納米技術改性口腔種植體的研究進展

楊雨青，曹志煒，巫佩瑤，周 陶，解 亮

(四川大學華西口腔醫學院 口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫學研究中心，成都 610041)

牙列缺損及牙列缺失可由牙周病、發育異常、外傷、腫瘤等引起，并進一步導致顳下頜關節紊亂、咀嚼功能減退、牙周組織病變、面部美觀性及言語功能下降等，影響患者生活質量及心理狀態[1]。隨著醫學技術的發展及人群口腔健康意識的不斷提高，種植體植入技術暨將人工牙根植入牙槽骨以固定、支撐替代牙冠已成為失牙后功能重建的重要方法，此技術較為成熟，成功率為90%～95%[2]。但目前的種植體植入仍存在問題，主要為植入物周圍感染及其與鄰近骨連接的缺失，這些并發癥可導致組織愈合時間延長甚至種植治療的失敗[3]。研究表明，種植體表面結構及本體材料的改良可改善其理化性能、機械性能及生物性能，尤其是納米層面上的修飾，能夠明顯改進以上兩點不足，從而提高口腔種植治療成功率[4- 5]。現就納米技術對口腔種植體性能改善的研究進展及相關的臨床試驗予以綜述，旨在為納米技術改性種植體的臨床使用提供參考。

1 納米材料與技術

根據歐盟委員會的定義，納米材料是一類天然的、偶然產生的或人工制造的，半數以上粒子一維或多維的外部結構在1～100 nm范圍內的材料，其中的粒子可以分散、團粒、聚合形式存在[6]。制造納米材料所需的技術即納米技術，在口腔醫學領域有極廣泛的應用，包括疾病早期診斷與監督、靶向藥物的開發、口腔治療儀器設備的研發及種植體性能改善等[7- 11]。不同處理方式對種植體性能也有影響[12]。納米技術可通過控制理化條件向材料中添加元素或在材料上形成納米表面，改善其拓撲結構與化學性能，達到促進骨整合、抑制炎癥反應的目的，因而越來越多地應用于種植體改性，見表1[13- 20]，種植體改性分為本體改性及表面改性。

表1 不同元素納米表面性能比較

2 納米改性種植體

常用口腔種植體材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子聚合材料與混合材料4類，見表2[21- 29]，下面分別介紹納米技術對這4種材料性能的改善。

2.1納米改性金屬種植體 納米結構的金屬材料在口腔種植體材料中有重要地位，生物力學性能良好，強度與韌性適宜，可通過普通方法達到無菌標準。納米級金合金、不銹鋼、鈷鉻(Co- Cr)合金、鎳鉻(Ni- Cr)合金可用于制作假肢部件[30]，而納米結構鈦及其合金[如鈦- 6鋁- 4釩合金(Ti- 6Al- 4V)等]已應用于口腔種植治療。納米表面能改善金屬及合金材料的性能，研究表明以超速激光誘導等方法形成的納米級鈦種植體或種植體表面的鈦納米涂層有良好的潤濕性[31]，能顯著促進間充質干細胞黏附及成骨分化[32]，顯微CT掃描顯示種植體周圍的骨密度和骨量明顯高于對照組[33]，可加速種植體周圍骨整合，進一步研究表明，這類種植體可上調成骨細胞的Rho相關激酶蛋白、β聯蛋白及Wnt5a，表明Rho相關激酶- Wnt5a通路可能參與納米表面調節成骨的過程[34]。Guida等[35]研究證實，鈦種植體表面氧化后形成的復雜納米結構，對牙齦成纖維細胞的黏附、增殖、細胞外基質沉積及Ⅰ型膠原合成有促進作用。除促進成骨外，鈦納米表面還可裂解細菌達到提高細菌殺滅率、延緩長期生物膜形成的效果，從而有效控制感染[36]，這可能與種植體表面的納米陣列排布有關[37]。Khudhair等[38]研究發現載二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)納米管鈦種植體耐腐蝕性高、力學性能好、比表面積大，在體內外實驗中均表現出對間充質干細胞生物學行為[39]、周圍骨整合及骨的礦化速率的正向影響，并可有效減少表皮葡萄球菌的黏附與定植[40]，載羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)納米涂層鈦種植體也有類似的性能[41]。此外，鈦種植體表面的混合納米涂層也能顯著提高其力學性能與生物學性能，應用電流體沉積技術制作的載氧化鋅/HA納米涂層鈦種植體有良好的抗菌作用，明顯減少厭氧菌和鏈球菌附著，抑制生物膜形成[42]；聚多巴胺修飾載銀鈦種植體能進一步提高種植體的抗感染及骨整合效應[43]；載納米羥基磷灰石(nano hydroxyapatite，nHA)/殼聚糖鈦種植體可通過重新激活局部黏著斑激酶- 骨形態發生蛋白2/Smad蛋白途徑改善糖尿病模型的成骨細胞黏附及分化過程[44]。

