紫外線照射后鈦種植體表面光功能化的研究進展

解 涓 王燕一

自20 世紀60 年代，瑞典的Branemark 教授創立“骨結合”理論，并于1965 年完成世界第一例種植牙手術起，即開啟了人類牙列缺損及牙列缺失修復治療的全新的技術革命。成功的骨結合需要大量骨組織直接沉積在鈦種植體表面，而沒有軟組織的介入，是種植手術成功的基礎。然而，種植體表面骨覆蓋總面積，即骨-鈦種植體接觸率約為50%～75%[1-3]，遠低于100%。噴砂、酸蝕、等離子涂層、微弧氧化等鈦種植體表面處理技術研發出來[4]，在一定程度上提高了種植體骨結合率，使口腔種植在臨床中獲得了較高的成功率。但是，一些高風險因素，諸如骨質疏松、糖尿病、吸煙等，會影響種植體表面成骨[5-7]。并且，鈦種植體的骨結合時間較長，需3～6 個月。因而提升骨結合效率，縮短種植療程成為口腔種植領域的研究熱點。由此，紫外線光功能化對鈦種植體骨結合的影響受到了廣泛關注。現就鈦種植體表面經紫外線照射后所產生的物理化學性質及生物特性的變化作一綜述。

1.什么是紫外線光功能化

鈦和鈦合金，如Ti-6Al-4V，以其卓越的生物相容性和機械性能，廣泛應用于口腔醫學領域。鈦表面暴露于空氣或水中，可與氧反應形成一薄層氧化物保護膜，厚度約為4～6nm。二氧化鈦膜耐腐蝕性強，生物相容性好。但是，該層二氧化鈦膜不均勻，機械性能差，并且，不能促進創傷的愈合。于是，許多修飾技術得以發展，以期改善二氧化鈦的生物活性等特性，促進骨結合。

1997 年，Wang 等發現，二氧化鈦表面經紫外線處理后，可由疏水性變為超親水性[8]。由此，二氧化鈦的光催化作用被廣泛研究。紫外線光功能化是指紫外線處理后，二氧化鈦的表面修飾，包括其物理化學特性和生物學性能的改變。當用波長小于385nm 的紫外線照射二氧化鈦，產生電子空穴對。氧和水等被吸收的分子迅速減少，并被分別氧化產生超氧化物離子(O2-)和羥自由基(OH-)。這些離子可與有機物如附著的細菌反應，生成二氧化碳和水[9]。

2.紫外線光功能化對鈦種植體物理化學特性的影響

鈦表面是疏水性的，表面與水的接觸角一般大于60 度，甚至可接近或大于90 度，水在這些表面無伸展性而保持半球狀。經紫外線照射后，鈦表面則變為超親水性，表面與水接觸角變為0 度，水滴在該表面可延展[8]。光處理后，親水相的表面結構發生改變。橋接位點表面氧空缺，Ti4+位點轉換為Ti3+位點，后者更易吸收游離水[8]。種植體表面親水性的維持是傷口愈合和骨形成過程中的一個關鍵因素[10]。

隨著鈦的老化，由于碳氫化合物的摻雜，鈦表面碳元素比例可以達到60%～75%[11]，而紫外線照射是清除碳污染的有效方式[12]，可使該比例降至20%甚至更低，不會改變鈦表面粗糙程度和二氧化鈦結構形態、結晶相組成。X 射線光電子能譜分析結果顯示，經紫外線照射后，鈦片中碳含量、羥類(-CH)、有機物污染量降低[13,14]。Zhang 等用短時高強度紫外線處理鈦表面也得到了相似的結果，碳原子含量降低超過50%，但鈦納米結構無明顯改變[15]。

鈦作為一種生物惰性材料，與生物分子和細胞之間并不存在直接的相互作用，需要依靠離子橋的介導來吸附必要的蛋白和細胞，尤其是二價陽離子。Iwasa 等的研究發現，經紫外線照射后，鈦表面靜電狀態改變，使其可以作為誘導體直接吸附所需要的細胞，而不需要離子橋的參與[16]。這一發現可引申出一種新的認識，即經紫外線照射的鈦具有了生物活性[17]。

3.紫外線光功能化對生物學性能的影響

3.1 對宿主成骨細胞的影響 在紫外線照射的鈦表面，細胞增殖的速率提升了20%～50%[18,19]。紫外線處理后，粘附于鈦表面的成骨細胞數量可提高3～5 倍。并且，隨著紫外線處理時間的延長，呈現出劑量依賴性的特點[18]。

