發(fā)布日期：2023-4-13 16:48:41
伴隨現(xiàn)代材料學(xué)的迅猛發(fā)展，純鈦在醫(yī)療領(lǐng)域中的地位也越來(lái)越重要。相比于其他材料，純鈦質(zhì)量較輕、無(wú)毒無(wú)害、較高的相容性，而且來(lái)源豐富，材料強(qiáng)度大，在目前骨科的臨床治療中，已具有不可取代的地位。在骨科的臨床治療中，純鈦材料的優(yōu)點(diǎn)為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，金屬?gòu)?qiáng)度可以滿足治療需要，但當(dāng)純鈦植入體內(nèi)后，更多的是通過(guò)物理方式與骨形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)而不是穩(wěn)定的化學(xué)鍵連接，因此純鈦材料對(duì)于促進(jìn)骨的愈合還有很大改進(jìn)空間。為了能使純鈦發(fā)揮更大的作用而不僅僅是力學(xué)支持，學(xué)者開(kāi)始思考對(duì)純鈦表面進(jìn)行改良，包括表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的優(yōu)化。
目的在于增加其生物化學(xué)功能，更好地促進(jìn)骨愈合，這樣的研究思路越來(lái)越得到認(rèn)可[1]。
其實(shí)在現(xiàn)代材料學(xué)研究中，金屬材料的表面改性并非首次提出，其目的是增強(qiáng)其與周?chē)M織的結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)其耐腐蝕性，縮短骨愈合時(shí)間[2]。隨著研究的進(jìn)展，純鈦表面改性的方法與意義越來(lái)越得到認(rèn)可，相信也會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床。
種植體表面物理化學(xué)改性法
這是在保持鈦金屬穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度的前提下，通過(guò)運(yùn)用物理和化學(xué)等方法使種植體表面理化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，擁有新的性能，增強(qiáng)固有性能的方法。這 些方法可操作性強(qiáng)，且其操作不受種植體形狀的影響。可以通過(guò)這些方法增加其與組織間的相容性。通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)研究可以得出的結(jié)論是，鈦種植體是否經(jīng)過(guò)表面物理化學(xué)處理對(duì)骨折的愈合程度有明顯差異，經(jīng)過(guò)處理的更有利于促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)[3]。
表面涂層修飾法：即利用可以使金屬表面粗糙的生物活性物質(zhì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的理化方法讓這些生物活性物質(zhì)固定于種植體表面。常用的有鈦漿涂層和羥基磷灰石涂層等，早期研究已經(jīng)表明其有利于促進(jìn)骨形成[4]。使用鈦漿涂層，可以數(shù)倍地增加種植體的面積，這樣也就等同于增加了體外材料與身體組織的接觸面積，甚至可以使種植體的必要長(zhǎng)度縮短[5]。同樣，涂層修飾法的不足也是十分明顯的，由于接觸面積的增大，摩擦力也隨之成倍增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期負(fù)重很可能導(dǎo)致涂層分離，植入失敗。為解決這個(gè)問(wèn)題，就需要進(jìn)一步增加涂層附著強(qiáng)度。目前研究得知，利用激光熔覆技術(shù)[6]、離子束輔助沉積(IBAD)等技術(shù)會(huì)使附著強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。Harris 等利用氮離子注射使得種植體表面改性[7]，促進(jìn)骨愈合過(guò)程。Heinrich 等利用KrF 準(zhǔn)分子激光器處理種植體表面[8]，使得種植體出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨愈合過(guò)程。
種植體表面電化學(xué)氧化法：電化學(xué)氧化法主要有陽(yáng)極氧化法(AD)和微弧氧化法(MAO)兩種。電化學(xué)氧化法是以酸性溶液作為電解質(zhì)，通過(guò)電解原理，鈦失去電子化合價(jià)升高形成陽(yáng)離子，同時(shí)溶液中的氧等得到電子成為陰離子，通過(guò)陰陽(yáng)離子的結(jié)合，使得鈦表面形成一層氧化膜。從一方面來(lái)講，已經(jīng)有研究證明這些氧化膜可以誘導(dǎo)形成某些物質(zhì)，這些物質(zhì)可以加速骨的愈合過(guò)程；另一方面，這些氧化膜可以對(duì)金屬起類(lèi)似保護(hù)膜的作用，防止其被腐蝕，增強(qiáng)其摩擦力。學(xué)者的下一步研究方向?yàn)槭垢嗟尼槍?duì)通過(guò)控制電解過(guò)程中的環(huán)境因素用于精確調(diào)控氧化膜的厚度，創(chuàng)造最適合的骨愈合條件。
