（生物医学工程专业论文）钛种植体不同粗化处理表面的性能研究.pdf

染元素的存在，同时显示了钛种植体表面经过粗化后各种表面处理方式对钛基 材腐蚀性能影响的差异。蛋白吸附表明各时间段各种植体表面吸附蛋白量无显 著差异，但电腐蚀粗化种植体有较高的蛋白吸附量。细胞培养研究结果提示： 在各时间段对细胞增殖率的影响差异无显著性，但其对a l p 表达的影响，结果发 现在第6 d e e 组明显高于其它组。动物植入试验表明，随时间的延长各种表面处 理组的种植体与骨组织结合强度逐渐增加，在各时间段粗化面与光滑面相比， 前者有更大的剪切强度，其中电腐蚀面种植体显示了更高的剪切强度。 以上结果表明，不同粗化处理技术对种植体表面形貌、表面化学成分、表 面能、表丽腐蚀性能等理化性能的改变有所不同，这对我们深入了解随后的生 物学反应有重要的意义。从表面蛋白吸附到细胞增殖粘附到体内骨组织的长入， 这一过程与种植体表面理化性能紧密相关。各种表面粗化处理技术对生物学性 能的影响有助予我们筛选临床上适合的种植体表面租化处理方式。比较而言， 电腐蚀能够提供有利于骨组织长入的种植体粗糙表面，可以作为钛种植体表面 粗化处理方式在临床上试用。 关键词：粗化处理粗糙表面表面形貌污染腐蚀性蛋白吸附细胞增殖 剪切强度 i j t h es t u d yo np r o p e r t i e so fs u r f a c e so ft i t a n i u m i m p l a n t st r e a t e db yd if f e r e n tr o u g h i n gm e t h o d s s p e c i a l t y ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：c a oh o n g d a n s u p e r v i s o r s ：w ud a y i ，y a n g x i a o d o n g a b s t r a c t s u r f a c et r e a t m e n tw a sa n s i m p l e e f f e c tiv em e t h o do fs u r f a c e m o d i f i c a t i o n t h er o u g h n e s st r e a t m e n to ft i t a n i u mi m p l a n ts u r f a c ec o b 】d i m p r o v et h eb o n eb o n d i n ga n di n c r e a s et h es u c c e s sr a t eo fi m p l a n t b u t t h ed i f f e r e n c eo fd i v e r s et r e a t m e n t sw a ss t i l lu n k n o w n i nt h is s t u d y w ec o m p a r e ds e v e r a lp y s i o c b e m i c a lp r o p e r t i e ss u c h2 1 st h em i c r o s t r u c t u r e ， s u r f a c ec o n t a m i n a t i o na n ds u r f a c ee n e r g y ，w a t e rc o n t a c ta n g l ea n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo np o l i s h e dt r e a t m e n t ( p t )a n ds a n d b l a s t i n gw i t h a 1 u m i n a ( s a ) ， s a n d b l a s t i n g w i t ha l u m i n i aa n d a c i d e t c h e d ( s a a ) ， s a n d b l a s t i n g w i t ht i t a n i u m a c i d e t c h e d ( s t a ) ， e l e c t r o e r o s i o n t r e a t m e n t ( e e ) f o u rd if f e r e n tr o u g h n e s st r e a t m e n t ss u r f a c eb ys c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，c o n t a c t a n g l et e s ti n s t r u c t i o na n di n d u c t i v e l yc o u p e dp 1 a s m a ( i c p ) s o m e b i o l o g i c a lc h a r a c t e r s 。