種植體的表面改性與促進(jìn)成骨作者：唐霞綜述王少安審校 出處：國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志第35卷增刊2008年4月發(fā)布：牙易網(wǎng)時(shí)間：2010-6-1317:48:57編輯:Nina[摘要]牙種植體的表面特性可影響種植體植入后的生物反應(yīng)，對(duì)種植體功能的行使十分重要。種植體表面生物化學(xué)改性，能獲得更快的骨整合，更大的骨結(jié)合面積，更強(qiáng)的抗剪切力。本文就表面改性的原理，生物活性分子的種類及制備方法方面的研究進(jìn)展作一綜述。[關(guān)鍵詞]牙種植體；表面改性；骨整合[Abstract]Thesurfacecharacterofimplantscaninfluencethebiologicalresponseafterimplantation.Anditisimportanttofunctionating.Biologyreshapingofimplantcanobtainafasterosseointegrationbiggerareaofsynosteosisandstrongeranti -shearingforce.Thispaperfocusesontheprincipalofbiologyreshaping,atypeofbioactivemoleculeandthepreparativemethod,anditslateststudiesarereviews.[Keywords]dentalimplant；biologyreshaping；osseointegration60年代初瑞典哥德堡大學(xué)Br"nemark教授提出高純度鈦與骨組織結(jié)合的骨整合理論已經(jīng)成為現(xiàn)代口腔種植學(xué)的理論基礎(chǔ)。牙種植體的表面特性可影響種植體植入后的生物學(xué)反應(yīng)，決定組織細(xì)胞在其表面的粘附，增殖，分化及礦化，影響蛋白質(zhì)的吸收，直接影響界面的骨愈合速度，骨結(jié)合率，骨結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)種植體功能的正常行使十分重要。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的臨床隨訪研究，人們已經(jīng)普遍接受粗糙表面帶螺紋結(jié)構(gòu)的種植體，認(rèn)為這種種植體有利于骨整合，特別是以噴砂酸蝕處理形成的粗糙表面更有利于引導(dǎo)成骨細(xì)胞趨化加速骨整合。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)已從表面粗糙度轉(zhuǎn)移到表面化學(xué)成分上，將種植體表面附上一層具有生物活性的物質(zhì)，以誘導(dǎo)骨組織的形成，達(dá)到生物化學(xué)的結(jié)合。1原理長(zhǎng)期以來(lái)，人們多采用物理或化學(xué)的方法，對(duì)種植體表面進(jìn)行處理。生物化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為種植體表面處理提供了另一種選擇，即表面生物化學(xué)改性。種植體表面的生物化學(xué)改性即是通過(guò)將特定的蛋白，酶或肽固定于種植材料表面，來(lái)誘導(dǎo)特殊細(xì)胞分化和組織改造，或者說(shuō)通過(guò)將分子直接引入到種植體界面來(lái)控制骨整合的發(fā)生與發(fā)展。此法著眼于利用骨組織形成過(guò)程中的一些決定性的有機(jī)成分，即生物活性分子來(lái)影響組織反應(yīng)。因?yàn)楣钦现饕揽砍晒羌?xì)胞增殖和分化，來(lái)促進(jìn)新骨形成。而上述生物因子對(duì)于成骨細(xì)胞的增殖分化又有明確的促進(jìn)作用，因而生物化學(xué)改性對(duì)于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法而言更為直接有效。而如何將此類生物分子與種植體良好結(jié)合充分發(fā)揮其活性，則是目前研究的中心。2生物活性分子的種類2.1非膠原蛋白在膜內(nèi)骨化的初期，骨連接素的表達(dá)，具有一定的細(xì)胞調(diào)控功能。骨鈣素是一種骨特異性維生素K依賴性蛋白，含有Y-骨氨酸殘基和HA相結(jié)合。骨橋蛋白在細(xì)胞粘接中起重要作用。纖維結(jié)合素存在于骨創(chuàng)愈合整個(gè)過(guò)程，具有多種功能。已有研究發(fā)現(xiàn)由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和疏松多孔的羥磷灰石（HA）組成的復(fù)合物具有潛在的活體成骨性。Marrow/HA復(fù)合體包含骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、BMP及HA。這種復(fù)合物在植入的前兩周并不會(huì)誘導(dǎo)骨形成，但在4周時(shí)，就開(kāi)始發(fā)揮其誘導(dǎo)成骨性。