噴砂和酸蝕處理(SLA)：種植體粗糙的表面更有利于骨的愈合過(guò)程。對(duì)于增強(qiáng)表面粗糙程度，噴砂處理效果明顯，但目前的技術(shù)關(guān)于噴砂處理的可變因素較多，不易控制。處理后的種植體表面無(wú)法做到很精準(zhǔn)地滿足需要，甚至可能會(huì)出現(xiàn)降低其耐腐蝕性等情況。酸蝕處理方法簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)特殊酸性溶液的化學(xué)腐蝕處理后的種植體表面形成酸氧化物氧化層和一些微孔，有效增加了種植物的表面積，為骨愈合創(chuàng)造條件。
種植體表面轟擊法：顧名思義，通過(guò)物理方法直接作用于種植體表面，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如激光轟擊處理、電子束熱處理等。這些技術(shù)普遍具有重復(fù)性好、可控性強(qiáng)、效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[9]。通過(guò)處理，種植體得到更加優(yōu)越的生物活性及骨結(jié)合能力。
種植體表面生物化學(xué)改性法
談到生物化學(xué)改性技術(shù)，首先要提到生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)可以是一些促進(jìn)骨生長(zhǎng)的分子，也可以是一些細(xì)胞黏附分子。目前已經(jīng)知道這些生物活性 物質(zhì)對(duì)骨的愈合過(guò)程作用積極，于是學(xué)者開(kāi)始研究如何利用生物活性物質(zhì)對(duì)種植體表面進(jìn)行改性，使得種植體具有這些功能。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)這些特殊的生物分子利用生化手段使其結(jié)合于種植體表面以及空隙中，可以增加種植體的穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這些特殊分子可以作為生物活性介質(zhì)，促進(jìn)種植體與組織生長(zhǎng)。成骨細(xì)胞的增殖和分化對(duì)于骨整合意義重大，因此使用對(duì)于成骨細(xì)胞增殖分化效果積極的物質(zhì)與種植體整合效果明顯。生物化學(xué)改性的關(guān)鍵是在不影響分子生物活性的前提下，如何使之與種植體完美整合，發(fā)揮作用。下面列舉3 種常見(jiàn)的種植體表面生物化學(xué)改性方法。
簡(jiǎn)單吸附法：此法簡(jiǎn)單易行，在所需生物分子的溶液中將種植體浸泡，使其黏附于表面及間隙。同時(shí)這種方法缺點(diǎn)也很明顯，一是其效果很大程度地取決于種植體表面結(jié)構(gòu)，對(duì)于某些表現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易吸附的種植體來(lái)說(shuō)，此法效果欠佳；二是其可調(diào)控性差，只能簡(jiǎn)單地通過(guò)浸泡時(shí)間和溶液濃度等進(jìn)行大致調(diào)控，無(wú)法做到精確調(diào)整到最佳效果。因此，即使此法簡(jiǎn)單且陽(yáng)性研究報(bào)告不斷產(chǎn)生，但目前依然不是臨床首選方法。
化學(xué)鍵結(jié)合法：這種方法相對(duì)比較復(fù)雜。通過(guò)化學(xué)方法處理使得生物活性分子與種植體形成化學(xué)鍵的結(jié)合。由于形成了穩(wěn)定的鍵結(jié)合，這些結(jié)合于種植體的分子不能直接釋放于種植體周?chē)么朔ū磉_(dá)的分子可以表現(xiàn)出與可溶解蛋白相同甚至更高的活力[10]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是其固定得穩(wěn)定、可靠，可以調(diào)控，通過(guò)化學(xué)鍵的結(jié)合可以保持其空間構(gòu)型，使得生理信號(hào)相互作用，促進(jìn)骨組織愈合。缺點(diǎn)是對(duì)生物活性物質(zhì)的濃度及持續(xù)時(shí)間問(wèn)題難以掌握。復(fù)合涂層法：這種方法的主要原理是緩沖物質(zhì)，一些可以促進(jìn)骨愈合的生物分子不容易結(jié)合于種植體表面，或者結(jié)合后其持續(xù)時(shí)間或者濃度不易調(diào)控。
這讓人們開(kāi)始利用一些可以穩(wěn)定結(jié)合于鈦種植體表面的有機(jī)物，這些有機(jī)物同時(shí)可以吸附或結(jié)合這些利于骨愈合的生物分子。目前已經(jīng)開(kāi)始以此為基礎(chǔ)建立一個(gè)緩釋系統(tǒng)，可以精確調(diào)整生物活性分子在種植體周?chē)臐舛扰c持續(xù)時(shí)間。
