钛种植体颈部粗糙度对软组织附着形成影响的研究进展

2023-3-23 17:03  来源:北京口腔医学
作者:郭雅彤 陈溯 王新 阅读量:12607

    随着现代口腔种植技术的发展,口腔种植修复已成为牙列缺损或牙列缺失的首选治疗方案,钛及其合金由于具有良好的耐腐蚀性、生物相容性、力学性能等理化特性,现已成为口腔种植体的首选材料。
    钛种植体穿过牙龈黏膜后会在其颈部周围形成类似于天然牙的软组织结构,研究表明种植体周围稳定的生物学宽度约为3.5~4mm,其主要由上皮和结缔组织构成,此种结构对于抵御外界刺激,减少软组织的退缩和骨的吸收,提高种植成功率具有重要的意义。
    上皮细胞借助基板和半桥粒与种植体表面相连接,与天然牙不同的是半桥粒只存在于结合上皮的根方且不连续。结缔组织中的成纤维细胞含量明显少于天然牙周围的牙龈组织,主要通过黏着斑附着于种植体表面,其可以合成并分泌对上皮起着重要的支持作用的胶原纤维,但与天然牙周围的牙龈组织相比其数量较少,且与种植体表面相平行,环绕种植体排列。所以相比于天然牙龈组织,种植体周围软组织与植体的结合强度较弱。因此目前对种植体穿龈部分的研究主要集中在如何促进种植体材料与周围软组织的结合。
    研究发现影响细胞早期粘附和增殖的因素主要有材料的粗糙度、表面形貌、表面化学组成和亲水性等。综上本文主要对钛种植体穿龈部位的粗糙度对周围软组织附着形成的影响做一综述。
    1.钛种植体常用的表面改性方法及粗糙度分级
    纯钛种植体虽然拥有优越的生物相容性但其自身仍存在许多问题,学者们为了使钛种植体植入之后促进成骨细胞和成纤维细胞在其表面早期粘附和增殖进而形成良好的骨结合和软组织愈合,采用了多种处理方法对钛种植体表面进行改性,并将各种方法取长补短相互结合,形成不同的表面形貌和粗糙度,以增加种植体的长期稳定性,提高种植成功率。
    常用的物理方法包括喷砂、离子注入、等离子喷涂、激光熔覆等,其原理主要是改变种植体表面的超微结构;化学方法包括酸蚀、碱热处理、阳极氧化、微弧氧化等,其原理主要是改变种植体表面的化学特性;生物学方法是通过吸附、复合涂层、腱结合等方法将生物活性分子吸附在种植体表面或形成复合涂层来诱导细胞增殖分化促进细胞与种植体结合。
    除了上述提到的各种方法之外还有电化学腐蚀、喷砂酸蚀、光蚀刻、3D打印等由不同工艺相结合的处理方法。表面粗糙度是用来表示材料加工之后表面具有的较小间距和微小峰谷的不平整度,表面粗糙度越小,则表面越光滑。
    多数文献用于评价钛种植体表面粗糙度的最常用参数是算术平均表面粗糙度(Ra),Ra值能客观地反映表面的微观几何形状特征,所用测量仪器的测量方法比较简单,能连续测量,具有较好的代表性和可比性。在种植体材料粗糙与光滑的定义上,一般认为平均表面粗糙度Ra<1μm是光滑,Ra>1μm是粗糙,按粗糙程度又可分为微度粗糙(0.5~1μm)、中度粗糙(1~2μm)和高度粗糙(2~3μm)。
    2.微米级粗糙度对软组织形成的影响
    常见的可获得钛表面微米级粗糙度的改性方法有喷砂酸蚀、光蚀刻、微弧氧化、激光脉冲等,不同的方法处理获得的Ra值不同,对软组织形成的影响也不相同。传统意义上认为光滑的种植体颈部设计对于牙龈上皮细胞的粘附以及软组织的形成有积极的影响,但近些年的研究发现适度粗糙的种植体表面更有利于良好软组织封闭的形成。
    Yugo等通过Nd:YVO4纳秒脉冲激光和散焦技术制得具有微米级粗糙度、直径为1mm的圆柱形钛种植体,其表面有平行排列的凹槽,将其植入大鼠上颌骨,发现相比于未经处理的钛种植体其更有利于牙龈结缔组织的附着。Lai等通过光蚀刻的方法在覆盖200nm厚钛涂层的微结构硅基底表面形成不同宽度和不同深度的微沟槽结构,发现微沟槽结构在增加钛种植体表面粗糙度的同时提高了其亲水性,增加了细胞纤连蛋白的表达补偿血浆纤连蛋白在钛种植体表面附着减少的情况,从而促进成纤维细胞在种植体表面的粘附,并且当微沟槽宽度为60μm,深度为5或10μm时可获得最佳的效果。
