种植体表面涂层制备技术及其对骨质疏松下骨结合的影响研究进展

2018年9月12日 口腔颌面修复学杂志

    现代社会人们寿命普遍增加,对口腔保健提出更大挑战。据统计,全世界约35%的人存在缺牙情况。目前,口腔种植技术被认为是修复成人牙列缺损与缺失的理想方法。与常规修复技术相比,骨内种植体可增加人工修复体的存留率和稳定性,改进功能和美学效果,提升患者满意度。

    口腔种植体成功与否的关键是种植体周围骨结合的情况。然而,骨质疏松患者常伴随种植体周围骨再生能力下降,骨结合的过程受到显著影响,最终导致种植失败。有鉴于此,人们提出通过钛种植体表面涂层技术提高种植体骨结合效果。随着材料学以及包被技术的发展,种植体表面涂层材料由最初的羟基磷灰石和磷酸三钙等无机材料,发展为可包被有机生物分子或运载药物的功能性涂层,可于较长时间内在局部实现缓释控释,显著促进骨形成。各种表面涂层材料间各有优缺点,其作用机制也不尽相同。本文主要探讨骨质疏松患者口腔种植体周围骨结合能力下降的机理,以及骨-种植体愈合过程中各种涂层材料的生物学效应。

    1.骨质疏松与颌面部骨丢失

    骨质疏松是一类常见的以骨吸收增加和骨形成减少为特征的骨病变。这一骨改建过程的异常导致骨量的降低及正常骨结构的破坏,主要表现为小梁骨丢失和皮质骨空隙增加。目前,全世界约有2亿以上骨质疏松患者。骨质疏松主要分为两类,原发性骨质疏松和继发性骨质疏松。前者又分为两型,I型为绝经后骨质疏松,为高转换型,发生于停经后的女性,主要诱因是雌激素水平缺乏,多局限于小梁骨。II型为老年性骨质疏松,为低转换型,主要诱因是年龄的老化,主要影响皮质骨。两类骨质疏松均与性激素缺乏、营养不良、年龄增大等因素引起的骨细胞功能改变有关。

    目前认为,骨质疏松状态下颌骨与其它部位骨骼间骨结构和特征的变化相似。因此,骨质疏松也会引起牙槽骨的显著变化。骨质疏松患者常见牙槽骨丢失,其缺牙区骨量和骨质也受到影响,从而对种植治疗带来挑战。Munakata等发现,日本女性牙槽骨骨小梁矿化密度和显微结构质量在停经后较停经前显著降低。前期群组研究结果显示,骨质疏松女性的颌骨矿化密度显著低于健康女性。骨质疏松与牙槽骨丢失间的关系在骨质疏松的动物模型中也可找到证据。比如,Tanaka等发现雌激素缺乏可导致牙槽骨的组织形态学变化。在其研究中,OVX大鼠牙槽骨的早期显微结构改变较基线和健康对照组更加显著。OVX组骨吸收部位可见破骨细胞增加。数周后,其下颌骨骨丢失增加,小梁骨破碎。

    此外,人们利用OVX绵羊模型证实了雌激素缺乏对牙槽骨丢失的影响。研究中发现牙龈组织中IL-6水平增加可导致牙槽骨的吸收。在另一项系列研究中,人们检测了骨质疏松动物血清和唾液中的骨代谢相关生物标志物的表达,以及其与牙槽骨矿化密度间的关系。研究发现,牙槽骨矿化密度及皮质骨厚度的降低与上述标志物的表达改变及长骨骨量减少密切相关。

    2.骨质疏松与口腔种植治疗

    有研究证实骨质疏松是口腔种植失败的危险因素之一。骨质疏松导致的种植体固位不良主要由骨的结构和机械性能改变、骨形成细胞数量减少、破骨细胞活动增加所引起的种植体-骨结合区域骨形成不良等因素导致。此外,骨与种植体接触面积减少导致种植体初期稳定性不足,无法形成良好的骨结合,也可直接影响种植体的初期稳定性,从而引起种植失败。在骨质疏松动物模型体内植入种植体,骨再生过程受到影响,导致骨-种植体界面接触面积及机械强度显著降低。由此可见,骨质疏松病人的口腔种植治疗前,应该根据上述影响因素制定详尽的治疗计划,从而最大限度的减少对种植体初期稳定性的影响,提高种植成功率。

