1、口腔材料器械杂志2 0 0 6年第1 5卷第1期金属及合金瓷和碳高分子多聚体纯钛(T i)氧化铝(A l2O3)聚甲脂丙烯酸甲脂(P M M A)钛铝钒合金(T i-6 A l-4 V)T C P聚乙烯(P E)钴铬钼合金(C o-C r-M o)羟基磷灰石(C a 1 0(P O4)6(O H)2H A)聚四氟乙烯(P T F E)铁铬镍合金(F e-C r-N i)磷酸三钙(C a3(P O4)2)聚砜(P S F)碳和碳-硅(C-S i)表1牙种植体植入材料的分类种植牙能减少基托或免除基托,给患者带来舒适和美观,并能最大程度地恢复咀嚼功能,促进骨组织代谢,延缓牙槽骨的吸收,改善患者的生活
2、质量。最早的植入材料可以追溯到公元前,古埃及人将黄金牙植入颌骨内,古玛雅人在颌骨上植入有宝石雕刻的牙等 1。2 0世纪3 0年代出现了一批高强度、耐腐蚀、加工简易的金属材料及其合金如钴铬合金等,为口腔医师进行口腔种植提供了材料基础。5 0年代中期钛和钛合金被用于植入材料,研究发现钛有优异的生物相容性。另外,陶瓷、高分子等材料在种植牙的发展中也被用于口腔种植中。种植体在临床上主要分为金属及其合金、陶瓷、高分子材料和碳 2。具体分类可见表1 3。另外,还可以根据与相邻组织的反应分为惰性和活性材料等。高分子多聚体和金属有良好的强度和延展性,而陶瓷和碳在这两个方面较弱;惰性的陶瓷和金属有良好的弹性模量
3、;高分子多聚体有良好的延展性但弹性模量较低。性能的不同决定其应用的不同,比如多聚体主要用于软组织,而金属和陶瓷主要针对硬组织。1高分子多聚体高分子多聚体的优势在于能够方便地制作成理想的形状。即便是在碳涂层的情况下,它们也能促进纤维反应 4。但它们的机械性能和化学反应较差限制了它们的应用。它们在体内易老化,在体液环境中易发生不同程度的降解,导致物理性能下降并且产生对机体组织有刺激的物质 1,目前对其长期植入效果尚存在争议。临床上用得最多的高分子材料是P M M A,有学者认为P M M A有以下优势:弹性、温度、电惰性的低模量;合理的表面孔隙;容易保持和制作;良好的生物相容性和价格便宜 5。但P
4、 M M A在口腔种植牙中的应用还不是很广泛。2瓷瓷早在上个世纪六、七十年代就被用于口腔种植中。瓷在口腔中的溶解性相当低,而且熔化温度相对较低,制造比较简单 6。还有学者研究出具有微结构的陶瓷,它可以减少磨耗,延长种植体的寿命增加其功能,具有良好的硬度、生物活性等,能增强成骨细胞的粘附、繁殖和矿化,加速骨整合的形成 7。但因为瓷较脆且结构较少,它目前已不再用于种植体的植入体芯,而被用作金属植入体表面的涂层。比如常用的钛表面的羟基磷灰石(H A)和生物玻璃(b i o g l a s s)等,用来加速骨整合的形成 8。生物玻璃是复合玻璃,它作为一种种植材料已被研究了很长时间。它对骨的生物结合可能
5、是由于瓷表面的溶解,从而产生富含硅的凝胶层,上面覆盖有富含钙和亚磷牙种植体材料的研究进展P r o g r e s s i nt h e s t u d yo f ma t e r i a l s f o r e n d o s s e o u s d e n t a l i mp l a r t张丁华综述孙皎审校(上海交通大学医学院附属第九人民医院,上海生物材料研究测试中心,上海2 0 0 0 2 3)【摘 要】人工种植牙用以修复缺失或移动的牙。在结构上,种植牙分为种植体和人工牙冠,其中种植体材料的研究对种植牙的发展起到了不可忽视的推动作用。本文着重介绍牙种植体材料的研究和进展。【关键词】种
6、植体骨整合涂层生物结合3 3口腔材料器械杂志2 0 0 6年第1 5卷第1期酸的数层结构。这些瓷层结构似乎可以和骨化学性地结合 4。关于涂层中用得最多的H A,将在下文中详细叙述。3金属3.1金合金最早应用的是金合金,它们能改进与骨的纤维交界面,但在四五十年代最终被不锈钢和钽所替代。3.2钽和锆钽和锆的生物相容性虽然尚佳,但因其价格昂贵很少使用。3.3钴铬合金钴铬合金也被用于种植材料,但生物相容性不及钛合金 2。这些临床上所用过的生物材料与骨的结合仍然是纤维结合,与前面所说的骨整合的标准相差颇远,所以这些材料被淘汰。现在临床上用于牙种植体的植入材料主要是钛和钛合金。3.4钛和钛合金钛是目前口腔
