钛种植体表面形貌对成骨的影响

　　钛种植体表面形貌对成骨的影响

　　祁星颖 郑国莹 隋磊

　　天津医科大学口腔医院修复科天津300070

　　[摘要] 钛种植体表面形貌是影响其周围骨结合的重要因素之一。目前，已有多种改性手段处理钛种植体表面以获得微米级形貌、纳米级形貌和分级微纳复合形貌。与未经改性处理的光滑表面相比，这些不同层级的粗糙表面形貌对种植体周围骨整合均有不同程度的促进作用。本文综述了钛种植体不同表面形貌的特点、制备力.法及各白对成骨细胞黏附、增殖、分化等生物学行为的影响，为进一步优化设计以获得早期骨整合提供参考。

　　[关键词]钛种植体;表面形貌;微米级结构;纳米级结构;骨结合

　　[中图分类号] R 783.3 [文献标志码]A 【doi] 10.7518/gjkq.2018.05.006

　　Effects of titanium implant surface topographies on osteogenesis Qi Xingying, Zheng Guoying, Sui Lei. (Dept. of

　　Pro.sthodontics, Stomatological Hospital, Tianjin Medical University Tianjin 300070, Chin. a)

　　[Abstract] The surface topography of titanium implants is one of the most important factors affecting implant-bone integration. At present, several methods, such as microtopography, nanotopography, and hierarchical hybrid　microtopography/nanotopography, have been applied to modify titanium implant surfaces. These techniques promote　implant osseointegration more extensively compared with smooth surfaces without modifications. The present study　reviews different titanium implant surfaces, including their characteristics, modification methods, and effects on the　adhesion, proliferation, and differentiation of osteoblasts. This work provides a reference for optimizing surface designs　and achieving early osseointegration.

　　[Keywords] titaniumimplant; surfacetopography; microstructure; nanostructure; osseointegration

　　钛及钛合金因其良好的力学性能、优异的抗腐蚀性和生物相容性，近半个多世纪以来被广泛应用于矫形外科及口腔种植领域[1-3]。初的钛种植体表面为不进行任何改性处理的机械加工面，然而临床实践证明未经改性的钛表面存在金属离子外渗、缺乏骨诱导性、与骨组织在结构和性质上不匹配等诸多问题，导致骨结合形成不良，种植体脱落常有发生[2-3]。因此，学者们尝试采用喷砂/喷丸[4]、酸碱处理[5]、阳极/微弧氧化[6]、钛浆喷涂[7]、激光蚀刻/熔覆、表面组装生物活性分子[8-9]等手段对钛种植体表面进行改性，以期获得理想的种植体周围成骨效果和快速、完全的骨整合，即短时间内实现种植体表面与周围骨组织间结构上和功能上的直接联系，二者不间隔任何其他钛种植体表面改性后，其对成骨效应影响因素的研究主要集中于表面形貌、表面化学成分和表面能[1 0]。而后两者与前者之间又存在着密切的内在联系：表面化学成分改变主要通过涂层实现，也可能源于形貌改性处理时造成的异种元素残留，有研究[11]表明：涂层造成的表面形貌改变对成骨的影响比表面化学成分改变本身产生的影响更为显著，而形貌改性处理伴发的表面元素残留对成骨的影响更是微乎其微;表面能的调整大多采用喷砂酸蚀( sandblasting and Iarge-gritsetching，SLA)、电解蚀刻、激光处理、表面涂层等方法[1 2—1 3]，这些方法也会同时引起表面形貌的改变，目前尚不能排除表面形貌的影响而单独

