种植体表面纳米改性方法及其生物学效应研究进展_方雨晴.pdf

Chinese Journal of Practical Stomatology Jan.2023 Vol.16 No.1基金项目：国家自然科学基金（82271037，81970980）；辽宁省科技厅民生科技计划项目（2021JH2/10300019）；辽宁省应用基础研究计划项目（2022JH2/101300064）；沈阳市中青年技术创新人才计划（RC200060）作者单位：中国医科大学口腔医学院 附属口腔医院牙周病科，辽宁 沈阳 110002通信作者：朱禹赫，电子信箱：钛及钛合金因具有密度小、比强度高、低温韧性好及抗腐蚀性能优异等特点，被广泛应用于矫形外科及口腔种植等多个领域。材料的表面形貌特征是影响植入后骨结合的重要因素1-2。未经表面处理的钛合金的生物惰性限制了其临床性能和在骨科及口腔科中的应用，主要表现在其与骨组织在结构和性质上不匹配、缺乏骨诱导性等，从而影响钛种植体的初期稳定性及远期成功率。为获得理想的种植体表面形貌及提高种植成功率，目前已有多种方法对其进行表面改性，其中纳米尺度的表面形貌因其在结构上与细胞外基质相似，能够很好地模拟细胞生长的微环境，增加早期蛋白吸附及后续细胞的黏附、增殖与分化而引起广泛关注。研究表明，骨组织表面是纳米级与微纳米级结构相结合的粗糙表面，种植体表面纳米改性可形成近似于骨组织的表面形貌，形成促进细胞增殖的微环境，利于干细胞的早期黏附及成骨向分化，增强种植体初期稳定性3-4。一方面，通过种植体表面改性处理形成纳米形貌的同时也改善了材料的理化性能，使其具备高表面能，促进早期蛋白层的形成及相关细胞增殖分化5。另一综述DOI：10.19538/j.kq.2023.01.019种植体表面纳米改性方法及其生物学效应研究进展方雨晴，朱禹赫，王蔚摘要：钛及其合金因其耐腐蚀性能好、弹性模量低、生物相容性良好等特点，已经成为生物医学领域不可或缺的金属材料，在关节置换、骨折修复、口腔种植等方面发挥着重要作用。表面纳米化是指在材料表面形成一层由纳米级颗粒或晶粒组成的强化层，从而改善金属材料的表面性能，具有更为理想的促进成骨效果。文章就钛种植体表面纳米改性方法及纳米结构对细胞生物学行为的影响做一综述，为钛种植体表面形貌的进一步优化提供依据。关键词：种植体；表面纳米化；表面形貌；成骨中图分类号：R78文献标志码：AResearch progress in surface nanocrystallization methods of implants and their biological effectsFANG Yu-qing，ZHU Yu-he，WANG Wei.Department of Periodontics，School and Hospital of Stomatology，China Medical University，Shenyang 110002 ChinaCorresponding author：ZHU Yu-he，E-mail：Abstract：Due to their good corrosion resistance，elasticity and biocompatibility，titanium and its alloys have become anindispensable material in the field of biomedicine，playing an important role in joint replacement，fracture restoration，and dental implantation.Surface nanocrystallization refers to the formation of a strengthening layer composed of nano particles or grains on the surface