f o re x a m p l e ，a l b u m e na d s o r p t i o n ，c e l lc u l t u r e ， a n i m a lt e s tw e r ea l s oa p p lie dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fd i f f e r e n t s u r f a c eo np r o t e i na n dc e l la d h e r e n c e ，o ni m p l a n t b o n eb o n d i n g t h er e s u l to fs e ms h o w e dt h a ts u r f a c es h o w e di r r e g u l a r i t i e sa f t e r r o u g h n e s st r e a t m e n t sa n d t h es u r f a c ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tr o u g h n e s s t r e a t m e n t sh a ds o m ed i s t i n c t i o n s ，s a aa n ds ah a ds o m es h a r p l ye d g e sa n d p r o t r u t i o n s ，t h es t as h o w e dr e g u l a rp a t t e r n1 i k eh o n e y c o m b ，b u tt h ee e t r e a t e db ye l e c t r i ce r o s i o ne x h i b i t e dt h ed e e p e rp o r e sw i t hd i f f e r e n t s i z e sa n dt h ep o r e sw i t has e c o n d a r ys t r u c t u r ew e r ep e r f o r a t i o n 。t h ee d s i l l in d ic a t e dt h a tt h es u r f a c ee x i s t e dc o n t a m i n a t i o na f t e rt h et r e a t m e n to f f o r e i g nm a t e r i a i s ，：h es as u r f a c eh a ds o m ee m b e d d e dc o n t a m f n a t i o n se v e n a f t e ra c i de t c h i n g w a t e rc o n t a c ta n g l ei n d i c a t e dt h a tt h e r ew a sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ea f t e r3 0s e c o n d ，b u tt h e r ew a sd i f f e r e n ta f t e r l os e c o n d t h er e s u lto fi c pf u r t h e rc o n f i r m e de x s is t e n c eo f c o n t a m i n a t i o n so ns a aa n ds a ，a n dd i f f e r e n ts u r f a c e so ft i t a n i u mi m p l a n t s s h o w e dt h ed i f f e r e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c eb yt h ee x a m i n a t i o no fi c p a ib u m e na d s o r p t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i v e r g e n c e a m o n gt h ed if f e r e n ti m p la n ts u r f a c e s ，b u tt h ee es u r f a c es h o w e dt h e h i g h e ra m o u n to fp r o t e i n c e l le u l t u r er e s e a r c hp r o m p t e dt h a td i f f e r e n t t r e a t m e n t sh a dn os i g n i f i c a n td if f e r e n te f f e c t so nt h eg r o w t hr a t eo f c e l1 ，b u tt h ee x p r e s s i o no fa l po ne es u r f a c e sw a sh i g h e rt h a no t h e r s o n6d a y s p u s h o u tt e s td i s p l a y e