牙种植体材料的研究进展

牙种植体材料的研究进展 腔材料器械杂志2006年第15卷第1期 牙种植体材料的研究进展 Progressinthestudyofmaterialsforendosseousdentalimplart 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200023) ? 33? 【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】种植体骨整合涂层生物结合 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,改善患者的生活质量. 最早的植人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 耐 刻的牙等I".20世纪30年代出现了一批高强度, 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.5O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[21.具体分类可见表l『引.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: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[41.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【u.目前对其长期植入 临床上用得最多的高分子材料是 效果尚存在争议. PMMA,有学者认为PMMA有以下优势:弹性,温 度,电惰性的低模量;合理的表面孔隙;容易保持干『l 制作;良好的生物相容性和价格便宜[51.但PMMA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[61.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,加速骨整合的形成但 因为瓷较脆且结构较少,它目前已不再用于种植体 的植人体芯,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(HA)和生物玻璃 (bioglass)等,用来加速骨整合的形成[81.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 衰1牙种植体植人材料的分类 ? 34? 酸的数层结构.这些瓷层结构似乎可以和骨化学性 地结合.关于涂层中用得最多的HA,将在下文中 详细叙述. 3金属 3.1金合金 它们能改进与骨的纤维 最早应用的是金合金, 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 及钛合金翻. 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 O.6%.含量丰富,在自然界中,钛主要以TiO:或 FeTiO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(25cC)下为密排六方 晶体结构(HCP)称相,在883~Ct,-j-变为体心立方 晶体结构(BCC)称B相[41. 常用的商业性钛有两种,纯钛和钛合金.最常用 的钛合金Ti14V在室温(25~C)下以(It相和p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. 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) 口腔材料器械杂志2006年第l5卷第1期 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TiO:.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表面 的钝化膜增厚处理.常用的为化学氧化法,阳极 氧化法和大气加热法[91.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嘲. 在骨整合的研究中,研究人员发现钛植入后.氧 化层和矿化组织之问有一层间隙,该间隙的厚度为 1.10u,但6个月后减少为100-~.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 研究钛植人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[41.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目. 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,探讨细胞在钛植人体表面的功能活动, Buser等将种植体紧贴天然牙周,发现种植体能形 成牙骨质,Choi等将牙周韧带细胞接种到纯钛种植 体表面进行体内种植.结果细胞涂层种植表面能沉 积牙骨质样的组0l.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 认为植人材料应具有惰性,与人体组织有良好的生 物相容性.但现代种植学认为.植人材料既要有一定 口腔材料器械杂志2006年第l5卷第l期 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一骨结合 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 溶解性问.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 瓷涂层材料分为可吸收和不可吸收性. 定影响【"】. 前者最终被骨替代,主要是13磷酸三钙(TCP);后者 能促进植入体与骨形成骨性结A【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(HA). HA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HA的特点: 加速骨的适应性:使纤维组织缺乏;更好的种植体一 ? 35? 骨的附着;减少愈合时间;增强机体耐受和阻止离子 的释放,HA还能维持涂层周围骨系统的稳定.HA 的溶解性较其它涂层材料低得多.有学者针对HA 等涂层材料在体外进行了溶解度的测试,试验结果 如表3所示,假设纯HA的体外溶解度为1.0,TCP 的体外溶解度是25.0,是HA的25倍,中的试 验数据也表明HA或TCP的涂层形式的溶解度远 比其纯HA或纯TCP的形式的溶解度高.在生物学 反应方面.HA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,并能减少交界面问 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HA涂 层的种植体作为参照.与HA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-41.临床实践表 明,高质量的HA涂层能提供更好的生物学适应,加 速牙龈组织和骨在种植体表面的附着,促进骨整合 和生物结合. 表3体外生物材料的正常溶解度(假设纯HA的溶解度为1.0) 现在还有学者用TiO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【阍. 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【l61,现概括如下,见表4. 表4不同复合材料种植牙的性能比较 6总结和展望薯 现代口腔牙种植越来越强调种植牙的生物学功时,生物相容性已经不能作为唯一 的评价指标,还应 ? 36? 该考虑它能否实现与周围组织的良性结合.骨整合 ?和生物结合的概念已被广泛运用到口腔牙种植的 植人体材料的评价当中,骨整合?的概念是 指——植人体材料和活性骨之间的直接联系,即 指植人体与硬组织的结合,之间没有纤维组织. Dubruille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.生物结合,即植人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【2l】才是理想的植人材料. 目前钛植人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,植人体表面自由能,菌斑 堆积等阎.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.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,HA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EDS方法制作Ti一6A1—4V 体芯等.最后,相对于那些针对其它组织器官的种 植体的研究而言?.针对口腔牙种植的植人材 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 1赵士杰,韩科.临床口腔种植学.1993:3. 2搬俊兰.耿温琦等.保牙?粘牙?植牙和制牙.2001:231,233. 3JackE.Lemons,PhD.Dentalimplantbiomaterials.JADA,Vol 121.Dec.199O:7l6—7l9. 4JCWATAHA.Materlalsforendosseousdentalimplant.Journal ofOralRehab,1996.23:79—9O. 5LeishtJA.UseofPMMAinexpansiondentalimplants.JBiomed MaterRes,1975Jul,9(4)1233~42. 6J.G.IronsideandM.V.Swain.CeramicsinDentalRestorationA RiviewandCriticalIssues.JournaloftheAustralasianCeramic Society,l998,34(2)118~91. 7CadedgeSA,FriesMD.Nanostrueturedceraulicsforbiomedical implants.JNarroseiNanoteehnol.2002Jun—Aug12(3-4):293~312. 8Dr.David~Brown.Dentalmaterials.MaterialsWorld.I99Mav4 f5):259—61. 9 l3 l7 l8 口腔材料器械杂志20o6年第l5卷第l期 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,2002.3,5(1):37—39. 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,2002,12,7(4):158—161. 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