構(gòu)建牙科種植體抗摩擦磨損表面微結(jié)構(gòu)的可行性分析*

張艷芳 楊瑟飛

患者口內(nèi)天然牙缺失后常需要進(jìn)行義齒修復(fù)，種植牙由于能恢復(fù)缺失牙功能，且美觀、舒適感強(qiáng)，在臨床上的應(yīng)用越來越廣。但是有研究[1]發(fā)現(xiàn)，牙科種植體從植入牙槽骨開始，在種植體-骨接觸界面會(huì)發(fā)生摩擦行為，這將導(dǎo)致種植體表面材料的磨損，引發(fā)局部炎癥甚至導(dǎo)致早期骨結(jié)合不良。本文我們將擬進(jìn)行對(duì)種植體表面摩擦和磨損行為的基礎(chǔ)理論及相關(guān)進(jìn)展的討論，并進(jìn)一步分析和推測抗摩擦磨損種植體表面研究應(yīng)用于臨床的可能性。

1.牙科用鈦及鈦合金抗摩擦磨損研究的必要性

鈦及鈦合金具有良好的機(jī)械性能、生物相容性、耐高溫、抗沖擊性等，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械、化工、航天航空及艦船等領(lǐng)域[2]。其中，鈦優(yōu)良的生物相容性和耐腐蝕性是其應(yīng)用于牙科種植領(lǐng)域的最重要原因。鈦密度小，與人體骨組織相容，能夠與之形成骨結(jié)合，且與其他金屬相比，其彈性模量與骨組織最接近，接觸時(shí)可減輕機(jī)械應(yīng)力，減少骨吸收的發(fā)生[3]；屬于惰性金屬，暴露于大氣或電解質(zhì)環(huán)境時(shí)表面可形成一層薄而穩(wěn)定的TiO2氧化膜，使基體能耐受體液等的腐蝕，具有抗腐蝕性[4-5]。但該氧化層機(jī)械性能差，表面剪切阻力低，有體外摩擦測試發(fā)現(xiàn)，外部應(yīng)力容易將其破壞，且表面暴露后無法立即重新鈍化，從而導(dǎo)致金屬表層消耗，出現(xiàn)碎屑、分層甚至形成裂紋，發(fā)生塑性變形和脫層反應(yīng)[6]。因此鈦及其合金耐磨性差。目前在牙科種植體表面已進(jìn)行噴砂等表面處理來改善其抗磨性，但臨床研究仍發(fā)現(xiàn)種植體在植入過程或開始負(fù)載后，其接觸界面由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生摩擦可產(chǎn)生磨損顆粒，甚至可能引發(fā)局部炎癥反應(yīng)，加速電化學(xué)腐蝕，影響骨結(jié)合[7]。因此發(fā)生在種植體-骨界面的生物摩擦學(xué)行為是需要我們研究并關(guān)注的。

2.種植體-骨界面的摩擦學(xué)機(jī)理

摩擦學(xué)(tribology)是研究摩擦、磨損與潤滑行為的學(xué)科。摩擦在兩接觸表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生，可引起滑動(dòng)阻力和能量損耗。磨損是摩擦的結(jié)果，是兩接觸表面由于摩擦導(dǎo)致形狀、尺寸、組織和性能變化的過程，可造成材料表面損壞和損耗。

種植體從植入到開始負(fù)載后，與牙槽骨接觸形成種植體-骨界面，其接觸界面發(fā)生的摩擦行為包括滑動(dòng)摩擦與微動(dòng)摩擦兩個(gè)方面：

2.1 滑動(dòng)摩擦 臨床上為了保證初期穩(wěn)定性制備種植體窩洞時(shí)通常較植體略窄，種植體在垂直向力和骨側(cè)壁壓力的作用下植入時(shí)與牙槽骨接觸滑動(dòng)并發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致植體表面磨損[8]。其摩擦系數(shù)主要受載荷、滑動(dòng)速度與溫度、表面膜的影響[9]：