dt h a tt h ei m p l a n t b o n eb o n d i n gi n c r e a s e w it ht h et i m e ，a n dr o u g h n e s ss u r f a c e sw a sah i g h e ri m p l a n t b o n eb o n d in g t h a nt h es m o o t hs u r f a c e a m o n gt h er o u g h n e s ss u r f a c e s ，e es u r f a c e ss h o w e d t h eh i g h e s ts h e a rs t r e n g t ha tt h e2a n d3m o n t h s t h ea b o v er e s u lt si n d i c a t e dt h a td if f e r e n tr o u g h n e s st r e a t m e n t sh a d t h ed i f f e r e n te f f e c t so nt h ea l t e r a t i o n so fs u r f a c em i c f o s t r u c t u r e ， s u r f a c ec h e m i c a lc o m p o n e n t ，s u r f a c ee n e r g y ，w h i c hp r o v i d e dg o o de v id e n c e f o ru s t ou n d e r s t a n dt h e f o l l o w i n gb i 0 1 0 9 i c a lr e s p o n s e sf r o mt h e b i o m a t e r i a la s p e c t s f r o mt h ea l b u m e na d s o r p t i o nt ot h ec e l la d h e r e n c e t ot h eb o n et i s s u eg r o w t h ，t h ec o u r s e sw e r ea f f e c t e db yi m p l a n ts u r f a c e p h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e s t h ee f f e c t so fs u r f a c er o u g h n e s st r e a t m e n t s o nb i o l o g i c a lc h a r a c t e r sw e r eh e l p f u lt of i n dt h ef i t t e s ti m p l a n t r o u g h n e s si nc l i n i e c o m p a r a t i v e l y ，t h ee es u r f a c ec o u l dp r o v i d eab e t t e r r o u g h n e s ss t r u c t u r e st h a tw a sb e n e f i c i a lt ob o n eb o n d i n g ，a n ditm i g h t b eai m p l a n ts u r f a c et r e a t m e n tt ou s ei n c li n i c k e yw o r d s ：r o u g h n e s s t r e a t m e n t s ，r o u g h n e s ss u r f a c e s c o n t a m i n a t i o n ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，a l b u m e na d s o r p t i o n ，c e l lp r o l i f e r a t i o n ，s h e a rs t r e n g t h 四川大学硕士学位论文 第一章引言 u 腔种植牙是近年来在口腔医学领域发展的门新兴技术，在过去的三十 年里种植牙技术在口腔颌面外科中发挥的越来越大优势已经被人们所重视。它 已逐渐成为研究生命科学的一个重要组成部分，从而具有强大的活力，在短短 的十几年间，就取得了丰硕的成果，显示出了它在口腔医学中的先导和推动作 用。据统计【1 1 ，每年大约有1 0 0 ，0 0 0 - 3 0 0 0 0 0 个牙种植体在临床上使用。现代 种植修复经过几十年的临床应用，获得了满意的效果，已经成为一项较为成熟 的技术，并被科学界所接受。随着生活水平的提高和人口的老龄化，种植牙的 功能不仅体现在对缺失牙美学上的替代，更主要的是其对天然牙生理功能上的 替代，因此被人们称为人类的第三幅牙齿。它克服了传统义齿修复的局限性， 使大量用传统方式无法修复的牙缺失患者得到根本的治疗，从而提高了患者的 生活质量和健康水平。 近年来随着生物医学工程技术的发展及临床上对生物材料和人工器官需 求的增加，生物材料的研究和开发越来越受到国内外人士的重视。