將成骨細胞接種在未經紫外線處理的鈦表面3h 后，細胞呈圓形，細胞骨架向伸展方向呈現出各向同性，罕見細胞突形成。而鈦表面經紫外線照射后，接種的成骨細胞明顯變大，細胞質內可見細胞骨架和板狀肌動蛋白伸展，細胞在多個方向上出現philopodia 樣細胞突[18,20]。黏著斑蛋白是細胞粘附膜分子、整合蛋白以及肌動蛋白絲之間相互聯系的紐帶，在啟動和建立細胞粘附，細胞形態發生及細胞骨架形成過程中起著關鍵的作用[20]。通過機械振動或酶消化法檢測成骨細胞黏附力發現，經紫外線照射后，鈦表面黏附的成骨細胞數量是對照組的1.5～2 倍，伴黏著斑蛋白表達增高，說明紫外線光功能化可增強鈦表面對成骨細胞的黏附力。進一步研究發現成骨細胞黏附力的增強與黏著斑蛋白表達的增強有關，經紫外線照射的鈦表面，成骨細胞中黏著斑蛋白高表達于胞質突起的尖端，并沿著細胞輪廓連續分布[20]。

鈦的物理化學性質和生物特性之間最重要的聯系在于碳對種植體表面的影響。已經發現，鈦表面的含碳量與成骨細胞活性成反比，含碳量降低，成骨細胞的附著會呈指數增長[18]。此外，鈦表面碳含量與白蛋白的吸附量負相關，含碳量降低，鈦表面白蛋白的吸附量提高。蛋白質吸附在種植體表面對細胞的附著起著重要的作用。細胞要附著于生物材料表面，需要首先吸附到生物材料表面的蛋白[20]。白蛋白和纖維連接蛋白吸附在經紫外線照射的鈦表面的數量要高于對照組80%～300%[21]。進一步說明了紫外線照射對減少碳污染的作用。

將成骨細胞接種于鈦表面，經紫外線處理的鈦表面堿性磷酸酶(ALP)陽性區域面積較對照組擴大了2 倍，并且ALP 活性也顯著提高。von Kossa染色證實，經紫外線處理的鈦表面成骨細胞形成的礦化結節形成面積增大，鈣沉積量顯著提高[18]。Zhang 等的研究也發現，經紫外線處理后，鈦表面人骨髓間充質干細胞BMMSCs 向成骨細胞分化增強，每細胞單元堿性磷酸酶活性增強，晚期成骨分化標記物骨鈣蛋白產量增高、細胞外基質礦化標記物鈣沉積增多。同時，成骨相關基因ALP、Runx2、BMP 和OPN 表達上調。ALP 和Runx2 是調控成骨分化的重要轉錄因子，表達于成骨分化的早期階段。而BMP 和OPN 代表了晚期成骨分化階段的成骨產物。說明紫外線光功能化可促進鈦表面BMMSCs 從成骨早期到晚期階段的分化[15]。經紫外線照射的種植體表面形成的骨組織中鈣磷比例要高于未經紫外線照射的種植體。骨膜細胞和骨髓來源的成骨細胞的細胞增殖速率、堿性磷酸酶活性、鈣沉積，均要高于未經照射的鈦盤。紫外線的照射明顯提升了種植體表面骨組織形成的質量，這可能與骨膜細胞和成骨細胞的功能獲得改善有關[22]。

3.2 對宿主牙齦成纖維細胞的影響 種植牙的成功不僅取決于骨結合的程度，還依賴于周圍軟組織與種植體穿齦部位的附著情況。軟組織封閉作為防止細菌侵入種植體周組織的屏障，是影響種植體的遠期成功率的重要因素。種植體穿齦部位的表面修飾會顯著影響軟組織附著。軟組織封閉富含成纖維細胞。Areid 等經紫外線照射的鈦基板，接種其上的人牙齦成纖維增殖速度高于未經紫外線處理的對照組[9]。

3.3 對種植體表面微生物的影響 鈦種植體的存活率為98.8%，10 年成功率為97.0%。種植體周圍炎是種植失敗的主要原因[23]，減少種植體表面細菌定植是預防種植體周圍感染的重要考慮因素。術后感染作為種植術的短期并發癥，常發生于種植體植入后1 月內，是造成早期種植失敗的主要原因之一。鈦種植體的感染發生率約為10%，近2/3的感染種植體失敗于承擔功能負荷之前。但是，種植手術不可能在完全無菌的環境下進行，口腔中含有超過600 中不同的微生物類群，在植入種植體的過程中，口腔細菌就可粘附于種植體表面。種植體植入后，細菌微生物也可與成骨細胞競爭新獲得的空間[15,24]。很多細菌不僅可以直接與種植體表面的離子和帶電分子相互作用，還能夠借助蛋白質定植在種植體表面[25]。因此，種植術中、術后避免細菌污染對成功的骨結合至關重要。

Avila 等研究發現，紫外線光功能化增加了鈦表面親水性而不影響其形態，減少了鈦表面細菌粘附及生物膜形成，生物膜密度的減少及表面覆蓋面積的減少反映了細菌生物量的減少[26]。JIN 等的研究也發現，與未經光功能化處理的種植體表面相比，粘附在光功能化種植體表面的細菌數量明顯減少，但是細菌存活力沒有受到影響[25]，短時高強度紫外線處理也可降低鈦種植體表面附著的細菌，但細菌形態未見明顯改變[15]。