    Chen等对微弧氧化处理的钛种植体进行体内实验并在第8周时处死实验动物,发现经微弧氧化修饰的实验组钛种植体的软组织附着度明显增高。但也有学者对钛种植体进行微弧氧化处理得到了呈多孔状粗糙度为(1.201±0.023)μm的亲水表面,发现上皮细胞在微弧氧化钛表面的早期粘附更多,增殖与在未经处理的对照组钛种植体表面无明显差别,但总体来说微弧氧化组对上皮细胞粘附和增殖的促进作用不强且会明显增加细菌的粘附量,所以作者认为微弧氧化并不适用于种植体穿龈部位改性,分析原因可能是由于后者前期实验所设置观测时间偏短,在较大变化发生之前便停止了观测,但关于微弧氧化是否适用于种植体穿龈部分的表面处理仍需进一步的实验研究。
    戚娟娟在使用机械抛光、HA高压喷射、喷砂酸蚀、喷砂酸蚀+HA膜四种方法处理钛种植体后分别形成了0.1~0.5μm的光滑表面和1.2~1.8μm、2.4~2.8μm、2.5~3.0μm的微米级粗糙表面,并将四组种植体植入犬下颌骨进行体内实验发现粗糙与光滑颈部相比上皮细胞的生长方向及结缔组织的排列无差异,形成的胶原纤维较少但上皮附着和软组织袖口更加紧密,有利于生物学封闭的形成,且血管较为丰富,有利于后期骨结合的实现。
    Oates等学者发现在喷砂酸蚀处理的钛种植体表面成纤维细胞的生长方向具有多向性,且附着数量较多,表现出的形态也不相同,而光滑组成纤维细胞附着较少且单层排列,多数表现为扁平状,这一实验结果同样支持了粗糙表面较光滑表面更有利于成纤维细胞的早期粘附与增殖这一理论。但江瑶等采用大颗粒氧化铝喷砂酸蚀的方法,在钛表面形成了微、中、高度粗糙的微米级凹坑表面形貌,发现在光滑钛表面和喷砂酸蚀钛表面,细胞均能良好地粘附,而光滑的钛表面更适合人牙龈成纤维细胞的粘附及早期增殖,过于粗糙的钛表面在促进细胞粘附与增殖方面未显优势。
    作者认为与之前研究结论的差异可能是因为用于喷砂的氧化铝颗粒大小不同所致,且材料表面的亲水性会随着表面粗糙度的增加而减小,推测是因为喷砂酸蚀处理的钛表面暴露于空气中,在微观结构上存有一层碳化组织,使材料表面表现为疏水特性,这同样会影响细胞在材料表面的生物学行为。因此何种大小的氧化铝颗粒最适宜用于钛种植体表面喷砂酸蚀处理进而促进软组织细胞的粘附增殖仍是值得研究的问题。
    3.纳米级粗糙度对软组织形成的影响
    常见的可获得钛表面纳米级粗糙度的改性方法有阳极氧化、碱热处理、胶体蚀刻等。有研究通过用不同粒度的碳化硅砂砾纸对钛合金进行湿打磨获得6组粗糙度值在2.75~30.34nm之间的纳米级结构钛种植体表面,与未经处理的钛相比,发现其表面具有更多的-OH基团及更高的亲水性,有利于成纤维细胞伸展形成良好的细胞形态提高其粘附力并促进其增殖。
    Kato等和苗新超等均通过碱热处理的方法获得了纳米级粗糙度表面的钛种植体,发现其可促进上皮细胞及成纤维细胞的粘附,增加胶原的合成并提高沉积胶原的结合强度,有利于种植体周软组织封闭的形成。现在最常见的获得纳米级粗糙度的种植体表面处理方法是阳极氧化。
    Demetrescu等和刘湘宁等均通过阳极氧化的方法得到表面有均匀排列TiO2纳米管结构的钛片,发现其有利于成纤维细胞在材料表面早期粘附、增殖以及细胞外基质中胶原纤维和整合素的表达,这更有利于与材料表面结合,从而起到促进软组织愈合的作用。并且有研究表明将阳极氧化电压控制在30V时获得100nm管径的TiO2纳米管能最大限度的激活人牙龈成纤维细胞的功能和细胞外基质中相关基因的表达。
    以上研究均表明纳米级粗糙度表面对种植体周围软组织封闭的形成有积极的影响,但也有实验的研究结果与之前所得到的结论相背。Richert等用H2SO4和H2O2处理钛制得直径为23~33nm的纳米粒子发现其抑制成纤维细胞的生长。Dalby等利用胶体蚀刻的方法在钛表面制备了直径为100nm的纳米柱阵列,并发现相比于平坦表面成纤维细胞在其表面细胞骨架较小呈圆形,且粘附和扩散减少。