    3.种植体表面涂层处理对骨结合的影响

    3.1口腔种植体周围骨结合过程

    口腔种植体周围骨结合过程包含三个相互重叠的时期:炎症期、修复期、重建期。炎症期开始于骨组织及其周围软组织最初的损伤之后,一般可持续3-4天,直到骨形成开始。损伤局部血管破裂引起富含纤维的血块聚集于骨缺损处,启动创伤愈合过程。这些血块中富含血管化及骨形成过程所必须的祖细胞、生长因子、细胞因子等。骨损伤后随即出现骨吸收,坏死骨碎片的吸收对启动骨形成过程至关重要。损伤后几天内成骨过程开始,伴有间充质干细胞的募集。这些干细胞在多种生长因子的刺激下发生增殖并分化为骨祖细胞,继而分化为成骨细胞,其中起主要作用的是TGF-β1和BMPs。两周后,血管网形成,成骨细胞开始形成编织骨,随后被成熟骨代替。因此,骨结合过程实质上是种植体周围创伤愈合,新骨形成的过程。

    骨质疏松状态下,种植体周围骨再生能力下降。这与骨结合区域局部骨愈合和重建能力的改变有关。人们认为这一问题可以通过采用种植体表面生物活性涂层技术克服。此类涂层应具备增强骨再生的能力,从而补偿骨质疏松对种植体周围骨结合产生的不良影响。

    3.2表面涂层处理对种植体骨结合的影响

    使用涂层材料包被种植体表面可为新骨沉积提供适宜的物理基质。种植体表面的骨形成会受其表面涂层的质量及涂层材料与成骨细胞的相互作用的直接影响。比如,磷酸钙和I型胶原涂层表现出较好的引导再生能力,可促进成骨细胞增殖、分化、胞外基质合成以及新骨矿化。因此,这些涂层材料可通过与蛋白分子结合并促进细胞的黏附而直接影响种植体对细胞产生的生物学效应。

    种植体植入后,种植体表面涂层可有效增加其蛋白吸附能力。这一吸附蛋白层随后可介导涂层材料与其周围组织细胞间的相互作用。细胞与胞外蛋白间的相互作用由整合素介导。这些细胞膜蛋白可介导胞外基质和细胞间的信号转导,随后启动胞内信号通路,调节成骨细胞的生物活动。总体来说,整合素可介导细胞与基质间的相互作用,包括细胞的增殖、黏附、伸展、分化等生物学功能。

    成骨细胞可表达多种整合素,后者结合于多种胞外蛋白(如胶原、纤连蛋白、玻连蛋白、骨涎蛋白、骨桥蛋白等)的特异性氨基酸序列。整合素与胞外基质配体间的相互作用对于成骨细胞特异性基因的表达是必不可少的。整合素与蛋白配体结合后,可启动胞内信号通路。这些胞内信号通路较为复杂,包括多种蛋白的募集,如黏着斑激酶(FAK)、黏着斑蛋白、肌动蛋白纤维等。黏着斑激酶和黏着斑蛋白是黏着斑的胞内域,负责向肌动蛋白纤维传导信号。通过体外培养成骨细胞样细胞,人们发现黏着斑激酶阳性的黏着斑在包被后的基质上持续增加,而黏着斑蛋白阳性者减少。原因与细胞牢固结合于磷酸钙表面后有关,其黏着斑分子的表达受到抑制。