此系統(tǒng)巧妙地模仿了這種分子在體內(nèi)的正常分泌情況，使刺激持續(xù)時(shí)間與分子濃度滿足了組織細(xì)胞生長(zhǎng)條件。Schmidmaier等通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明包被有結(jié)合了類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子-1 與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1的聚乳酸-羥基乙酸涂層的鈦種植體植入人工骨折的大鼠脛骨后[11]，其治療及預(yù)后效果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
鈦合金的臨床應(yīng)用
骨科領(lǐng)域：目前，在骨科領(lǐng)域中，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)普及，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)技術(shù)可以說(shuō)已經(jīng)成熟，那么對(duì)手術(shù)成敗更大的影響因素是假體的選擇。術(shù)后存在假體的磨屑、應(yīng)力遮擋和骨關(guān)節(jié)面結(jié)合不佳等多方面問(wèn)題[12，13]。運(yùn)用經(jīng)過(guò)表面改性處理的鈦合金假體，可以更好地提供關(guān)節(jié)面結(jié)合能力，改善假體生物活性，提高手術(shù)成功率，減輕患者二次手術(shù)的痛苦。缺血性股骨頭壞死(ANFH)是一種由多種原因引起的股骨頭血供破壞所導(dǎo)致骨死亡的病理過(guò)程。文獻(xiàn)報(bào)道美國(guó)目前新增病例約10 000～20 000 例，主要集中在20～50 歲[14，15]，若沒(méi)有及時(shí)地發(fā)現(xiàn)與積極治療，最終只能通過(guò)人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)處理，對(duì)于年輕人術(shù)后生活質(zhì)量有很大影響。隨著研究的進(jìn)展，有望利用鈦合金股骨頭內(nèi)撐器進(jìn)行髓心減壓治療。
口腔領(lǐng)域：目前，在口腔領(lǐng)域中，由于鈦支架材料的生物相容性非常好，常常應(yīng)用于頜骨的缺損治療。對(duì)于口腔領(lǐng)域的生物學(xué)材料，毫無(wú)疑問(wèn)，純鈦的利用最為廣泛，可以很好地達(dá)到口腔損傷治療以及口腔修復(fù)治療對(duì)于金屬材料的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。可以說(shuō)，鈦合金材料在口腔領(lǐng)域是最具有開(kāi)發(fā)潛力和臨床應(yīng)用前景的金屬[16]。具體包括仿生涂層，多孔純鈦支架，鈦種植體直接植入等。
鈦種植體的未來(lái)研究趨向
理化方法：鈦種植體的物理化學(xué)處理方法已經(jīng)很少單獨(dú)使用。其未來(lái)發(fā)展方向已經(jīng)不再滿足于單純?cè)黾悠浔砻娲植诔潭龋且ㄟ^(guò)物理化學(xué)的處理，在增加粗糙程度的同時(shí)更多地滿足細(xì)胞組織的生長(zhǎng)環(huán)境，更加利于生長(zhǎng)，增強(qiáng)其抗菌性等。
生物化學(xué)方法：從納米層次上研究與緩釋載體研究相結(jié)合，在進(jìn)一步提高分子黏附力的同時(shí)，提供穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間與濃度。隨著對(duì)于種植體表面改性的深入研究，各種方法的研究都快速進(jìn)展并呈現(xiàn)出相結(jié)合的研究思路，更加接近體內(nèi)環(huán)境的緩釋系統(tǒng)，在細(xì)胞分子水平更精確地研究活性物質(zhì)與骨組織生長(zhǎng)之間的關(guān)系，同時(shí)運(yùn)用黏附性強(qiáng)的涂層材料，在物理化學(xué)前期處理的基礎(chǔ)上，綜合使用，取得效果。
新型涂層：生理學(xué)涂層，這種涂層模擬在體液環(huán)境下使種植體的表面有促進(jìn)骨愈合作用的離子沉積。以上大多數(shù)的表面改性方法都還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，沒(méi)有真正用于臨床，因此這一領(lǐng)域值得我們進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)地研究。
參考文獻(xiàn)
