口腔种植体表面处理方法及其促进骨结合的研究进展

口腔种植体表面处理方法及其促进骨结合的研究进展

口腔种植体的质量不仅取决于种植体的材料，还取决于其表面的特性。种植体表面的生物相容性和粗糙度，对组织与骨结合的相互作用起着重要的作用。钛因其良好的生物相容性、耐腐蚀、高强度、良好的成形性和可加工性等特性，目前是口腔种植体的首选材料。

但钛金属作为惰性材料，其主要是依靠与牙槽骨的机械性锁结来进行固位,其表面所形成的致密氧化膜也会妨碍骨结合的形成。最初的钛种植体表面未进行任何处理，有研究发现未经处理的钛种植体表面存在金属离子游离外渗、骨诱导性不足等问题，缺乏实现骨结合和对抗生物膜形成的能力，最终导致骨结合不良，种植体的植入失败。

在正畸治疗中，微种植体支抗作为正畸中的“绝对支抗”，因其具有体积小、创伤小、植入部位灵活、舒适度高、效果稳定等优势受到正畸医生的青睐与重视，但微种植体松动及脱落的情况也给临床治疗带来困扰。

相关研究表明，正畸微种植体支抗的成功率为74%~93%不等。受口腔种植体表面处理研究的启发，近些年通过对正畸微种植体支抗表面处理以提高其与骨组织结合力的相关内容也成为口腔正畸的研究热点之一。

为获得理想的种植体表面形貌，改善种植体的生物相容性和骨结合能力，以提高种植体的稳定性及成功率。目前种植体表面处理的方法大致可分为涂层法和非涂层法两大类。涂层法主要包括传统理化涂层（银、石墨烯、羟基磷灰石等）和生物活性涂层（壳聚糖、抗菌肽、RGD等）；非涂层法包括物理法（离子注入、喷砂、激光处理等）、化学法（阳极氧化法、微弧氧化法、溶胶凝胶法等）。

01涂层法

涂层法是使种植体表面覆盖上一层或者多层具有生物活性的薄膜，从而提高种植体-骨结合的性能。

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传统理化涂层
(1)银(Silver)
银离子具有广谱杀菌作用、生物相容性、稳定性等优点，是目前应用最广泛的钛种植膜金属之一。它通过与细菌细胞膜发生反应后所产生的生物活性氧来有效地控制细菌的黏附和聚集，起到杀灭病原菌、降低种植体周围组织感染几率的效果。实验表明，纳米银颗粒(AgNPs)比普通金属银离子具有更为优异的抗菌性能，纳米银颗粒能够抑制细菌表面生物膜形成基因的表达，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等均具有较强的杀菌作用。

有研究以硝酸三乙酸(NTA)为基础的Ag纳米颗粒负载磷酸钙溶液形成的富银多孔涂层抑制了金黄色葡萄球菌的黏附和生物膜的形成，同时为成骨细胞的生长和增殖提供了合适的环境。

虽然AgNPs具有良好的抗菌作用，但其潜在的细胞毒性仍未得到解决。AgNPs不仅可以在肝脏和脾脏中蓄积，还可以穿透脑血屏障诱导脑损伤。因此，控制银离子的输送速率和容量是非常重要。

(2)石墨烯(Graphene)
石墨烯作为一种新生代材料，具有较高的生物相容性、防腐蚀和抗菌性能。石墨烯涂层能够增加成骨细胞的黏附、增殖以及矿化能力，促使干细胞特异性分化，具有很强的骨传导和骨诱导能力，从而增强石墨烯涂层的骨结合能力。

Pichayada等研究将石墨烯包覆的阳极氧化钛与单纯阳极氧化钛进行对比，发现前者成骨细胞中钙沉积和骨桥蛋白的表达均显著增强，表明骨形成量有所增加。临床中因石墨烯涂层可以提高生物材料的生物活性，为种植体提供微生物和腐蚀保护，故通过抗菌石墨烯涂层可以预防种植体周围感染引起种植体周炎。

(3)羟基磷灰石(Hydroxyapatite)
因羟基磷灰石具有与人骨组织相似的成分和结构，有较高的生物相容性，是目前唯一在口腔、骨科等相关领域广泛应用的钛种植体活性涂层材料。当羟基磷灰石作为涂层覆盖在钛种植体表面后，不仅能保持其优异的机械性能，同时也利用其自身与骨骼的化学相似性、良好的生物相容性和亲水性，促进种植体与周围骨进行骨结合。

由于羟基磷灰石缺乏粘接性和抗菌性，通常与聚合物和抗菌剂结合使用。研究表明，在羟基磷灰石涂层中加入Mg2+和Zn2+能够促进成骨细胞的增殖，加入Ag+和Cu2+能够增强其对感染的防御能力。天然聚合物如木质素、壳聚糖等也是羟基磷灰石复合材料的有效组成部分，可提高羟基磷灰石涂层的黏附性，并可作为药物载体，提高抗菌性能。