研究表明骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，疏松多孔的羥磷灰石和BMP協(xié)同作用將提高潛在成骨活性，并在臨床應(yīng)用中提供一個(gè)合理的基底。Kim等［1］研究表明在生物膜材料中添加蠶絲絲蛋白（SF）非線性纖維，觀察到在8周后，就有較完全的骨結(jié)合覆蓋在骨缺損處，而在12周時(shí)，缺損處就完全由新骨覆蓋而達(dá)到愈合，SF非線性纖維在引導(dǎo)骨再生方面顯示出良好的生物適應(yīng)性，可有效地增強(qiáng)骨重建水平，并無(wú)任何炎癥反應(yīng)。Jimbo等［2］報(bào)道血漿纖維（PFN）具有調(diào)整活體細(xì)胞生長(zhǎng)，分化和提高成骨細(xì)胞存活率的作用。指出PFN能顯著提高骨髓源基質(zhì)細(xì)胞的趨化性，并證實(shí)應(yīng)用PFN處理后的種植體表面能加速早期骨整合。2.2生長(zhǎng)因子在骨組織修復(fù)改建中，生長(zhǎng)因子起重要作用。與骨組織相關(guān)的生長(zhǎng)因子有：1）轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子6（TGF-6），TGF-6具有多效性，刺激成骨細(xì)胞增殖和基質(zhì)的合成。在局部骨形成和骨吸收中，調(diào)節(jié)成骨、破骨相互作用的分子。也可用于刺激軟骨修復(fù)，并對(duì)骨折顯示良好作用。2）骨形成蛋白（BMPs）是TGF-6超家族中的一個(gè)亞家族。大部分的BMPs都有誘導(dǎo)軟骨、骨細(xì)胞分化的能力。是一個(gè)骨誘導(dǎo)因子，誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向軟骨細(xì)胞，成骨細(xì)胞的分化。BMP5、BMP6、BMP7互相密切聯(lián)系，也是有效的骨誘導(dǎo)因子。3）胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGFs），IGF-I具有刺激蛋白多糖的合成，以及促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用；IGF-II刺激成骨細(xì)胞的增殖和基質(zhì)的合成。4）纖維生長(zhǎng)因子（FGF），刺激骨和軟骨細(xì)胞的增殖，也是刺激血管生長(zhǎng)的血管生長(zhǎng)素。5）血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF），VEGF在血管形成過(guò)程中起著中心作用，新血管形成又是支持成骨細(xì)胞成骨所必需的。由于生長(zhǎng)因子具有促進(jìn)組織再生的作用，在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，主要有單一應(yīng)用和聯(lián)合應(yīng)用等方式。Sumner等［3］將人轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-62（rhGF-beta2）和骨形成蛋白2（rhBMP-2）復(fù)合物噴涂于種植體表面，通過(guò)對(duì)成年雄性狗骸骨試驗(yàn)證實(shí)該復(fù)合物使種植體周骨界面具有更高的機(jī)械結(jié)合率，并可達(dá)到植入時(shí)應(yīng)用自體骨移植填補(bǔ)植體周間隙所得到的骨整合效果。Lamberg等［4］報(bào)道應(yīng)用包含轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-61（TGF-beta-1）和胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF-1）的生物可降解聚合物涂層，將提高鈦種植體在松質(zhì)骨中的機(jī)械穩(wěn)固性和骨整合效果，并可阻止纖維組織的長(zhǎng)入。也有一些學(xué)者對(duì)生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)成骨提出疑問(wèn)°Hanisch等［5］將4個(gè)獼猴的側(cè)切牙和第一前磨牙拔除，并在頰側(cè)造出一個(gè)6mmX4mm的裂開(kāi)型缺損，植入種植體，缺損處用rhBMP-2/ACS復(fù)合物覆蓋，對(duì)照組僅植入種植體。16周后處死動(dòng)物，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組新生成骨的垂直高度、種植體-骨結(jié)合率都沒(méi)有顯著差異。作者認(rèn)為誘導(dǎo)成骨的生物材料作用不大，因?yàn)檠啦酃潜旧碛泻軓?qiáng)的成骨潛能。2.3細(xì)胞粘附分子此類分子包括纖維粘連蛋白、玻璃粘連蛋白、骨涎腺蛋白，這些分子均含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arg-GlyAsp，RGD）序列。該序列早已被證實(shí)具有調(diào)節(jié)細(xì)胞與血清肌胞外基質(zhì)蛋白附著的作用。近年來(lái)，更多的研究是直接通過(guò)細(xì)胞粘附肽鏈改性種植體界面，以期促進(jìn)骨整合反應(yīng)。