    当钛基底表面包被一层生物活性材料后,其上生长的细胞内整合素的表达水平会发生变化。这一现象可解释为钛基底吸附蛋白的种类不同。除了配体结合能力外,整合素可通过与种植体表面积聚的多种酶和生长因子相互作用,从而调控细胞周期和活性。此外,表面涂层还可通过释放化学离子(如Ca2+或PO43-等)调控细胞信号传导,促进成骨分化。这些离子也可刺激成骨细胞内多个信号分子,从而激活成骨矿化过程。最终,这些离子可促进骨样磷灰石在种植体表面的沉积,从而为成骨细胞在其上活化并成骨分化提供有利条件。

    3.3表面涂层处理在骨质疏松种植中的应用

    ①磷酸钙涂层:β-磷酸三钙涂层(β-TCP)多用于制作生物陶瓷涂层,微观下观察为六方晶系结构,是典型的生物可吸收型和生物降解活性材料,其降解产物Ca2+,PO43-离子可促进新骨形成,因而被认为是理想的硬组织修复材料,其缺陷在于β-TCP在体内降解速度较快,与新骨生长速度不匹配,并且溶解度显著高于HA等涂层材料,故体内较易发生降解。有鉴于此,近年来学者们多致力于促进其降解后成分参与新骨形成过程,加快骨组织生长,改善其生物活性。

    研究表明可通过将β-TCP与HA复合以控制材料的降解速度,使其与局部骨组织的生长速度相匹配,以优化其临床应用效果。磷酸钙涂层因其较好的生物活性和与骨矿物质相近的组成成分等特性而广泛用于骨再生领域。目前将磷酸钙包被于种植体表面有多种方法。其中,等离子喷涂和射频磁控溅射技术应用较广。然而,等离子喷涂技术存在缺点,即其所产生的涂层较厚(>50μm),导致黏附强度较弱,产生分层。此外,等离子喷涂产生的结晶度和组成并不均一。有鉴于此,射频磁控溅射技术因其能够在种植体表面产生较薄(≈0.5μm)、均一、黏附强度高的磷酸钙涂层而引起人们的广泛关注。但是,上述两种技术均较为费时,并且对于磷酸钙涂层的化学组成和形貌的调整能力有限。

    有鉴于此,Leeuwenburgh等首先应用静电雾化沉积法在种植体表面得到具备多种化学和形貌特性的多孔、薄层磷酸钙涂层,这种方法的另一个优势在于其可实现磷酸钙纳米微粒与有机分子或治疗性制剂的共沉淀。此部分内容将在后面“生物分子涂层”和“具有骨质疏松治疗效果的表面涂层”部分讨论。值得注意的是,上述磷酸钙涂层技术被证明在骨种植体周围具有骨传导性。这样一来,现有的喷涂沉积技术就可以用于在某些特定条件下改善种植体的生物活性反应,比如用于骨质疏松病人的口腔种植。研究表明,在骨质疏松动物模型中,磷酸钙涂层种植体与无涂层种植体相比具有更好的骨结合效果。

    ②生物分子涂层:尽管磷酸钙涂层具有促进骨再生的能力,其生物功能仍受到其骨传导性的制约。换言之,磷酸钙生物材料不具有骨诱导性,而仅能通过直接接触在种植体表面与受体骨组织发生相互作用。因此,诸如胶原蛋白,生长因子,多肽以及其他有机生物分子等的使用就成为种植体表面涂层研究的新领域。此类涂层材料可通过加速种植体早期骨结合过程用于多种骨异常疾病的种植治疗。研究表明,采用骨细胞外基质成分对种植体表面改性可调节骨-种植体界面的内源性骨再生过程。细胞外基质可作为骨形成细胞的支架影响其迁移、黏附、分化等生物学功能。

    目前,仅有少数细胞外基质分子成功用于种植体表面涂层。比如,细胞外基质的主要结构蛋白——I型胶原,已被用于种植体表面有机涂层材料。研究表明,胶原涂层在活化细胞反应,增强骨生长,提升骨与种植体接触性等方面具有重要作用。前期体外研究显示,电喷涂技术已被用于纳米磷酸钙、胶原、碱性磷酸酶等在钛表面的沉积,从而提升成骨细胞样细胞在其上的黏附和矿化。研究证实这种涂层材料对促进骨矿物质在种植体表面的早期直接沉积较有效。此外,学者运用小型动物模型研究证实了薄层磷酸钙/碱性磷酸酶复合涂层材料可加速种植体表面的早期骨形成。