of materials，so as to improve the surface properties of metal materials and have a more ideal effect of promoting osteogenesis.This paper reviews the nano modification methods of titanium implant surface and theeffects of nano structure on cell biological behavior，so as to provide a theoretical basis for the further optimization of titanium implant surface morphology.Keywords：implant；surface nanocrystallization；surface morphology；osteogenesis110中国实用口腔科杂志 2023年 1月 第 16卷 第 1期方面，纳米材料因尺寸小、比表面积大，其载药能力也比普通材料更强，通过阳极氧化形成的纳米管状结构可负载抗生素、生物肽及多种成骨相关蛋白等，促进早期骨结合，提高种植体初期稳定性6-7。综上所述，钛种植体表面纳米改性所形成的粗糙表面可改善骨-种植体界面的应力分布及骨结合，还可负载其他生物活性分子共同促进种植体高效、稳定的植入，具有极佳的临床应用前景。因此，文章就钛种植体表面自纳米化改性方法及纳米结构对细胞生物学行为的影响做一综述，旨在为相关研究及临床转化提供思路与线索。1纯钛表面纳米结构制备方法种植体材料表面纳米改性技术可分为以下3类。表面涂覆或沉积技术：在材料表面沉积纳米粒子或涂覆纳米涂层，此技术存在结合强度不够、涂层易剥脱、远期稳定性未知等缺点8-10；表面自纳米化技术：依靠机械锤击或化学改性等技术在材料表面形成纳米结构，此技术依赖材料自身晶体结构的改变，不引入其他成分，具有更高的安全性及临床应用价值；混合纳米化技术：首先通过自纳米化技术在材料表面形成纳米形貌，使其表面形貌及性能发生改变，然后与涂层或化学热处理等技术联合应用，在材料表面负载其他纳米活性分子或形成粒径不同的复合纳米结构11-12。表面自纳米化技术可改善材料自身的理化性质，提高材料的机械性能，具有较强的临床应用前景，是当前研究的热点，以下简要介绍其制备方法。1.1酸/碱蚀刻处理酸/碱蚀刻处理是一种化学表面改性方法。酸蚀处理是指将材料在一定温度和湿度等条件下浸泡在强酸溶液中，从而有效地在钛材料表面构建直径为20 100 nm的凹坑结构的方法13；碱热处理是指用强碱溶液浸泡材料后并进行高温处理，形成纳米突起状结构如纳米孔、纳米针或纳米棒等的方法14。研究表明，钛与氢氧化钠溶液反应后可在钛表面形成一层非晶态氧化钠，该层可以加速磷酸钙成核，诱导磷灰石沉积15-16。酸碱蚀刻不会对材料的机械性能（如强度及韧性等）产生影响，且可通过调节处理参数（如温度、浸泡时间及酸或碱的浓度等）来调节纳米结构的形貌及尺度17，进而影响相关细胞生物活性，且处理技术简便经济，是当前应用最多的改性方式18。1.2阳极氧化处理阳极氧化处理是一种有效改善金属表面形貌的电化学方法，在酸性电解液的作用下，腐蚀溶解与氧化沉积交替进行，最终在材料表面形成具有许多均匀的纳米级管状表层结构19-20。这种结构与正常骨组织胶原纤维的排列相似，在生理pH值下，带负电荷的种植体表面可以吸引阳离子形成磷酸钙，促进早期骨整合21。阳极氧化处理可通过调节电压、电解液浓度及处理时间等方法改变纳米管的管径、壁厚及密度等22。阳极氧化是一种简单而经济的技术，形成的氧化钛层具有良好的耐蚀性，且纳米管的尺寸、间距或有序/无序程度均可调控。研究表明，阳极氧化处理所形成的纳米管状结构还可负载抗生素、生物肽及成骨相关因子等，提高其表面生物性能23-24。因此该方法具有极佳的临床应用前景。