鍶離子改性鈦種植體表面研究進展

姜小維， 石安源， 郭麗， 顧春寧， 秦海燕

1. 南京大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院，南京市口腔醫(yī)院種植科，江蘇 南京（210008）； 2. 南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院，南京鼓樓醫(yī)院口腔科，江蘇 南京（210008）

純鈦及鈦合金因密度小、彈性模量低、強度高、生物相容性好、耐腐蝕等優(yōu)點被廣泛應用于牙科種植體［1］。但傳統(tǒng)的鈦種植體因生物活性低、易引起種植體周圍感染等因素，難以滿足目前臨床需求［2］。近年來，鍶離子改性受到研究者的廣泛關注。研究表明，鍶離子不僅在促進成骨細胞增殖的同時抑制破骨細胞分化［3］，還具有殺菌和抑菌的潛能［4］。因此，鍶離子改性鈦種植體在改善骨整合和減少種植體感染方面具有重要的臨床價值。本文就鍶離子改性鈦種植體表面的相關研究進行綜述。

1 鍶離子改性鈦種植體表面的應用技術

1.1 水熱處理

水熱處理是將鈦浸沒在含有目的元素的溶液中，在一定壓力下加熱一段時間，即可在鈦表面形成含有該元素的納米涂層的方法［5］。通過改變?nèi)芤旱某煞?，改變涂層的組成［6］；改變?nèi)芤旱臐舛?、溫度、處理的壓力和時間，可以在原本光滑的鈦表面形成納米花瓣狀、納米網(wǎng)格狀或更大孔徑相互連通的三維多孔片狀結構［7］。與其他方法相比，水熱處理更加簡單、經(jīng)濟和有效。此外，該方法可與其他表面處理方法聯(lián)合使用，如在水熱處理后焙燒，可以提高鎵-鍶層狀雙氫氧化物復合涂層、pH，提高該涂層的抗菌能力［8］。

1.2 電化學沉積

電化學沉積法是將材料置于相應的微量元素溶液或熔鹽中，通過放電使位于陰極的材料表面鍍上金屬薄膜的技術［9］。電鏡下可見鈦表面形成帶狀或花朵狀晶體結構。其優(yōu)點是通過改變溫度、電解液濃度和pH等因素控制涂層的性能［10］。等離子體電解氧化（plasma electrolytic oxidation，PEO），也被稱為微弧氧化（micro-arc oxidation，MAO），是一種電化學沉積法，指在等離子體放電的輔助下，在金屬表面形成一層厚且穩(wěn)定的氧化物涂層［11］。和其他電化學沉積技術相比，PEO 具有一步工藝的優(yōu)勢，成本相對較低，更易于控制［12］。

1.3 磷酸鹽化學轉化

磷酸鹽化學轉化法（phosphate chemical conversion，PCC）是一種將金屬樣品浸入設計好的磷化液中，通過化學反應在金屬表面制備無機涂層的技術［13］。PCC 具有成本低、操作簡單、重復性高、對基質(zhì)金屬的力學性能影響小等獨特優(yōu)勢，適用于不規(guī)則和結構復雜的表面［14］。制備的鍶涂層通常具有較高的結晶度和穩(wěn)定性，不僅能為鈦襯底提供良好的保護屏障，還可以減緩涂層降解和離子釋放速率［15］。

1.4 其他

火焰噴涂法是利用可燃氣體與高壓氧氣在燃燒中產(chǎn)生高溫高壓焰流，熔化粉末、線材或棒狀的材料并噴射至基體形成涂層的一種方法［16］。超分子自組裝法是利用分子間的非共價鍵在材料表面自發(fā)生成納米薄膜［17］。磁控濺射法是利用帶電粒子轟擊靶材，濺射出靶材表面粒子，使其沉積在基底表面形成納米涂層結構［18］。激光沉積是通過激光與靶材相互作用，產(chǎn)生的等離子體膨脹后沉積在基底上形成涂層［19］。堿腐蝕法只需在室溫下將鈦浸泡在含有相應的微量元素的堿性溶液中，即可制備含有目的元素的納米線狀涂層，涂層的形成是一個溶解-再結晶過程［20］。

