敖小剛 陳文川

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院修復(fù)科，成都 610041

鈦及其合金因具有較好的機(jī)械性能、理化穩(wěn)定性、生物相容性和與骨相似的彈性模量等，一直以來作為牙種植材料被廣泛地應(yīng)用于臨床，被越來越多的牙列缺損或缺失患者接受。

牙科種植體的臨床成功取決于骨結(jié)合，即牙槽骨與種植體表面之間的直接接觸和功能連接。在骨結(jié)合的研究中，骨與種植體接觸（bone-implant con-tact，BIC）是常用的評估指標(biāo)。BIC值的大小與種植體材料類型、表面性質(zhì)（如表面形貌、化學(xué)組成、親水性）、愈合時(shí)間等有著較大的關(guān)系[1]。常規(guī)BIC值介于52%～78%，未達(dá)到理想的100%[2]。可能的原因在于種植體在生產(chǎn)過程中其表面被大氣碳化和有機(jī)污染，導(dǎo)致種植體在生產(chǎn)完成到植入牙槽骨期間發(fā)生生物學(xué)老化[3]。此外，當(dāng)存在糖尿病[4]、骨質(zhì)疏松[5]等不利條件時(shí)，會對種植體骨結(jié)合產(chǎn)生負(fù)面影響，顯著地降低BIC，降低種植體的成功率。因此，提高種植體的骨結(jié)合效率，提高牙種植體的成功率，減少種植體周圍炎和種植體周圍黏膜炎的發(fā)生十分必要。

近年來，許多學(xué)者將研究方向集中于鈦表面改性，通過改性后增加其表面的生物活性，從而提高骨結(jié)合和軟組織愈合的效率。常用的鈦表面改性方法有噴砂、酸蝕、陽極氧化、活性物質(zhì)涂層、基因涂層、化學(xué)氣相涂層等。各種改性方法在一定程度上都促進(jìn)了鈦種植體與牙槽骨之間的骨結(jié)合，提高了BIC值[6]，所以鈦表面改性對增加種植體的骨結(jié)合效率具有積極作用。

近年來，低溫等離子體技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，它為材料表面改性提供了一種簡單、有用且方便的方法。許多學(xué)者將其應(yīng)用于鈦種植體表面改性，大量的體外實(shí)驗(yàn)證明了低溫等離子體改性鈦表面后可以提高骨結(jié)合細(xì)胞的生物學(xué)性能[7]，減少細(xì)菌的定植[8]。此外，相關(guān)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)已證實(shí)低溫等離子體改性的鈦種植體表面顯著提高了BIC值，加速了種植體周圍新骨的形成[9]。因此，低溫等離子體改性鈦表面可以提高種植體的骨結(jié)合，減少種植的失敗。現(xiàn)將低溫等離子體改性鈦種植體表面影響骨結(jié)合的體內(nèi)外研究進(jìn)展作一綜述。

1 低溫等離子體概述

等離子體[10]是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后物質(zhì)的第四種狀態(tài)，是一種具有高位能的電中性氣體團(tuán)。當(dāng)氣體電離度小于1%時(shí)，被稱為低溫等離子體，含有大量的中性原子、離子、分子及自由基等[11]。低溫等離子體主要是通過低頻交流放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、大氣壓等離子體射頻、直流輝光放電、微波等離子體等不同的方式產(chǎn)生[12]。

低溫等離子體是溫度為數(shù)十電子伏以下的電離氣體，其粒子能量為幾個(gè)至幾十個(gè)電子伏特，大于材料的結(jié)合鍵能，所以可破壞材料表面有機(jī)大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵，對材料產(chǎn)生表面改性作用。除材料改性外，它還具有消毒滅菌、牙齒美白、殺滅癌細(xì)胞、增強(qiáng)粘接、促進(jìn)血液凝結(jié)等作用[11]。因此，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，低溫等離子體逐漸受到許多學(xué)者的青睞，被廣泛地應(yīng)用于如牙齒美白[13]、抑制口腔致病菌[14]、根管消毒與滅菌[15]、牙本質(zhì)與修復(fù)體粘接[16]等。

而在牙科植入物領(lǐng)域，由于低溫等離子體對材料改性的能力，被研究者應(yīng)用于鈦種植體表面改性。通過影響鈦表面的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，提升其生物活性及生物相容性，進(jìn)而改善種植體骨結(jié)合過程，促進(jìn)種植體的成功。