2.1.1 載荷 種植體和牙槽骨表面均具有一定的粗糙度，靜止時(shí)兩接觸表面的實(shí)際接觸面積只是幾何面積的一小部分，在載荷作用下兩表面的粗糙峰彼此嵌入，可產(chǎn)生接觸應(yīng)力和塑性變形，使實(shí)際接觸面積增加，且隨接觸時(shí)間延長，發(fā)生的相互嵌入和塑性變形都會(huì)增加，摩擦系數(shù)隨之增大[10]。

2.1.2 滑動(dòng)速度與溫度 滑動(dòng)速度增大導(dǎo)致表面發(fā)熱，溫度升高會(huì)改變表層的性質(zhì)，引發(fā)表面原子或分子的擴(kuò)散、吸附，表層結(jié)構(gòu)變化和相變等，摩擦系數(shù)也將隨之增加。

2.1.3 表面膜 鈦金屬表面常常會(huì)形成一層氧化膜，使接觸表面間的原子或離子結(jié)合力被較弱的范德華力代替，降低表面分子力作用，從而減少摩擦。但其過薄時(shí)減摩性不足以發(fā)揮，過厚時(shí)因機(jī)械強(qiáng)度低于基底金屬材料，滑動(dòng)剪切阻力小，受力下的植入過程中容易被損壞，使基底金屬被暴露發(fā)生磨損，摩擦系數(shù)增大。

2.2 微動(dòng)摩擦 種植體植入完成開始負(fù)載后，在體液環(huán)境和載荷的交互作用下，種植體-骨的接觸界面可發(fā)生微米量級(jí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即微動(dòng)(fretting)。微動(dòng)會(huì)造成接觸界面的摩擦磨損，使接觸表面破壞，裂紋萌生、擴(kuò)展與斷裂，且對(duì)骨組織也會(huì)產(chǎn)生損傷，有研究認(rèn)為種植體植入后微動(dòng)幅度在50～150μm 時(shí)不影響骨結(jié)合。但受振動(dòng)及載荷等的影響，當(dāng)微動(dòng)幅度增加到組織損傷超過自身修復(fù)能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生骨吸收、骨結(jié)合不良等反應(yīng)，導(dǎo)致種植失敗[11,12]。根據(jù)實(shí)際造成的破壞過程微動(dòng)摩擦可分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕3 種形式[13]：

2.2.1 微動(dòng)磨損 載荷作用下，接觸表面的微凸體可發(fā)生黏著和塑性變形，局部黏著點(diǎn)斷裂脫落后形成磨屑，磨屑在接觸界面被碾壓后發(fā)生遷移和氧化，使接觸表面形成麻點(diǎn)或蟲紋形損傷。因此選擇抗黏著磨損特性好的材料可以減輕微動(dòng)磨損。

2.2.2 微動(dòng)疲勞 接觸表面因微動(dòng)可萌生裂紋源，在微動(dòng)摩擦力和疲勞應(yīng)力的協(xié)同作用下裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂，這就是微動(dòng)疲勞，其破壞程度與載荷、微動(dòng)振幅和環(huán)境因素有關(guān)。

2.2.3 微動(dòng)腐蝕 微動(dòng)腐蝕是材料表面在腐蝕性介質(zhì)(具有腐蝕性的液體及氣體等)作用下產(chǎn)生的損耗。種植體植入后，接觸的介質(zhì)主要為口腔環(huán)境(包括骨組織)中的體液。因此，提高種植體表面的耐腐蝕性可減少表層材料的磨損。

綜上我們發(fā)現(xiàn)，種植體-骨界面的摩擦機(jī)理較為復(fù)雜且和多個(gè)因素有關(guān)，其中種植體材料的表面理化性能是主要的影響因素。因此，為種植體構(gòu)建抗摩擦磨損的表面結(jié)構(gòu)是有望通過研究實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到臨床的。