生物医用金 属材料具有高的机械性能和抗疲劳性，是临床上应用最广泛的植入材料。钛金 属因为有良好的耐腐蚀性能和生物相容性，是人工种植牙的理想材料。但钛余 属是一种生物惰性材料，不能与天然骨形成骨性结合，对于骨量不足和骨质疏 松的病人在体内它存在与骨组织结合强度低，生物活性差，愈合时间长等问题。 为增加种植体的表面积，促进骨结合，提高种植体和骨组织的结合强度，目前 许多种植体系统对植入体进行了表面处理。 随着口腔种植科学的发展，研究和开发骨种植材料，使之与周围骨组织形 成良好的生物活性结合，提高种植成功率是研究学者和临床医师期望的目标。 各种表面改性技术的出现对于完善钛种植体表面性能，提高其植入体内的生物 活性有重要的意义。表面粗化处理是一种简单经济的形态学改性方法。钛种植 体表面粗化处理后，不仅能够提高种植体的表面积，增加种植体与骨的机械嵌 合，而且可以影响种植体植入体内后的生物学反应。这些反应对我们完善种植 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 体优化设计和深入认识粗化处理在提高种植体的临床成功率方面的作用有重要 的意义。现就各种表面粗化处理方法的应用及发展现状进行回顾，并对种植体 表面粗化处理的生物学研究进展进行论述。 1 钛种植体表面形貌特性及粗糙表面在促进骨整合方面的作用 种植体作为植入人体内的医用装置，很多因素可以影响其种植质量。就种 植体的表面特征而言有两个因素可以影响骨整合：种植体表面的理化性质和表 面的形貌。在种植休表面，形成各种沟槽、螺旋、小孔洞等来增加其表面积是 很重要的。因为表面积愈小，与骨的接触面也愈小，对抗应力作用就愈低。例 如钉型种植体的表面积小，在单位面积受到的应力就愈大，而应力传导容易集 中，往往造成局部的骨组织吸收，其固位力也差。特别在骨形成初期，种植体 能否圃位将直接影响组织愈合。因此，在设计上应尽可能扩大种植体各部的表 面积，以促进组织附着，增强固位。 种植体表面按微形貌的不同可分为光滑表面( s m o o t h ) 即机加工表面 ( m a c h i n e - m a d e ) 和粗糙表面( r o u g h ) 两种。对于粗糙表面的定义为在制造 过程中固有的除表面波度，形状误差外的表面不规则化。关于粗糙表面的实验 表明，种植是否成功在很大程度上与种植体表面的粗糙度有很大关系【2 】。种植 体的表面微形态不仅可以决定组织细胞的附着增殖和分化 3 - 5 1 ，而且在很大程度 上决定种植体与骨组织的界面结合强度【6 l 。种植体设计的主要目的就是提高与 骨的结合能力，促进骨的早期愈合。增加种植体的表面积，用物理化学方法来 改变种植体的形貌，使之具有有利于骨组织附着的结构，逐渐成为种植体表面 改性的内容之一。尽管多年来机加工钛种植体表面被认为有很好的效果，但近 年来有大量临床研究表明【7 。8 l ，种植体表面粗化处理对提高种植体的成功率起着 重要的作用，表面粗化处理已经成为种植体表面改性的一个趋势和重要的研究 方向之一。 影响种植体在骨内稳定性的几个因素可以概括为：种植材料的生物相容性， 种植材料的表面形态，外科手术技术，病人骨量及生物力学因素【9 】，其中种植 体表面形态是影响骨组织愈合的一个关键因素。就表面形貌而言，粗糙表面与 2 四川大学硕士学位论文 光滑面相比，前者更有利于种植体的骨结合。粗糙表面处理后不仅能够扩大种 植体的面积，而且粗化后的微形貌特征将会对组织细胞在其上的粘附生长及粘 附强度产生重要影响【lo 】。材料表面光滑对骨组织的接触向导及锚定作用相对较 弱，而粗化处理后表面孔隙对体液交换及营养物质浓度的提高都有重要作用 i j ”。研究表明【i “，粗糙面的沟嵴形态可对组织起引导作用，如阻止上皮向下生 长及引导骨在种植体特定区域形成。增加表面粗糙度同时改变了种植体材料的 表面能和湿润度，而湿润度可以影响沉积在种植体表面的蛋自质的构形和构象， 促进细胞早期附着l l ”。微粗糙表面也可促进骨相关细胞的附着和分化，加快种 植体的早期稳固，促进骨组织的愈合速度，提高种植体界面的骨结合强度，改 善界面的结构，从而提高种植体的远期成功率。 2 种植体表面粗化处理方法 近年来，随着种植体表面改性技术的发展，人们已经在探讨表面粗化处理 方面已经作了大量工作。常见的粗化处理方法主要有以下几种： 2 1 烧结( s i n t e r ) 该方法在5 0 年代首先被应用于矫形外科，后来才被引入口腔种植学界，是 采用较早的表面处理方法。它是在高温超真空下，钛种植体核桩表面附以一层细 颗粒状涂层材料，材料一般为钛合金涂层厚度约为3 0 0 j 帅 这种方法具有耐蚀性优异，处理过程封闭，环境污染小等优点。近年来， 国内有报道用羟基磷灰石烧结涂层的方法【l ”，在8 5 0 c 和1 0 5 0 c 可控高温下烧 结h a 涂层，经x 线衍射谱及红外吸收谱检测，证实涂层仍保持 l a 组份和结构。组 织学观察证明：h a 涂层种植体具有良好的生物相容性，能与骨组织形成骨性结 合。同时，涂层的稳定性也比较好。该技术在一定程度上增加了种植体表面的粗 糙度，但其主要缺点是烧结后的涂层较厚，核桩的直径相对缩短，影响了种植 体的机械强度。涂层在基体上的分布也不均匀，与基体的结合强度比其它方法 低现在很少应用。 