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口腔种植体新材料的研究现状

2020-3-3 15:03  来源:国际口腔医学杂志
编辑:于婉琦 周延民 赵静辉 阅读量:3343

    种植义齿可以恢复患者的咀嚼功能,提高患者的生活质量,已经在临床上得到了广泛的应用和发展,种植修复成为了牙列缺损、牙列缺失患者的有效修复方式之一。种植体材料应无毒性、无致敏性、无致癌致畸性,具备良好的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性,以及优良的力学性能。

    近年来,随着材料学的发展和处理、加工技术的进步,新的口腔种植体材料层出不穷,主要有金属及其合金、陶瓷、高分子聚合物等。这些材料在性能和诱导成骨方面各有其特点。本文综述了近几年口腔种植体新材料的研究现状,仅就种植体材料本身的研究进行归纳总结,种植体的表面改性方面不在本文探讨内容之内。

    1. 金属及其合金

    1.1 纯钛

    自Branemark提出骨结合理论后,纯钛及钛合金(主要是Ti-6Al-4V)一直是口腔种植体的首选材料。研究发现,纯钛具有良好的生物相容性及耐腐蚀性,同时具有优良的力学性能,包括硬度、抗拉强度、屈服强度和疲劳强度,能满足口腔种植体行使功能的需求,已作为种植体材料广泛应用于临床,取得了良好的修复效果。然而,钛的颜色灰暗,可以透过植入处较薄的黏膜,进而影响薄龈型患者的美学效果。

    钛的弹性模量高于人骨,钛的弹性模量为110 GPa,人骨的弹性模量为20~30 GPa,会由于应力遮挡(stress shielding)而导致骨吸取。随着临床应用的增加,近年有研究发现,纯钛种植体存在着种植体周围炎的风险,可释放钛离子参与牙龈炎症和牙周炎症。Wachi等通过电感耦合等离子质谱法测量了微型种植体的钛离子累积量,以及钛离子对微生物的细胞因子和受体表达的影响,结果显示钛离子通过增加牙龈上皮细胞对口腔内微生物的敏感性,对单核细胞浸润和破骨细胞分化有一定的影响,推测钛离子与种植体周围炎的发生有关。此外,钛可能具有免疫原性,作为过敏原,引起部分过敏症患者对金属植入物的Ⅳ型超敏反应。因此,国内外学者们一直致力于研究和探寻各方面性能更加理想、可替代纯钛的口腔种植体材料。

    1.2 钛合金

    继纯钛种植体广泛应用于临床后,钛合金口腔种植体材料也逐渐发展起来。与纯钛相比,添加合金元素后,可提高材料的耐腐蚀性能、可加工性,降低弹性模量,尤其对于窄直径种植体,还可降低其断裂的风险。临床应用较多的钛合金是Ti-6Al-4V合金。近年来,相关的研究发现,Ti-6Al-4V合金会释放极微量的钒和铝离子,这2种离子会对人体造成危害,例如导致阿尔兹海默症、周围神经病变以及软骨病等。因而学者们开始将研究的重点放在开发无毒的钛合金。β型钛合金元素如Nb、Zr、Ga、Mo、Pd、Se、Sn、Ta、Ge等被认为是安全无毒的合金元素。因此,在寻求更理想的种植体材料的过程中,钛的合金化成为该领域的研究热点之一。

    1.2.1 钛锆合金(Ti-Zr)

    锆与钛属于同一主族,二者具有相似的物理化学特性:均具备优秀的抗腐蚀性能、超高的力学强度以及优良的可塑性等,且对机体组织无毒性作用。自1995年Kobayashi等提出将钛锆合金应用于医学领域以来,这种合金作为一种新型种植体材料受到了广泛关注。锆元素的添加可提高合金的力学稳定性、拉伸强度和疲劳强度,还可降低合金的弹性模量。Wen等认为,钛锆合金具有良好的生物活性、生物相容性和力学性能,在生物医学应用中具有很高的应用潜力。

    Gottlow等通过在12只迷你猪的下颌骨分别植入钛锆合金和纯钛种植体4周后发现,钛锆合金种植体的旋出扭矩值及周围骨量显著高于纯钛组,且其具有与纯钛材料相似的骨诱导能力。目前,钛锆合金窄直径种植体已初步应用于临床。Altuna等的临床回顾研究显示,窄直径钛锆合金种植体植入1年后成功率为97.8%,2年后成功率为97.3%,种植体边缘骨吸取量1年后为(0.36±0.06) mm,2年后为(0.41±0.09) mm,在短期内与常规直径的钛种植体效果相当。