[1] Wang FH,Zang SS.Effect of surface modificationof titanium implants on the osseointegration[J].Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu,2014:18(52):8491-8497.
[2] 賈彥,鄧嘉胤.鈦種植體表面改性的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2009,13(12):2321-2324.
[3] Faraco FN,Kawakami PY,Mestnik MJ,et al.Histologic evaluation of human bone integrationon machined and sandblasted acid-etched titanium surfaces in type IV bone[J].J Oral Implantol,2007,33(1):8-12.
[4] Meirelles L,Arvidsson A,Andersson M,et al.Nano hydroxyapatite structures influenceearly bone formation[J].J Biomed Mater ResA,2004:69(2):279-285.
[5] 宿玉成.現(xiàn)代口腔種植學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2004:10.
[6] 鄧遲,王勇,張亞平,等.激光熔覆生物陶瓷涂層體外生物相容性研究[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2006,19(3):222-224.
[7] Harris LG,Patterson LM,Bacon C,et al.Assessmentof the compatibility of differentcoated titanium surfaces to fibroblasts andosteoblasts[J].J Biomed Mater Res A,2005,73(1):12-20.
[8] Heinrich A , Dengler K , Koerner T,et al.Laser-modified titanium implants for improvedcell adhesion[J].Lasers Med Sci,2008:23(1):55-58.
[9] Oshida Y,Tuna EB,Aktoren O,et al.Dentalimplant system[J].Int J Mol Sci,2010:11(4):1580-1678.
[10] 劉同軍.鈦金屬種植體表面生物化學(xué)改性[J]. 國(guó)外醫(yī)學(xué): 口腔醫(yī)學(xué)分冊(cè),2006,23(3):210-212.
[11] Li LH,Kim HW,Lee SH,et a1.Biocompatibilityof titaniym implants modified by microarcoxidation and hydroxyapatite coating[J].JBiomedMater esA,2005,73(1):48-54.
[12] Jiranek WA , Whiddon DR,Johnstone WT.Late loosening of press-fit cementless acetabularcomponents[J].Clin Orthop RelatRes,2004:418(418):172-178.
[13] Ong A,Wong KL,Lai M,et al.Early failure ofprecoated femoral components in primary totalhip arthroplasty[J].Bone Joint Surg AM,2002,84-A(5):786.
[14] Aaron RK,Ciombor DM.Coagulopathies andosteonecrosis[J].Curr Opin Orthop,2001,(12):378-383.
[15] Wang BL,Sun W,Shi ZC,et al.Treatment ofnontraumatic osteonecrosis of the femoralhead using bone impaction grafting througha femoral neck window[J].Int Orthop,2010,(34):635-639.
[16] Zheng X,He J.Effect evaluation of medicalcalcium sulfate OstcoSet in repairing jawbone defect[J].Zhongguo xiu fu chong jianwai ke za zhi Chinese journal of reparativeand reconstruction surgery,2012,26(1):87-90.
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