RGD肽鏈涂層已經(jīng)被證實(shí)成骨細(xì)胞在種植體表面粘附和增殖的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。Elmengaard等［6］通過(guò)研究以評(píng)估RGD肽鏈涂層對(duì)種植體周骨整合的作用。將柱狀有和無(wú)鈦鏈涂層的Ti6A14V種植體以適當(dāng)?shù)膲毫ν瑫r(shí)植入狗的脛骨中，無(wú)功能負(fù)重，4周后，發(fā)現(xiàn)有PGD肽鏈涂層的種植體周骨組織形成量較無(wú)涂層組顯著增多，同時(shí)，種植體周纖維組織形成顯著減少。對(duì)于RGD肽鏈涂層種植體來(lái)說(shuō)，當(dāng)骨界面受到剪切力時(shí)，增強(qiáng)的骨支抗使得種植體-骨界面具有更強(qiáng)的機(jī)械固定性。3制備方法3.1具有生物活性的種植體表面制備鈦金屬表面羥基（Ti-OH）具有誘導(dǎo)鈣磷晶體沉積的功能。據(jù)此，目前已發(fā)展了多種形成表面活鈦的方法。如堿熱處理、酸堿兩步處理、酸處理、H2O2或H2O2（或TaCl5）/HCL、陽(yáng)極氧化處理、陰極電化學(xué)處理、離子注水法、水熱處理、預(yù)鈣化處理及微弧氧化法等。3.1.1微弧氧化法微弧氧化（MAO）或微等離子體表面陶瓷化技術(shù)，是指在普通陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽(yáng)極上發(fā)生的反應(yīng)，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜方法［7］。此時(shí)形成的TiO2氧化膜不僅是多孔狀，而且與基體粘附牢固。MAO的另一優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)控制電解質(zhì)溶液的成份和濃度，可使種植體表面層結(jié)合鈣和磷離子，再通過(guò)水熱處理，鈣和磷離子分別結(jié)晶化形成HA或其他磷酸鈣化合物［8-9］。Li等［10］研究證實(shí)MAO對(duì)Ti種植體表面起到修飾作用，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)微弧氧化處理后，Ti表面將形成一層多孔狀氧化層結(jié)構(gòu)。這一氧化層的時(shí)相和形態(tài)學(xué)特征依賴于MAO處理過(guò)程中所加載的電伏特量。隨著電壓增高，氧化層的粗糙度和厚度也相應(yīng)增加，TiO2時(shí)相有脫肽礦轉(zhuǎn)化為金紅石。在MAO處理過(guò)程中，Ca、P離子將進(jìn)入氧化層?；铙w細(xì)胞樣本的反應(yīng)仍然依賴于氧化環(huán)境。隨著電壓升高，ALP活性遞增，細(xì)胞增殖率降低。前期活體兔實(shí)驗(yàn)顯示經(jīng)MAO處理后，其骨整合能力有極大程度提高，足以媲美純肽種植體。Sul等［11］將螺紋狀鈦種植體分為兩組：一組經(jīng)MAO處理，共10枚，設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；另一組為普通種植體，10枚，設(shè)為對(duì)照組。通過(guò)不同的表面分析技術(shù)檢測(cè)種植體表面氧化特性諸如表面化學(xué)性，氧化層厚度，形態(tài)學(xué)特征，晶體結(jié)構(gòu)和粗糙度等。然后將種植體植入10只新西蘭白兔脛骨內(nèi)。3~6周后，測(cè)量移動(dòng)轉(zhuǎn)矩（RTQ），骨整合速度及骨整合強(qiáng)度。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組的骨整合速度和強(qiáng)度都顯著高于對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組的結(jié)合失敗多發(fā)生在骨組織，而對(duì)照組則多發(fā)生在骨-種植體界面。由此可見(jiàn)，這種具備氧化特性，生物學(xué)活性的種植體在骨整合的速度和強(qiáng)度上都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，從而為即刻/早期負(fù)重提供了幫助。采用這種技術(shù)制備的種植體，經(jīng)5年臨床應(yīng)用已取得良好的療效［12-13］。但羥基磷灰石涂層及TiUnite表面只有骨傳導(dǎo)作用，沒(méi)有骨誘導(dǎo)作用。為此，有研究者考慮在此基礎(chǔ)上改變其表面化學(xué)成分（加氟離子，鎂離子等無(wú)機(jī)成分）或表面組裝多肽（RGD），胞外基質(zhì)（ECM，如I型膠原）等有機(jī)物來(lái)促進(jìn)成骨［14］。3.1.2其它Habibovic等［15］報(bào)道，鈦合金片經(jīng)噴砂，低濃度的HF/HNO3混合液酸蝕處理后浸泡在高濃度仿生液中，其表面可以快速沉積形成磷灰石涂層。