鈦盤表面的氟化物主要以TiOF2形式出現,通過成骨樣細胞MG-63在鈦盤表面上的培養實驗發現,相比于對照組,HF蝕刻過的鈦盤上可觀察到更多的細胞和更多成骨相關基因Cbfα1(Runx2)的表達。鈦盤的表面潤濕性也有提高,增強了細胞的分化活性。
      Wang等通過PIII法將氟注入鈦種植體的表面,改性后的種植體表面新增了一層主要由TiF4組成的表層,氟改性(F-Ti)種植體對牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonas gingivalis,P.g.)有裂解作用,削弱了P.g.對成骨樣細胞MG-63的增殖與對堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性的負面影響,這與氟減弱了P.g.對成骨、破骨中的重要通路OPG/RANKL的干擾有一定關聯;體內實驗表明,F-Ti種植體具有更強的螯合鈣離子的能力,使骨量沉積較多,相較于對照組純鈦種植體具有較高的種植體骨整合程度。
      Collaert等將125個氟化物修飾的鈦種植體植入25名下頜無牙患者的下頜骨中,隨訪兩年發現125個氟改性種植體周圍平均骨丟失僅為0.11mm,且均無種植體周圍炎發生,可認為成功率為100%。而在該實驗(2011年)之前,進行相同手術操作的臨床實驗所使用的TiOblast種植體的兩年后平均骨丟失達1.29mm,1年成功率為78%。
      2.2鍶
      鍶是一種親骨微量元素,相關藥物雷奈酸鍶用于促進種植體周圍骨整合。鍶可以刺激成骨細胞的增殖、抑制破骨細胞的分化,且可以抑制間充質干細胞的成脂及成軟骨分化。鍶在種植體周圍還可抑制免疫炎性細胞的反應。Okuzu等通過堿熱法利用鍶來修飾種植體表面,細胞實驗顯示,相比于對照組,鍶改性的鈦種植體有效提高了成骨細胞β-atenin的表達,成骨分化基因(Runx2,ALP,OCN,OPN)的表達也有明顯提升;體內實驗顯示,相比于對照組,鍶改性種植體具有更好的早期骨整合,后期骨量損失也較少。
      Zhang等通過MAO法獲得的鍶改性種植體在6周內的快速骨整合性能與市售Straumann種植體相當,且區別于Straumann種植體“從種植體表面向外生長”的新骨生成方向,鍶改性種植體的成骨方向為沿著種植體表面延伸,表明骨整合程度還將進一步增加。Offermanns等通過磁控濺射工藝獲得納米級的鈦-鍶-氧(Ti-Sr-O)涂層并應用于鈦種植體表面,創造出一個持續且可控的鍶離子釋放環境。在骨質疏松小鼠模型中,該種植體周圍的骨形成與骨整合均明顯高于對照組,新骨的形成量與釋放的鍶離子量呈正相關,該涂層還可以使種植體骨整合提前到達最大程度。后續研究顯示,在正常生物體內,Ti-Sr-O涂層促進種植體骨誘導性與早期骨整合的能力均強于臨床上廣泛使用的SLActive鈦種植體與氟改性種植體。
      2.3銀
      銀離子改性種植體具有出色的抗菌抗炎能力。實驗表明納米銀顆粒(silver nanoparticles,Ag-NPs)對多種口腔致病菌均有抑制作用。Qiao等通過PIII法將AgNPs嵌入表面粗化后的鈦種植體上,改性后種植體除獲得了良好的抗菌活性,還具有促進成骨樣細胞MG-63增殖的作用。且PIII法釋放的游離銀更少,減少AgNPs帶來的毒性作用。將銀與其它元素共注入種植體表面也是當前的研究方向。
      Zhao等通過PIII法將鎂與銀共同注入鈦種植體表面發現:鎂、銀共注入種植體的抗菌效應與成骨誘導效應均強于單獨使用鎂或銀改性的種植體,表現為成骨細胞ALP活性更強,成骨相關基因表達水平更高。體內實驗表明:共注入種植體成骨量更大,種植體骨整合更強。共注入種植體成骨誘導作用可能與鎂銀形成微電池有關,鎂在微電池中充當陽極,該結構可促進鎂離子釋放,同時銀充當陰極,減少了銀的釋放,進一步降低游離銀帶來的細胞毒性。
      2.4鋅
      在牙種植領域,鋅在促進骨整合方面有較多的研究。Zhu等通過PIII法注入的鋅在鈦種植體的表層以ZnO存在,在深部以鋅單質的形式存在,且鋅改性鈦種植體生物學效應與鋅注入時的電壓有關,當注入電壓由15kV上升到30kV時,種植體促進細胞增殖與抗菌的能力均有所提升。鋅不僅可單獨注入,還可與其它元素聯合注入。