采用上述方法將鍶離子附著到鈦種植體表面時，既要考慮結合材料的特征，又要考慮各種方法的效率、費用等因素，并且各種方法之間的成骨效果也需要進一步比較研究。

2 鍶離子單獨或與其他元素聯(lián)用對種植體表面的改性

單純改變鈦種植體表面形態(tài)對其生物活性提升有限，和微量元素改性結合，可以在此基礎上賦予鈦種植體不具備的生物功能［21］。鍶離子改性不僅能促進成骨，還能抑制細菌。并且當鍶離子與其他元素聯(lián)合使用時，成骨和抑菌效果可以得到進一步提高。

2.1 鍶

鍶是人體骨形成所必需的元素，可以通過絲裂原活化蛋白激酶/細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（motigenactivated proteinkinase/extracelluar regulated protein kinase，MAPK/ERK）、環(huán)氧化酶2/前列腺素E2（cyclooxygenase-2/Prostaglandin E2，COX-2/PGE2）、鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/活化T 細胞核因子（calcineurin/nuclear factor of activated T cells，Calcineurin/NFATc1）、Wnt 和蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）等多種途徑發(fā)揮作用，促進成骨細胞增殖，抑制破骨細胞分化［22-23］。Wang 等［21］采用磁控濺射法制備的納米級鈦酸鍶涂層可促進成骨基因如堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、Runt 相關轉錄因子2（runtrelated transcription factor 2，Runx2）、骨鈣素（osteocalcin，OCN）、骨橋蛋白（osteopontin，OPN）和Ⅰ型膠原蛋白（collagen typeⅠ，COL-1)的表達，抑制破骨細胞基因細胞核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）和抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP）表達，從而促進成骨，抑制骨吸收。鍶離子可通過募集骨髓間充質(zhì)干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）發(fā) 揮 作 用［24］。Zhou等［25］通過水熱處理制備的摻鍶微/納米鈦涂層植體觸發(fā)了野生型大鼠體內(nèi)被標記的BMSCs 向植入部位募集。骨組織的血管化［26］和巨噬細胞的抗炎表型M2 分化［27］都能促進骨整合。Lu 等［28］采用水熱處理制備的摻鍶微/納米鈦涂層在體外實驗中促進了血管生成和巨噬細胞M2 型分化，在體內(nèi)實驗中，增加了大鼠脛骨種植體模型中H 型血管的形成，促進了早期血管化骨整合。鍶離子功能化表面具有抗菌潛力，可以減少由細菌引起的種植體周圍炎所導致的種植失敗［29-30］。Praharaj 等［31］采用陽極氧化技術制備的載鍶二氧化鈦納米棒對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性。自噬在骨骼動態(tài)平衡中起著至關重要的作用［32］。Wang 等［33］采用水熱處理技術制備的摻鍶微/納米鈦涂層可在上調(diào)BMSCs自噬和分化的同時下調(diào)破骨細胞自噬和分化，從而顯著促進種植體的骨結合。

傳統(tǒng)鈦種植體在骨質(zhì)疏松癥和糖尿病等系統(tǒng)性疾病患者中的種植效果并不理想［34］。Liu 等［35］通過磁控濺射法制備了載鍶米/納米鈦涂層種植體，在綿羊骨質(zhì)疏松模型中具有更好的骨結合能力，表明具有該涂層的種植體有望用于骨質(zhì)疏松患者。Lin 等［5］采用水熱處理在鈦種植體表面添加鍶，發(fā)現(xiàn)該種植體可能通過Wnt5a 信號途徑促進糖尿病大鼠的骨整合。

種植體表面的磷灰石形成能力與骨整合呈正相關［36］。Geng 等［37］采用堿熱處理制備了含鍶鈦種植體，鍶含量的增加雖然能促進BMSCs 的增殖和成骨分化，但降低了種植體表面形成磷灰石的能力，所以筆者認為需要優(yōu)化鍶含量以平衡磷灰石形成能力和成骨活性，實現(xiàn)理想的骨整合。鍶離子的實際有效濃度因植入材料的不同而不同，如Yan 等［12］制備的鍶鋅涂層的有效鍶離子濃度0.2 ～5.0 mmol/L。目前已有量化鍶在種植體周圍骨組織分布的研究［38］。

以上研究表明，鍶離子可以提高種植體骨結合和抑菌能力，在骨質(zhì)疏松和糖尿病模型中也能取得良好的效果。但仍需進一步研究如何優(yōu)化種植體周圍鍶離子的濃度，以實現(xiàn)理想骨整合。