Itabashi 等將細菌接種在鈦表面后進行紫外線照射，無菌落形成。而紫外線處理鈦表面后再接種細菌，0 小時時，存活的細菌量較低，隨后細菌量逐漸增長，但抗菌活性可維持至紫外線照射后7 天[27]。Aliva 等報道，紫外線照射對鈦種植體表面細菌粘附及生物膜形成的影響至少能維持16 小時，即使細菌能夠到達種植體植入的位置，也不能附著在種植體表面。而以游離狀態存在的細菌容易被機體免疫系統所清除[26]。

4.光功能化對鈦種植體骨結合的影響

Liu 等的研究證實鈦表面紫外線光功能化能夠增強新生骨組織和鈦表面的骨結合[28]。Kim 等拔除比格犬下頜前磨牙，12 周后進行延期種植，證實紫外線光功能化可促進鈦種植體表面骨結合。Micro-CT結果顯示，紫外線處理后，種植體周圍骨量較對照組顯著增多。組織形態學分析顯示，紫外線處理后，骨-種植體接觸率增高，而新骨形成率未見明顯增高，同時，骨吸收率顯著降低[29]。Aita 及其團隊的大鼠研究模型證實，鈦表面經紫外線處理后，在骨結合的早期愈合階段，骨-鈦結合強度可提高1.8～3.1 倍；在晚期愈合階段，骨結合仍可提高50%～60%。進一步研究發現，在早期愈合階段，未經紫外線處理的種植體表面新骨形成呈碎片化或局灶性，常見軟組織遷移至骨與種植體表面之間，干擾了骨-種植體的直接接觸。而在經紫外線處理的鈦種植體表面區域，大量新骨形成活躍，這樣就防止了軟組織干擾骨-種植體間的結合，使得骨直接沉積在種植體表面。在晚期愈合階段，未經紫外線處理的種植體，可見多處軟組織將種植體表面與骨組織分隔開。經紫外線處理的鈦種植體表面可見大量骨組織沿種植體表面延展，而無軟組織的介入，骨-種植體接觸率高達98.2%[18]。最近一項動物研究顯示，種植體植入后4 周，骨替代材料覆蓋的區域經紫外線照射后，種植體骨界面結合率和新骨形成量均增加了[29]。在2 型糖尿病大鼠模型的研究中，有學者也證實了同樣的效果，即經紫外線照射后，骨密度、骨連續性、骨-種植體直接接觸面積、骨組織成熟度均較未經紫外線照射的對照組顯著改善[30]。

種植體的旋除扭矩值的大小反映了骨組織和種植體之間的界面剪切力的強度。經紫外線處理后，鈦種植體旋除扭矩值顯著增高[31]。Soltanzadeh 等[32]利用大鼠模型進行種植體骨結合生物力學研究，結果發現，種植術后2 周，未經紫外線照射的鈦種植體骨結合率僅為28.6%，而經紫外線照射的鈦種植體骨結合率達到了100%，并且其抵抗側向力的能力是對照組的3.4 倍。有限元分析顯示，紫外線照射后，鈦種植體骨結合率的增加使種植體頸部的機械應力下降了50%[33]。

在即刻種植中，種植體被植入于新鮮拔牙窩中，種植體部分表面與牙槽骨接觸，而另一部分與牙槽骨壁之間存在間隙，常常同時植入骨替代材料來填充此間隙，該部分種植體骨結合強度約為與牙槽骨接觸部分的1/3。Uneo 等發現，鈦種植體經紫外線照射后，植入種植體2 周，間隙內新生的骨量是未經紫外線照射組的3～4 倍。經紫外線照射鈦種植體骨結合強度與未經紫外線照射的種植體在牙槽骨內的骨結合強度相當[22]。

紫外線光功能化不僅能加速骨結合的進程，還能提升骨結合的水平，同時，種植體表面與新生骨組織之間的軟組織干擾大幅下降，低于1%，而未處理的種植體周圍軟組織的生長占到了21%[18]。

5.總結與展望

經紫外線照射的鈦種植表面的骨形成形態明顯改善，骨結合效率明顯提高，動物研究模型中種植體骨結合率近乎100%。紫外線照射方法簡單，成本低廉，也被證實對各種類型的種植體表面均有效。紫外線光功能化對于改善某些特殊條件下的種植治療效果是一種新穎高效的方式。但是紫外線光功能化的處理時間一般為48 小時，這在椅旁很難實現。并且，紫外線光功能化的效果只能維持16～48 小時，當鈦表面暴露在空氣中，由于超親水性的喪失和碳含量增高，其所產生的生物學效應會逐漸減弱至原來狀態[15,26]。這些都限制了紫外線光功能化的臨床應用。未來，還需要更多的基礎及臨床研究來改進紫外線光功能化的處理技術(如能否縮短照射時間，提高照射強度等)，并證實其臨床應用效果，以期早日運用于臨床并推廣，使種植技術的發展更進一步。