2 低溫等離子體對鈦表面性質(zhì)的影響

2.1 表面形貌

材料表面形貌會對細(xì)胞生物學(xué)行為產(chǎn)生一定的影響：如鈦種植體表面形貌會影響蛋白質(zhì)的吸收和成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞等的黏附、增殖及骨礦物質(zhì)合成等[17]。研究[18]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用常規(guī)低溫等離子體（功率200 W；氣源為20 slm氬氣與30 sccm的氧氣）處理鈦表面時(shí)，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和光學(xué)3D成像系統(tǒng)等設(shè)備檢測處理后的鈦表面，發(fā)現(xiàn)鈦表面的形貌未發(fā)生改變。這種現(xiàn)象在Henningsen等[19]使用的等離子體（功率24 W；頻率100 kHz；壓力0.5 mbar；氣源為氧氣與氬氣）改性鈦表面實(shí)驗(yàn)中也同樣觀察到。此外，Ulu等[20]發(fā)現(xiàn)，使用低溫等離子體（脈沖時(shí)間2.5 us；頻率1.2 kHz；功率5 W）處理細(xì)菌感染的種植體時(shí)，不會使鈦種植體表面形貌發(fā)生改變，維持最初種植前的表面形貌。因此，常規(guī)低溫等離子體處理鈦表面后能夠保持其原有的表面形貌，不會影響種植體最初生產(chǎn)時(shí)所設(shè)定的最有利于骨結(jié)合的合適表面形貌參數(shù)，進(jìn)而不會影響骨結(jié)合過程。

而對用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）產(chǎn)生的鍍膜低溫等離子體，它可在材料表面形成一層生物活性層。相關(guān)研究[21]發(fā)現(xiàn)，PECVD產(chǎn)生的低溫等離子體（功率50 W；頻率13.56 mHz，壓力0.05 bar，氣源為氬氣與庚胺）處理時(shí)鈦表面時(shí)，可在其表面形成一層氨基生物分子層，改變鈦表面的表面形貌。劉想梅等[22]研究也發(fā)現(xiàn)：低溫等離子體（功率30 W；壓力6 Pa；氣源為氬氣與丙烯胺）聚合的鈦表面與對照組相比，粗糙度降低，表面島狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加均勻，且在z軸方向上的尺度明顯地降低。雖然這種低溫等離子體處理改變了鈦表面設(shè)定的最佳表面形貌參數(shù)，但是由于引入了生物活性層，對種植體表面骨結(jié)合的細(xì)胞學(xué)過程影響遠(yuǎn)大于表面形貌參數(shù)的改變。

2.2 表面元素組成

用于牙科植入物的鈦材料，主要由鈦（Ti）、碳（C）、氧（O）、氫（H）、氮（N）等元素組成。在生產(chǎn)過程中由于空氣的污染，常導(dǎo)致鈦表面形成過多的C-C與C-H鍵。生物醫(yī)用材料表面碳水化合物中C-C與C-H鍵的存在會影響材料的表面能，導(dǎo)致其親水性發(fā)生改變[23]。研究表明：降低生物材料表面的碳百分比能夠促進(jìn)材料植入過程中細(xì)胞黏附和成骨分化[24]，而碳含量過高時(shí)會對細(xì)胞活力產(chǎn)生負(fù)面影響[25]。

Kim等[18]研究發(fā)現(xiàn)：通過X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）掃描低溫等離子體處理的鈦表面，觀察到等離子體處理組O1s峰的密度高于未處理組，而C1s峰的密度卻低于未處理組。結(jié)果表明等離子體處理增強(qiáng)了鈦表面的O含量，降低C含量。其主要原因在于等離子體中具有高能量的電離物質(zhì)破壞了鈦表面C-C和C-H中的化學(xué)鍵，重新形成了有利于親水性的O-H鍵，從而提高材料的表面能。其他的學(xué)者[9,21,26]也得到相同的結(jié)果。因此，等離子體處理能夠有效地去除鈦種植體表面的碳污染，形成有利于骨結(jié)合的表面能。

2.3 接觸角

接觸角是指液滴在固體表面達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，通過液滴邊緣三相點(diǎn)（氣、液、固點(diǎn)）作液滴曲面的切線，曲線在液滴接觸面一側(cè)與固體表面的夾角（θ）受表面張力大小的影響，反映材料的親疏水性[27]。研究[26]發(fā)現(xiàn)：低溫等離子體（電壓25 kV；頻率20 kHz，氣源為5 L·min-1的空氣）處理能夠增強(qiáng)鈦表面的親水性與表面能，降低鈦表面的水接觸角。親水性的增加有利于骨整合早期階段中單核細(xì)胞的黏附、血小板的激活和血凝塊的形成，同時(shí)還能顯著地促進(jìn)成骨與血管生成相關(guān)基因的表達(dá)，誘導(dǎo)更快的骨-種植體接觸[28]。

低溫等離子體處理使鈦表面疏水性表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性表面，導(dǎo)致接觸角降低?？赡艿臋C(jī)制是由于高能量的低溫等離子體成分（如活性氧、羥基等多種活性自由基）裂解了鈦表面部分原有官能團(tuán)，形成了新的親水性功能基團(tuán)，從而提高鈦表面的親水性。

