- 鈦（Ti）合金為生物相容性材料，經(jīng)常用于人體植入物，尤其是在牙科中。本研究對(duì)種植體常用的Ti-6Al-4V（TAV）合金進(jìn)行不同類型的種植體周圍炎（種植體周圍牙齦及牙齒組織感染）牙科處理，以探討合金表面粗糙度和化學(xué)性質(zhì)所受的影響。
本研究旨在更好地了解這些常用的牙科處理方法是否有助于提高種植體與骨結(jié)合的能力，即愈合過程骨再整合到種植體材料中的能力。研究了各種牙科處理方法（比如超聲處理、噴射拋光、激光照明和化學(xué)物質(zhì)處理）對(duì)Ti合金表面粗糙度和化學(xué)性質(zhì)的影響。如果運(yùn)用得當(dāng)，這些牙科方法或可在成功治療種植體周圍炎后提高Ti合金種植體的骨再整合概率。
前言：
背景Ti合金牙種植體*的成功應(yīng)用，在很大程度上取決于快速愈合過程材料與頜骨的安全結(jié)合（骨整合）[1]。Ti合金的表面形貌對(duì)牙種植體的*應(yīng)用的成功性至關(guān)重要。過去十年，為了改進(jìn)骨整合過程，專家們致力于開發(fā)Ti種植體材料的處理方法[2]。zui近的研究發(fā)現(xiàn)，Ti合金種植體的理化改性，導(dǎo)致除骨形成反應(yīng)受到調(diào)節(jié)之外，細(xì)胞募集、黏附、炎癥和骨重建活動(dòng)也受到顯著調(diào)節(jié)[3]。牙種植體應(yīng)用總體上取得了很大成功，大約96%留在患者體內(nèi)10年以上。圖1示出牙種植體（帶基臺(tái)和牙冠）置入口腔頜骨的一般過程。
近年來，人們針對(duì)種植體周圍牙質(zhì)組織感染（種植體周圍炎）提出了若干處理策略（機(jī)械、化學(xué)、物理化學(xué)等）[4]。種植體周圍炎是“種植體周圍的發(fā)炎過程，其特點(diǎn)為軟組織發(fā)炎和支持骨丟失”[5]。如果愈合過程允許發(fā)生骨整合，將人工基臺(tái)和牙冠安裝到牙種植體上，以取代缺失的牙齒。但如果種植體周圍牙齦和牙質(zhì)組織的炎癥是由細(xì)菌感染引起的，牙種植體將有可能發(fā)生骨丟失并發(fā)癥。有利的牙種植體特性，即氧化鈦有助于細(xì)胞黏附的高度反應(yīng)性，因細(xì)菌存在及其代謝活性殘留而改變。因此，受污染表面相當(dāng)于異物，會(huì)加重種植體周圍軟組織炎癥和骨喪失。種植體周圍炎的處理涉及表面去污和清潔。適當(dāng)使用這些不同的種植體周圍炎處理方法，或許可以使Ti合金表面改性，促進(jìn)宿主對(duì)種植體的反應(yīng)[6]。本報(bào)告討論不同牙科處理方法對(duì)Ti合金種植體材料表面特性的影響，以及種植體周圍炎愈合過程這些處理方法是否可以加快牙種植體的骨整合。牙種植體骨整合耗時(shí)較長（3～6月），因此可以加快這種現(xiàn)象的表面改性將縮短愈合時(shí)間，降低失效率，并將患者的不適感降至zui低程度[7]。 表面粗糙度的影響：改進(jìn)鈦種植體表面形貌，可以增強(qiáng)骨與種植體的接觸以及改進(jìn)界面的力學(xué)性能[8–11]。在缺乏對(duì)照比較臨床試驗(yàn)的情況下，累積的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持使用表面形貌得到改進(jìn)的鈦種植體[12]。
表面粗糙度已被確定為一個(gè)重要的參數(shù)，該參數(shù)與種植體材料錨定到骨組織的能力相關(guān)[13]。增大種植體材料表面粗糙度的方法多種多樣，zui常用的是：加工、噴砂、酸蝕、陽極氧化、激光改性，或上述技術(shù)的組合。此外，已根據(jù)其表面粗糙度平均值（Sa），即表面的平均峰高和平均谷深，將市售種植體分為四類：光滑（Sa < 0.5μm）、輕微粗糙（0.5μm < Sa < 1.0μm）、中度粗糙（1.0μm < Sa < 2.0μm）和粗糙（Sa > 2.0μm）[14]。另一個(gè)重要的參數(shù)是Sdar，它表示粗糙表面參照*平坦光滑的表面展開后的面積。根據(jù)Teughels等[15]，種植體表面粗糙度及其化學(xué)成分對(duì)菌斑結(jié)構(gòu)數(shù)量和質(zhì)量具有顯著的影響。zui后，目前沒有證據(jù)表明暴露于口腔的種植體表面將形成其成分取決于表面粗糙度的生物膜 [16–17]。種植體形貌如何表示和分類？Wennerberg簡要回顧了適用于牙種植體的形貌測(cè)量方法。為了解釋平均平面形貌要素的各向同性偏差，必須進(jìn)行三維（3D）測(cè)量[18]。