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 2 2 羟基磷灰石等离子喷涂( h y d r o x y a p a f i t ep l a s m a - s p r a y i n g ) 羟基磷灰石等离子喷涂法是现在临床上研究较为成熟、应用最多的方法。 这种方法是利用两直流电极之间产生的电弧使通过电极间的气体电离而形成热 等离子体，温度可达3 1 0 k ，将粉末材料送入等离子焰中加热熔融，并高速喷 射到金属基体上快速凝固而形成涂屡。通常用于喷涂的h a 耪中c a p 摩尔比约 1 6 7 ，h a 含量 9 8 ，粒径5 0 u m 8 5 um 。在钛及钛合金基体上制得的等离子喷 涂涂层主要由无定型相、颗粒内层的再结晶相和原结晶相组成，主要成分包括 h a 、氧磷灰石、磷酸三钙( t c p ) 等。喷涂功率、距离、热处理等喷涂工艺参数都 会影响涂层的粗度和结构【1 5 1o 羟基磷灰石( h a ) 是具有骨诱导性的钙磷陶瓷材 料，但单一h a 作为种植材料，其机械强度不足以承受咀嚼力。一个比较好的方 法，就是通过涂层技术，在强基体表面形成m 活性涂层，目前最常见的涂层方 法为 l a 等离子喷涂。 这种方法涂层相对均匀，更主要的是h a 为生物活性材料，可以弥补单纯钛材 的不足，一定程度上提高了种植后的成功率i l “。但研究表明【l7 - 1 8 , 等离子喷涂 的方法很难保持h a 原有的成份和晶格结构。因h a 在高温下可发生去羟基和分解 作用，生成t c p 、c a 2 0 5 及其他非晶态磷酸钙盐。等离子喷涂所产生的上万摄氏 度高温将使l | a 发生分解、变性而失去h a 原有的成份和晶格结构，导致涂层的稳 定性下降。有的学者认为h a 涂层与钛基材物理性能差别较大，在界面处易产生 梯度较大的内应力，从而降低两者的结合强度。h a 涂层在生理环境下较长时间 后，将发生涂层的溶解与吸收，这将影响种植体长期的稳固和成功【l 圳。近年 来也有h a 涂层种植牙植入后出现涂层吸收、崩解或消失的报道1 2 0 j 。对失败种 植体的检测发现，崩解的涂层材料颗粒在种植体周围积聚后，可激发各种吞噬 细胞反应，而巨噬细胞吞噬颗粒后，可分泌多种与骨吸收有关的细胞因子和炎 性介质，刺激破骨细胞进行骨吸收，导致种植体松动，而松动的种植体又将加 剧涂层的进一步破坏，形成恶性循环。此外，该种方法喷涂技术要求相对较高、 喷涂成本昂贵，因而限制了在临床中的应用。 4 四川大学硕士学位论文 2 3 钛浆喷涂表面( t i t a n i u mp l a s m a - s p r a y i n g ) 以前采用的是在空气中喷涂，为了提商涂层的均匀性和厚度【2 ”，现在多数 种植体采用真空等离子喷涂的方法。其处理方法同上，主要的优点是整个种植 体有一种材料制备而成，可以降低界面处的残余应力。表面积和形态学分析结 果表明【2 “，t p s 涂层种植体的表面积与机加工表面的相比，约是后者的2 4 倍 多。动物实验表明田】，与骨组织的接触面积可以提高6 - 1 2 倍。研究者在t p s 涂层种植体植入后8 个月左右发现在其周围有皮质骨的包绕，种植体与骨组织 的接触率为6 0 7 0 ，没有发现任何松动的迹象。2 0 年临床跟踪证实，该种处理 的种植体成功率可以超过9 5 1 2 4 , 2 5 1 。王航等通过种植体表面的扫描电镜观察， 可以看到钛浆喷涂种植体表面有成熟骨组织嵌在钛浆涂层表面的孔定内，而末 涂层钛种植体表面比较光滑，偶见纤维附着1 2 6 j 。这说明喷涂所形成的微粗糙结 构对于骨组织的早期固定起着重要的作用。 但该种方法操作工艺复杂。此外，近年来有人发现在钛浆喷涂种植体周围 有钛颗粒存在f 2 ”，该种涂层的稳定性还有待研究，目前此种方法在国内很少采 用。 2 4 喷砂( s a n d b l a s t i n g ) 喷砂是一种常用粗化、活化种植体表面的方法，该方法是在常温下用喷砂 机将金刚砂或t i 0 2 颗粒高速喷射到钛种植体表面形成租糙面。它是通过高速运 动的砂粒与材料基体相互作用，根据能量相互转化的原理来改交材料表面的粗 糙度。改变砂粒的太小、喷射速度及喷砂时间和压力可以控制种植体表面租糙 度，例如，w e n n e r b e r g 等报道用颗粒直径为2 5 p m 、7 5m 及2 5 0 胁的a 1 2 0 3 的 作为喷砂材料用来处理光滑的钛金属种植体表面，获得的表面粗糙度( r a ) 分别 为1 1 6 1 2 0 m n 、1 4 8 帅及l - 9 4 m 一2 2 0 p m 28 1 。 该法条件要求低，操作简单，易于控制，不需要高温，因此对基体材料的理 化性能影响小。曾经报道，喷砂种植体与光滑种植体的相比，无论是从动物组 织学上还是从愈合时间上，前者更容易提供有利于骨结合的种植表面【2 9 j 。但近 钛种植体不同租化处理表面的性能研究 年来有研究表明，该种方法在喷砂过程中存在杂质元素的污染问题 3 0 , 3 1 ，例如， 铝和硅等外源元素已经被怀疑在材料表面的存留，这不仅改变了钛种植体表面 的纯度，而且在很大程度上将会影响种植后的远期效果。 