亲水种植体促进骨整合机制研究进展

2021-4-6 16:04  来源:中国实用口腔科杂志
作者:李雪菁 邱小亥 赵宝红 阅读量:954

    口腔种植技术的理论基础是骨整合,快速稳定的骨整合一直是口腔种植学研究的重要目标,多种种植体表面改性方法通过改变种植体表面的粗糙度、化学特性等,可加速种植体的骨整合,提高种植体在颌骨内的稳定性。本文就亲水种植体促进骨整合机制的相关研究进展做一综述,旨在完善亲水种植体促进骨整合理论,为设计出早期稳定且更持久的种植体提供新思路。

    1.骨整合的定义

    种植体植入颌骨后的稳定性趋势分为两个阶段:初期稳定性(机械学稳定性)阶段和二期稳定性(生物学稳定性)阶段。当种植手术预备的窝洞与种植体直径相匹配时,旋入种植体后二者之间产生的高摩擦力会使种植体具有较高的稳定性,即初期稳定性,是种植体植入后与周围原有骨组织的机械学结合,因此也称为机械学稳定性。其主要影响因素包括种植区骨密度、种植体直径和长度等。

    然而植入时的高摩擦力会造成邻近骨组织发生微裂纹、受压坏死等骨创伤,机体将启动骨的创伤性愈合,即吸收坏死骨组织、形成新骨,初期稳定性便会逐渐降低,与此同时伴随种植体周围不断生成新骨,二期稳定性逐渐升高。临床研究表明,约在种植体植入后第4周总稳定性降至最低值。随着种植体的初期稳定性逐渐被骨改建所产生的二期稳定性所代替,表现为种植体的总稳定性逐渐上升,最终在第8 ~12周可达到理想的骨整合。此二期稳定性,即生物学稳定性的建立实质上就是种植体的骨整合。Branemark等首次提出骨整合的定义,即种植体与具有活性的骨组织在结构和功能上的直接接触。

    2.亲水种植体的优越性和制备方法

    大颗粒喷砂酸蚀(sandblasted,large grit and acid etched,SLA)是目前最常用的种植体表面处理方式,其通过增加种植体表面的粗糙度,加强了与骨的结合强度,使得SLA表面种植体植入颌骨后可获得较高的初期稳定性。然而,经SLA处理的种植体表面表现为疏水性,不利于骨整合早期细胞的黏附,二期稳定性阶段启动较慢,导致种植体骨整合的时间较长,此时若种植体受到不良外力作用,易发生松动脱落。因此,如何快速启动二期稳定性阶段,促进种植体的骨整合一直是口腔种植学研究的重要目标。

    近年来,通过种植体表面改性的方法提高种植体表面的亲水性以加速骨整合,已成为研究的热点。种植体的亲水性表面更有利于血凝块和纤维蛋白的沉积,促进成骨细胞的早期黏附,从而快速启动二期稳定性阶段。

    Favero等研究表明,亲水种植体于植入后的第2周总稳定性降至最低值,于第4 ~ 6周即可达到理想的骨整合;同时亲水性表面也增加了骨整合早期的新骨沉积量,大大提高了种植体总稳定性的最低值,减少了种植体骨整合时间长或结合不良导致的种植体发生失败的可能性。

    近年来已有多种增加种植体表面亲水性的方法,主要包括:(1)化学活化法,即在惰性气体保护下对纯钛或钛锆合金材料进行喷砂酸蚀,而后置于0.9%NaCl溶液中保存,全程避免接触空气,不受碳氢化合物的污染,提高种植体表面的润湿性,形成具有接触角接近0°的超亲水种植体表面;(2)微弧氧化-碱热处理法,李玉海等采用此方法在纯钛表面制备出了具有亲水性且成分单一的TiO2陶瓷膜;(3)紫外线处理法,孙彦维等研究发现,紫外线照射可增加种植体表面的亲水性;(4)空气冷常压等离子体技术,本课题组使用此技术处理种植体表面,在不改变种植体表面形貌的前提下制备出了超亲水表面。