接觸式儀器，比如表面輪廓儀，會(huì)低估表面形貌尺寸。以鈦合金等軟材料制成的螺旋狀種植體，其評(píng)估光學(xué)儀器[19]。2D表面測(cè)量和表征的局限性，推動(dòng)了高效實(shí)用的3D表面測(cè)量和表征技術(shù)的開發(fā)。借助三維技術(shù)可以更好地了解表面的功能狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)方法：鈦合金改性工藝：總共分析了25件圓柱形種植體（每種樣品5件，對(duì)照樣品+4種處理工藝），種植體原料為5號(hào)商業(yè)純（CP）鈦（Ti）合金（PM供應(yīng)商，LLC，EEUU），即Ti-6Al-4V（TAV），其成分為90% Ti、6% Al（鋁）和4% V（釩）。樣品直徑10mm、長5mm。以幾種不同的牙科常用方法處理種植體樣品的表面：
- 化學(xué)方法：接觸四環(huán)素和光敏劑；
- 物理方法：超聲處理
- 物理化學(xué)方法：碳酸氫鹽噴射拋光；
23. Giavaresi G, Ambrosio L, Battiston GA, Casellato U, Gerbasi R, Finia M, Nicoli Aldini N, Martini L, Rimondini L and Giardino R: Histomorphometric, ultrastructural and microhardness evaluation of the osseointegration of a nanostructured titanium oxide coating by metal-organic chemical vapour deposition: an in vivo study. Biomaterials 25 (25): 5583–91 (2004).
致謝
下文將予以詳述。
用于處理種植體的牙科處理方法：探討以下典型牙科處理方法對(duì)Ti合金表面粗糙度和化學(xué)性質(zhì)的影響：
碳酸氫鹽噴射拋光
碳酸氫鹽細(xì)粉末（平均粒徑約150μm）噴射可以快速有效地清潔牙齒（Turbodent by Mectron）。碳酸氫鈉顆粒與熱水混合，然后加速，直至獲得極細(xì)而且規(guī)則的射流。以生理鹽水為沖洗劑，對(duì)Ti合金種植體樣品進(jìn)行噴射拋光處理1分鐘，然后用大量生理鹽水沖洗。
四環(huán)素
鹽酸四環(huán)素（Sigma-Aldrich）是一種抗生素，主要用作抑菌劑，但在特定濃度條件下可以用作殺菌劑。鹽酸四環(huán)素的粉末形式具有很強(qiáng)的腐蝕性，可用于種植體表面消毒。在本研究中，Ti合金接觸四環(huán)素/生理鹽水溶液（四環(huán)素濃度= 50mg/ml）1分鐘，然后用大量干凈的生理鹽水沖洗。
超聲波
超聲波清洗是現(xiàn)代牙科常用的技術(shù)。它用于牙齒周圍和種植體周圍處理。超聲波尖頭用非常薄的硬化鋼制作（Sirosonic by Sirona）。振動(dòng)誘導(dǎo)一種稱之為空腔化的現(xiàn)象，即在含有氣體或蒸氣的液體介質(zhì)中形成空腔或氣泡。此外，振動(dòng)有助于清除傷口腐肉，即分解附著于牙齒或種植體表面的微生物。以生理鹽水為沖洗劑，超聲處理Ti合金種植體樣品1分鐘（30kHz）。
光動(dòng)力學(xué)療法
光動(dòng)力學(xué)療法（PDT）需要使用光激活染料（光敏劑）。當(dāng)光敏劑在有氧條件下被激活時(shí)，會(huì)產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的物質(zhì)，這些物質(zhì)可以有效地抗病毒、細(xì)菌和真菌，因此PDT可用于局部感染治療。牙科光動(dòng)力學(xué)療法涉及光敏膠的使用。本研究使用甲苯胺藍(lán)（Sigma-Aldrich），它被波長為570nm的光激活。光敏膠產(chǎn)生的氧自由基與微生物細(xì)胞壁強(qiáng)烈反應(yīng)，因此對(duì)后者有毒性作用。該療法通常用于種植體周圍炎治療。在本研究中，Ti合金種植體樣品以甲苯胺藍(lán)凝膠覆蓋，接著照射（FotoSan燈，570nm），靜置1分鐘（100μg/mL），然后再次照射（軟激光，906nm），zui后用大量生理鹽水沖洗。
粗糙度分析：
以共聚焦3D光學(xué)表面測(cè)量系統(tǒng)（Leica DCM 3D）測(cè)量表面粗糙度，使用藍(lán)光照明以獲得較高的分辨率。獲得了每一個(gè)處理過程五種不同Ti合金種植體樣品的各種表面粗糙度參數(shù)（表1）。