    Iegami等的回顾研究提示,钛锆合金窄直径种植体的成功率和周围骨吸取率与纯钛相当。然而,钛锆合金的临床应用时间短,其长期预后以及能否成为未来优势种植体仍需进一步观察与探究。

    1.2.2 钛铌合金(Ti-Nb)

    钛铌合金因其良好的耐腐蚀性和生物相容性逐渐受到学者们的关注。Fojt等采用标准电化学技术和X线光电子能谱探究钛铌合金的腐蚀行为,结果显示Ti-39Nb合金在生理盐水溶液中具有较好的耐腐蚀性,在氟化物离子存在的情况下,Ti-39Nb合金的耐腐蚀性明显优于纯钛。另有学者对钛铌合金的生物学性能进行了研究。de Andrade等证实,Ti-35Nb具有与纯钛相似的生物相容性,而且多孔Ti-35Nb合金更有利于成骨细胞增殖分化,促进细胞外基质的形成。

    do Prado等将多孔的及致密的Ti-35Nb合金以及纯钛分别与成骨细胞共培养以检测基因表达情况,结果显示两种材料表面的成骨细胞基因表达无显著差异。这些研究表明,钛铌合金具有足够的耐腐蚀性和生物相容性,可促进成骨,有潜力成为种植体材料,但其力学性能等还有待学者进行研究证实。此外,Ti-In、Ti-Ag、Ti-Cu、Ti-Au、Ti-Pd、Ti-Mn、Ti-Mo、Ti-Cr、Ti-Co、Ti-Sn等二相钛合金,因具有良好的力学性能和生物学性能,亦受到口腔种植学者们的关注,但未来能否应用于临床还需要更多前瞻性研究和动物实验研究来提供更为科学的理论依据。

    1.2.3 钛铝铌合金

    学者们因担忧Ti-6Al-4V合金会释放毒性钒离子,对人体造成不良反应,于是Ti-6Al-7Nb合金被开发出来。Ti-6Al-7Nb合金无毒性,不仅具有与Ti-6Al-4V合金相似的力学性能,其耐腐蚀性能亦较强,近年已逐渐进入口腔种植学者的视线。Challa等提出,Ti-6Al-7Nb合金表面的MC3T3-E1细胞黏附、增殖、分化能力以及细胞外基质的蛋白表达水平优于Ti-6Al-4V合金,铌元素的添加不仅降低了合金的毒性,同时增强了合金表面的生物活性。

    Lee等将纯钛及Ti-6Al-7Nb合金种植体分别植入犬的下颌无牙区,愈合8周后活检显示,两组种植体的周围骨密度和骨结合能力无显著差异。基于以上研究可知,Ti-6Al-7Nb合金不仅保留了Ti-6Al-4V合金良好的力学性能,同时具有更好的生物相容性、生物安全性和耐腐蚀性,更有利于成骨细胞的黏附与增殖,骨结合能力与纯钛相当。

    1.2.4 钛铌锡合金(Ti-Nb-Sn)

    钛铌锡合金的弹性模量约为40 GPa,无细胞毒性,具有良好的耐腐蚀性能和骨组织相容性。Takahashi等从材料的生物力学、生物相容性和生物活性方面对钛铌锡合金进行研究后发现,钛铌锡合金表面ST-2细胞的增殖以及碱性磷酸酶活性与纯钛相当;并通过将钛铌锡合金和纯钛种植体分别植入鼠的股骨内,证实两组种植体测试值无显著差异,钛铌锡合金具有与纯钛相当的生物学潜力和骨结合能力。

    1.2.5 钛钽锆合金(Ti-Ta-Zr)