    分析原因可能是由于制备方法及获得的纳米形貌不同所致,同时Dalby的研究表明成纤维细胞在纳米柱阵列钛表面伸出更多的伪足,但伪足是具有高度运动性的结构,收集细胞周围环境信息并将其定植在适宜的表面上,此实验中制得的100nm的纳米柱阵列并未得到伪足的青睐。所以计算出细胞能够感知的材料表面形貌特征和粗糙度的范围,并评估细胞在其表面所产生的生物学行为可以作为我们进一步的研究方向。
    4.微纳复合结构对软组织形成的影响
    随着对种植体表面改性研究的不断发展与深入,越来越多的学者采用两种或多种方法相结合的方式对钛种植体进行处理,获得了微纳复合结构的钛表面,并对其生物相容性进行了探究,为钛种植体更好地应用于临床提供理论基础。有研究将银等离子体浸没离子注入喷砂酸蚀的钛表面并将其植入拉布拉多犬口腔建立种植动物模型,研究结果显示种植体周围软组织附着良好,无明显的炎症或软组织退缩现象发生,提示微纳复合结构的材料与口腔软组织之间有良好的组织相容性。
    张晓洁等人采用电化学腐蚀与酸蚀相结合的方法在纯钛表面形成微米凹孔形态及半球形纳米形态,相比于机械加工钛片两种形貌的协同作用促进了成纤维细胞的粘附。另一实验研究同样使用电化学腐蚀加酸蚀的方法处理纯钛金属种植体并将其植入犬下颌骨,发现胶原纤维垂直扎向种植体表面,牙龈组织面与种植体表面形成复杂的微米—纳米镶嵌结构,并且附着牢固不易开裂。赵颖等人将人牙龈成纤维细胞分别培养于机械抛光、喷砂酸蚀、喷砂酸蚀加碱热处理的钛金属试件表面,发现具有微纳复合形貌的喷砂酸蚀加碱热处理钛试件更有利于牙龈成纤维细胞早期粘附及表面铺展,且对其增殖无抑制作用,还有研究表明微纳复合表面形貌除了促进成纤维细胞的早期粘附外,对体外胶原的沉积同样具有良好的导向作用。
    随着现代口腔种植学迅速发展并逐渐完善,除了追求种植体植入之后的长期稳定性及成功率,满足复杂临床病例的需求及获得更好的美观效果也十分必要,近年来3D打印技术逐渐兴起,在制造个性化牙种植体领域具有广阔的应用前景。Rieger等通过在3D打印多孔钛表面分别进行阳极氧化和酸蚀,建立了两种粗糙度不同的微纳复合钛表面,发现与未经处理的光滑钛片相比其亲水性及蛋白吸附能力提高,有利于血浆蛋白的吸附,提高材料的生物活性,从而有利于细胞的早期粘附和增殖,促进了种植体周的软组织愈合,但此实验利用材料表面形成的单个微钛珠作为代表进行研究忽略了表面整体形貌对细胞粘附增殖的影响。
    Xu等将选择性激光熔融和阳极氧化技术相结合,在3D打印钛片表面形成TiO2纳米管结构并发现与原始的选择性激光熔融钛表面相比,这种表面修饰高度增强了人牙龈成纤维细胞的粘附、增殖以及对粘附相关基因表达的调控。然而,由于大多数实验均为体外实验,缺乏体内动物实验的论证,实验结果还不足以应用至临床。无论用何种方法对钛种植体进行处理都增加了材料的表面粗糙度及与细胞接触的表面积。
    传统上认为光滑表面一方面更有利于上皮细胞及成纤维细胞的粘附和增殖,另一方面有利于减少细菌附着和菌斑形成,但是随着研究的深入发现适度粗糙的种植体表面除了与细胞的接触面积增加之外其亲水性也提高,细胞的粘附和增殖更明显,且胶原纤维可以形成与粗糙表面轻微垂直的走向,更接近于天然牙的纤维排列,提示表面微结构对软组织封闭的形成和加强可能存在积极作用。
    不难发现无论是微米结构、纳米结构还是微纳复合结构都可以调整细胞的形态、粘附及增殖等生物学行为,但结果的不同可能取决于粗糙度以及形成表面形貌和纹理的方法,目前对于种植体周软组织结合机制的研究尚不完善,对粘附强度的评价方法尚不全面,究竟哪种类型的钛种植体表面更有利于软组织愈合尚无定论,所以研究上皮细胞及成纤维细胞与材料表面特性的关系,找到适宜钛种植体周软组织形成的处理方法及表面粗糙度仍是值得探究的问题。

编辑: 陆美凤

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