種植體的表面改性與促進(jìn)成骨

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，對種植體功能的正常行使十分重要。經(jīng)過長期的臨床隨訪研究，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，國內(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原理長期以來，人們多采用物理或化學(xué)的方法，對種植體表面進(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)改性即是通過將特定的蛋白，酶或肽固定于種植材料表面，來誘導(dǎo)特殊細(xì)胞分化和組織改造，或者說通過將分子直接引入到種植體界面來控制骨整合的發(fā)生與發(fā)展。此法著眼于利用骨組織形成過程中的一些決定性的有機(jī)成分，即生物活性分子來影響組織反應(yīng)。因?yàn)楣钦现饕揽砍晒羌?xì)胞增殖和分化，來促進(jìn)新骨形成。而上述生物因子對于成骨細(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)愈合整個過程，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誘導(dǎo)骨形成，但在4周時，就開始發(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，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，并無任何炎癥反應(yīng)。Jimbo等［2］報道血漿纖維（PFN）具有調(diào)整活體細(xì)胞生長，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生長因子在骨組織修復(fù)改建中，生長因子起重要作用。與骨組織相關(guān)的生長因子有：1）轉(zhuǎn)化生長因子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）纖維生長因子（FGF），刺激骨和軟骨細(xì)胞的增殖，也是刺激血管生長的血管生長素。5）血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），VEGF在血管形成過程中起著中心作用，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，通過對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］報道應(yīng)用包含轉(zhuǎn)化生長因子-61（TGF-beta-1）和胰島素樣生長因子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入。也有一些學(xué)者對生長因子誘導(dǎo)成骨提出疑問°Hanisch等［5］將4個獼猴的側(cè)切牙和第一前磨牙拔除，并在頰側(cè)造出一個6mmX4mm的裂開型缺損，植入種植體，缺損處用rhBMP-2/ACS復(fù)合物覆蓋，對照組僅植入種植體。16周后處死動物，實(shí)驗(yàn)組與對照組新生成骨的垂直高度、種植體-骨結(jié)合率都沒有顯著差異。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，更多的研究是直接通過細(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程中起著至關(guān)重要的作用。Elmengaard等［6］通過研究以評估RGD肽鏈涂層對種植體周骨整合的作用。將柱狀有和無鈦鏈涂層的Ti6A14V種植體以適當(dāng)?shù)膲毫ν瑫r植入狗的脛骨中，無功能負(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涂層組顯著增多，同時，種植體周纖維組織形成顯著減少。對于RGD肽鏈涂層種植體來說，當(dāng)骨界面受到剪切力時，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)，是指在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽極上發(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)。這一氧化層的時相和形態(tài)學(xué)特征依賴于MAO處理過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時相有脫肽礦轉(zhuǎn)化為金紅石。在MAO處理過程中，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)為對照組。通過不同的表面分析技術(shù)檢測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，測量移動轉(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)度都顯著高于對照組。實(shí)驗(yàn)組的結(jié)合失敗多發(fā)生在骨組織，而對照組則多發(fā)生在骨-種植體界面。由此可見，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)物來促進(jìn)成骨［14］。3.1.2其它Habibovic等［15］報道，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)，而且操作簡單，成本低廉［15-16］。Grassi等［17］為評估噴砂+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)過兩個月無任何負(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。國外多家公司正在開發(fā)具有骨誘導(dǎo)生長因子的種植體［18］。Liu等［19］報道在鈦合金表面沉積鈣磷涂層的過程中同時沉積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，同時還有一定的骨誘導(dǎo)作用。近年來一些學(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 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