　　研究表面能变化本身对成骨的促进作用，很多研究将表面能改变视为表面形貌改变的一个方面。而与表面化学成分、表面能不同，表面形貌已被大量研究证实能够独立、充分地影响种植体表面成骨效应…]。因此，表面形貌是目前已知的影响种植体周围成骨的重要因素。未经改性处理的钛种植体表面一般为机械加T光滑面( machined/smooth surface)，而改性后可能具有微米级形貌( microtopography)、纳米级形貌(nanotopo-graphy)及微纳米复合形貌(hierarchical microto-pography/nanotopography)，本文尝试就这4种表面形貌及其对成骨的影响进行综述，以期对钛种植体表面改性的方向及方法选择提供线索。

　　1光滑表面

　　对于种植体表面光滑与粗糙的界定至今无明确标准，一般认为平均表面粗糙度( Ra)或表面轮廓单峰间距( Sa)不大于1 um即为光滑表面。但Ra、Sa值仅为单一描述高度的振幅参数，很难准确描述种植体表面i维形貌，且已有研究证实细胞在相同Ra值的钛表面也有不同的排列方式和伸展趋向，因此，钛种植体表面粗糙度应以细胞的平均大小为参考，所有大于细胞平均直径的表而结构对于细胞个体而言均为光滑表面[14]。采用不同粒度的砂纸或抛光布对钛种植体表面进行打磨抛光以获得光滑表面;通过机械加T获得的边缘网钝的浅沟嵴结构对于细胞来说也是光滑表面。细胞与光滑钛表面接触时能在其上快速地扩散、增殖。然而，缺乏粗糙形貌对细胞外形的限制，黏附在光滑表面的间充质干细胞( mesen-chymal stem cell, MSC)常伸展为扁平梭形，多分泌I型胶原纤维，矿化不活跃，表现出明显的成纤维细胞方向分化趋势【，6J。临床研究[M J也已证实：光滑表面钛种植体周围易形成纤维骨性愈合，骨结合强度欠佳，种植成功率较低。目前，采用光滑表面设计的种植体已基本退出市场。

　　2微米级表面形貌

　　钛种植体表面微米级形貌通常指特征性显微结构尺寸为微米级别的表面形貌。微米级形貌可根据表面结构特征能否精确可控分为随机微米级形貌和可控微米级形貌。多数物理、化学表面改性手段如喷砂/喷丸、酸蚀、机械打磨及少数电化学改性方法如微弧氧化能够形成随机微米级形貌。喷砂/喷丸、机械打磨可获得随机沟嵴样微米结构，其粗糙度以及沟嵴的具体尺寸与喷砂粒度国际口腔医学杂志第45卷5划201841-:9』j www.gjkqyxzz.cn密切相关，砂砾的粒度越大，表面粗糙度亦越大。有研究[17]表明：喷砂后钛表面粗糙度为1~15 Lun和(或)峰距为9.6—11.1 Ltm时能获得钛种植体与骨组织之间大的剪切强度。酸蚀处理可获得随机孔洞样微米结构，其粗糙度以及微孑L尺寸与酸的浓度密切相关：高浓度酸蚀有利于形成孑L径较大的微米级孔洞，粗糙度相对较高;低浓度酸蚀则有利于形成孔径较小的微米级、亚微米级孔洞，粗糙度相对较低。酸蚀获得的微米级表面亦因酸处理方式不同而有所差别，通常使用双重酸(如氢氟酸和硝酸、盐酸和硫酸等)处理获得的微米结构表面杂质更少，且微孑L直径在0.5—2 pu11，比单一酸处理获得的形貌更有利于骨结合1;先用硫酸，再用盐酸处理，获得的钛表面为多级微孔波浪状，更有利于成骨[H]。微弧氧化可获得随机火山口样微米结构，其孔径尺寸分布与所施电压密切相关，随着电压升高，孔径分布渐趋增大。与上述技术不同，近年来兴起的电化学微加工( electrochemical micromachining，EMM)技术能够在钛种植体表面形成可控的微米级形貌。