2 5 酸蚀法( a c i d e t c h i n g ) 采用盐酸、硫酸混和液或氯氟酸和硝酸混和液与种植体作用一定时间后表 面形成具有一定形状和大小的蚀坑。酸溶液的浓度、酸蚀时间在粗化处理中是 主要的参数。 酸蚀技术的使用可避免喷砂处理过程中的一些缺点，如喷砂材料对种植体 表面的污染，微观上表面不均一，不规则，金属材料的过多丢失导致种植体腐 蚀抵抗力下降等，而酸蚀处理的表面则清洁无杂质，形态高度均一、规则，并 且种植体的表面积也相对较大1 3 2 , 3 3 。此法相对较简单，已被多数种植产品所采 用。但其达到的粗糙度有限( 4 j ，常要结合其它表面粗化处理方式。 2 6 喷砂酸蚀处理( s a n d b l a s t i n ga n da c i d - e t c h i n g ) 喷砂处理容易导致污染，而酸蚀处理过程中，由于酸的成分元豢通过化合 物的形式溶于液体，残留极少，目前国内外大多倾向于种植体表面进行喷砂和 酸蚀结合的方法。大颗粒金刚砂喷砂处理钛表面形成较大的粗糙面，再用盐酸、 硫酸混合液酸蚀处理形成较小的“小蚀坑”，好像被破骨细胞吸收降解材料后 所形成的“微结构” 3 ”。研究表明，通过组织学观察这种具有“微结构”的粗 糙面与其它粗化方法相比更容易提供骨结合 3 5 】。 该种方法操作简单，成本低，可以避免单纯喷砂处理的不足，减少或者避 免表面污染。更主要的是该法不仅使纯钛表面的租糙度明显提高【3 6 】，并且优化 了种植体表面的超微结构，酸化处理后，大的孔洞中有二级窝洞，这对提高骨 组织在种植体表面的“锚定”有重要的意义【3 7 】。 6 四川大学硕士学位论文 2 7 其它 激光粗化处理种植体表面是一种近年来在国外所采用的新方法，它通过一定 波长的离子束高温照射到材料表面，使材料表面部分熔化之后迅速凝固而改变 钛材的表面形貌。此种方法不仅可以产生均匀的表面粗糙度，能够提高钛基材 的硬度和腐蚀性。其最大特点是可以避免表面元素的污染，表面粗度可以达到 十微米乃至亚微米1 3 3 】。但其条件要求高，操作难度大，高温对基材是否有破坏 作用尚无定论。 电腐蚀是通过钛金属与工具电极火花放电作用使金属表面的形态发生改变， 可以通过改变两极闻的电流和两极作用时间来控制粗糙度。该方法最初被用在 电切割方面，在种植体粗化处理方面，国内尚未采用。 3 种植体租化处理的生物学研究进展 3 1 种植体粗化处理后的骨界面研究 近年来人们对种植体表面粗化后的动物实验研究主要集中在对种植后骨形 成量和骨结合力方面的研究。目前已有很多实验表明粗糙表面的种植体与光滑 的相比前者更有利于骨整合。b u s e r l 5 】等人把表面喷砂并酸蚀处理的种植体植入 到猪的体内六周后发现骨结合率为5 0 6 0 ，而电抛光面的在同时期只有 2 0 - 3 0 。n o v a e s ( 3 9 1 将四种表面不同处理得种植体植入到狗的下颌骨内，经过3 个月的无负荷期后，组织切片发现种植体的骨结合率有明显的差异，机加工表 面为4 l _ 7 ，钛浆喷涂表面的为4 8 9 ，等离子喷涂为5 7 9 ，喷砂表面的为 6 8 5 。这提示了表面粗糙度的不同将会对种植体植入体内后的骨整合产生影 响。g r i z o n i 帅】在他的实验中发现，两种不同表面的种植体植入羊的股骨内后分 别3 、6 、1 2 、1 8 个月后组织切片观察，尽管粗糙表面与光滑表面比，3 、6 个 月时两者在骨量形成多少上无显著差异，但在1 2 和1 8 个月时粗糙表丽的骨形 成量仍然有增加的趋势，表现出更为强烈的骨反应和重建。第四军医大学李德 华【4 l 】等人把不同表面的种植体植入动物体内后，发现愈合早期粗糙表面的种植 体与光滑者相比，前者骨界面的剪切强度远远超过后者，最大可以是它的五倍 7 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 多，而且随时间的延长而增加。1 虱# 1 - s u n g a i i i l 4 2 1 也用类似的实验表明了同样的 结果。租化表面处理不仅适于牙种植体而且对于人工髋关节的早期稳固也起着 重要的作用，l o r d l 4 3 1 把“筛状”粗糙面的髋关节植入到狗的股骨内，结果发现 这种表面处理方法大大促进了骨的早期愈合。 3 2 粗糙表面对骨细胞粘附增殪力的影响 成骨细胞多少及功能状态对骨的重建起着重要的作用，细胞形态的早期改变 及粘附将在很大程度上决定长期的生物学反应，例如基质的分泌和矿化等。为 阐明种植体粗化表面对提高骨结合的影响机理，很多学者采用了体外细胞培养 技术来观察种植体对成骨细胞的生物学行为。在体外实验中表明，成骨细胞与 各种不同方法粗化处理表面的钛材复合培养后发现，无论是细胞的形态还是粘 附增殖力都有很大的差别。各种细胞能在具有微槽的种植体表面趋向不同说明 了细胞对材料的微形态是比较敏感的【j 。m i c k a e l s 4 5 在体外细胞培养发现，与 光滑面相比喷砂酸蚀后的材料表面更容易粘附细胞。k i e s w e t t e r 4 6 1 等人把五种 表面粗糙度不同的种植体与骨前提细胞复合培养后2 4 h 观察，发现细胞在电抛 光和弱酸蚀表面伸展良好，细胞呈现出薄的单层。而在喷砂和钛浆喷涂的表面 细胞伸长更明显并且表现为多层的重叠状，细胞的数量也受到了表面粗度的影 响，两者基本成负相关。