      Yu等將鋅離子與鎂離子通過PIII法聯合注入鈦種植體表面,觀察到多種口腔厭氧菌生長受到抑制。相比于單獨注入鋅或鎂離子,鋅、鎂離子共同注入的種植體還具備促血管生成的活性,且更能提高骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells,BMMSCs)成骨基因的表達、提升細胞黏附能力與生長活性,能促進快速成骨、維持長期成骨、提高骨整合強度,這可能與鋅、鎂離子在成骨過程中上的協同作用有關。
      2.5
      鉭可以促進種植體成骨、抑制細菌增殖。Shi等研究發現,鉭促進成骨可能與Wnt/β-atenin和TGF-β/Smad信號通路激活有關,同時鉭對破骨細胞也有抑制作用。鉭改性種植體的性能與鉭的粒度大小存在緊密聯系,納米鉭比微孔鉭具有更優秀的成骨誘導性能。Lee等體內研究表明,多孔鉭骨小梁改性的鈦種植體(Trabecular metal?Dental Implants,TM)相比于TSV種植體(Tapered Screw-Vent?,TSV)具備更好的促成骨性能,表現為新骨形成量更大,骨小梁微結構更好。多孔鉭骨小梁修飾的鈦種植體相比于傳統鈦種植體,骨丟失的風險更低。
      Zhu等通過磁控濺射法在鈦種植體表面覆蓋含鉭的微/納米涂層,觀察到其對口腔內主要致病菌的黏附均有一定的抑制作用,其機制可能是由于BMMSCs對鉭的高黏附作用是特異性的,即不受細菌影響,而這種高細胞黏附的種植體表面減少了細菌黏附的機會,從而表現出抑菌效果。
      2.6鈷
      鈷可以使缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor,HIF)特異性脯氨酰羥化酶失活,從而穩定HIF-1,激活下游基因,達到激活成骨的效果。Zhou等利用MAO法在鈦種植體表面覆蓋摻有鈷的二氧化鈦/磷酸鈣涂層,發現鈷的摻入使種植體周圍細胞表達更高水平的與血管和骨生成相關的細胞因子,且血管和骨形成效果與摻入的鈷量呈正相關。
      研究還發現,將鍶、鈷、氟通過MAO法共同注入至種植體表面,體外抗菌實驗顯示共注入的種植體抑菌率可達95%;而在促進血管生成及成骨方面,共注入種植體比鍶、鈷、氟這3種元素單獨注入或兩兩雙注入效果更好。但鈷元素過量易導致細胞毒性,還需反復實驗確定其最適濃度及遠期生物學毒性。
      2.7錳
      錳被證實在成骨過程中具有重要作用,錳元素缺乏可能導致骨生成緩慢、骨變形等問題。Yu等分別利用PIII&D法與MAO法在鈦種植體表面覆蓋含錳涂層,構建出可長期釋放錳離子的環境,錳涂層對大腸桿菌與銅綠假單胞菌具有一定抑制作用。在成骨方面,錳可增強成骨細胞的分化,提高總體成骨量,原因可能是錳影響甲狀旁腺激素信號通路,從而調節骨礦物質密度。但過量的錳對成骨細胞具有毒性作用。通過PIII&D法制備的含錳涂層比通過MAO法制備的釋放錳離子更少,有更好的生物安全性。
      2.8其它
      Heo等將納米金顆粒植入硅烷化的鈦種植體表面,金改性種植體可增強成骨細胞分化,增加人脂肪干細胞中成骨分化特異性基因(COL1、Runx2、OCN、BSP等)表達,提高ALP的活性、增加鈣鹽的沉積,對種植體骨整合界面的形成有促進作用。有研究發現納米金顆粒可參與p38/MAPK、ERK/MAPK等信號通路促進成骨。Li等使用鈰(Ce)元素改性鈦種植體表面,通過磁控濺射法在鈦種植體表面獲得了不同Ce3+/Ce4+比例的納米氧化鈰涂層,隨著Ce4+含量的提升,BMMSCs的活力與種植體周圍新骨的形成及礦化水平也隨之提高。
      3.小結
      綜上所述,不同的微量元素各具優勢,例如鍶、鉭等元素對于骨生成具有明顯的促進作用,銀、鋅等元素具有更好的抑菌作用。而兩種及以上元素的共同使用比單獨使用1種元素獲得更好的效果。目前一些元素改性的種植體已經用于臨床(氟、鉭等),有些種植體甚至獲得了比市售常用種植體更好的抗菌及促進成骨的效果。現在微量元素改性種植體面臨的首要問題之一是如何在微量元素發揮作用的低濃度范圍內尋找一個合適的值,既要保證微量元素能有效地發揮其生物學功能,也要保證其對機體的潛在毒副作用最小。
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