　　EMM结合磁控溅射技术可在钛表面形成特定宽度、深度、间隔的微米级沟槽;EMM结合电子喷射技术，即喷射电化学微加T.( jet electrochemicalmicromachining，Jet-EMM)可在钛表面形成特定孔径、孔隙率、深径比的微米级深孑L阵列;EMM结合激光蚀刻技术，即掩模曝光电化学微加]：( through mask electrochemical microma-chining,TMEMM)可在钛表面形成特定尺寸的微米级沟槽或微米级半球形孑L阵列。此外，以“弹性印章”( elastomeric stamp)为模板的微图形转移技术也能够在钛种植体表面形成可控的微米级形貌。复制模塑法( replica molding，REM)结合钛溶胶.凝胶技术可在钛表面形成特征性Ti0，微米级沟槽;转移微模塑法(mlcrotransfer molding，U-TM)结合自组装技术可在钛表面形成特定微米级沟槽和微米级圆柱有序结合的复合微图形f㈤1。与随机微米级形貌相比，可控微米级形貌对细胞初期黏附、伸展产生的接触诱导效应及后期细胞矿化和骨形成的诱导取向均更为显著，日.有助于系统、精确地研究表面形貌与细胞功能间的相关性[20-21]，因此，其具有更为广阔的研究前景。大量的研究[10,22]表明：钛种植体表面微米级形貌比光滑表面更有利于细胞向成骨向分化，从而促进种植体表面骨质矿化成熟，虽然目前有利国际口腔医学杂志第45 Lt5期201 8年9月 www.gjkqyxzz.cn于成骨的佳微米结构形态尚无定论，但佳尺寸一般认为是1—10 Um，与细胞直径相适应[z 0]。微米级表面形貌调控成骨向分化的分子机制主要包括以下几点。1)调控整合素信号通路：钛表面微米级形貌可促进成骨细胞整合素亚单位Cc：p.的表达，从而激活转录因子Runx2,使骨钙素分泌增多，有利于成骨细胞分化，同时介导成骨细胞定植于富含胶原的细胞外基质( extracellular matrix,ECM)，有利于增强远期种植体一骨结合率及强度[23-24];2)调控蛋白激酶C( protein kinase C.PKC)信号通路：钛表面微米级形貌可抑制PKC表达，使前列腺素E，( prostaglandin E，，PGE，)等生长因子表达水平升高，有利于成骨细胞分化[zs1：

　　3)调控转化生长因子-pi(transforming growthfactor-pi，TGF-pi)水平：钛表面微米级形貌可提高细胞外环境中TGF-pi的水平，进而使ECM合成增多、碱性磷酸酶( alkaline phosphatase，ALP)活性增强，同时还促进成骨细胞分泌骨保护素( osteoprotegerin，OPG)以抑制破骨细胞活性，从而促进骨形成、抑制骨吸收[22,25-26];4)调控l，25 -二羟基维生素D，[1，25-(OH)，D：]水平：钛表面微米级形貌可以促进成骨细胞高表达1，25-(OH)，D，，通过其促成骨细胞分化作用而实现正反馈效应，同时调控钙离子的快速沉积，有利于基质矿化及骨形成[22,27]。虽然钛表面微米级形貌可通过上述机制促进细胞成骨向分化，但其对成骨细胞增殖的作用却以抑制效应的报道为主，造成钛种植体周围沉积的骨量有限。其机制尚不明确，可能是由于微米级形貌抑制PKC的表达，造成丝裂原活化蛋白激酶( mitogen-activated proteinkinase，MAPK)活化过程受阻，从而对成骨细胞增殖产生抑制作用[：7]。

　　目前，钛种植体微米级表面形貌已被种植体市场广泛接受。获得微米级形貌常用的改性方法是大颗粒喷砂结合酸蚀(如Ankylos、CamlogPromote等[28])，该方法获得的多孔微米级形貌钛种植体能够获得长期骨整合，可以满足临床的基本需要，但其微米结构形态和分布均不可控，且因抑制成骨细胞增殖而造成种植体周围沉积的骨量不够充足，因此，其促成骨效应并不显著[29-30]。