7、牙种植中应用最广泛的生物材料。它能提供最好的生物相容性,达成目前所有材料中最好的骨整合和生物结合。许多科学家对口腔种植的研究也围绕钛展开。钛在地壳中的含量为0.6%,含量丰富,在自然界中,钛主要以T i O2或F e T i O3的形式存在。这些条件为进行钛种植牙提供了良好的材料基础。钛在室温(2 5)下为密排六方晶体结构(H C P)称相,在8 8 3 时变为体心立方晶体结构(B C C)称相 4。常用的商业性钛有两种,纯钛和钛合金。最常用的钛合金T i6A l4V在室温(2 5)下以相和相的混合体形式存在。纯钛有四种级别,不同的级别其氧含量也不同,但其它杂质的含量相差无几。在钛或者钛合金中
8、加入少量杂质,可以增强其性能。如铁用来抗蚀性;氧对传导性和强度有着重大的影响;铝能增加合金的强度降低弹性;钒增加抗蚀性等等。与其它种植体芯材料相比,钛有着与人体组织更接近的密度和弹性模量,如表2所示。钛在空气中极易氧化并在钛表面形成一层氧化膜,其主要成分是T i O2。但有学者发现,根据距离氧化层表面的深度不同,氧化物的成分也会略有不同。钛之所以有着优异的抗腐蚀性,绝大多数学者认为是氧化层的形成阻止了离子的释放和材料的降解。也有学者认为这层氧化层并不是恒定不变的,但它损伤后会在极短的时间内重建。现在普遍的理论是钛表面氧化层的厚度决定其基本的抗腐蚀性能,所以大多数临床医生在口腔牙种植前会对钛进行
9、表面的钝化膜增厚处理。常用的方法为化学氧化法、阳极氧化法和大气加热法 9。通过这些方法增加氧化层的厚度,加强钛的抗蚀性。钛的表面形成的氧化层虽然能阻止离子的释放,但是科学家发现在髋关节钛植入后,人体各组织器官会检测到浓度偏高的钛合金中的离子。但钛在口腔牙种植后对离子释放的跟踪调查和离子对局部和系统器官和功能的影响目前还不得而知,现在大多数的研究者认为钛合金和纯钛的降解和离子释放对人体的影响微乎其微 6。在骨整合的研究中,研究人员发现钛植入后,氧化层和矿化组织之间有一层间隙,该间隙的厚度为1-1 0 u,但6个月后减少为1 0 0$。矿化组织中的胶原纤维与骨自身的有机结构紧密结合。另外,还有学者
10、研究钛植入体和牙龈组织之间的交界面。软组织的交界面相当重要,因为在自然牙中,具有功能性的上皮可以对化学、机械、生物侵入有屏障作用。上皮对牙的封闭作用能阻止上皮向上方移动和牙周袋的形成。在自然状态中,功能性的上皮通过半桥粒与牙连接,半桥粒附着在牙骨质的基板上 4。而分类中等级较高的钛能与骨和软组织建立类似半桥粒的结构 2。此外,有学者研究牙周韧带细胞和成骨样细胞对纯钛的附着。他们通过体外钛片表面细胞的培养,比较细胞的形态,探讨细胞在钛植入体表面的功能活动,B u s e r等将种植体紧贴天然牙周,发现种植体能形成牙骨质,C h o i等将牙周韧带细胞接种到纯钛种植体表面进行体内种植,结果细胞涂层
11、种植表面能沉积牙骨质样的组织 1 0。未来钛材料的发展将向接近于自然牙的生态功能发展。4牙植入体表面的涂层上个世纪口腔牙种植刚开始起步的时候,人们认为植入材料应具有惰性,与人体组织有良好的生物相容性。但现代种植学认为,植入材料既要有一定材料密度(g/c m-3)弹性模量(G P a)皮质骨 2.07-3 0钴铬合金 8.52 3 03 1 6 L不锈钢8.02 0 0纯钛4.5 11 1 0钛合金(T i 6 A l 4 V)4.4 01 0 6表2几种生物材料和皮质骨的密度和弹性模量(摘自互联网)3 4口腔材料器械杂志2 0 0 6年第1 5卷第1期材料纯H AH A涂层H A涂层H A涂层
12、H A涂层T C PT C P涂层煅石膏标准化溶解度1.02.12.68.81 0.12 5.02 1 8.06 6 7.0表3体外生物材料的正常溶解度(假设纯H A的溶解度为1.0)的惰性又要有一定的“生物活性”,在这个问题的处理上,研究者们采用在植入体表面涂层这一办法,目前常用的是瓷涂层。瓷涂层用于改进植入体-骨结合力的强度,加快骨整合,改善植入体周围骨的质量。涂层表面不同的处理和形状可以导致涂层的效果不同。紧密的涂层可以获得更高的强度和更低的溶解性 6。涂层过厚则会引起涂层的脆性,容易被污染。甚至适当的涂层处理对种植体基台的稳定也有一定影响 1 1。瓷涂层材料分为可吸收和不可吸收性,前者
