牙种植体材料的研究进展

牙种植体材料的研究进展牙种植体是指利用人工材料制成的牙根，通过口腔内黏骨膜上的切口将其植入到上颌骨或下颜骨内，用来替代天然牙根。

目前常用的牙种植体材料有钛、钛合金和陶瓷等。

一、牙种植体材料的基本要求与种类理想的牙种植材料与其他颅颌面植入材料一样，需要满足以下几个方面的要求: （一）基本要求1.生物相容性和力学相容性（1）生物相容性:牙种植体在植入牙槽骨后，材料既对机体的局部或全身不产生有害的作用，又能引起周围组织产生生理性的反应（骨、结缔组织和上皮）。

（2）力学相容性：牙种植体材料的力学性能与植入区组织相近，即材料的强度、硬度、弹性模量、泊松比以及耐磨性能等能与周围牙槽骨组织相匹配，材料对骨组织应有较好的生物力学适应性，不会在植入后由于植入材料力学性能与周围生物组织的差异在受力时出现应力集中或出现较大的应力梯度而对周围组织造成伤，导致种植失败。

2.化学稳定性牙种植体材料在机体正常代谢环境中不发生腐蚀、变质、变性和老化口腔组织对材料有较好的耐受性。

3.生物活性和诱导再生牙种植体材料应能与周围组织直接发生化学性结合，并具有诱导组织再生的能力。

1990年美国种植牙科学会将骨结合定义为:正常的改建骨和种植体直接接触，光镜下未见软组织长入，能使种植体的负荷持续传导并分散在骨组织中。

4.功能性和实用性：牙种植体材料必须是X线阻射，外科操作不应该过于复杂，必要时支应易于去除，容易消毒，并且价格合理。

（二）种类牙种植体按其材料不同，大体上可分为五种类型：金属与合金材料类、陶瓷材料类、碳素材料类、高分子材料类、复合材料类。

下面主要介绍钛及钛合金和陶瓷类材料。

1.钛及钛合金钛及钛合金是目前最常用的材料。

（1）钛的化学与生物特性1957年，Downs博士首先在矫形外科领域中应用钛。

不久，钛被用于口腔种植体，并已成为牙种植体的首选材料。

钛具有很强的抗腐蚀性能，这主要是因为钛形成氧化膜的速度相当快，在富氧的情况下，被破坏的氧化层也会立即得到修补。

据Branemark的理论，正是由于钛表面坚固的氧化层，使钛具备了一些非金属的特性。

钛-组织界面的结合是钛表面氧化层与细胞和体液间所形成的化学性结合。

此种结合使钛种植体与骨组织之间没有任何纤维结缔组织间隔，这是一种骨性结合，这种骨性结合是种植修复成功的基础。

由于起保护作用的氧化层的存在，钛离子的溶出很微弱，因此，钛具有良好的生物相容性。

然而，也有研究证明钛离子可存在于种植体周围的骨质中、黏膜内和局部淋巴结内，同样也出现在一些器官中，例如肝脏、肾和脾等。

（2）钛种植体的力学特性:钛具有许多其他金属不具备的优良特性，特别是钛的弹性模量和拉伸强度较低，对震动的减幅力大，与颌骨部位皮质骨的相关力学性能参数相近。

其拉伸强度约为颌骨部位皮质骨的10～15倍，完全可以满足牙种植体的设计强度要求。

疲劳强度比拉伸强度小50%，弹性模量比皮质骨大6～7倍。

在设计中，这种特性对实现机械应力的转移和分布非常重要。

2.陶瓷类材料目前，陶瓷材料制成的牙种植体已经应用于临床，如单晶或多晶氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷及生物玻璃陶瓷制成的牙种植体等。

由于陶瓷材料具有脆性大、机械强度差等缺点，目前多采取将陶瓷材料与金属核（或钛合金）结合，采用烧结、喷涂等方式制成陶瓷涂层金属复合种植体。

生物陶瓷材料的结构与骨组织相似，具有良好的生物相容性、多数具有引导成骨的作用，可使种植体与骨组织产生骨性界面结合。

通过涂层加工后，种植体表面形成孔隙，能够促进骨组织长入孔隙内，增强骨结合。

但是，金属与陶瓷的结合性能目前还不够理想，仍需要进一步研究。

二、钛与钛合金种植体表面性状及其与骨结合的关系（一）骨结合理论骨结合（ossecointegration）是指异体材料植入骨组织后不引起临床症状，并在施加功能性负荷后可以维持其稳定的现象。