    钛钽锆合金合成后,钽可降低材料的弹性模量,锆可提高其耐腐蚀性能。Kim等的研究证实,随着合金中锆含量的增加,合金的亲水性能提高,Ti-25Ta-15Zr合金表面具有最佳的亲水性能。并且,该学者采用电化学沉积法制备了纳米管结构的Ti-25Ta-xZr合金,发现随着锆含量的增加,纳米管的排列从不规则的分布转变为一种高度有序的模式,这种表面形态可提高种植体的骨结合能力。可见,相比于纯钛,钛钽锆合金的弹性模量低,具有更好的耐腐蚀性和亲水性,而且骨结合能力较佳,有望成为替代纯钛的种植体材料。

    1.2.6 钛铌锆合金(Ti-Nb-Zr)

    钛铌锆合金延展性极大,弹性模量为79 GPa,具有优良的塑性变形能力,以及良好的力学性能和生物相容性。近年,有学者研究了钛铌锆合金在37 ℃人工唾液中的电化学行为。Ribeiro等采用电化学测量和X线光电子能谱等方法证实钛铌锆合金具有与Ti-6Al-4V合金相似的电化学腐蚀行为。Golvano等通过分析人工唾液中pH值和氟含量对Ti-13Nb-13Zr合金的腐蚀行为和摩擦性能的影响,证实人工唾液中氟含量为0.1%、pH值为3.5时,磨损与腐蚀之间存在协同作用,Ti-13Nb-13Zr合金具有与纯钛相似的耐腐蚀性能,但在往复滑动测试中Ti-13Nb-13Zr合金显示更高的磨损率。钛铌锆合金的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性优良,有潜力成为口腔种植体的候选材料。

    1.2.7 钛铌锆锡合金(Ti-Nb-Zr-Sn)

    钛铌锆锡合金是一种高强度、低弹性模量的新型钛合金。此外,Cheng等的研究证明Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的耐腐蚀性能优于纯钛和Ti-6Al-4V合金。Nune等认为Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金因其独特的化学性质和较高的亲水性能,有利于成骨细胞的黏附、增殖、分化、矿化以及相关蛋白质的合成,未来有望应用于临床。

    1.2.8 钛铌钽锆合金(Ti-Nb-Ta-Zr)

    钛铌锆钽合金具有与Ti-6Al-4V合金相似的组织相容性,可促进成骨细胞的增殖,提高碱性磷酸酶的活性。Stenlund等将钛铌钽锆合金种植体和纯钛种植体分别植入大鼠胫骨7和28 d,结果显示钛铌钽锆合金种植体周围骨质愈合速度快,无炎性反应,具有与纯钛相当的骨结合能力,这为进一步优化该合金的力学性能提供了依据。Ozan等通过冷坩埚悬浮熔融方法制备出钛铌钽锆合金,检测该材料的压缩应变为22%~36%,压缩强度为1 787~1 807 MPa,具有优异的细胞相容性、力学性能和弹性应变能力。因此,钛铌钽锆合金有潜力成为纯钛种植体的替代材料。

    1.2.9 钛铌锆钽硅合金(Ti-Nb-Zr-Ta-Si)

    近年来,口腔种植学者们逐渐开发研究新型五相钛合金——钛铌锆钽硅合金。Meng等的研究发现,钛铌锆钽硅合金表面共培养的MG63细胞的早期黏附与增殖分化优于纯钛材料;并将钛铌锆钽硅合金种植体和纯钛种植体植入兔的股骨内,愈合4、8、12周后拉出实验显示,与纯钛相比,钛铌锆钽硅合金种植体早期阶段可提高周围骨的形成速度。Wang等动物实验结果显示钛铌锆钽硅合金种植体的骨结合能力与纯钛相当,可提高种植体植入后早期周围骨的矿化沉积速率。然而,学者们仅做了初步研究,对于该材料的力学性能和耐腐蚀性能还需深入的研究与证实。

    1.3 钽及钽基金属

    钽金属在空气中极易形成一层致密的氧化膜(Ta2O5),使其具有稳定的生物惰性。钽在体内不发生电化学腐蚀,无金属离子释放,具有良好的生物相容性。但钽的力学强度过高,限制了其在骨科和牙科领域的应用。因此,多孔结构的钽被开发出来,多孔钽类似骨小梁结构,孔隙率为75%~85%,抗弯强度为110 MPa,弹性模量为3 GPa,多孔钽可促进成骨细胞的增殖分化和新生血管的形成,增强骨与种植体之间的结合强度。

