Ti—FG—BM型鈦合金種植體表面處理及生物相容性研究進展

徐錫平+石紅兵+金光春

【摘要】 鈦合金由于具有良好的機械性能、優(yōu)秀的生物相容性特征和體液環(huán)境的耐腐蝕性，成為牙科修復臨床應用中的常見材料。但是當前臨床中使用的鈦合金比人骨有更高的彈性，所以經(jīng)常會出現(xiàn)種植的牙齒與骨骼之間因為彈性規(guī)模不匹配造成的種植體周圍出現(xiàn)了骨吸收的情況，經(jīng)常會出現(xiàn)種植體斷裂或松動等，嚴重影響了種植的成功率。因此，開發(fā)研制與骨組織相近的低彈性模量Ti-FG（function group）-BM（bioactive material）型種植就成為當前研究的熱點。

【關鍵詞】 低彈性模量； 種植體； 功能組

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.11.088 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6805（2017）11-0160-03

鈦合金在牙科修復物中作為首選的材料，是因為鈦合金具有良好的生物相容性特征，并具有良好的機械力學性。但是鈦合金由于是金屬材料，并且沒有促進新骨骼生成的能力，所以沒有生物活性。所以找到一種具有促進骨骼整合并可以與骨骼整合的材料是非常重要的。本文對開發(fā)研制與骨組織相近的低彈性模量Ti-FG-BM型種植體材料在口腔種植修復應用的重要內(nèi)容的研究進展作一綜述。

1 口腔種植研究的主要方向

由于當前人們生活水平的不斷提高，人們對牙齒的美觀程度要求也越來越高，并且牙齒種植也可以從很大程度上提高人們的生活質(zhì)量，所以口腔種植手術在牙科應用越來越廣泛。但是口腔種植體材料較為昂貴，所以很多學者不斷尋找有較好的生物相容性且與人體骨骼組織的彈性硬度相匹配的材料，為降低消費者種植費用和提高種植手術成功率不斷努力。在20世紀初期，臨床上常用的種植體材料主要有鈦合金、鈷合金和不銹鋼，但是鈦合金與不銹鋼的彈性較大，所以與骨骼之間彈性模量不匹配，在種植以后載荷并不能有效傳遞到周圍的骨骼組織，所以在種植以后種植體容易出現(xiàn)松動或周圍骨組織吸收的現(xiàn)象，最終導致種植術失敗[1-3]。與此同時，鈦合金表面經(jīng)過處理的生物惰性氧化層與骨骼不能發(fā)生化學結合反應，僅僅是與骨骼融合，從而限制了其在較大承載部位的使用。基于以上原因，科學家不斷研究有更高生物相容性和更接近骨骼彈性模量的Ti-FG-BM的種植體，可以更充分滿足對口腔植入材料的要求，也成了當前研究的熱點話題。

2 國際社會的研究狀況

鈦合金作為植入體材料在20世紀60年代首次在瑞典用于口腔種植，其優(yōu)良的特性也促進了臨床對外科植入體材料的深入研究，隨后鈦合金材料在臨床上被用作替換材料。在20世紀70年代以后，在外科修復和替換器件的發(fā)展中，鈦合金被廣泛應用。第一代鈦合金主要包括純鈦、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V等，但是臨床中人們發(fā)現(xiàn)V對人體有較大的毒性，并且這類合金的耐腐蝕程度差，所以迫切需要下一代生物醫(yī)用合金的研發(fā)。一直到20世紀80年代中期，德國和瑞士先后開發(fā)了新一代鈦合金Ti-6AL-7NbTi-5A12.5Fe，并且在臨床中得到了廣泛應用[4-5]。我國自行研制的Ti-51A1、Ti-6A1-7Nb、Ti-2.5A1-2.5Mo-2.5Zr，非常實用的固定器械[6-8]。“十五”期間開發(fā)出兩個新型a型鈦合金TLM1和TLM2，并獲國家發(fā)明專利[9]。

