低温等离子体促进钛种植体骨结合的研究进展

2021-5-4 16:05  来源:华西口腔医学杂志
作者:敖小刚 陈文川 阅读量:9074

    钛及其合金因具有较好的机械性能、理化稳定性、生物相容性和与骨相似的弹性模量等,一直以来作为牙种植材料被广泛地应用于临床,被越来越多的牙列缺损或缺失患者接受。牙科种植体的临床成功取决于骨结合,即牙槽骨与种植体表面之间的直接接触和功能连接。

    在骨结合的研究中,骨与种植体接触(bone-implant contact,BIC)是常用的评估指标。BIC值的大小与种植体材料类型、表面性质(如表面形貌、化学组成、亲水性)、愈合时间等有着较大的关系。常规BIC值介于52%~78%,未达到理想的100%。可能的原因在于种植体在生产过程中其表面被大气碳化和有机污染,导致种植体在生产完成到植入牙槽骨期间发生生物学老化。此外,当存在糖尿病、骨质疏松等不利条件时,会对种植体骨结合产生负面影响,显著地降低BIC,降低种植体的成功率。因此,提高种植体的骨结合效率,提高牙种植体的成功率,减少种植体周围炎和种植体周围黏膜炎的发生十分必要。

    近年来,许多学者将研究方向集中于钛表面改性,通过改性后增加其表面的生物活性,从而提高骨结合和软组织愈合的效率。常用的钛表面改性方法有喷砂、酸蚀、阳极氧化、活性物质涂层、基因涂层、化学气相涂层等。各种改性方法在一定程度上都促进了钛种植体与牙槽骨之间的骨结合,提高了BIC值,所以钛表面改性对增加种植体的骨结合效率具有积极作用。近年来,低温等离子体技术引起了广泛的关注,它为材料表面改性提供了一种简单、有用且方便的方法。

    许多学者将其应用于钛种植体表面改性,大量的体外实验证明了低温等离子体改性钛表面后可以提高骨结合细胞的生物学性能,减少细菌的定植。此外,相关体内实验已证实低温等离子体改性的钛种植体表面显著提高了BIC值,加速了种植体周围新骨的形成。因此,低温等离子体改性钛表面可以提高种植体的骨结合,减少种植的失败。现将低温等离子体改性钛种植体表面影响骨结合的体内外研究进展作一综述。

    1.低温等离子体概述

    等离子体是继固态、液态、气态之后物质的第四种状态,是一种具有高位能的电中性气体团。当气体电离度小于1%时,被称为低温等离子体,含有大量的中性原子、离子、分子及自由基等。低温等离子体主要是通过低频交流放电、电晕放电、介质阻挡放电、大气压等离子体射频、直流辉光放电、微波等离子体等不同的方式产生。

    低温等离子体是温度为数十电子伏以下的电离气体,其粒子能量为几个至几十个电子伏特,大于材料的结合键能,所以可破坏材料表面有机大分子的化学键而形成新键,对材料产生表面改性作用。除材料改性外,它还具有消毒灭菌、牙齿美白、杀灭癌细胞、增强粘接、促进血液凝结等作用。因此,在口腔医学领域,低温等离子体逐渐受到许多学者的青睐,被广泛地应用于如牙齿美白、抑制口腔致病菌、根管消毒与灭菌、牙本质与修复体粘接等。

    而在牙科植入物领域,由于低温等离子体对材料改性的能力,被研究者应用于钛种植体表面改性。通过影响钛表面的物理、化学和生物性质,提升其生物活性及生物相容性,进而改善种植体骨结合过程,促进种植体的成功。

    2.低温等离子体对钛表面性质的影响

    2.1 表面形貌材料

    表面形貌会对细胞生物学行为产生一定的影响:如钛种植体表面形貌会影响蛋白质的吸收和成骨细胞与破骨细胞等的黏附、增殖及骨矿物质合成等。研究发现:当使用常规低温等离子体(功率200 W;气源为20 slm氩气与30 sccm的氧气)处理钛表面时,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和光学3D成像系统等设备检测处理后的钛表面,发现钛表面的形貌未发生改变。这种现象在Henningsen等使用的等离子体(功率24 W;频率100 kHz;压力0.5 mbar;气源为氧气与氩气)改性钛表面实验中也同样观察到。

