纳米种植.doc

种植体表面纳米改性的研究进展 提 要种植体在机体内形成的骨整合决定着种植术的临床成功率，它与种植体的表面几何形貌和化学成分有很大的关系。随着纳米技术的发展，种植体表面纳米改性成为重要研究方向，本文对种植体表面纳米改性的化学成分和拓扑结构作一综述。关键词种植体；纳米结构；化学成分；拓扑结构中图分类号 R 783.1 文献标识码 AProgress of researches on implant surface roughness at the nanoscale level.YU Wei-qiang, JIANG Xing-quan, ZHANG Fu-qiang(Department of Prosthodontics,School of Stomatolog；Ninth Peoples Hospital,School of Medicine,Shanghai Jiao Tong University;Shanghai Research Institute of Stomatology.Shanghai 200011,China) Summary The clinical success of oral implants is related to their osseointegration. Chemical composition and topography are crucial for the success of dental impants.With the development of nanotechnology,the modification of surface roughness at the nanoscale level becomes one of the major research interest.This review focuses on the chemical composition and topography on nanoscale implant surface.Key words dental implant;nanostructure;chemical composition; topography1 概述种植体具有佩带美观舒适，咀嚼功能恢复良好和能够避免或减少天然牙的预备等优点，深受医生和患者的青睐，是口腔修复术中最具有发展前途的方法之一。种植体在机体内形成“骨整合”决定着种植术的临床成功率，它与种植体的表面几何形貌和化学成分有很大的关系1。由于细胞在机体内接触的界面均为纳米结构：如各种组织的基底膜均为（50200nm）大小的凹、突、孔和纤维组成2；编织骨平均矿物粒度为1050nm，板层骨的无机矿物粒度为直径25nm和长为2050nm的结构，骨中主要有机成分I型胶原是宽0.5nm，长300nm的三链螺旋结构3。学者们开始尝试在生物材料表面仿生构建纳米尺度的表面形貌用来影响细胞的生长。1999年，Webster等4首次在种植体表面构建纳米尺度的陶瓷材料，发现其比微米尺度的表面结构更利于成骨细胞的黏附生长，引起学者们的极大关注。本文对种植体表面纳米改性的化学成分和拓扑结构作一综述。2 化学成分2.1 羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2HA）羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2HA）是天然骨的主要成分，它可以引导骨的形成并且与骨形成化学性的结合，因此，在成骨生物材料领域中，HA一直是学者们关注的焦点。近年来，研究表明纳米HA比微米HA有更好的生物活性56, Webster等5通过体外细胞黏附来研究纳米相HA（67nm）和微米相HA（132nm，179nm）的生物活性，结果，纳米相HA不仅可以提高成骨细胞的黏附性能，而且可以降低成纤维细胞的和内皮细胞的黏附。