    成骨生长因子在骨组织修复过程中参与调解多种细胞行为。其中,TGF-β1和BMPs(BMP-2、BMP-4、BMP-7)对促进种植体周围骨形成的作用已得到了证实。负载生长因子的胶原或磷酸钙涂层种植体与无涂层种植体相比,具有明显的促进骨再生能力。另一种用于种植体表面改性的有机涂层材料是脱氧核糖核酸(DNA)。Vanden Beucken等首次通过逐层沉积法将DNA涂层包被于钛种植体表面。体内外实验结果显示,DNA涂层具有良好的生物活性,可影响成骨细胞样细胞分化,提示DNA涂层具有良好的组织相容性并可促进种植体表面早期骨形成。

    ③具有骨质疏松治疗效果的表面涂层:除上述涂层材料,新型表面涂层技术(包括抗吸收和促合成制剂)可有效提升骨质疏松骨内种植体的稳定性。比如磷酸钙水门汀已被越来越多的作为药物载体系统(DDSs)用于骨再生领域。磷酸钙基底可通过物理或化学方法整合药物制剂,从而作为药物载体应用。比如,双磷酸盐通过P-C-P结构和(R1,R2)侧链而实现与磷酸钙的高度亲和力,以及与骨矿物质的良好结合能力。此外,双磷酸盐又可抑制破骨细胞增殖和活动。因此,于磷酸钙涂层种植体表面负载双磷酸盐可减少种植体周围骨吸收,并可提高种植体稳定性。

    此外,考虑到全身使用双磷酸盐会引起颌骨骨坏死,局部使用双磷酸盐更加安全有效。此前有研究在动物模型中证实了双磷酸盐包被种植体可增加种植体周围骨密度和种植体拔出力。关于骨质疏松,Peter等发现包被负载双磷酸盐的磷酸钙涂层可增加骨质疏松大鼠体内钛种植体的机械稳定性。随后,人们将双磷酸盐缓释纤维蛋白原涂层用于骨内种植,并进行临床效果评估。结果显示负载双磷酸盐后,种植体稳定性得到了显著提升。值得注意的是,尽管减少种植体周围骨丢失很重要,增加种植体表面骨形成更加必不可少。因此,采用促合成类治疗制剂(如锶替代磷酸钙)制备种植体表面涂层至关重要。锶离子(Sr2+)具有与钙离子(Ca2+)相似的理化特性并且同样存在于骨组织中。

    多年来,Sr2+促进骨形成和减少骨吸收的双重作用已在多种动物模型和骨质疏松治疗相关临床实验中得到证实。锶离子在骨-种植体界面的释放可加强骨再生,这一效果在骨质疏松骨中尤其明显。人们利用溶胶凝胶浸涂法将10%锶置换羟基磷灰石(10%SrHA)并沉积于种植体表面。与纯羟基磷灰石涂层相比,10%SrHA涂层种植体组表面成骨面积和机械稳定性显著增加。因此,上述体内实验结果证明使用治疗性涂层可增强骨质疏松骨内种植体的稳定性,优化种植效果。本综述总结了表面涂层处理在骨质疏松状态下对种植体骨结合的影响。

    表面涂层处理可增强种植体骨结合能力,抑制局部骨吸收,显著减少骨质疏松症所带来的种植失败发生率。因此,对于种植治疗过程中种植体-骨界面所发生的细胞学和分子生物学变化过程的深入了解将更有利于后续开发针对种植体周围骨代谢异常性疾病的治疗性涂层技术。因此,未来的研究方向将集中于在骨代谢异常条件下发挥种植体表面涂层的骨诱导性和治疗性功能。此外,还需在骨质疏松动物模型中进行体内前期临床实验,以便为负载不同制剂的种植体涂层的体内生物学作用提供进一步的实验证据和理论支持。

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