結(jié)果與結(jié)論：
共聚焦顯微鏡（CM）獲得了Ti合金種植體對(duì)照樣品和各處理樣品的CM 2D和3D圖像數(shù)據(jù)。示例見下圖：Ti合金種植體樣品的共聚焦顯微鏡2D和3D形貌圖像，所測(cè)圖像的掃描面積為636μm×477μm。
掃描電子顯微鏡（SEM）能量色散X射線譜（EDS）
SEM和EDS數(shù)據(jù)顯示，碳酸氫鹽噴射拋光、四環(huán)素處理和光動(dòng)力學(xué)療法處理的Ti合金樣品，其表面污染量比對(duì)照樣品（未改性的TiO2表面）大。但超聲處理的Ti樣品與對(duì)照樣品一樣潔凈，或比對(duì)照樣品更潔凈。
獲得了Ti合金種植體對(duì)照樣品和各處理樣品的SEM和EDS圖像數(shù)據(jù)。以下圖4為SEM圖像示例，顯示局部區(qū)域組成的EDS數(shù)據(jù)則載于表2。
表2A–E：Ti合金樣品表面局部區(qū)域組成的EDS分析數(shù)據(jù)，其中Kα為X射線測(cè)量值，σ為%wt濃度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差：A）對(duì)照樣品；B）碳酸氫鹽噴射拋光樣品；C）四環(huán)素處理樣品；D）超聲處理樣品；E）光動(dòng)力學(xué)療法處理樣品。
粗糙度結(jié)果：
粗糙度分析側(cè)重于以CM獲得的Ti合金樣品數(shù)據(jù)，CM可測(cè)定三個(gè)重要的3D粗糙度參數(shù)值： Sa、Sq及Sdar。這些數(shù)據(jù)示于下文表3。
對(duì)拍攝于對(duì)照樣品（未改性）兩處不同區(qū)域的AFM圖像進(jìn)行初步分析，結(jié)果表明，如果表面非常粗糙，其不同小區(qū)域的粗糙度值可能差異較大，因此AFM并非用于大面積測(cè)量的實(shí)用技術(shù)，而本研究的這類樣品需要這種測(cè)量。
總結(jié)和結(jié)論：
目前臨床上使用的Ti合金牙種植體具有各種各樣的表面特性（包括結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)性質(zhì)）。上述表面改性保留種植體的關(guān)鍵物理性質(zhì)，只涉及其zui外層表面，zui終目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)所需的生物反應(yīng)。以上介紹了不同物理化學(xué)、物理和化學(xué)表面改性方法的優(yōu)劣。這些方法將幫助我們更好地了解種植體材料表面改性如何影響骨-種植體界面，以及如何在成功治療種植體周圍炎（種植體周圍牙質(zhì)組織感染）后的愈合過程中影響種植體骨整合優(yōu)化方法的制定。目前尚未*清楚表面粗糙度和化學(xué)性質(zhì)對(duì)骨整合的影響程度。具有臨床效果的理想粗糙度仍是個(gè)未知數(shù)[20–23]。
對(duì)于用四環(huán)素和光動(dòng)力學(xué)療法改性的樣品，其形態(tài)受到鈦合金析出的金屬間顆?；瘜W(xué)侵蝕的影響。對(duì)于用噴射拋光和超聲處理改性的樣品，機(jī)理主要與力學(xué)相關(guān)。噴射拋光和光動(dòng)力學(xué)療法處理樣品的表面粗糙度與對(duì)照樣品相似（基于Sa、Sq和Sdar值）。超聲和四環(huán)素處理樣品的表面粗糙度低于對(duì)照樣品。事實(shí)上，超聲處理可使表面明顯變得平坦。
碳酸氫鹽噴射拋光樣品的污染程度zui大（鹽殘留），其次為四環(huán)素和光動(dòng)力學(xué)療法處理樣品，超聲處理樣品污染zui少。由于接觸到鹽（碳酸氫鹽）或化合物（四環(huán)素或甲苯胺藍(lán)），噴射拋光、四環(huán)素及光動(dòng)力學(xué)療法處理的Ti合金樣品污染程度zui大，這是顯而易見的。超聲處理的樣品與對(duì)照樣品一樣潔凈，或比對(duì)照樣品潔凈，不過也存在少量的鐵（Fe），這些鐵可能來自超聲處理所用的鋼探頭。
可以通過合理使用這些牙科處理方法，zui大可能提高種植體周圍炎愈合過程Ti合金種植體與骨結(jié)合的概率。也許可以先使用光動(dòng)力學(xué)療法或碳酸氫鹽噴射拋光（頻率較低，比如20kHz，功率亦較低）維持種植體的表面粗糙度，然后施以短暫輕微的超聲處理，或可有效凈化表面。
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