作者认为一方面当材料表面达到纳米级时，其表面粗糙度增加和晶界数目更多的结果，另一方面，作者通过接触角实验发现，纳米相HA的亲水性是微米相HA的两倍，亲水性是影响材料表面蛋白吸附的重要因素，最终作者发现纳米HA表面特异性的吸附了玻璃黏连蛋白。随后，Webster等6又对纳米相HA对成骨细胞功能的影响作了相关研究，结果经过28天培养后，与微米相HA相比，纳米相HA的碱性磷酸酶的活性提高了1.37倍，细胞外基质中钙含量提高了2倍，显示出很好的促进成骨细胞功能的作用。2.2 仿生矿化HA传统的HA在种植体表面沉积主要通过等离子溅射法，虽然简单，但不能很好的的控制表面形貌，并且在体内长期使用，HA涂层有脱落的可能，学者们模拟HA在体内的生理形成过程，在生理体液中仿生沉积纳米相的HA涂层，提高了“骨整合”7,8。Li 等7通过仿生矿化法在种植体表面沉积了长100200nm和宽1020nm的磷灰石晶体，通过TEM粉末衍射图分析，其粒度小于100nm，体外成骨细胞形态学观察，纳米磷灰石表面的成骨细胞有更多的丝足长出和更大的四周伸展范围，在狗股骨内植入八周后，组织学检查发现仿生矿化纳米相的磷灰石比未处理的钛种植体表面有更多的骨组织长入，可能是仿生的纳米相磷灰石与天然的骨结构相似，发挥骨传导作用的结果。Bigi等8用一种新型的仿生矿化方法在钛合金表面制备出纳米相的HA，然后与骨髓基质干细胞体外联合培养，发现该涂层不仅可以利于细胞的黏附和增殖，并且通过RT-PCR检测发现其还可以提高骨桥蛋白、骨结合蛋白和I类胶原的表达，显示出促进骨髓基质干细胞骨向分化的能力。2.3 HA与微量元素近年来，学者陆续发现一些微量元素，如硅、锰、镁、钇和锶等，在机体骨骼的正常生长过程中发挥着重大作用9，因此，将纳米相HA与某种微量元素复合用来修饰种植体，可以产生促进成骨的效果10,11。Sato等10发现钇掺入HA后，可以提高材料表面单位面积的羟基数（与亲水性有关），并且还可以提高HA材料的导电性，而亲水性和导电性在骨整合中的作用早就得到证实，因此他采用特殊工艺将不同含量的钇掺入纳米相的HA后用作种植体表面涂层，结果成骨细胞在掺钇的纳米相HA上比未掺钇表面沉积更多的钙基质，作者指出可能钇的加入改变了纳米HA对蛋白的吸附，但需要在以后的实验中得到验证。Thian等11考虑到硅在骨形成中的重要作用，将硅与纳米相HA复合，研究得出，在一定范围内，随着硅含量的增加，成骨细胞呈现出更加成熟的细胞骨架，作者分析认为一方面硅含量的增加，能引起纳米HA更具有可溶性，释放出更多的Ca2、P5-和Si4+离子，然后在涂层表面形成含有碳酸根的磷灰石，其更有利于细胞生长的结果。另一方面，Si4+与氧结合，在涂层表面形成特异性的硅酸盐网络，可以吸附蛋白，蛋白与细胞膜的整合素相互作用，引发了细胞内的信号传导通路。但作者同时发现当硅含量达到4.9wt时的纳米复合涂层，在早期反而不利于细胞的生长，后期才出现细胞的增殖增加现象，可能原因为，硅含量高，涂层溶出快，剩余的HA不利于细胞的生长，但当含碳酸根的磷灰石形成后，才发挥生物作用，作者推荐硅的含量为2.2wt。2.4 氧化物虽然HA在体内能够促进新骨的形成，增加种植体的骨整合，但其机械性能（特别是延展性和韧性）与天然骨不一致，在一定程度上影响了其在种植体领域的应用12。而氧化物陶瓷虽机械性能优于HA，但在早期因与骨之间没有化学结合，常常导致临床失败，氧化物陶瓷的纳米化有望改变这一现象。Webster等4将不同纳米尺寸的氧化钛和氧化铝表面涂层和传统的微米级氧化物涂层作了体外细胞的对比研究，结果4967nm粒度的氧化铝和3256nm粒度的氧化钛更有利于成骨细胞的黏附生长，可能是纳米粒度的陶瓷表面积更大的缘故，因为实验测得23nm的氧化铝表面积是177nm的1.5倍，32nm的氧化钛表面积是2.2um的1.35倍，有更多的表面积供细胞黏附；同时作者指出纳米相的涂层可能吸附了某种特殊的蛋白，增加了细胞的活性。