制作方法對金屬種植體的納米改性也有影響，如堿性條件下用水熱法制成的納米級鈦種植體生物學性能及力學性能等優于未處理的鈦種植體[45]。3D打印技術可制作高精度種植體，便于控制微觀結構，應用該技術制成的載TiO2納米管Ti- 6Al- 4V種植體[46]、載HA納米涂層鈦鎳合金(Ti/Ni)種植體[47]生物學性能有所提升，而實際應用中技術仍不夠成熟、長期安全性、力學性能仍有待證實，但隨著科技的發展，該技術將在種植體制作過程中起重要作用。

表2 各類種植體性能

-:未描述

目前對金屬種植體納米涂層材料的研究較局限，多為HA、TiO2等，可在此方面進行創新。如在鈦種植體表面添加納米級鋰(Li)涂層[48]、鍶(Sr)涂層[49]等，還可以在金屬種植體表面加載含官能團的納米涂層，如將重組人骨形態發生蛋白- 2相關寡核苷酸錨定到噴砂酸蝕處理的鈦種植體表面可以增加骨- 種植體連接[50]；針對載釉原蛋白鈦種植體的體外試驗發現，該種植體能夠促進牙周韌帶細胞及骨髓間充質干細胞的初代黏附和成骨分化[51]。

通常來講，鈦植入物中必須添加其他元素以提高強度和耐腐蝕性，但目前認為不含合金元素的納米結構鈦種植體未來可能有重要的生物醫學用途，不但可以避免合金元素潛在的毒理學作用，還可以使種植體獲得更好的機械性能。

2.2納米改性陶瓷種植體 陶瓷是經高溫壓實、燒結而成的無機材料，納米結構陶瓷材料具有高強度、高耐腐蝕性、低導熱導電性、低生物降解性、適宜的彈性及美觀性等優良性能，可用于口腔種植體的制作。目前，HA、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)是使用較普遍的陶瓷種植體材料，其中HA具有極好的骨整合能力，可促進細胞外基質礦化[52- 53]，同時具備優良的生物安全性[54]，被認為是承重植入體的良好選擇。在該種植體表面增加納米涂層后能夠獲得更好的機械性能及表面活性，促進成骨細胞黏附、增殖、分化等[55]，還可在納米表面加載多巴胺以進一步提高其生物學性能[56]。ZrO2、Al2O3均有良好的生物相容性，與Al2O3相比，ZrO2具有更高的斷裂韌性和強度[57]，添加納米涂層后可提高種植后穩定性[24]。而Al2O3具有較高的硬度和優良的耐磨性，兩者形成的復合材料具有更合適的斷裂韌性、延展性及表面形貌，在種植體領域有廣泛應用[58]。目前有關陶瓷種植體的納米表面形貌或涂層與骨整合的研究較多，雖然結論不完全相同，但普遍認為納米表面能夠顯著促進種植體表面的骨生長和附著，加快骨整合進程，促進功能重建，提高種植成功率[58]。然而，這類種植體在力學性能、商業生產等方面仍存在一些不足，還需進一步探索。

2.3納米改性高分子種植體 口腔高分子聚合材料包括聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚氨酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等[59- 60]，多數具有與軟組織相近的彈性模量、更適合的拉伸強度、理想的孔隙率、低導電導熱性、良好的生物相容性，且制造方便，成本低廉。使用納米技術進行表面改性或本體改性可改善高分子種植體性能[61]。

聚醚醚酮是傳統治療中常用的高分子聚合物，具有適宜的生物力學性質及生物相容性，但其抗菌能力和骨整合能力較差，目前認為HA納米涂層可明顯提高生物活性。研究表明高分子種植體表面的納米涂層對移除扭矩及提高生物相容性有重要作用[62]，新西蘭兔體內實驗顯示該種種植體的種植體- 骨結合程度顯著強于未經涂層處理的種植體[63- 64]。

此外，還可采用復合注射成型等技術形成納米結構混合型材料進行本體改性，如目前研究較多的nHA/納米聚醚醚酮(nano polyetheretherketone，nPEEK)種植體、納米氟羥基磷灰石/nPEEK種植體、納米碳/nPEEK等。體外實驗表明納米氟羥基磷灰石/nPEEK種植體可以促進初代細胞的黏附并進行生物活性調節，提高堿性磷酸酶活性及細胞外基質礦化速率，同時可抑制細菌定植與生物膜形成[65]。對nHA/nPEEK與納米碳/nPEEK種植體生物學特性的研究發現，兩者均可促進種植體- 骨界面的骨結合，且納米碳/nPEEK種植體有更高的骨接觸率與形成量，提示其骨整合能力更強，目前認為這種表現與納米硅酸鈣釋放鈣微粒和硅微粒后形成的多孔結構有關[66]。深入研究發現，nHA/nPEEK種植體可顯著減輕種植體周圍的炎癥反應[67]，有良好的生物相容性，可能與鈣離子相關蛋白上調、RNA相關蛋白質下調有關[68]。聚乙烯也是醫學中常用的材料，但臨床應用仍存在一些問題，如高密度聚乙烯彈性模量低、生物相容性差且存在黏彈性。γ射線作用下形成的nHA/高密度聚乙烯種植體內各粒子分布均勻，上述不足均有明顯改善，使高密度聚乙烯成為口腔種植體材料的一項良好選擇[28]。Raimondo等[69]用電子束蒸發技術制成了納米結構聚乙烯并探究相關性質，結果顯示其機械性能、耐磨程度、表面能量明顯優于傳統光滑表面，與蛋白質黏附增強，可促進成骨細胞及血管內皮細胞的黏附與遷移，有利于種植體的骨整合。研究表明nHA/聚氨酯材料也有類似性能[70]。