該法在低溫（＜100°C）操作，可應(yīng)用于任何對(duì)熱敏感的材料如高分子材料；可以形成類似骨組織的磷灰石，具有高生物活性和良好的吸收特性；涂層不受基材形狀的限制，可在任何形狀或材質(zhì)的材料上沉積涂層；可與骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子（BMP，IGF，TGF）聯(lián)合應(yīng)用，可控制晶體的結(jié)構(gòu)，而且操作簡(jiǎn)單，成本低廉［15-16］。Grassi等［17］為評(píng)估噴砂+酸蝕處理后骨-種植體結(jié)合率（BIC%）及在螺紋區(qū)域的骨密度（BD%），選擇了5名受試者（年齡大約在42.6歲），通過(guò)常規(guī)種植手術(shù)，在每名受試者的上頜后牙區(qū)植入2枚微種植體（包括1枚商業(yè)純鈦種植體，作為對(duì)照組，及1枚種植體表面經(jīng)酸蝕+噴砂處理的，作為實(shí)驗(yàn)組）。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月無(wú)任何負(fù)重的愈合期后，進(jìn)行組織形態(tài)學(xué)分析。結(jié)果顯示：純機(jī)械表面種植體在復(fù)診過(guò)程中出現(xiàn)了臨床不穩(wěn)定性，BIC%為20.66+/-14.54%，BD%為26.33+/-19.92%；而經(jīng)處理過(guò)的實(shí)驗(yàn)組，其BIC%為40.08+/-9.89%，BD%為54.84+/-22.27%。數(shù)據(jù)表明經(jīng)酸蝕+噴砂處理，將提高骨種植體的結(jié)合率。3.2具有骨誘導(dǎo)作用的種植體表面的制備骨形成蛋白（BMP）分子生物學(xué)特性及成骨活性決定了其在矯形外科，骨科和口腔科等學(xué)科具有潛在的應(yīng)用前景。目前已將重組人rhBMP用于一系列臨床前期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究中，并證明其具有治療骨缺損的功能。國(guó)外多家公司正在開(kāi)發(fā)具有骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子的種植體［18］。Liu等［19］報(bào)道在鈦合金表面沉積鈣磷涂層的過(guò)程中同時(shí)沉積BMP-2，從而得到全涂層均含有生物活性BMP的新材料，通過(guò)大鼠皮下異位成骨實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有持續(xù)的骨誘導(dǎo)和異位成骨作用。近年來(lái)研究顯示，雙磷酸鹽類，他汀類藥物可刺激成骨細(xì)胞前體增殖、分化和成骨細(xì)胞的成熟，并抑制成骨細(xì)胞的凋亡［20］。Peter等［21］研究認(rèn)為，等離子噴涂的羥基磷灰石涂層種植體浸泡唑來(lái)磷酸后可以提高種植體周骨組織密度及機(jī)械強(qiáng)度。另外，鈣-磷涂層增進(jìn)鈦種植體表面骨誘導(dǎo)性，不但使種植體具有了較好的初期穩(wěn)定性，從而可以早期負(fù)載，同時(shí)還有一定的骨誘導(dǎo)作用。近年來(lái)一些學(xué)者成功將其用作載體將骨形成蛋白-2復(fù)合在鈦金屬表面，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，骨形成蛋白-2再涂層中可緩慢釋放并保持其活性［19］而前面所述的可降解材料則因缺乏足夠的早期穩(wěn)定性和強(qiáng)度，而在應(yīng)用中受到了限制。4小結(jié)種植體生物學(xué)改性的原理與方法的應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，但更深入的理解其作用原理以及尋找更有效的載體或其他方法，提高生物分子的利用效率，降低成本，仍是今后研究的重點(diǎn)。5參考文獻(xiàn)KimKH,JeongL,ParkHN.JBiotechnol,2005,120 (3)：327-339.JimboR,SawaseT,ShibataY.Biomaterials,2007,28 (24)：34693477.SumnerDR,TurnerTM,UrbanRM.JBoneJointSurgAm,2006,88：806-817.LambergA,SchmidmaierG,SoballeK.ActaOrthopaedica,2006,77(5)：799-805.HanischO,SorensenRG,KinoshitaA.JPeriodontol,2003,74 (5)：648-657.ElmengaardB,BechtoldJE,SoballeK.Biomater,2005,26 (17)：3521-3526.SandriniE,MorrisC,ChiesaR.JBiomedMaterRes.PartB,AppliedBiomater,2005,73 (2)：392-399.KimKH,KwonTY,KimSY.JOralImplant,2006,32 (1)：8-13.SulYT,JohanssonC,ByonE.Biomater,2005,26 (33)：6720-6730.LiLH,KongYM,KimHW.Biomater,2004,25 (14)：2867-2875.SulYT,JeongY,JohanssonC.ClinOralImplantsRes,2006,17：5