　　3纳米级表面形貌

　　钛种植体表面纳米级形貌通常指特征性显微结构尺寸为纳米级别并且能被细胞识别的表面形貌，其与微米级形貌之间无确切界定。常见的纳米级表面形貌有纳米结节( nanonodule)、纳米颗粒( nanoparticle)、纳米孔(nanopore)、纳米凹坑( nanopit)、纳米管(nanotube)等。获得这些纳米形貌的方法可分为减材处理和增材处理2类，减材处理是通过移除钛表面部分基质材料以获得特殊显微结构的方法，包括酸蚀、碱热、阳极氧化等。酸蚀或碱热处理钛表面可获得相互联通的100—300 nm孔径的纳米孔结构;阳极氧化处理钛表面可获得纳米凹坑、纳米孔、纳米管等多种形态。上述减材处理在获得纳米级形貌的过程中往往会同时形成微米结构。增材处理则是在钛表面引入某种物质以获得特殊显微结构的增材处理方法，包括自组装技术、纳米颗粒沉积技术、等离子喷涂技术、光刻技术等。自组装技术可在钛表面形成纳米结节，有利于细胞增殖，且直径300 nm时成骨效应佳[32-33];纳米颗粒沉积技术(溶胶.凝胶法、离散结晶沉积、纳米颗粒冷压)可在钛表面形成特定尺寸的纳米颗粒，有利于成骨的适尺寸为50—100nITI[12'34-35];等离子喷涂技术亦能在钛表面形成特定尺寸的纳米颗粒，日.直径为50～125 nm的球形纳米颗粒能显著增强细胞的黏附、增殖和扩散，同时对细胞分化无负面影响;光刻技术，如电子束光刻、胶体刻蚀，可在钛表面形成精确、可控的纳米级阵列，且直径为60 nm的半球形纳米结构可明显增强钛种植体表面骨结合f37]。与前述减材处理不同，增材处理可在钛表面直接形成纳米形貌而不伴随微米结构的产生。

　　目前，对纳米级表面形貌促成骨效应的研究比较分散，不同研究采用的纳米结构尺寸相差较大，使用的细胞种类不尽相同，对细胞行为的评价标准也大相径庭，因此，有利于成骨的佳纳米结构的形态、尺寸暂无定论[s 7]，但多数学者认为纳米结构无论独立修饰钛表面还是作为微米结构的二级结构出现，其促成骨效应均可以肯定。纳米级表面形貌调控成骨的机制与微米级形貌有所不同，其对成骨细胞分化的影响存在争议[29,38-40]，但可诱导成骨细胞的黏附、增殖…和扩散[3 81，进而促进种植体一骨结合[t 8]。钛种植体纳米级表面形貌促进成骨细胞生物功能的机制可分为直接机制(细胞.表面应答)和问接机制(蛋白质一表面应答)。直接机制主要从动力学角度考虑：钛表面纳米结构特异性诱导成骨细胞伸展丝状伪足、板状伪足，促进丝状肌动蛋白和黏着斑形成，有利于成骨细胞黏附、扩散[41-43];同时，纳米结构作为机械刺激信号通过钙通道蛋白转导使细胞骨架规则聚集、伸长，从而改变细胞核形态及染色体序列，有利于成骨细胞增殖[41-42]。间接机制主要从生物化学角度考虑：1)钛表面纳米结构可促进成骨细胞表达整合素亚单位(如a.p.、a。p，)及分泌含精氨酸一甘氨酸一天门冬氨酸序列( Arg-Gly-Asp，RGD)的蛋白质(如纤连蛋白、玻连蛋白)，而钛表面因纳米结构获得的高润湿性又使更多的RGD蛋白吸附于其上[44]，从而通过与成骨细胞表面的整合素特异性结合来促进黏着斑的形成，有利于成骨细胞黏附与增殖;2)钛表面纳米结构可通过整合素激活更多的黏着斑激酶( focal adhesion kinase，FAK)，促进黏着斑的形成，进而提高成骨细胞黏附，同时启动细胞内磷酸化级联反应并作用于细胞核，促进成骨细胞增殖。此外，钛种植体表面的纳米级形貌还可通过抑制某些细菌的黏附而使成骨反应能够顺利进行(34-35]。有研究[ss]于艮道：经纳米Ti0.颗粒压积后所得的钛种植体表面纳米级形貌可抑制表皮葡萄球菌的黏附，其机制可能在于纳米形貌增加的比表面积和表面晶界抑制了细菌的黏附、生长。尽管目前对钛表面纳米级形貌的研究日渐深入，但仅有少数相关改性手段应用于商品化种植体。具有纳米级表面形貌的代表性种植体包括[12]：