2.2 鍶和銀

銀是一種廣譜抗菌劑，其改性的種植體具有出色的抗菌抗炎能力。但當濃度超過一定閾值時，對人體細胞有一定的毒性［39］。Geng 等［40］研究表明鍶的共取代可以減輕銀的不利影響，提高細胞的活力。Okuzu 等［41］采用改良的堿熱處理在鈦表面制備了含鍶和銀的涂層，不僅促進了早期骨結合，而且顯著提高了抗菌活性，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率超過95%。而且早期成骨分化相關基因的表達水平也高于對照組，作者認為這可能與鍶和銀之間的電偶作用有關。Li 等［42］構建了鍶離子和銀離子雙傳遞體系，這種程序化遞送系統(tǒng)通過調(diào)控巨噬細胞的極化來清除病原體，并激活成骨前細胞分化，顯示出鍶和銀協(xié)同促進組織愈合、抗菌和成骨特性。

2.3 鍶和鋅

鋅是人體內(nèi)重要的微量元素，對種植體周圍炎相關細菌起到抑制作用［43］，鋅和鍶離子可提高成骨細胞分化和礦化相關基因ALP、Runx2 和Col-1的表達水平［37］。Chen 等［44］采用水熱處理在鈦表面制備了鋅鍶共摻涂層，結果表明該涂層可促進BMSCs 黏附、增殖和成骨分化。Zhao 等［45］采用微弧氧化技術在鈦表面制備了含鋅、鍶的微孔涂層，抗菌試驗表明，該涂層抑制葡萄球菌的增殖，具有良好的抗菌活性，說明鋅離子首先與細菌的細胞壁相互作用，隨后使細菌細胞膜結構發(fā)生改變，同時可能損害了細菌DNA，最終導致細胞死亡。

2.4 鍶和鎵

鎵具有抑制破骨細胞性骨吸收、促進骨形成的能力。Chen 等［46］采用水熱處理方法在鈦表面制備了鍶鎵涂層，該涂層不僅對間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）具有良好的細胞相容性，還能有效提高MSCs 的自噬水平，促進MSCs 的成骨分化。鎵離子可抑制金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的活性［47］。Li 等［8］采用水熱處理將鎵和鍶離子改性到鈦襯底上，抑菌實驗表明，鎵離子可以破壞細菌的鐵代謝，產(chǎn)生活性氧，從而使該涂層獲得很強的抗菌能力。

2.5 鍶和其他元素

Zhang 等［48］在鈦表面制備了鍶鈣共摻雜涂層。與對照組相比，該組細胞外基質(zhì)礦化的速度更快，表明鍶鈣共摻雜涂層具有更強的骨形成能力。Zhou 等［2］采用鍶、鋇改性鈦種植體，結果表明，在鍶離子釋放的協(xié)同作用下，該涂層改善了大鼠BMSCs 的早期黏附和成骨分化，顯著提高鈦種植體的骨整合能力。硅可以增強成骨細胞黏附、增殖、分化和骨整合能力［49］。Qiao 等［50］使用電化學沉積法制備了硅、鍶、銀共摻雜涂層，鍶和硅的摻雜提高了成骨相關基因的表達水平，并抵消了銀離子的潛在細胞毒性。

3 小 結

綜上所述，鍶離子可通過水熱處理、電化學沉積、PCC 等方法改性到鈦種植體表面，提高種植體骨整合和抑菌能力，提高種植手術的成功率。當鍶離子與其他元素如銀、鋅、鎵、鈣等摻雜時，甚至會有更好的效果。因此，鍶離子改性的鈦種植體具有良好的應用前景。目前，關于鍶離子改性鈦種植體表面的研究大多為動物實驗和體外實驗，觀察時間與種植體實際使用壽命相比較短，所得結論可能與實際臨床應用有所差別，長期效果有待研究。此外，各種改性方法之間的成骨效果也需要進一步比較。未來的研究可以關注以下幾點：①尋找高效的，可以廣泛臨床應用的改性方法；②研究如何控制種植體附近的鍶離子濃度，在發(fā)揮其生物學功能的同時，減少毒副作用；③進行長期隨訪的臨床試驗以觀察其成骨及抗菌效果。

【Author contributions】 Jiang XW collected literatures and wrote the article. Shi AY revised the article. Guo L collected literatures. Gu CN revised the article. Qin HY designed and reviewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.