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生物活性涂层
(1)壳聚糖(Chitosan)
壳聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性、抗菌活性和促进伤口愈合和损伤的特性而广泛应用于医学领域。

RASTEGARI等研究表明，壳聚糖复合涂层不仅可提高钛合金的生物活性，还可增强合金基底的表面湿润性、羟基磷灰石形成能力、腐蚀保护、细胞活力以及细胞黏附性，因此被视之为一种优异的天然生物多功能材料。壳聚糖涂层在植入后的第一周内具有良好的机械稳定性、可降解性和最佳的骨结合性，但要继续提高壳聚糖涂层的性能，特别是提高涂层与种植体之间的结合强度，还需要进行相关研究。

(2)抗菌肽(Antimicrobial peptides)
抗菌肽是一种具有抗菌活性的多肽类物质，存在于生物体内。它不仅能快速杀灭细菌，而且因其广谱的抗菌活性，不易引起细菌对药物的抵抗性，可有效抵抗多耐药细菌，也被认为是种植体涂层最适合的候选材料之一。此外抗菌肽还能促进血管生成、聚集免疫细胞、干细胞等多种生理活动，提高细胞增殖率。有学者将低浓度抗菌肽Pac-525涂覆到钛种植体表面，结果显示抗菌肽可抑制细菌膜产生，产生隔离屏障，减少细菌生物膜的生成，促进了细胞黏附和增殖，实现了抗菌作用。而抗菌肽涂层面临的主要挑战就是所使用涂层的密度。这当中涉及诸多参数问题，例如肽的长度、方向以及不同方法所带来的分子附着等，这些都将是抗菌肽涂层未来的重要研究方向。

(3) RGD(Arg-gly-asp,RGD)
生物肽活性涂层是指由精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸组成的短肽序列，广泛存在于多种生物活性物质中，是至今为止较多应用于生物材料表面的蛋白质序列之一，是促进细胞黏附最有效的多肽序列。研究表明RGD多肽序列能促进成骨细胞在植入物上的黏附和增殖，刺激成骨细胞的分化，具有良好的骨结合性，缩短种植周期，提高种植成功率。

此外，不同构象的RGD序列，即线状RGD与环状RGD，两者对骨结合产生不同效果。HELLER等在体内将不同处理的RGD肽段植入兔胫骨近端，结果表明在植入的第3周和第6周，环状RGD序列修饰组的骨与种植体结合率高于线性组。

02
非涂层法

通过物理、化学或者是将两者结合的方法对材料表面进行处理，使得材料表面微观结构发生改性的方法。

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物理方法
(1)离子注入(Ion implantation)
将离子束以极高的速度入射到种植体内，使其与种植体内的原子或分子相互作用而改变植体表面的成分、结构和性能。研究表明氮离子注入钛及其合金能改善其机械性能，增强种植体的耐腐蚀性，提高种植体的亲水性，进而表现更高的表面能，从而更有效地促进细胞早期附着。ZHANG等运用等离子体浸没离子注入(PⅢ)技术构建了稀土元素铈修饰钛表面，可明显提高改性钛的力学性能和耐蚀性能，降低活性氧水平，同时增强了成骨细胞和骨髓间充质干细胞的黏附、增殖。

(2) 喷砂处理(Grit blasting)
以压缩空气为动力，将材料以高速射流束的形式喷射到种植体表面，从而获得所需的表面形貌和粗糙度，改善种植体表面活性，显著提高其骨结合强度。

VELASCO-ORTEGA等将表面氧化处理和酸蚀表面喷砂处理的种植体分别植入新西兰兔股骨进行对比实验。结果显示，与氧化处理的种植体相比，喷砂处理骨种植体的接触率较高，其相应骨结合能力也更加优良。但是，传统喷砂处理表面改性方法难以获得均匀的钛种植体粗糙表面，还会残留喷砂所用的颗粒，同时喷砂会将污染物引入，增加细菌积累量。故通常需与酸蚀共同处理钛种植体表面,即酸蚀喷砂处理（Sand-blast,large-grit,acid-etching,SLA）。与传统喷砂处理相比，经SLA的种植体表面粗糙程度更加均匀，亲水性也更好。

(3)激光处理(Laser)
常规的激光处理是指将高能量的激光束聚焦于种植体，使得种植体表面瞬间融化形成蚀刻作用，从而在表面形成理想孔径大小和间距的微孔。

EghbaliN等通过光纤雕刻激光工艺对钛合金表面进行改性，可显著增强表面粗糙度和细胞在表面上的附着力，同时表面毒性特征减弱，其抗菌性能也得到改善。

选择性激光熔覆(Selective laser melting，SLM)作为目前发展最为迅速的金属3D打印技术，在医疗领域已得到广泛应用。该技术是将金属粉末在激光抗菌束的高温作用下将其完全熔化，经冷却凝固成型的一种技术。该技术制作的口腔微孔种植体，其机械强度以及生物相容性均有很大提升。