13、最终被骨替代,主要是磷酸三钙(T C P);后者能促进植入体与骨形成骨性结合 1 2,1 3,降低植入体金属离子向人体的释放和保护金属表面不受环境的影响,主要是羟基磷灰石(H A)。H A作为植入体表面的涂层已有近二十年的历史。它与其它涂层材料的主要区别是它的晶体结构,或者说是它晶体结构原子排序的程度不同,当然,其杂质的含量也不同。有学者专门列出了H A的特点:加速骨的适应性;使纤维组织缺乏;更好的种植体-骨的附着;减少愈合时间;增强机体耐受和阻止离子的释放,H A还能维持涂层周围骨系统的稳定。H A的溶解性较其它涂层材料低得多。有学者针对H A等涂层材料在体外进行了溶解度的测试,试验结果如表
14、3所示,假设纯H A的体外溶解度为1.0,T C P的体外溶解度是2 5.0,是H A的2 5倍,表格中的试验数据也表明H A或T C P的涂层形式的溶解度远比其纯H A或纯T C P的形式的溶解度高。在生物学反应方面,H A能增强骨对植入体的交界面粘附强度,减少到骨性附着水平的时间,并能减少交界面间纤维组织的形成。前面已经讲过,理想的骨整合是骨和植入体间不存在纤维组织。有学者以未用H A涂层的种植体作为参照,与H A涂层的种植体做比较,结果证实后者与植入体见只存在少量的或不存在纤维组织,而前者有量不等的纤维组织 1 4。临床实践表明,高质量的H A涂层能提供更好的生物学适应,加速牙龈组织和骨
15、在种植体表面的附着,促进骨整合和生物结合。现在还有学者用T i O2作为涂层,结果显示其涂层具有致密的立方体心结构,能有效提高防腐蚀性能和抵御游离子的侵蚀,不仅能改善周围细胞的分化,还表现出更好的生物活性且没有细胞毒性 1 5。5复合材料牙植入体如前所述,单独的金属或金属合金用于口腔牙种植已经不可取,为了获得更好的生物性能和临床效果,大多数临床医生采用复合材料的牙植入体,即以金属或金属合金做植入芯,以陶瓷或碳等材料做金属表面的涂层或活性材料等。已有学者对此类种植牙的研究做出总结 1 6,现概括如下,见表4。复合材料种植牙材料骨整合情况功能尚存在问题钛芯表面喷涂羟基磷灰石(H A)种植牙H A钛
16、2年达到完全的骨整合适应周围骨的自然改建,维持骨量,防止或减少种植体周围上皮向根端迁移H A涂层的降解钛芯与骨形成蛋白复合种植牙骨形成蛋白(B M P)钛8周界面新骨完全形成早期启动诱导界面新骨形成,缩短种植周期B M P来自异种组织由此引发的免疫问题钛芯生物活性玻璃陶瓷种植牙生物活性玻璃(B G C)钛1个月后骨代谢高峰生物相容性好,诱导新骨形成生物陶瓷微孔钛复合B M P种植牙钛(T c4)羟基磷灰石(H A)生物活性玻璃陶瓷与骨界面形成三相性结构诱导界面新骨生成提前启动,成骨量大,健康B M P的免疫问题氮化钛种植牙氮钛3 2周基本达到骨整合骨整合完善,生物相容性好,良好的抗蚀性,抗剪切
17、强度增加无诱导骨生成能力力羟基磷灰石表面改性炭/炭复合材料牙种植体 1 7 炭/炭复合材料与骨组织之间存在骨性结合和纤维骨性结合防止牙槽骨吸收,防止上颌骨发生变形,弹性模量与骨骼相近与骨组织结合的界面存在不确定的情况表4不同复合材料种植牙的性能比较6总结和展望现代口腔牙种植越来越强调种植牙的生物学功能,包括种植牙的生物学形态,与相邻软硬组织的关系和相互作用。许多学者认为,在评判一种植材料时,生物相容性已经不能作为唯一的评价指标,还应3 5口腔材料器械杂志2 0 0 6年第1 5卷第1期该考虑它能否实现与周围组织的良性结合。骨整合 1 8 和生物结合的概念已被广泛运用到口腔牙种植的植入体材料的评
18、价当中,骨整合 1 9 的概念是指植入体材料和活性骨之间的直接联系,即指植入体与硬组织的结合,之间没有纤维组织。D u b r u i l l e把骨整合的概念分为两种解释,第一种解释不涉及植入体和硬组织的相互贯穿的渗透;第二种解释包括新骨的替代和生物植入材料和硬组织之间的渗透 2 0。生物结合,即植入体表面活性生物材料和软组织的良性结合。只有那些具有优秀的生物相容性,能达成良好骨整合和生物结合,并且可以承担一定的压力负荷的材料 2 1 才是理想的植入材料。目前钛植入体与周围软组织的微结构观察越来越引起诸多学者的关注,特别是钛与软组织的结合方式,类似牙周膜的功能,植入体表面自由能、菌斑堆积等
19、2 2,甚至有学者提出胶原成分的参与对种植体存在着潜在的功能 2 3。另外,涂层材料的研究对于植入体性能的改进起着推波助澜的作用,H A涂层的作用显而易见,对新涂层材料的发现和研究将是一个热门话题,而国内外学者对于种植体体芯的研究也还在继续中,比如用E D S方法制作T i-6 A l-4 V体芯等 2 4。最后,相对于那些针对其它组织器官的种植体的研究报告而言 2 5,针对口腔牙种植的植入材料的降解和离子释放以及它们对机体组织的影响的报告还不够完善和清晰,在口腔这个人体特殊的环境中,钛、钛合金的降解或者不降解、各种涂层的崩解或者不崩解,各种产物的体内转移和运输等等,都有待研究和测定。参考文献