    3.亲水种植体促进骨整合机制的相关研究

    3.1 种植体骨整合的级联过程概述

    骨整合是一系列协调有序的事件,与机体的骨骼重塑机制相似,均是一种高度受控的过程,确保骨吸收与骨生成之间的适当平衡。种植体植入后,免疫炎症反应即启动,由中性粒细胞、树突状细胞和巨噬细胞等免疫炎症细胞调控;同时毛细血管断裂,释放蛋白质、离子、糖和脂质等,形成血凝块吸附于种植体表面,血凝块中的蛋白成分可作为信号分子,介导细胞的迁移和黏附。

    种植术后2 ~ 3 d,巨噬细胞等降解血凝块,为新生血管创造空间;术后4 d,血凝块被间充质干细胞、纤维成分、部分血管结构组成的肉芽组织所取代,提供骨生成环境的临时结缔组织基质由此形成,开始组织修复;术后1周,在新生血管周围可观察到不成熟的编织骨;术后6 ~ 12周,则开始破骨细胞吸收原有旧骨、成骨细胞生成新骨的骨改建过程;术后12周以后,成熟的板层骨形成。亲水种植体植入后对每一级联事件的影响均会关系到骨整合的发生和发展。

    3.2 亲水种植体可抑制免疫炎症反应

    Donath等重新定义了“骨整合”,他们认为种植体是一种植入机体的异物,而种植体的骨整合可看作机体的免疫防御反应,使骨组织免受种植体的“侵害”。这种免疫防御反应受种植体表面特性的影响,其中表面的亲水性可通过抑制免疫炎症细胞而减弱免疫炎症反应。例如:Kou等在光滑钛表面和粗糙钛表面分别培养了树突状细胞,均显示出树突状细胞受激活后发挥促进炎症反应的作用,表明树突状细胞介导的免疫炎症反应不受钛表面微观粗糙度的影响;而在对比亲水性与疏水性钛表面时,树突状细胞在亲水性钛表面表现为不成熟的细胞状态,表明亲水性钛表面可抑制免疫炎症反应。

    Hotchkiss等的研究也得到了一致的结论,在SLA钛表面和亲水性SLA钛表面培养了巨噬细胞,分别表现为促炎的M1型巨噬细胞和抗炎的M2型巨噬细胞。除了免疫炎症细胞以外,免疫炎症因子在骨的创伤修复过程中同样发挥着重要的作用,其可分为促炎因子和抗炎因子两种。其中,促炎因子可通过募集巨噬细胞、中性粒细胞等免疫炎症细胞至骨的创伤区域增强局部的免疫炎症反应,激活破骨细胞的骨吸收作用而延缓成骨细胞的骨生成。相反,抗炎因子可抑制局部的免疫炎症反应,加快骨的创伤性愈合。种植体表面的亲水性可通过下调促炎因子、上调抗炎因子的分泌,抑制免疫炎症反应。

    Hyzy等研究表明,亲水性SLA钛表面可减少骨肉瘤细胞系MG63细胞分泌促炎因子白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-8 和IL-17,增加分泌抗炎因子IL-10。骨髓间充质干细胞是调控骨创伤性愈合最重要的细胞类型之一,除了调控细胞分化外,其可通过分泌免疫炎症因子调控种植体的骨整合过程。而骨髓间充质干细胞分泌免疫炎症因子同样受种植体表面特性的影响,研究表明,亲水性SLA钛表面培养的骨髓间充质干细胞较疏水性钛表面培养的骨髓间充质干细胞分泌的促炎因子IL-6、IL-8有所下调,而上调了抗炎因子IL-10的分泌。

    3.3 亲水种植体可促进血管生成

    毛细血管系统是维持机体正常代谢的最基本结构,是提供代谢所需要的营养物质、氧气的送达,以及机体与代谢产物交换的庞大的微管道网络系统。同时,毛细血管系统可将各种细胞成分运送至创伤性愈合区域内,参与组织的生成,对骨整合极为重要。血管生成是在原有毛细血管或微静脉基础上通过血管内皮细胞增殖和迁移,从先前存在的血管处以出芽等形式生成新血管。因此,评估不同粗糙度、亲水/疏水性钛表面的血管内皮细胞的动态生物学行为是十分必要的。