1952年，瑞典Guten Boker大学Branemark教授研究微血管流时，为了观察骨愈合过程，在实验用兔子的胫骨内放入用钛金属包绕的观察仪，几个月的实验结束后，发现钛金属和周围骨已形成紧密结合，并把此结合称为骨结合。

经过一系列研究，1977年他正式提出骨结合理论，奠定了现代种植学的基础。

组织学上认为骨结合使种植用钛金属和周围骨组织之间没有软组织介入而直接接触。

（二）影响骨结合的因素及种植体表面处理的目的1.影响骨结合的因素骨-种植体的骨结合是代谢活跃的骨组织和具有生物相容性的人工种植材料之间的结合，这种结合是种植修复成功的基础。

影响骨结合的因素主要包括材料的生物相容性、牙种植体表面的形貌特征、宿主因素（如患者的本身条件和可用骨量等）以及医源性因素（如手术损伤和负重时机等）等，其中种植体表面的形貌特征对骨结合起着至关重要的作用。

2.表面处理的目的牙种植体的表面处理是指通过机械或化学方法使种植体表面由光滑变得粗糙。

所谓表面粗糙度是指物体表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，该两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（1mm以下），一般用肉眼难以区别，属于微观几何形状误差。

为了使骨结合更早、更快、更多的产生，促进种植体的稳定性，缩短修复时间，需要对种植体表面进行处理，以改变种植体表面的微观形貌特征。

经过表面处理后，种植体表面变得疏松、粗糙化具有更强的化学活性，拥有更大的与骨组织接触面积，减少纤维包裹的生，有效地提高种植体-骨界面的生物机械性能和生物活性，更有利于成骨细胞的黏附、增殖促进成骨细胞向成熟的表型分化，促进细胞外基质的形成以及矿化，使材料表面具有更好的生物黏附力、表面张力、表面亲水性、骨组织亲和力和适宜的电势能等诸多性能，最终进一步促进骨形成。

（三）钛种植体表面处理方法1.表面加成法运用等离子喷涂技术，将材料增加到种植体表面的方法，称为表面加成法。

等离子喷涂是利用等离子枪产生直流电弧将材料加热熔融后高速喷射到金属表面而形成涂层。

下面主要介绍钛浆涂层（titanium plasma sprayed，TPs）和羟基磷灰石涂层（hydroxyapatite sprayed，HAp）两种表面处理方法。

（1）钛浆涂层表面处理：TPS处理方法也称为钛浆喷涂或钛浆等离子喷涂涂层。

它是以15000℃左右的高温气体、600m/s的速度，将部分熔融状态下直径0.05～0.1mm的钛浆噴射到种植体表面，在融合固化后形成0.04-0.05mm厚度的钛浆喷涂层。

即在高温下，将熔融状态的钛金属液滴快速喷射于种植体表面并附着其上，形成疏松粗糙的表面。

在电镜下，该涂层呈圆形或不规则的微孔，并互相贯通。

1）优点：TPS处理后，相比光滑表面，种植体表面积可以增加6倍，负重能力提高25％-30％，疏松粗糙的表面结构在三维空间上相互联系，增强骨的黏附性和骨结合能力，有利于促进骨生成，使种植体能更快地获得初期稳定性，从而可以适当减少种植体的长度。

2）缺点：TPS表面有时会出现粗糙度不均匀的现象，具体表现在有的部位过于粗糙，有的部位仍是光滑面，由此对种植体-骨结合和初始稳定性会产生一定的影响。

另外，制作涂层时过高温度所产生的应力反应有可能造成涂层开裂和剥脱。

在种植体植入过程中也会出现因净擦而产生金属颗粒脱落现象。

（2）羟基磷灰石涂层表面处理：HAp属于生物活性陶瓷类材料，其表面存在轻度的生理溶解性，与组织细胞膜表层的多糖、糖蛋白等可通过氢键相结合，并能与骨组织形成骨性结合。