    Kim等将多孔钽种植体和纯钛种植体分别植入犬的颌骨内,发现两者的稳定性无显著差异,但多孔钽内有明显的骨组织长入,具有更好的骨结合能力。因此,以多孔钽为基础的生物金属材料在口腔种植体应用方面拥有广泛的前景。

    1.4 金属玻璃

    块状金属玻璃(bulk metallic glass,BMG)又称非晶玻璃,是一种采用合金形式设计的固体金属材料。新开发的锆基块状金属玻璃(Zr61Ti2Cu25Al12)的弹性模量为83 GPa,具有较高的断裂韧性和耐磨性,以及优良的玻璃成型能力。此外,Zr61Ti2Cu25Al12还可促进成骨细胞黏附与分化,促进成骨基因的表达。一些学者将Zr61Ti2Cu25Al12和纯钛分别与人脐静脉内皮细胞共培养后发现,2种材料表面细胞的黏附与增殖无显著差异,但Zr61Ti2Cu25Al12表面的细胞分化能力更佳;在仓鼠体内进行的口腔黏膜刺激实验显示,Zr61Ti2Cu25Al12和纯钛的苏木精-伊红染色(hematoxylin-eosin staining,HE)、血液分析、扫描电子显微镜结果均无显著差异,说明Zr61Ti2Cu25Al12具有与纯钛相当的生物相容性,有望成为口腔种植体的备选材料。

    2. 陶瓷

    2.1 氧化锆

    陶瓷色泽美观,颜色接近天然牙,具有良好的生物相容性,学者们一直尝试将其作为种植体材料应用于临床。氧化锆作为一种生物陶瓷,力学强度可以达到1 200 MPa,断裂韧性为6~10 MPa·m-2,具有优良的空间稳定性和生物相容性,而且不利于菌斑附着,已应用在临床上。Gahlert等将喷砂酸蚀的氧化锆和钛种植体植入迷你猪的颌骨内,愈合4、8、12周后进行检测,2种材料均显示直接的骨结合,且种植体周围骨密度和骨接触率均无显著差异。

    Winkelhoff等对121例氧化锆种植体临床回顾研究发现,种植体3年存活率为96.5%,牙周袋深度和出血指数均明显低于天然牙,种植体周围具有健康稳定的软硬组织。然而,Chen等认为,虽然氧化锆在骨科和牙科方面应用效果良好,但长期的临床数据仍然缺乏,其作为牙种植体材料的磨损、结晶降解、裂纹扩展和脆性断裂等问题仍存在争议。

    近年来,Goyos-Ball等采用3D打印技术制备出铈稳定的氧化锆-氧化铝复合材料,将其与SaOS-2细胞共培养,结果显示该材料可促进细胞增殖与分化。Lopez-Píriz等也将新型铈稳定的氧化锆-氧化铝纳米复合材料与SaOS-2细胞共培养,发现材料无细胞毒性,犬的颌骨内植入结果显示,此新型材料具有较高的骨结合率和软组织附着能力,且无炎症迹象。但是该材料能否作为种植体材料还需要进一步的研究。

    2.2 玻璃陶瓷(glass ceramic,GC)

    GC是由玻璃的可控成核和晶体化制备而成,其性能可根据具体应用而定制,具有良好的物理和生物特性,且这些性能可以通过改变基材玻璃成分或热处理条件而得到改善,因此逐渐进入口腔种植学者的视线。GC弹性模量(96±3) GPa,硬度(5.27±0.26) GPa,断裂韧性(4.77±0.27) MPa·m-2,说明其具有优良的机械加工性。GC在模拟体液中浸泡后,表面可形成了一层羟磷灰石,表明其具有潜在的生物活性;与MC3T3-E1细胞共培养后发现,GC表面细胞的附着、扩散和增殖能力与纯钛相当,具有良好的生物相容性。

    Saadaldin等用不同的化学成分制备了高强度、可加工的烧结硅灰石玻璃陶瓷,研究发现其具有良好的化学稳定性、可加工性,它的化学耐久性满足了ISO6872牙科陶瓷规范,可加工的GC有望作为非金属牙种植体材料替代商业纯钛。

    2.3 氮化硅(Si3N4)