1.3机械加工处理包括磨削、喷砂和超声喷丸在内的技术已用于制造粗糙/光滑表面以改善机械特性25。机械加工可导致晶粒变形，产生严重塑性形变，从而在种植体上形成纳米级表面，进而提高材料表面拉伸性能、表面硬度和亲水性的同时不会降低材料韧性。激光改性是一种新型微机械加工处理技术，通过热效应和光子效应融化钛种植体表面，可灵活控制材料表面图案，是一种高度可控的加工技术26。3D激光打印金属制造的多孔钛结构，可精确地获得最佳水平的孔隙率，并且可根据不同的需要通过调整支架内部的孔隙微观结构来改变材料的力学性能27-28。通过激光处理在材料表面模仿昆虫翅膀所形成的仿生纳米形貌，具有天然的抗菌表面结构，可通过切割细菌细胞膜直接杀死细菌，是当前研究的热点之一29。2纯钛表面纳米结构分类2.1纳米管状结构纳米管状结构是指材料表面垂直排列的致密管状结构。其制备方法包括辅助模板法、溶胶-凝胶法、电化学阳极氧化法和水热法等30-32。在上述制备方法中，电化学阳极氧化法更常用于生物领域33-34。钛在氟基电解液中的电化学阳极氧化可分为3个过程35，首先通过氧111Chinese Journal of Practical Stomatology Jan.2023 Vol.16 No.1化还原反应在材料表面形成致密的氧化膜；然后氟离子与氧化层反应形成多孔的薄膜状结构；最后，可溶性络合物形成稳定多孔的纳米管状结构。通过阳极氧化形成的纳米管具有明确的、非随机的物理和化学性质，其直径及厚度也具有可复制性36-39。研究表明，材料表面垂直有序排列的纳米管状结构对植入后组织修复与再生均有积极影响40-42。成骨细胞在二氧化钛纳米管表面表现为伸展状态，可能是由于此处表面电荷密度高，纤维连接蛋白与钛表面之间的离子吸引紧密，从而导致整合素介导的细胞黏附43-44。此外，二氧化钛纳米管还可通过影响骨髓间充质干细胞和上皮细胞的行为而对种植体骨结合及软组织整合产生影响。在二氧化钛纳米管上培养的人骨髓间充质干细胞和上皮细胞具有良好的黏附性和增殖能力，且通过改变纳米管的形貌特征（如直径、厚度等）可对细胞活动产生不同的影响45。2.2纳米凹陷结构纳米凹陷结构是指材料表面呈凹坑状的纳米级形貌，主要包括纳米沟槽和纳米凹坑等。纳米凹陷结构可通过电子束刻蚀、酸碱蚀刻等方法制备46-48。当种植体植入后，细胞与材料接触时更易于沿材料沟槽长轴方向生长，因此纳米沟槽可定向引导细胞的黏附增殖。这是由于表面沟槽结构可促使黏着斑黏附在材料表面，使伪足得以伸展49。同样，高度有序的纳米孔状结构也表现出了优异的促进细胞增殖和成骨分化的能力，有研究通过去除阳极氧化工艺制备的纳米管状结构层而获得了高度有序的凹坑状表面，发现其具有高度的生物活性，碱性磷酸酶活性试验及茜素红染色提示其在成骨的各时期均有正向的促进作用50。2.3纳米凸起结构纳米凸起结构是指材料表面呈凸起状的纳米级形貌，主要包括纳米球、纳米棒等。纳米凸起可通过水热法、碱热法等与阳极氧化法等相结合获取51-52。不同高度、间距及直径的纳米凸起结构对细胞的影响亦存在差异53-55。研究表明，纳米凸起结构可使材料表面亲水性增强，由纳米凸起所形成的高表面积的粗糙表面有利于早期成骨相关蛋白生成及细胞附着。与纳米管状结构相似，凸起结构处负电荷密度高，可吸附更多带正电荷的蛋白质于材料表面，从 而 影 响 整 合 素 聚 集，进 一 步 提 高 成 骨 效率56-57。一般认为，在直径70 300 nm、高度为10 70 nm尺寸范围的纳米凸起能促进种植体周围干细胞成骨向分化及骨整合58。体内研究结果显示，钛表面纳米棒阵列可促进间充质干细胞的成骨向分化，当纳米棒状结构间距小于96 nm时可促进体外间充质干细胞功能以及体内骨整合59。此外，除促进整合素聚集外，纳米凸起还具有类似于天然骨组织的仿生结构，如纳米棒可模拟羟基磷灰石晶体、纳米球可模拟钙结合蛋白等，具有极佳的生物相容性60-62。2.4梯度纳米结构梯度纳米结构是指材料表面晶