3.鈦及鈦合金種植體表面抗摩擦磨損的研究現(xiàn)狀

研究種植體-骨界面生物摩擦學(xué)機(jī)理的目的是為了在實(shí)際應(yīng)用中減緩和防止摩擦磨損對(duì)種植體表面的影響。筆者查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)目前學(xué)者們主要從物理及化學(xué)表面處理、機(jī)械強(qiáng)化、仿生學(xué)方面來改善鈦及鈦合金種植體表面的抗磨性[14]。

3.1 物理處理 通過改變溫度，使種植體表層固相發(fā)生轉(zhuǎn)變，可使其表面硬度和強(qiáng)度增加，從而減輕微動(dòng)損傷。比如對(duì)Ti-6Al-4V 植體進(jìn)行熱氧化處理(在600℃下持續(xù)60h)后[15]，在表面可生成金紅石型氧化鈦硬化層，增加了種植體表面的硬度和強(qiáng)度，且經(jīng)滑動(dòng)磨損測試可見材料表層磨損量少，裂紋擴(kuò)展不明顯，抗磨性提高。使用液氮將材料冷卻至大約-185℃，可消除種植體表面的殘余應(yīng)力，提高其耐磨性[16]。其機(jī)理是低溫處理會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化和β 相減少，且高位錯(cuò)密度和孿晶的存在消耗了在滑動(dòng)摩擦過程中產(chǎn)生的高能，阻止表面產(chǎn)生裂紋[17]。

3.2 化學(xué)處理 通過磷化、硫化和陽極氧化等化學(xué)處理手段，在牙科種植體表面可形成一層非金屬涂層，涂層具有多孔性，便于磨粒的儲(chǔ)存，從而使材料的抗微動(dòng)損傷能力增強(qiáng)。比如對(duì)鈦板進(jìn)行陽極氧化處理[18]，表面可形成TiO2納米管涂層。TiO2納米管的彈性模量與皮質(zhì)骨接近，可以避免種植體-骨界面處應(yīng)力分布的突然變化，從而減少應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象和骨的磨損；還可以增加種植體表面粗糙度，形成一個(gè)類似多孔的種植體，引導(dǎo)骨小梁結(jié)構(gòu)向內(nèi)長入，增強(qiáng)早期骨結(jié)合。微觀下可見該涂層晶體結(jié)構(gòu)緊密，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量，在種植體植入過程中可表現(xiàn)出一定的耐碎裂性，而且即使發(fā)生碎裂也可被壓實(shí)，從而形成更緊湊的涂層，保護(hù)基體材料免受摩擦影響[19]。

3.3 機(jī)械強(qiáng)化

3.3.1 機(jī)械處理 利用噴砂、滾壓等手段，聯(lián)合涂層、蝕刻等技術(shù)，加工后可使材料表面粗糙度及硬度增加，塑性形變降低，同時(shí)表面形成硬化層，能對(duì)正常應(yīng)力形成阻力，從而減少裂紋的形成及擴(kuò)展，提高材料的抗疲勞磨損能力。有學(xué)者[20]采用噴砂和雙蝕刻技術(shù)在種植體表面制備了納米紋理氧化鈦層，植入豬骨后即刻取出觀察，發(fā)現(xiàn)種植體表面幾乎沒有機(jī)械損傷，證明該氧化物層具有高度的耐磨性。

3.3.2 表面涂層 采用冶金或鍍膜技術(shù)在種植體表面可制備具有一定厚度和強(qiáng)度的涂層，涂層與基材結(jié)合緊密，可增強(qiáng)其機(jī)械性能；存在孔隙，可以儲(chǔ)存和容納磨粒，使涂層具有耐磨性。常用的方法有堆焊，熱噴涂，漿液涂層，電刷鍍，鍍膜(真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜和化學(xué)氣相沉積等)等。