Qin等使用采用SLM、电化学表面纳米工程和羟基磷灰石涂层相结合的方法制造的钛合金种植体，可显著促进蛋白质吸附、成骨细胞黏附、扩散，并增加了与成骨细胞分化和矿化相关的某些基因的表达。但是，单纯使用SLM改性的钛种植体处理成本较高，其粗糙表面也会造成细菌黏附和生物膜的形成，故如何结合其他手段来赋予种植体的抗菌功效，仍是SLM临床应用的难点。

(4) 紫外线光功能化(Ultraviolet photo functiona lization)
紫外光功能化是指钛经过强紫外光处理后的表面改性现象。在经过紫外光处理后的钛种植体表面骨形成形态改善，骨结合效率明显提高，而且在不改变钛表面任何其他特性的情况下创造了一个超亲水表面，水滴在该表面的延展性增加，亲水相表面结构发生改变，Ti4+位点转换为Ti3+位点，后者更易吸收羟基。

Liu等研究表明，通过加工和粗糙表面的紫外光功能化可以显著促进骨-钛连接，且紫外光功能化诱导的不同表面形貌(弯曲和粗糙表面)的生物活性和骨导电性的改善可较好地促成骨钛结合。尽管其在临床中对其有着很高的需求和期望，但因其暴露时间过长，且治疗时间和疗效的相关结论尚未明确，故仍需进一步的研究。

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化学方法
(1)阳极氧化(Anodic oxidation)
阳极氧化技术是在一定的氧化条件下以硫酸等溶液为电解液，将纯钛作为阳极，使其表面发生氧化反应，生成氧化钛膜，最终形成从数百纳米到数百微米不等的多孔氧化钛层。该方法制备简便，可操作性强，临床效果明显，已经成为钛表面改性的常用方法之一。

阳极氧化处理作为当前一种有效改善金属表面形貌的电化学方法，可诱导种植体表面生成羟基磷灰石薄膜，具有良好的生物活性，能够加快成骨细胞的黏附、伸展与增殖，从而形成一定程度的生物结合；氧化钛膜还可阻止深层植体进一步氧化，有效减少金属离子外渗，使其耐蚀性和耐磨性增强。氧化钛膜还可防止深层基体继续氧化，有效防止金属离子的外渗，增强耐腐蚀性。所形成的粗糙表面不仅可以改善骨-种植体界面的应力分布及骨结合，还可负载抗生素、生物肽及成骨相关因子等，提高其表面生物性能，具有极佳的临床应用前景。

(2) 微弧氧化技术(Micro-arc oxidation，MAO)
相较于阳极氧化技术，微弧氧化技术(MAO)可以相对高效地在种植体表面形成多孔涂层。在常规阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而产生一种瞬时高温高压条件作用于钛基体表面形成加强的多孔蜂窝状纳米级氧化膜。

ZhouW等结果表明，由MAO制备的钛表面多孔结构可以使其表面能增加，促进骨髓间充质干细胞的黏附和成骨细胞的增殖与分化，使得细胞在种植体表面的黏附力附着，进而增强钛合金的骨结合能力。此外，因其多孔的结构，有研究将微量金属元素掺入MAO涂层进行改装优化，从而使MAO涂层获得了短期内良好的抗菌性能，同时还促进了成骨细胞的反应。

(3) 溶胶-凝胶法（Sol-Gel method）
溶胶-凝胶法是将无机物或金属醇盐溶于有机溶剂中形成均匀溶液，再经热处理而形成凝胶，最后通过干燥得到所需的聚合物。

LIB等通过微弧氧化联合溶胶-凝胶工艺在钛表面制备出羟基磷灰石薄膜，再通过羟基磷灰石薄膜和不同含量锌离子的复合生物涂层，从而有获得了钛植体表面的生物相容性和抗菌活性。

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总结与展望

综上所述，表面处理可改变种植体表面形貌和表面能，从而改善其润湿性，促进细胞增殖、生长与附着，加速骨结合。良好的表面处理是口腔种植体与骨界面结合的关键。

目前越来越多研究开始涉及钛种植体表面纳米孔/纳米管的制造。微米级修饰可实现强大的骨结合性能，更有效地减少了细菌的黏附。同时纳米级修饰也可增加植体表面的亲水性，促进骨结合，同时减少疏水细菌黏附。

但在口腔种植体的临床应用过程中，多种表面处理方法要实现优势互补，精准确定种植体表面处理的最佳位置等仍有待于进一步探讨。

随新型材料和新工艺的发展，更多的钛种植体表面改性方法将会更好地促进种植体表面骨结合，提高种植体的成功率与稳定性，为临床应用带来福音。