限制該類材料廣泛應用的主要問題在于難以通過普通的環氧乙烷或高壓蒸汽進行滅菌，且表面的靜電現象會聚集口內其他微粒，導致局部感染，引起種植的失敗。此外，由于其彈性模量與軟組織相近，易產生彈性形變，可能封閉組織向內生長的孔隙，使植入體承重能力降低。

2.4納米改性混合材料種植體 混合型種植體由兩種或兩種以上材料組成，涉及基質材料和次級顆粒或薄膜的組合，基質可為高分子聚合物、陶瓷或金屬材料[71]。通過涂層或表面圖案化技術形成的納米結構混合型種植體能夠促進種植體- 骨整合的形成，并在咀嚼過程中分散咬合力，納米纖維、納米管、納米棒、納米球等結構有較高的比表面積，可添加表面官能團、增加組織細胞附著面積，提高種植的成功率。

體外實驗結果顯示，載碳納米纖維聚醚醚酮/HA種植體能明顯促進MG- 63細胞的黏附與增殖[72]，TiO2- 殼聚糖- 4- 硫酸軟骨素納米復合材料[73]、聚丙烯乙二醇包被nHA形成的納米復合材料[74]也有類似的作用。Diez- Pascual和Diez- Vicente[75]研究發現，載TiO2納米管聚醚醚酮/聚醚酰亞胺種植體有更強的載重能力，可能與納米表面的應力分散作用有關[76]。目前認為納米混合材料的處理方式也會影響其性能，如堿改性二氧化鈰穩定四方相ZrO2多晶陶瓷基納米氧化鋯/氧化鋁復合材料比納米ZrO2/Al2O3復合材料有更好的表面潤濕性，對蛋白質的吸附能力更強，且能提高成骨細胞的堿性磷酸酶活性、骨鈣素表達及細胞外基質鈣沉積，從而提高骨整合能力[77]。

3 納米種植體的臨床研究

已有許多臨床試驗顯示了口腔納米結構種植體有效性與安全性。Goene等[78]分別應用雙重酸蝕處理及酸蝕處理后添加納米磷酸鈣涂層的種植體修復上頜牙齒缺失區，結果顯示后者平均種植體- 骨接觸明顯提高且新形成的骨與種植體表面螺紋貼合更密切，可明顯縮短愈合時間，進行早期承重[78- 79]。Ostman等[80]進行的多中心前瞻性研究也支持以上觀點，并發現其更適合單牙修復。有關種植體納米羥基磷灰石涂層的臨床研究顯示，其炎癥反應與常規種植體無區別[81]，但在合適的涂層厚度、磷酸鈣溶解度、納米拓撲結構下能夠改善骨整合情況[82]。研究者對植入多孔納米HA/PA66種植體的患者進行了為期5年的隨訪，結果顯示納米結構種植體有良好的生物安全性與相容性，可誘導種植體- 骨界面的骨形成[83]，且適當功能負荷能夠進一步促進骨整合[84]。此外，一項為期2年的前瞻性研究表明同樣的下頜后牙區垂直牙槽嵴增量治療，被覆聚四氟乙烯- 鈦混合涂層的納米HA種植體的早期載重能力強于普通種植體[85]。

然而部分研究者也認為納米種植體的應用存在潛在危險[86]，如解離出來的納米微粒表面積大，易被相鄰組織吸收，一方面會集聚其他無法降解的粒子，另一方面可能導致機體損傷。有研究稱球形納米材料可進入肺泡引起呼吸道感染，若進入血液循環，則可能導致心血管病變甚至系統性疾病[87]，若透過血腦屏障定植于中樞神經系統影響神經元膜電位，則可能導致中樞神經系統損傷[88]。目前，納米材料種植體的臨床應用時間尚短，長期安全性仍需進一步驗證，且種植體的理化性質也會影響其毒性，需不斷改進制作工藝使之更加標準化。

4 結 語

隨著生物醫學材料的不斷發展，納米技術的應用不僅能改善種植體的力學性能與理化性能，使之比普通種植體更適用于牙體組織，還可賦予種植材料抗菌性能、成骨活性等生物學特性，減少感染的發生，促進種植體周圍骨形成，從而縮短治療時間，提高種植技術成功率，展現了獨特的優越性與發展空間。但納米技術改性種植體的相關研究仍存在不足：①其生物安全性仍需更多基礎研究及臨床試驗驗證；②種植體的機械性能與牙體組織存在差異，有待改善；③納米技術及制作工藝的簡化也是研究的重要方向。納米結構種植體的研發有巨大潛力，隨著研究的不斷進展、性能的不斷提升，未來將會有更大的臨床價值。