鈦合金是一種安全性較高的生物材料，隨著鑄造加工技術的不斷發(fā)展和完善，鈦合金在口腔醫(yī)學中的應用也不斷普及。由于鈦合金的生物學性能較好，所以成了牙種植體、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、髓內(nèi)定、矯形鋼板及人工關節(jié)植入等常用材料[4，10]。由于純鈦在臨床中存在多種缺陷，所以不能在臨床中直接使用，需要以合金形式使用，這是因為純鈦（暴露在空氣中，短時間內(nèi)表面就能被氧化形成極薄的TiO2層，厚度僅為3～10 nm）作為一種生物惰性材料，其結構和性質(zhì)與生物體骨骼細胞和骨骼組織差異較大，并不能如生物活性材料一般在種植以后與骨骼形成穩(wěn)定的化學鍵，所以在種植完成后的一段時間，穩(wěn)定性較差，很難與組織之間緊密連接，從而降低了其生物活性。而且硬度低、耐磨性差、生物惰性等是作為醫(yī)用材料不容忽視的問題。提高鈦合金生物活性的有效方法是對材料的表面進行活性涂層，涂層修飾還可以有效提高材料的力學穩(wěn)定性[11-13]。對鈦合金表面進行涂層或處理的主要目的是提高金屬的耐腐蝕性和改善材料的表面機械性能，還可以提高鈦合金的生物相容性。鈦合金表面處理在牙科種植體方面有較廣泛的應用。鈦合金強度高、韌性大，并且具有良好的加工性，基于這些特性來看，特別適合作為牙科植入材料，并且從彈性模量看來，鈦合金在所有金屬材料中與骨骼相差最小的，但是仍然存在一定的差異，所以鈦材料種植體與骨骼之間極易產(chǎn)生機械不適應，而且其化學成分與天然的骨骼成分差異較大。因此當植入材料植入到骨骼以后沒有緊密的化學性結合，只是機械性整合，出現(xiàn)了較大的手術失敗率，所以當前人們對鈦合金表面的涂層研究越來越多，這也成了牙科種植體材料研究的大趨勢所在。當前鈦合金表面處理包括有羥基磷灰石表面涂層法[14-15]、電泳沉積法[16]、堿熱處理法[17-18]、陽極氧化法[19]、離子注入法[20]、微弧氧化法[21]、溶膠-凝膠法[22]，旨在使鈦合金表面形成一層具有生物活性的膜或涂層，涂層可以結合在材料表面形成多孔氧化層結構，促進骨骼細胞與材料相互粘附，增加金屬的抗腐蝕性，提高鈦合金的表面生物活性，提高生物相容性及更好的骨整合作用。

另外，研究通過表面納米結構化改性，使納米層次的材料與細胞或組織之間形成相互作用，并進行納米級別的結合，使材料與細胞受體相互配對，進而使骨骼細胞在鈦合金表面生長和粘附，實現(xiàn)骨骼與材料的緊密結合，實現(xiàn)與骨組織的生物功能，必將對鈦合金表面處理技術的改進起到一定的推動作用[23-25]。

3 經(jīng)濟效應與社會效應

在口腔醫(yī)學領域中，口腔材料的質(zhì)量好壞無疑會對臨床修復與治療的效果起到極大的影響作用，也正因此，口腔材料的發(fā)展狀況不僅僅能夠代表口腔醫(yī)療的水平高低，更能夠借此以窺探出整個社會現(xiàn)代化的發(fā)展狀況。為了擴大此鈦合金種植體在口腔的應用，許多學者對鈦合金種植體的綜合性能進行了研究。目前人口老齡化已成為世界范圍的社會問題，同時疾病與牙齒缺損患者劇增，人們對口腔種植技術和種植材料的重視使鈦合金材料存在著巨大市場。我國2006年包括種植體、基臺、種植工具在內(nèi)的種植產(chǎn)品銷售額達到1300萬美元，近年來種植市場的年綜合增長率超過35%，到2011年，包括種植體、基臺、種植工具在內(nèi)的種植產(chǎn)品銷售額達到1.2億美元[26-28]。

當前國內(nèi)外學者仍然在新材料探索的道路上不斷前進，我國也應當從國企入手開發(fā)出價格低廉的新鈦合金種植體，消化和吸收國外已定的鈦合金，使此種材料盡快實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)，盡早結束口腔種植體材料依賴于進口的現(xiàn)狀。我國應加大研發(fā)投入，得到更多的具有臨床價值的資料，并將材料的優(yōu)缺點及時反饋給相關的研發(fā)部門，使其對材料按照臨床應用進行改進，開發(fā)出適應臨床發(fā)展的新材料。

當今時代，口腔種植技術已經(jīng)變得越發(fā)完善，再加上鑄造緊密鈦合金的技術的不斷發(fā)展，眾多的醫(yī)學專家已經(jīng)開始嘗試將新型鈦合金種植體作為齒科治療的主要材料，而這一情況也隨著齒科材料的焊接、粘接技術的完善而顯示出了極好的發(fā)展前景[29]。

綜上所述，考慮到國內(nèi)外對新型鈦合金的研究現(xiàn)狀及其在國內(nèi)所存在的巨大潛力，最終目標是開發(fā)研制與骨組織相近的Ti-FG-BM型種植體材料，對配方選擇和制造工藝進行優(yōu)化選擇，重點對國內(nèi)首次合成真正意義上的低彈性模量Ti-FG-BM型種植體材料的生物相容性進行評價，完成系列動物實驗，為其臨床推廣應用打下基礎。

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（收稿日期：2016-12-13）