这提示了成骨细胞在粗糙表面能够较早的进入分化阶 段。s a n t i s m 7 】和b o y a n 4 8 】也用类似的实验证明了同样的结果。部分学者认为粗 糙表面积较大，所以成骨细胞对粗糙种植体表面的附着能力高于光滑表面【4 】。 而m a r t i n m 9 】等人则认为粗糙的表面能够吸附更多的纤维连接蛋白，进而提高提 高成骨细胞与这些细胞外基质的相互作用而增加细胞的粘附和增殖。 3 3 表面粗糙度对蛋白、活性因子表达和释放的影响 种植体表面的糨糙度会影响关键性骨源性基因的表达，从而引起成骨细胞 的分化水平不同，最终引起骨整合过程中骨矿化的程度不同。酶蛋白如a l p 、 o c 等在一定程度上可以反应细胞的分化能力研究发现，成骨细胞外基质蛋白 四川大学硕士学位论文 的活性能在粗糙表面种植体上能够得到提高一l 。各种活性因子如b m p 、t n f - b 、 p g e 等在调节骨生成、促进种植体骨性结合方面有重要的作用。在体内复杂的 生理环境下，这些因子的表达和释放受多方面因素的制约，其中种植材料表面 形态所起的作用不容忽视。不同方法表面粗化处理的种植体作为外源性信号调 节细胞产生骨生成和诱导因子方面的作用近年来已被大量研究所证明。 t a k e b e 5 0 l 等人在研究中发现，鼠臣噬细胞与形貌不同的种植体复合培养2 4 h 后， 采用p c r 技术分析b m p 一2 的表达情况，结果发现在光滑面上的表达不显著，而 在酸蚀处理后的表面上表达明显。b o y a n i s l l 通过胎鼠颅骨细胞与表面粗糙度不 同的种植体在b m p - 2 的条件培养液中培养1 4 d 后发现尽管细胞的数量在光滑和 粗糙面上没有显差异，但骨结节的数量前者明显多于后者，而且前者的钙化成 分与自然骨类似，后者则为营养不良性钙化。这结果说明了活性因子对骨矿 化过程的调节受材料表面徽形貌的影响。表面粗度也能够影响活性因子的产生 k i e s w e t t e r 和s c h w a r t z l 4 6 l 等人在研究中发现，类成骨细胞在与不同表面粗度 的钛材复合培养后在粗糙表面上p g e 的分泌量是光滑面上的l4 5 倍，t g f b 是3 5 倍。 3 4 研究中存在的问题 3 4 1 粗糙处理方法的争议 尽管粗糙表面对以上生物学反应的积极作用是肯定的，但是对粗糙表面 处理方法所产生的种植效果各研究者得到的结论却不同。c o n n e r s 2 】比较了三种 处理方法不同的种植体植入后的组织学反应，发现h a 涂层的种植体与钛浆喷砂 和酸蚀处理的相比，前者有更大的骨结合率。而l o n d o n l 5 列等人比较酸蚀，机械 抛光，h a 等离子喷涂和双重酸蚀处理后的种植体，经组织学切片发现除植入后 第二周外，双重酸蚀处理过的种植体在其它时间段都表现出较高的骨结合率， 其它三种处理方法无显著差异。c o o k m j 把酸蚀处理钛浆喷涂和h a 涂层的种植 体分别植入到狗的股骨内，在第4 周和第1 6 周发现三种不同表面处理种植体在 骨结合率方面没有差别。而b u s e rf 5 j 等人却在相同的时间段发现酸蚀、钛浆喷 9 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 涂和h a 涂层处理后的种植体骨结合率依次递增。这些不同的结果除了受实验条 件和实验动物的影响外，更主要的应该归结于材料在粗化过程中理化性能的不 同。例如尽管是喷砂相同的处理方法但砂砾的大小对材料处理后的表面形貌 有很大影响，酸度和酸蚀时间的不同对窝洞的大小和深浅也有影响。 3 4 2 有利于骨生长的粗糙度 种植体与骨组织闻稳定的结合对于长期的修复过程是一个关键的因素，尽 管各种表面形态的种植体已经在骨的替换中应用，但关于粗糙度在骨整合中的 作用人们还没有得出系统科学的一致结论。体内外的实验证明了有利于种植体 骨整合和生物学性能的表面粗糙度存在一定范围。h a n s 】把七种粒度不同 ( 0 - 3 3 0um ) 的种植体植入动物体内后发现砂粒度在1 8 0 2 2 0um 时种植体与骨 的结合力最佳，超过该粒度反而下降。而w e n n e r b e r g 5 6 则发现1 5um 的粗糙 度和平均1 1 1u m 峰距能达到最大的骨固定强度。m u s a t a f a i ”1 认为粗糙表面 的颗粒直径应在6 3 6 8um 之间才能提高成骨细胞的粘附能力，颗粒直径超过 3 0 0um 并不能提高粘附率。 3 4 3 粗化处理过程中表面污染问题 粗化处理过程中由于粗化方法固有的缺陷及处在复杂的周围环境中，将不 可避免的会带来一定程度的元素污染问题【3 “。例如，在喷砂过程中由于高速气 流的压力将会导致砂粒嵌入材料表层，有的人经研究表明酸蚀处理后能够清除 喷砂过程中镶嵌的颗粒p o 】，但也有人证实该种方法并不能去除杂质元素【4 ”。这 些元素的残存如果不彻底清除，将会在基体于粘附的族之间形成软组织细胞 类异物，从而干扰骨组织界面的结合。也有的研究表吲洲，尽管这些元素对短 期的组织愈合没有影响，但这些元素缓慢释放而给机体所产生的毒性影响却不 容忽视，这在很大程度上将会影响种植后的远期生物学效果。 