工程材料領(lǐng)域有很多研究使用了該技術(shù)。如在鈦及鈦合金基材上制備類金剛石碳涂層[21]，等離子滲氮[22-23]，C60離子束沉積碳納米復(fù)合材料涂層[24]等，均可改善其表面的強(qiáng)度和硬度，提高抗磨性，減少接觸界面的微動(dòng)磨損；還有利用電極和金屬基板之間的高能脈沖放電，將熔化的電極材料沉積到基板上完成冶金反應(yīng)后，在氮通量條件下制成的TiN 涂層，具有高硬度和高強(qiáng)度，且經(jīng)磨擦測試發(fā)現(xiàn)表面僅有一些淺的溝槽，表層材料的磨損率降低[25]。

3.3.3 基于激光技術(shù)的表面處理 通過激光淬火[26]，可獲得具有高強(qiáng)度和硬度的馬氏體組織，提高種植體表面的抗磨損能力；激光表面紋理化，調(diào)整激光參數(shù)在鈦板上制備不同形態(tài)的微觀織構(gòu),可增加鈦板表面硬度，且減小了摩擦過程中的實(shí)際接觸面積，改善了鈦板表面的抗磨擦性能[27-29]；激光紋理化和表面涂層聯(lián)合應(yīng)用，不僅可以促進(jìn)涂層與基材之間的結(jié)合，增強(qiáng)涂層的硬度，同時(shí)也能提高材料表面的耐磨性[30]，有研究將激光紋理化后的種植體在N2中進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)生成的氮化物涂層可使種植體表面硬度提高，減少摩擦，且表面紋理使涂層的磨損率也降低了20 倍以上；使用激光束熔化3D 打印技術(shù)制造多孔的Ti-6Al-4V 牙科種植體[31]，其粗糙的表面結(jié)構(gòu)也有助于增強(qiáng)種植體的耐磨性和骨整合。

3.4 仿生學(xué)設(shè)計(jì) 除以上的方法外，也有學(xué)者開始關(guān)注仿生學(xué)。他們?cè)噲D通過噴砂、酸蝕等手段制作模仿骨表面粗糙度的顯微結(jié)構(gòu)，生成具有生物啟發(fā)性的微/納米結(jié)構(gòu)表面，并和生物大分子(如蛋白質(zhì)等)結(jié)合，來復(fù)制成骨細(xì)胞在體內(nèi)的環(huán)境[32]。與傳統(tǒng)的鈦表面相比，該處理方法可增加種植體表面的粗糙度和機(jī)械強(qiáng)度，更好更快的引導(dǎo)成骨細(xì)胞聚集附著，加速骨結(jié)合過程，從而減少摩擦帶來的影響。

4.鈦及鈦合金種植體表面抗摩擦磨損研究的展望

改變牙科種植體的表面形態(tài)和性質(zhì)是改善其在植入過程及早期負(fù)荷時(shí)表層結(jié)構(gòu)抗磨擦磨損性能的關(guān)鍵。目前的文獻(xiàn)研究已經(jīng)驗(yàn)證了一些表面改性處理有效。但實(shí)際應(yīng)用中我們還需要考慮這些方法的可操作性。熱噴涂、涂層制備等技術(shù)會(huì)涉及到大型儀器設(shè)備或?qū)嶒?yàn)條件難以達(dá)到(如熱處理、化學(xué)氣相沉積溫度過高；離子注入技術(shù)儀器昂貴等)問題，實(shí)驗(yàn)成本較高；表面TiO2納米管結(jié)構(gòu)制作簡單且成本低，但本身機(jī)械強(qiáng)度不足；基于激光技術(shù)的處理精準(zhǔn)度高，且形態(tài)可控，但費(fèi)用較高；仿生學(xué)設(shè)計(jì)研制微納結(jié)構(gòu)表面，能加快骨結(jié)合，降低摩擦的不利影響，但制作微/納米結(jié)構(gòu)時(shí)的表面處理如噴砂時(shí)涉及精準(zhǔn)度不夠的問題等等。因此，結(jié)合摩擦學(xué)機(jī)理和現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，期望通過更深入的研究和實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出更經(jīng)濟(jì)有效的表面抗摩擦磨損結(jié)構(gòu)，并能在臨床上推廣應(yīng)用。