    An等在疏水性酸蚀钛片、亲水性酸蚀钛片、SLA钛片及亲水性SLA钛片表面接种了血管内皮细胞,结果表明,较粗糙表面,血管内皮细胞更适宜在光滑钛表面生长,其增殖、黏附、迁移能力均提高;而较疏水性钛表面,其更适宜在亲水性钛表面生长。另有学者同样观察到了亲水性钛表面有利于血管内皮细胞的增殖和黏附。此外,血管内皮细胞在亲水性SLA钛表面分化增强,其分泌的促血管生成因子如血管性血友病因子(von Willebrand Factor,vWF)、血栓调节蛋白(thrombomodulin,TM)、血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor,VEGF-A)、内皮型一氧化氮合成酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)等均增多;体外成血管实验显示,亲水性SLA钛表面的血管内皮细胞的成血管能力更强。

    Mamalis等检测了种植体周围骨组织与血管生成及骨生成相关因子的基因表达水平,结果显示,SLA表面种植体上调了19种促进血管生成及骨生成相关因子的基因表达水平,而亲水性SLA表面种植体表面上调了27种。亲水性钛表面除了可通过增强血管内皮细胞的生物学行为来促进血管生成以外,还可促进其他类型细胞分泌促血管生长因子,发挥促进血管生成的作用。

    如Raines等研究表明,亲水性钛表面可通过上调成骨细胞特定整合素的表达,使成骨细胞分泌VEGF-A等促血管生长因子增多,而后与血管内皮细胞VEGF受体相结合,加速血管内皮细胞的黏附、增殖、迁移及分化,间接促进血管的生成。此外,亲水性钛表面也可促进M2型巨噬细胞分泌内皮生长因子,在骨创伤性愈合的炎症反应阶段即可促进血管的生成。

    3.4 亲水种植体可促进骨生成、减少骨吸收

    迄今为止,国内外针对成骨细胞与不同表面种植体的骨整合的体内外研究较为广泛。本课题组前期研究结果与国内外研究得出的结论一致,即亲水性钛表面的成骨细胞生物学行为较活跃,亲水性钛表面可通过上调成骨细胞的整合素α2β1和整合素α5β1的表达,促进成骨细胞的早期黏附、增殖、迁移和分化。同时,亲水性钛表面细胞分泌的成骨相关活性因子较疏水性钛表面增多。

    Bang等的体外研究表明,亲水性SLA钛表面增强了成骨细胞分化标志物如碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2,Runx2)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)、骨钙素(osteocalcin,OCN)的表达,成骨细胞在亲水性SLA钛表面的分化较在SLA钛表面更为成熟。NemŢoi等将SLA表面和亲水性SLA表面种植体均植入糖尿病和健康模型的兔子股骨中,4个月后发现亲水性SLA 表面种植体的成功率、种植体周围成骨细胞的数量及种植体的骨接触率(bone-implant contact,BIC)均较SLA 表面种植体高。

    已有众多研究证实,亲水种植体表面可更多更快地吸附血液中多种蛋白质成分,提供促进骨生成的环境,同时释放更多生物活性因子,加速成骨细胞的早期黏附、增殖和分化,促进骨整合。骨的生理稳态依赖于骨吸收和骨形成之间的动态平衡,骨吸收及重建依赖于破骨细胞的调控。已有大量研究表明,亲水种植体表面可对破骨细胞行为起到一定抑制作用。

    Mamalis等在SLA钛表面和亲水性SLA钛表面培养人牙周韧带细胞,RT-PCR检测了细胞分泌的调节破骨细胞行为相关因子骨保护素(OPG)、核因子κB受体活化因子配体(RANKL)的基因表达水平,结果显示,亲水性钛表面上调了OPG 基因表达水平,下调了RANKL基因表达水平。因此,亲水性钛表面可通过调控RANKL-RANK-OPG 分子通路抑制骨吸收。Bang等的体外研究证实了亲水性钛表面可抑制破骨细胞的分化效应,并认为此效应可能有利于减缓种植体周围边缘骨丧失,确保种植体的长期稳定性;同时其表面又可加速成骨细胞增殖、分化,有利于骨整合,提升了种植体的早期负载能力,确保种植体的早期稳定性。

    4.总结与展望

    口腔种植技术已成为牙齿缺失的重要修复方法,然而种植体骨整合时间长或结合不良而导致的种植失败病例仍有发生,尤其是合并有全身性疾病的患者,如骨质疏松症、糖尿病等,其种植成功率明显低于全身健康者。只有更深入地了解种植体的骨整合机制,才能尽早设计出早期稳定且更持久的、适合应用于不同基础疾病患者的种植体。

编辑: 陆美凤

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