    此外,Ulu等发现,使用低温等离子体(脉冲时间2.5 us;频率1.2 kHz;功率5 W)处理细菌感染的种植体时,不会使钛种植体表面形貌发生改变,维持最初种植前的表面形貌。因此,常规低温等离子体处理钛表面后能够保持其原有的表面形貌,不会影响种植体最初生产时所设定的最有利于骨结合的合适表面形貌参数,进而不会影响骨结合过程。而对用等离子体增强化学气相沉积技术(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)产生的镀膜低温等离子体,它可在材料表面形成一层生物活性层。

    相关研究发现,PECVD产生的低温等离子体(功率50 W;频率13.56 mHz,压力0.05 bar,气源为氩气与庚胺)处理时钛表面时,可在其表面形成一层氨基生物分子层,改变钛表面的表面形貌。刘想梅等研究也发现:低温等离子体(功率30 W;压力6 Pa;气源为氩气与丙烯胺)聚合的钛表面与对照组相比,粗糙度降低,表面岛状拓扑结构更加均匀,且在z轴方向上的尺度明显地降低。虽然这种低温等离子体处理改变了钛表面设定的最佳表面形貌参数,但是由于引入了生物活性层,对种植体表面骨结合的细胞学过程影响远大于表面形貌参数的改变。

    2.2 表面元素组成

    用于牙科植入物的钛材料,主要由钛(Ti)、碳(C)、氧(O)、氢(H)、氮(N)等元素组成。在生产过程中由于空气的污染,常导致钛表面形成过多的C-C与C-H键。生物医用材料表面碳水化合物中C-C与C-H键的存在会影响材料的表面能,导致其亲水性发生改变。研究表明:降低生物材料表面的碳百分比能够促进材料植入过程中细胞黏附和成骨分化,而碳含量过高时会对细胞活力产生负面影响。

    Kim等研究发现:通过X射线光电子能谱(X ray photo electron spectroscopy,XPS)扫描低温等离子体处理的钛表面,观察到等离子体处理组O1s峰的密度高于未处理组,而C1s峰的密度却低于未处理组。结果表明等离子体处理增强了钛表面的O含量,降低C含量。其主要原因在于等离子体中具有高能量的电离物质破坏了钛表面C-C和C-H中的化学键,重新形成了有利于亲水性的O-H键,从而提高材料的表面能。其他的学者也得到相同的结果。因此,等离子体处理能够有效地去除钛种植体表面的碳污染,形成有利于骨结合的表面能。

    2.3 接触角

    接触角是指液滴在固体表面达到平衡状态时,通过液滴边缘三相点(气、液、固点)作液滴曲面的切线,曲线在液滴接触面一侧与固体表面的夹角(θ)受表面张力大小的影响,反映材料的亲疏水性。研究发现:低温等离子体(电压25 kV;频率20 kHz,气源为5 L·min-1的空气)处理能够增强钛表面的亲水性与表面能,降低钛表面的水接触角。

    亲水性的增加有利于骨整合早期阶段中单核细胞的黏附、血小板的激活和血凝块的形成,同时还能显著地促进成骨与血管生成相关基因的表达,诱导更快的骨-种植体接触。低温等离子体处理使钛表面疏水性表面转变为亲水性表面,导致接触角降低。可能的机制是由于高能量的低温等离子体成分(如活性氧、羟基等多种活性自由基)裂解了钛表面部分原有官能团,形成了新的亲水性功能基团,从而提高钛表面的亲水性。

    3.低温等离子体改性钛表面的体外研究

    3.1 低温等离子体对钛表面成骨细胞的影响

    众所周知,种植体若要与牙槽骨形成良好的骨结合,肯定离不开成骨细胞,它是骨结合形成的必要条件。因此,利于成骨细胞生长或促进其活性的方法都能加速与优化骨结合过程,从而促进种植成功,减少失败病例的发生。相关研究发现:与未处理的钛片相比,培养在低温等离子体改性钛片上的成骨细胞表现出更快的细胞生长速度、更大的细胞生长面积和更好的细胞代谢活力。

    Seo等将鼠前成骨细胞(MC3T3-E1)同样培养在低温等离子体(电压2.24 kV;电流1.08 mA;功率2.4 W;频率12 kHz;气源为5 L·min-1的压缩空气或氮气)改性的钛表面,发现细胞黏附数量及活性都优于未处理的对照组,逆转录-聚合酶链反应分析显示碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2,Runx2)、骨钙素(osteocalcin,OCN)和骨桥蛋白(osteopontin,OPN)等成骨相关基因的表达同样高于对照组。

    此外,其他学者也得出了相似的实验结果。出现上述情况的主要原因在于:低温等离子体对钛表面的去污、碳的清除及相关化学键与基团的引入,导致其亲水性增加,从而利于成骨细胞的生长、代谢及分化等。