HAp与骨的结合能力要优于其他种植体材料表面与骨的结合能力。

HAp结晶微粒在导人超高温的等离子火焰后熔融雾化，并以高速均匀的气流喷涂在钛金属种植体表面，冷却后，HAp颗粒与钛金属表面粘接，形成涂层。

涂层厚度从50μm到几毫米。

涂层与种植体表面的粘接强度可达到10-20MPa，为了增强涂层的固位力，可以通过喷砂将金属种植体表面作粗化处理。

1）优点：HAp涂层有助于维持种植体-羟基磷灰石-骨之间的机械和化学性结合的稳定性，促进早期骨形成。

HAp涂层表面处理可将HAp骨诱导性与钛金属良好的机械性能相结合、扬长避短，克服HAp材料自身机械性能不足的缺点，发挥其促进骨形成的特性，有效提高种植体早期负重能力。

2）缺点:：①涂层有孔隙，界面处存在残余应力；②高温下HAp比较容易降解；③由于HAp与钛的热膨胀系数相差较大，因此，当材料由高温至室温的冷却过程中，涂层内产生的力易导致涂层剥脱或断裂等现象；④涂层与种植体之间粘接强度不足而导致涂层脱落和颗粒释放。

上述这些因素都可能会对骨结合产生不利的影响。

2.表面减去法表面减去法是指通过一定方法对种植体表面进行刻蚀，使其表面形成凹陷、产生粗糙的种植体表面。

下面主要介绍喷砂和酸蚀（sandblasted and acid-etching，SLA）以及可吸收性研磨介质（resorbable blast media，RBM）两种表面处理方法。

（1）喷砂和酸蚀处理：SLA处理是指在特定的压力和时间控制下，通过一个喷嘴在高速气流下将喷砂材料微粒喷射撞击种植体表面，使其产生凹陷，然后，利用酸性溶液（如盐酸、硫酸或氢氟酸和硝酸按一定比例混合）对纯钛表面进行蚀刻清洗，产生大量直径0.5-2μm的微型坑洞，形成特定的不规则粗糙表面。

1）喷砂材料的选择：表面喷砂处理的材料主要有金属材料和陶瓷材料两大类。

喷砂材料必须化学性质稳定、物相容性好且不妨碍骨结合的进程。

目前常用的有氧化铝、氧化钛和磷酸钙颗粒等。

在喷砂处理过程中，喷砂材料的颗粒直径是一个重要因素，直径越大越容易导致产生较大的离子离散和种植体表面的过度粗糙。

另外，喷砂后颗粒残留也会对骨结合产生不利影响。

为了避免铝、钛等离子或颗粒残留在种植体表面，抑制正常的骨矿化过程，可选用可吸收陶瓷作为喷砂材料，如HAp和磷酸钙陶瓷等。

这些材料具有较好的生物相容性，并有一定的成骨作用，即使有少量颗粒残留在种植体表面，最终这些颗粒也会被吸收和分解，不至于产生任何负面作用。

2）酸蚀的作用：喷砂后酸蚀①可减少化和消除喷砂材料对钛种植体表面的污染，使喷砂形成的较大的粗糙表面变得更加细微而不规则，以增加种植体表面积、增强骨与种植体的机械黏合性；②能降低种植体在植入时的机械阻力；③使种植体粗糙表面的砂坑深度增加，成骨细胞的黏附增强，能达到类似于细胞性伪足的效果，有助于成骨细胞附着；④所产生的细微而不规则的粗糙表面更能刺激种植体周围有成骨能力的细胞增殖和分裂，产生更多的化学介质和生长因子。

3）优点：与光滑的牙种植体表面相比，SLA处理后能有效增强种植体抗扭矩的性能，显著提高种植体的骨结合能力，使种植体的负重时间提前至植入后第6周。

4）缺点：喷砂在增加种植体表面粗糙度的同时，也可能带来一些负面的影响，比如喷砂材料中的某些金属离子对种植体钛表面的残留污染、喷砂造成种植体表面的非均匀性粗糙面和种植体表面金属材料的损失等。