0 四川大学硕十学位论文 3 4 4 粗化处理对金属腐蚀性的影响 众所周知，钛金属有着良好的生物相容性，其表面覆以一层t i 0 2 保护层， 防止t i 离子的析出及生物降解。种植体表面粗化处理后增加了与骨组织的接触 面积，有利于种植体在组织内的稳定，但同时也影响了离子的释放率和材料的 耐腐蚀性。种植体在进行表面加工处理过程中，将不可避免的会改变材料表面 的物理和化学特性，这对其在生理环境下的耐腐蚀性是否有影响? 另外表面襁 糙加大了表面积，可能会使t i 离子析出增多，这种量的增加是否在生理允许范 围之内? t i 离子析出增加是否会对牙种植体远期的机械性能造成影响? 特别是 污染元索在表面的残留，将改变钛基体表面化学状态，这些表面化学成分的异 质性为金属在生理体液下的腐蚀行为创造了极好的条件1 5 8 l 。有的学者认为微 粗糙表面对生物大分子的易吸附性能够使其比较容易的吸附一层蛋白吸附层， 从而能够降低离子的释放和溶出速率。但有的人i 删研究发现粗化处理后容易形 成易断裂的针状氧化膜，这将会促使金属离子的早期释放。这一系列的问题将 是粗化处理过程中研究的重点。 综上所述，以上对种植体表面粗化处理后的生物学行为的研究对临床应用 提供了实验理论基础，但关于表面粗化处理仍有一些问题尚待探讨。 4 本文的研究内容及研究方案 种植体植入体内是否能够成功，主要依赖于种植体与骨界面的良好结合。 为了达到最佳的骨结合能力，提高种植后的成功率，常用的方法就是增加种植 体的表面积和用物理化学方法对种植材料表面进行改性。在本实验中我们以光 滑面种植体作为对照，系统综合地比较了四种不同粗化方法处理的种植体理化 性能方面的差异以及其对细胞和组织生物学行为的影响，以期寻找目前较适合 的种植体表面粗化处理方法。这对改进种植微观形貌设计，完善种植体表面处 理方法及提高种植后的成功率有重要的意义。 我们通过几种表面分析方法比较四种表面粗化处理后的钛种植体表面的理 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 化性能，考察了表面微形貌及表面元素组成污染情况；表面浸润性及腐蚀性能 也作了比较；蛋白吸附试验考察不同表面对白蛋白吸附能力的差异，大鼠成骨 细胞系与材料复合培养一定时间段后，来研究粗化处理后不同的表面对细胞相 容性的影响；种植体植入狗股骨内探讨表面粗化处理对改善骨结合及提高临床 种植成功率的意义。 4 1 靼化处理后材料表面理化性能分析 生物材料表面理化性能是其行使生物学功能的基础，借助现代物理和化学 分析方法来检测材料表面的性能可以使我们更好的了解种植体在体内外的生物 学性能。 4 1 1 材料表面微形貌的观察 利用扫描电镜( s e m ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p i c ) 电子束在样品表 面逐点扫描，电子束于样品表面相互作用收集从样品表面激发的与样品性质 有关的各种信息，以反映样品表面结构和元素化学组成1 6 l 】。与其它仪器相比， 该测试方法具有制样简单，放大倍数范围大，分辨率高等优点。同时可以通过 其能谱、波谱进行元素的定性或定量分析。 4 1 2 材料表面元素分析 生物材料的性能与其化学成分密切相关，特别是其中的某些杂质元素对其 生物学及理化性能有着很大的影响。利用扫描电镜所附带的能谱或者波谱( e d s ， e n e r g yd i s p e r s es p e c t r o m e t e r ) ，可以结合表面形貌，快速准确的定量分析样 品表面元素的组成变化。 四川大学硕士学位论文 4 l 3 材料表面接触角的测定 接触角测量是一种简单、快速、灵敏的方法，用于测定固体表面的润湿性。 如图1 1 中所示( l 为液体，s 为固体) ，接触角为固体表面与液面切平面之间含有 液体这边的夹角，一般用0 来表示。接触角为锐角的液体称为浸润体，而接触角 为钝角的液体称为不浸润体。 利用接触角测定仪( c o n t a c ta n g l ed e t e r m i n a t i o ni n s t r u m e n t ) 在一定时 间内检测材料表面接触角，它可以间接反映材料表面的浸润性或表面能，它是 影响生物附着的熏要因素。表面粗糙度对浸润性的影响【蚓，w e n z e l 认为可用下 面公式( 1 ) 表示： c o s o l = r c o s 0 2 其中e t 为水与粗糙表面的接触角，0 ：为光滑表面的接触角，r 为粗糙度因子。 该情况下，若0 。 9 0 。，表面粗糙度越大即r 越大，表面越疏水：相反，若0 ： o 0 5 ) ， 但仍有砂粒的存留，p t 、s t a 、e e 表面无杂质元素污染。各试样表面元素原予 百分比( a t 煳如表2 3 所示。经e d s 点扫描后，证实可砂砾的块状物为喷铝砂后 表面残存的砂粒。( 见图2 2 ) 钛种植体不同粗化处理表面的性能研究 圈2 1 不同表面粗化处理的种植体表面形貌 a 、e 为p t 表面，b 、f 为s 表面c 、g 为s 从表面d 、h 为s t & 表面i 、j 、k 为匪表面 a 、b 、c 、d 、i ( 5 0 0 ) e 、f 、g 、k ( x 6 0 0