贺捷等13采用磁控溅射法在钛表面制备了纳米相的氧化钛涂层，通过体外细胞培养，证实了纳米氧化钛涂层能够促进成骨细胞的黏附和增值。Colon等14采用纳米相的氧化锌和氧化钛与传统微米级的涂层相比，结果不仅纳米相的氧化物可以利于成骨细胞黏附和功能分化，同时，发现纳米相的氧化钛和氧化锌可以降低表皮葡萄球菌的活性，作者分析认为，与传统的微米相陶瓷相比，纳米相提高了表面积，有更多的晶界暴露，从而溶出更多的锌离子，抑制了细菌的功能，但其真正的机制需更多的研究。2.5 复合涂层HA与各种氧化物陶瓷涂层在促进种植体成骨的机理各不相同，如HA是天然骨的主要成分，氧化钛在模拟体液中可以促进成核和结晶，于是有学者复合了HA和氧化钛合成一种新奇的涂层，发现成骨细胞在复合涂层表面的碱性磷酸酶的活性高于单一HA涂层，并且涂层与基体的结合强度得到提高15。最近，Sato等16将纳米相HA与纳米氧化钛复合作为涂层材料，进行体外成骨细胞黏附研究，4小时后SEM观察细胞生长情况，结果单一纳米相HA或氧化钛涂层表面的细胞呈圆形，丝足伸展很少见，而纳米复合涂层表面的细胞，伸出很多丝足，并且向四周伸展，展现出很好的黏附性能，作者认为可能是涂层化学成分改变，影响了某些蛋白吸附的结果。另外，人的骨骼是由HA纳米晶和有机胶原构成，因此研究工作者模拟天然骨的成分和结构构建出有机和无机的复合涂层，充分利用有机大分子和无机物质的生物活性，来缩短愈合时间和提高骨整合，常用的生物分子有生物肽（RGD和纤维连接蛋白）和蛋白（胶原、转化生长因子和骨形成蛋白）17。Swan等18通过共价接枝将RGD固定在纳米多孔氧化铝的表面，荧光染色后进行细胞记数，结果接枝RGD组显著高于未接枝组，培养2天后EDS分析发现，接枝RGD的表面有Ca和磷细胞基质，而未接枝RGD组未发现细胞基质的存在。Zhu等19研究发现胶原蛋白的加入可以提高纳米相HA涂层的细胞黏附生长，因为胶原蛋白含有细胞黏附的主要多肽序列，它可以与整合素11和21结合，从而引起细胞内的一系列的信号传导通路，导致细胞黏附增加。2.6 金属本身种植体表面的生物涂层虽然提高了其生物活性，但由于它与基体的性能不一致性，其与基体的结合强度是有限的，在长期负重使用过程中，可能会发生涂层的脱落、断裂、降解和颗粒的形成，导致种植体失败。如果结合纳米仿生技术直接在种植体金属相的表面构建纳米结构，来产生成骨活性，无疑具有重要意义。Webster等20系统研究了钛、钛合金（Ti6Al4V）和钴铬合金（CoCrMo）种植合金纳米相的成骨活性，结果与微米相的合金相比，无论那一种合金的纳米相均更有利于成骨细胞的黏附生长，并且细胞喜欢黏附在纳米金属颗粒的边界出，作者解释为：虽然纳米相和微米相金属颗粒所含的原子相同，但纳米相颗粒的原子数目少并且直接小，这样更多的原子就集中在表面的缺陷部位，如边、角和颗粒的边界等处，这些区域的电子离域更大，影响了蛋白吸附的结果。我国学者顾新本等21也发现了这一现象。Ward等22研究小组还发现纳米相金属要比微米相金属更有利于钙磷矿物质的沉积，作者认为纳米相金属有更大的表面积，从而更多的原子聚集在表面，特别提到了金属相中的铝元素被氧化后可以提高钙的沉积。3 拓扑结构3.1 纳米凸起早期，学者们模拟天然骨中存在小于100nm的微粒和颗粒形貌，采用将纳米级的氧化物粉末，加压成形，然后高温烧结，制成粒度小于100nm的小凸起，与微米级的小凸起进行体外对比研究4，6，20，23。结果，纳米相的氧化物可以促进成骨细胞早期黏附4，提高成骨细胞碱性磷酸酶的活性，钙磷和总蛋白量也得到显著性的提高6。Oliveira等23发现纳米相金属可以提高骨原细胞的唾液蛋白和骨桥蛋白的表达水平。3.2 纳米孔很多研究已经证明微孔结构可以促进种植体的骨整合24，考虑到纳米相可能带来的奇异功能，学者们对纳米多孔结构成骨作用进行了系统研究25,26,27。