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21、R e h a b,1 9 9 6,2 3:7 9 9 0.5L e i g h t J A.U s e o f P M M Ai ne x p a n s i o nd e n t a l i m p l a n t s.J B i o m e dM a t e r R e s,1 9 7 5J u l,9(4):2 3 3 4 2.6J.G.I r o n s i d ea n dM.V.S w a i n.C e r a m i c s i nD e n t a l R e s t o r a t i o n-AR i v i e wa n dC r i t i c a lI s s u
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23、a v i dB r o w n.D e n t a l m a t e r i a l s.M a t e r i a l s Wo r l d,1 9 9M a y4(5):2 5 9 6 1.9王革.钛及钛合金表面钝化膜的特点及其形成机理.中国口腔种植学杂志,2 0 0 2.3,5(1):3 7 3 9.1 0周彬,程祥荣等.牙周韧带细胞及成骨样细胞在纯钛表面附着的形态学比较.中国口腔种植学杂志,2 0 0 2,1 2,7(4):1 5 8 1 6 1.1 1C.N.E l i a s.I n f l u e n c eo f t h ec o a t i n gm a t e r i
24、a l o nt h el o o s i n go fd e n t a li m p l a n ta b u t m e n ts c r e wj o i n t s.M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,2 0 0 5.1 2F a b i oF r a n c e s c h i n iM i t r i.H i s t o l o g i c a lf i n d i n g si nt i t a n i u mi m p l a n t sc o a t e dw i t hc a l c i u m
25、 p h o s p h a t ec e r a m i c si n s t a l l e di nr a b b i t st i b i a s.A n n a l so f A n a t o m y-A n a t o m i s c h e rA n z e i g e r,2 0 0 5M a r,1 8 7(1):9 3 9 8.1 3T o m o y u k i K a t s u b e.D e v e l o p m e n t o f d e n t a l a n dm e d i c a l s y s t e m sf o r r e c o n s t r
26、 u c t i o no f h u m a nb o d yw i t hh i g hp e r f o r m a n c et i t a n i u mm a t e r i a l s.I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s S e r i e s,2 0 0 5S e p,1 2 8 4:3 2 4 3 2 5.1 4J o h nF.K a y,P h D.C a l c i u m p h o s p h a t ec o a t i n g sf o rd e n t a li m p l a n t sc u r r e n