　　1 ) Osseospeed，采用Ti0，喷砂结合氢氟酸酸蚀在钛种植体表面形成纳米凹坑;2)Bicon，采用酸蚀喷砂结合钙磷离子束辅助沉积在钛种植体表面形成纳米颗粒/结节;3)31 Nanotite，采用磷灰石离散晶体进行溶胶一凝胶沉积在钛种植体表面形成纳米颗粒。其中，前两者纳米级形貌伴随有微米级结构存在，后者则为单一的纳米级形貌[28]。以上具有纳米级表面形貌的钛种植体在临床已证实具有较高的种植成功率，但其对体内成骨细胞分化的影响不确定，种植体周围骨质沉积和矿化速率有限，初期骨愈合仍未能达到预期水平【12]。

　　4分级微纳复合表面形貌

　　如前所述，钛种植体表面单一的微米结构可促进细胞成骨向分化，但可能会抑制成骨细胞的增殖，故其促成骨效应不显著[22,25-26,30];而单一的纳米结构可促进成骨细胞的黏附、增殖，但对骨向分化的影响却存在争议[38-40]，且机械锁结作用较弱，故其骨整合速率及稳定性受限【12]。因此，有学者试图将钛种植体表面微米级形貌与纳米级形貌相结合，形成分级微纳复合表面形貌，以期兼具双方优势，并获得促分化与促增殖的协同增强效应，从而提高种植体周围骨质沉积量，同时加速骨质成熟并与钛表面牢【古I结合。南于天然骨组织是由纳米级结构(如胶原纤维、非胶原蛋白、羟磷灰石等)和微米级结构(如骨板、骨单位、哈佛氏系统等)复合构成，且骨改建过程中纳米级胶原纤维和微米级凹坑常作为成骨细胞黏附、增殖、分化的诱导信号，因此从仿生学角度考虑，分级微纳复合形貌能更好地模拟成骨细胞的体内微环境，理论上有助于提高骨整合效率。分级微纳复合形貌的获得常结合2种(或2种