    3.2 低温等离子体对钛表面细菌的影响

    在种植体的表面,存在着细菌与成骨细胞的黏附竞争。如果细菌的竞争作用强于成骨细胞,常会导致骨结合的失败。即种植体表面细菌的黏附和积聚通常会导致种植失败,这种情况在临床上表现为种植体周围炎。去净种植体表面的细菌生物膜和减少细菌在其表面的黏附对于口腔种植的成功是十分重要的。因此,为了抑制细菌的黏附,对钛种植体表面进行改性显得比较有意义。

    Lee等发现,低温等离子体(电压15 kV;电流13 mA;气源为5 L·min-1的压缩空气)处理钛表面后能够降低细菌黏附和生物膜形成的速率,这种效果对革兰阴性细菌的作用更强。Lee等(电压15 kV;电流13 mA;气源为1 000 sccm的氮氨混合气体)与Jeong等(电压2.24 kV;电流1.08 mA;气源为5 L·min-1的氮气)将低温等离子体处理钛表面后,能够减少溶血链球菌对钛表面的黏附,从而减少微生物在植入物表面定植,降低种植体周围炎或种植失败的发生率。

    此外,Ulu等研究发现低温等离子体(脉冲时间2.5 us;频率1.2 kHz;功率5 W)处理也可以减少钛表面金黄色葡萄球菌的黏附及生长。细菌在材料表面的黏附主要与材料的表面形貌和亲水性有着密切的关系。在这其中,亲水性的影响大于表面形貌。

    低温等离子体处理后,改变了钛表面的化学组成,提高表面能与亲水性。材料表面亲水性的提高可显著减少细菌的黏附。此外,细菌在材料表面的黏附又取决于两者的亲水性和疏水性是否一致。链球菌是最先定植在植入物表面的细菌,同时还是一种疏水性细菌。因此,当钛表面的亲水性提高以后,在植入初期使其不容易黏附于表面。此外,常规低温等离子体处理不会改变钛表面形貌,能够保持其原有的纳米尺度的表面粗糙度,使其抗菌性不发生变化。在钛表面形成生物活性层的低温等离子体虽然改变了钛表面的表面形貌,但是形成的生物活性层对细菌的抑制效果远大于形貌改变带来的影响。

    4.低温等离子体改性钛表面的体内研究

    既然低温等离子体改性钛表面后的体外作用很明显,那么它的体内作用效果如何呢?Danna等发现,当把低温等离子体(电压230 V;功率65 W;频率1.5 mHz;气源为5 L·min-1的压缩空气)处理的钛种植体植入比格犬3周与6周以后,处理组的BIC与骨区域占比(bone area fraction occupancy,BAFO)都明显高于未处理组,组织学分析也发现处理组种植体表面形成更多的编织骨,而且形成的骨比较均匀。

    Hung等将低温等离子体(高电压;频率0.5~4 kHz;气源为1.8 L·min-1的氩气与0.01 L·min-1的氧气)处理的钛种植体植入比格犬4、8、12周后发现,各时间点处理组的种植体稳定系数(implant stability quotient,ISQ)值都大于对照组,且组织学分析同样发现处理组表面形成更多的骨组织。因此,低温等离子体处理钛种植体表面能够增强骨结合。其可能的机制在于:低温等离子体处理钛种植体后,使其表面性质发生变化,影响骨结合相关的细胞学行为,从而促进种植体表面骨组织的形成。

    5.总结

    综上所述,在钛表面性质方面,低温等离子体改性钛表面后,一定会改变其表面的化学组成、亲水性和接触角,但对其表面形貌的影响会因等离子的种类不同而不同。体外研究中,低温等离子体改性的钛对成骨细胞及细菌表现出不同的生物学反应,对成骨起到促进黏附及生长分化的作用,而对细菌表现出抑制效果。体内研究中,低温等离子体处理钛种植体表面后可以增强种植体的BIC、BAFO、早期稳定性和种植体表面骨组织的形成。

    因此,以上研究证明,低温等离子体改性钛种植体表面后,对于促进其骨结合具有积极的作用。但目前大部分体内外实验都是进行现象观察,未对产生现象的机制作详细的探究。对于研究中使用的低温等离子体改性参数(电压、电流、功率、气源、时间等)方面,不同研究者所采用的参数也并不一样。因此,还需要更多的科研工作者投身于该研究中,进一步探究其改性的详细机制,以及对改性参数的优化。笔者相信,低温等离子体用于钛表面改性将会是未来促进钛种植体骨结合的一种重要手段。

编辑: 陆美凤

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