    氮化硅是一种合成的非氧化物陶瓷,具有良好的耐磨性、断裂韧性,自1989年起作为生物医学材料应用于临床。Webster等通过在种植体周围接种葡萄球菌对氮化硅的抗菌性能和成骨能力进行研究后发现,注射生理盐水组氮化硅、钛、聚醚醚酮(polyether-ether-ketone,PEEK)植入物表面新骨形成的百分比分别为69%、36%、24%,细菌组氮化硅、钛、PEEK种植体表面新骨形成百分比分别41%、26%、21%,表面细菌数分别为0%、21%、88%,说明氮化硅具有骨诱导能力和抗菌性能。与之相类似,Gorth等的实验也证实,氮化硅可减少细菌生物膜的形成,抑制细菌的增殖,表面细菌活性更低。因此,氮化硅满足口腔种植体材料的各方面性能需求,且具有潜在的抗菌性能,可提高种植体的成功率。

    3. 高分子材料

    3.1 PEEK

    PEEK是一种高性能热塑性聚合物,具有良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性,弹性模量为3~4 GPa,与纯钛(110 GPa)相比,更接近于人骨(20~30 GPa),不会出现应力遮挡,可有效地将骨组织界面的应力均衡传递,对维持骨结合界面的稳定、提高种植体的长期成功率具有重要的意义。此外,PEEK是一种射线透射性材料,可避免金属植入物在进行影像学检查时产生的伪影。Schwitalla等采用静态压缩实验对PEEK的力学强度进行评估,结果显示PEEK的抗压强度为122.77 MPa,可作为牙种植体承担咀嚼咬合力。然而,PEEK属于生物惰性材料,当被植入体内时,不利于其与周围的骨组织形成良好的结合,限制了它的潜在应用。因此,近年来学者们开始将研究的重点放在对PEEK进行改性处理以提高其生物活性。

    Wu等采用粉末混合和压缩成型的方法制备出纳米TiO2-PEEK复合材料,将其与MG63细胞共培养后发现,该材料可促进细胞的黏附与增殖;又将其植入犬的股骨内,结果显示纳米TiO2-PEEK种植体周围可见更多的新生骨形成,骨结合能力更佳。Wang等对纳米氟羟磷灰石-PEEK复合材料的研究表明,该材料可提高成骨细胞的黏附、增殖、分化能力和碱性磷酸酶活性,促进骨结合,并可抑制细菌的增殖和生物膜的形成。

    Wang等采用钛等离子体浸没离子注入技术对碳纤维增强PEEK的表面进行了改性,构建了一种独特的多层纳米结构,将改性后PEEK与人牙龈成纤维细胞共培养后发现,该材料可提高细胞的黏附、增殖和胶原分泌能力,抑制血液中的脂肪再生,具有可持续的抗菌性能。这些研究都为PEEK作为口腔种植体材料的应用提供了实验依据。

    3.2 聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)

    PMMA强度高、耐光老化,质轻而坚韧,在常温下具有优良的拉伸强度和弯曲强度。有研究报道,PMMA已经应用于人造关节和人造骨。近年来,有学者对其在口腔种植领域的应用进行了初步研究。Cuijpers等将钛涂层的PMMA种植体植入犬的下颌骨,植入4周后发现,种植体无明显的炎症反应迹象。李小东等的研究证实,PMMA在细胞毒性、种植后引发的炎症反应以及生物相容性方面均优于纯钛。PMMA能否作为口腔种植体材料应用于临床有待进一步研究。本文仅就目前口腔种植体新材料的研究进展方面进行综述,口腔种植领域除种植体材料外,还存在促进成骨、引导骨组织再生等种植相关材料方面的研究,这些材料也可提高骨缺损处植入种植体的成功率,亦是当今的研究热点。

    4. 展望

    选择理想的口腔种植体材料是种植修复成功的关键因素之一。为提高长期种植成功率,改善患者的生活质量,学者们一直致力于研究和探寻各方面性能更加优异、更加理想的口腔种植体材料。本文所综述的以上种植体材料中,纯钛及钛合金、氧化锆种植体在临床虽已有所应用,但还存在相应不足之处,如金属及其合金强度高,然而弹性模量相对较大,存在应力遮挡效应;陶瓷色泽美观,却存在脆性大、易折裂的问题;高分子材料弹性模量与骨组织接近,但其强度和表面成骨活性还有待于进一步研究,这些均是今后亟待解决的问题。

编辑: 陆美凤

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