　　以上的改性方法，即先以常规物理、化学手段在钛表面形成微米级结构，再用电化学或生物化学方法引入纳米级结构。喷砂结合碱热【32 J或高温过氧化[ns]处理可获得相互连通的微米乏内米多孑L形貌，该复合表面形貌可促进成骨细胞的增殖、分化。喷砂结合阳极氧化处理可获得微米一纳米管形貌，该复合表面形貌可促进成骨细胞的分化，但抑制其增殖[a 6]，纳米管内径为100—150 nm时促分化效应佳。酸蚀结合Ti0，纳米颗粒电子束物理气相沉积( e-beam physical vapor deposition.EB-PVD)处理可获得微米名内米结节形貌，该复合表面形貌可促进成骨细胞的增殖、分化，且纳米结节尺寸为300 nm时促成骨效应佳。微弧氧化结合不同时长碱热处理可获得微米一纳米盘( nano-plate)或微米一纳米叶(nanoleave)形貌，其中微米.纳米叶复合表面形貌可促进成骨细胞的增殖、分化，而微米一纳米盘复合表面形貌对成骨细胞的增殖、分化无显著影响[a1]。SLA结合合成气高温氧化纳米修饰( nanoscale modification，NM)可获得微米乏内米突起( nanoscale protu-berance)形貌，该复合表面形貌可促进成骨细胞分化，但抑制其增殖[a 0]。大量研究表明：分级微纳复合形貌中微米级结构在影响成骨方面不具有明显的形态特异性[25]，而纳米级结构的特异性对成骨细胞增殖、分化等生物学效应起主导作用[39,41]。南于不同研究采用的微一纳米结构相差较大，使用的细胞分化程度不同[40,45-46]，对细胞行为的评价标准也不一致，因此，有利于钛种植体表面成骨的佳微.纳米结构形态、尺寸及间距等参数目前均不明确。幽际口腔医学杂志第45卷5期201 8年9月 www.gjkqyxzz.cn已有大量研究[引.40-4.，as]表明：钛种植体表面分级微纳复合形貌比单一层级表面形貌更有利于调控成骨效应，其调控成骨的机制是目前本领域的研究热点之一。成骨细胞接触钛表面分级微纳复合形貌后，首先通过丝状伪足伸展、触及纳米级结构发生黏附、增殖，该过程受复合形貌中纳米级结构的促进(机制同前)，完成增殖过程后启动分化[引]，该过程受复合形貌中微米级结构的促进(机制同前)。从动力学角度考虑：复合形貌可造成更大的细胞骨架张力并直接作用于细胞核，从而引发一系列与成骨细胞增殖、分化相关的生物学效应。从生物化学角度考虑：复合形貌可通过促进更多整合素受体蛋白的表达来加强前期纳米级结构对黏附、增殖的促进作用以及后期微米级结构对分化的促进作用[23.45J，从而使钛表面形貌对成骨细胞增殖、分化的促进作用获得协同增强效应;同时，与某些单一层级表面形貌不同，复合形貌可选择性地促进成骨细胞功能而不促进成纤维细胞功能，从而抑制种植体一骨界面之间纤维组织形成以确保种植体表面获得直接骨结合。此外，钛种植体表面复合形貌比单一层级形貌对骨组织的机械锁结作用更强，也有利于增强骨结合的稳定性。

　　目前，具有分级微纳复合表面形貌的商品化钛种植体为数不多，主要包括采用SLA处理的Osseospeed、Ossean种植体及SLA结合氯化钠离散结晶沉积处理的SLActive种植体[：8]，临床应用效果表明具有分级微纳复合形貌的钛种植体初期骨愈合显著优于单一层级表面形貌钛种植体。但是，现有复合形貌中的纳米结构常为随机形成，造成钛种植体表面不同区域间异质性较为明显，因此尚有待进一步的优化设计[z 8]。

　　综上所述，与未经改性处理的光滑表面相比，改性后获得的不同层级粗糙表面对成骨细胞的生物学行为可产生不同程度的促进作用，其中，结合多种改性方法获得的分级微纳复合表面形貌可发挥微、纳米结构的协同效应，更有利于促进成骨细胞的增殖和分化，进而有利于获得快速、完全的种植体一骨结合。目前，相关研究的瓶颈在于尚不能确定有利于成骨的佳表面显微结构形态、尺寸、分布等参数，需要更多的实验研究和临床观察来深刻理解不同表面形貌的成骨机制，并规范评价标准、统一研究对象以确保不同实验之间的可比性，进而优化钛种植体表面形貌。值得关注的是，寻找稳定、可控的表面改性方法成为近年来种植研究的热点，结合激光蚀刻等工艺获得个性化可控表面的研究或将为钛种植体表面形貌优化开辟新的途径。此外，还应进一步考虑如何运用安全高效、廉价易行的改性方法获得有利于成骨的钛种植体表面形貌，以实现科研成果向生产的转化。

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