Karlsson等25研究发现成骨细胞在纳米多孔氧化铝表面可以保持正常的生长模式，即培养后3天增值能力达到高峰，随后碱性磷酸酶开始分泌增多，同时SEM发现细胞丝足可以长入多孔结构中，从而对细胞起到了锚定的作用，western blot分析发现纤维结合蛋白吸附在多孔膜的表面，两者共同介导了细胞的黏附。Swan等26用两步阳极氧化法制备的纳米多孔氧化铝膜，也得出类似的结果。Popat等27将成骨细胞和纳米多孔氧化铝膜联合培养后4周后，研究发现纳米多孔膜可以提高细胞内的总蛋白量，XPS显示有更多的钙磷基质成分存在，显示出有提高成骨细胞功能的特性。3.3 纳米纤维孔状和小凸形的纳米结构因其能模拟天然骨中HA晶体的几何形貌，在体外都显示出良好的成骨作用。而新型纳米纤维材料直径达210nm，长度达100200nm，其几何形貌与天然骨的无机相更为接近，因此，有望产生更大的促进成骨作用。Price等28将直径为24nm和长度大于50nm的氧化铝纳米纤维涂层与23nm大小的球形涂层作了体外对比研究，结果，与纳米球形涂层相比，纳米纤维涂层表面的细胞黏附提高16，5天后，细胞计数提高29，3周后，钙基质提高57，作者认为是纳米纤维的化学成分、表面形貌和晶型影响蛋白吸附的结果。Webster等29系统研究了不同晶型氧化铝纳米纤维对成骨细胞的作用效果，结果发现成骨细胞在不同晶型的纳米涂层表面的钙沉积的能力：+。Price等30发现碳纳米纤维可以选择性的黏附成骨细胞，并且抑制平滑肌细胞和软骨细胞的黏附，作者认为是粗糙度增加的结果。Elias31对比了直径小于100nm和直径大于100nm的碳纤维的成骨细胞功能的影响，结果，当直径小于100nm是，能够促进成骨细胞合成更多的碱性磷酸酶和沉积更多的钙基质成分。因此，纳米纤维成分是一种非常有前途的种植体涂层材料。3.4 纳米沟槽表面沟槽在微米尺寸下可引起“接触诱导效应”，即细胞往往沿沟槽方向排列和伸展。一般认为，当沟槽在纳米尺寸范围时，由于沟槽太浅，上述接触诱导效应消失。但Zhu等32等研究发现，用激光在聚乙烯表面制备深6070nm的纳米沟槽，用来培养成骨细胞后，发现细胞内的肌动蛋白沿纳米沟槽方向伸展，并且胶原基质的排列也受到纳米沟槽的影响，首次提出了纳米沟槽也可以调整骨组织的形成方向，为构建拟生态的骨组织提供了一种新的途径。3.5 微纳米结构在含有微纳米结构的组织工程支架中，纳米结构模拟细胞外基质成分，可以促进细胞的黏附生长，微米结构可以提供一个细胞、能量和营养物质的传输通道，最近有学者在种植体表面构建出微纳米结构来促进成骨33,34。Hu等33采用改良电化学沉积技术在钛合金表面沉积了一层HA的纳米和微米的双重结构，具体是由纳米级的丝状晶体组成的均匀有序的巢状微孔结构，体外细胞实验发现成骨细胞可以沿HA纳米丝黏附生长，同时可以HA纳米丝可以促进细胞外基质沿晶须分泌，作者指出特有的微米结构可以提高细胞的出入通道，表明微纳米结构对成骨细胞有很大的亲和力。Li等34用模版辅助电流体力学喷射技术，在种植体表面构建高度可控的微纳米结构，具体方法为：在含有不同几何形状和直径筛孔的金模版的辅助下，在一定的电场条件下，将纳米HA乙醇悬浊液通过电流体力学喷射装置，沉积到钛基底上，这样纳米HA就可以在钛基底上构建出任何形状的微米结构，并且这种涂层的厚度可以通过喷射时间来控制，有望在种植体表面构建微纳米结构中得到应用。4 展望种植体纳米表面的化学成分和拓扑结构都对成骨细胞的行为有重要的作用，但以往的研究大多集中在微米尺度与纳米尺度形貌之间进行比较研究，而对于纳米尺度范围内的讨论比较少见，纳米形貌特性（如纳米孔的大小和纳米凸的高度等）对成骨细胞的确切作用和纳米尺寸对成骨细胞的作用是否有极限等，都需在以后的研究中得到证实。种植体纳米表面改性是一种非常有前途的促进“骨整合”的方法，随着研究的深入，有可能取代现有的种植体，在临床中得到广泛的应用。5 参考文献1. 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