27、t s t a t u sa n df u t u r ep o t e n t i a l.D e n t a l C l i n i c sO fN o r t hA m e r c i a,1 9 9 2J a n,3 6(1):1 1 5.1 5C h i-M i nL i n.B i o m i m e t i cg r o w t ho f a p a t i t eo ne l e c t r o l y t i cT i O 2c o a t i n g si n s i m u l a t e d b o d y f l u i d.M a t e r i a l sS c
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29、 o r t i n gb o n ew i t hi n d e n t a t i o nt e s t i n ga n db a c k s c a t t e r e di m a g i n g.S e m i n a r s i nO r t h o d o n t i c s,2 0 0 4J u n,1 0(2):1 6 2 1 7 3.1 9P u l e oD A,N a n c i A.u n d e r s t a n d i n ga n dc o n t r o l l i n gt h eb o n e-i m p l a n t i n t e r f a c
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31、 o u r n a lo f P r o s t h e t i c D e n t i s t r y,2 0 0 4N o v,9 2(5):4 4 1 4 4 6.2 2F l o r e n c eM a b b o u x.S u r f a c ef r e ee n e r g ya n db a c t e r i a l r e t e n t i o nt os a l i v a-c o a t e d d e n t a li m p l a n tm a t e r i a l sa n i n v i t r o s t u d y.C o l l o i d s
32、 a n dS u r f a c e s B:B i o i n t e r f a c e s,2 0 0 4D e c,3 9(4):1 9 9 2 0 5.2 3M a r i aG.P a t i n o,D D S,M S.C o l l a g e na s a ni m p l a n t a b l em a t e r i a li nm e d i c i n e a n dd e n t i s t r y.J o u r n a l o f O r a l I m p l a n t o l o g y,2 0 0 2,2 8(5):2 2 0 2 2 5.2 4W.
33、H.L e e a,C.Y.H y u n.X P Ss t u d yo f p o r o u sd e n t a l i m p l a n t sf a b r i c a t e db ye l e c t r o-d i s c h a r g e-s i n t e r i n go f s p h e r i c a l T i6 A l4 Vp o w d e r s i na v a c u u ma t m o s p h e r e.A p p l i e dS u r f a c e S c i e n c e,2 0 0 5.2 5F.F e r r a r i
34、a,A.M i o t e l l o.M e t a l-i o nr e l e a s ef r o mt i t a n i u ma n dT i Nc o a t e di m p l a n t s i nr a t b o n e.N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n dM e t h o d s i nP h y s i c sR e s e a r c hS e c t i o nB:B e a mI n t e r a c t i o n sw i t hM a t e r i a l sa n dA t o m s,1 9 9 3J u n,7 9(1-4):4 2 1 4 2 3.(收稿:2 0 0 5-1 0-1 3修回:2 0 0 5-1 0-3 1)3 6