3 低溫等離子體改性鈦表面的體外研究

3.1 低溫等離子體對鈦表面成骨細(xì)胞的影響

眾所周知，種植體若要與牙槽骨形成良好的骨結(jié)合，肯定離不開成骨細(xì)胞，它是骨結(jié)合形成的必要條件。因此，利于成骨細(xì)胞生長或促進(jìn)其活性的方法都能加速與優(yōu)化骨結(jié)合過程，從而促進(jìn)種植成功，減少失敗病例的發(fā)生。

相關(guān)研究[19]發(fā)現(xiàn)：與未處理的鈦片相比，培養(yǎng)在低溫等離子體改性鈦片上的成骨細(xì)胞表現(xiàn)出更快的細(xì)胞生長速度、更大的細(xì)胞生長面積和更好的細(xì)胞代謝活力。Seo等[29]將鼠前成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）同樣培養(yǎng)在低溫等離子體（電壓2.24 kV；電流1.08 mA；功率2.4 W；頻率12 kHz；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣或氮?dú)猓└男缘拟伇砻?，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞黏附數(shù)量及活性都優(yōu)于未處理的對照組，逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)分析顯示堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runt-related transcrip-tion factor 2，Runx2）、骨鈣素（osteocalcin，OCN）和骨橋蛋白（osteopontin，OPN）等成骨相關(guān)基因的表達(dá)同樣高于對照組。此外，其他學(xué)者[18,30]也得出了相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。出現(xiàn)上述情況的主要原因在于：低溫等離子體對鈦表面的去污、碳的清除及相關(guān)化學(xué)鍵與基團(tuán)的引入，導(dǎo)致其親水性增加，從而利于成骨細(xì)胞的生長、代謝及分化等。

3.2 低溫等離子體對鈦表面細(xì)菌的影響

在種植體的表面，存在著細(xì)菌與成骨細(xì)胞的黏附競爭。如果細(xì)菌的競爭作用強(qiáng)于成骨細(xì)胞，常會導(dǎo)致骨結(jié)合的失敗。即種植體表面細(xì)菌的黏附和積聚通常會導(dǎo)致種植失敗，這種情況在臨床上表現(xiàn)為種植體周圍炎[31]。去凈種植體表面的細(xì)菌生物膜和減少細(xì)菌在其表面的黏附對于口腔種植的成功是十分重要的。因此，為了抑制細(xì)菌的黏附，對鈦種植體表面進(jìn)行改性顯得比較有意義。Lee等[32]發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體（電壓15 kV；電流13 mA；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣）處理鈦表面后能夠降低細(xì)菌黏附和生物膜形成的速率，這種效果對革蘭陰性細(xì)菌的作用更強(qiáng)。Lee等[8]（電壓15 kV；電流13 mA；氣源為1 000 sccm的氮氨混合氣體）與Jeong等[33]（電壓2.24 kV；電流1.08 mA；氣源為5 L·min-1的氮?dú)猓⒌蜏氐入x子體處理鈦表面后，能夠減少溶血鏈球菌對鈦表面的黏附，從而減少微生物在植入物表面定植，降低種植體周圍炎或種植失敗的發(fā)生率。此外，Ulu等[20]研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體（脈沖時(shí)間2.5 us；頻率1.2 kHz；功率5 W）處理也可以減少鈦表面金黃色葡萄球菌的黏附及生長。

細(xì)菌在材料表面的黏附主要與材料的表面形貌和親水性有著密切的關(guān)系。在這其中，親水性的影響大于表面形貌[33]。低溫等離子體處理后，改變了鈦表面的化學(xué)組成，提高表面能與親水性。材料表面親水性的提高可顯著減少細(xì)菌的黏附[34]。此外，細(xì)菌在材料表面的黏附又取決于兩者的親水性和疏水性是否一致。鏈球菌是最先定植在植入物表面的細(xì)菌，同時(shí)還是一種疏水性細(xì)菌[35]。因此，當(dāng)鈦表面的親水性提高以后，在植入初期使其不容易黏附于表面。此外，常規(guī)低溫等離子體處理不會改變鈦表面形貌，能夠保持其原有的納米尺度的表面粗糙度，使其抗菌性不發(fā)生變化[36]。在鈦表面形成生物活性層的低溫等離子體雖然改變了鈦表面的表面形貌，但是形成的生物活性層對細(xì)菌的抑制效果遠(yuǎn)大于形貌改變帶來的影響。

4 低溫等離子體改性鈦表面的體內(nèi)研究

既然低溫等離子體改性鈦表面后的體外作用很明顯，那么它的體內(nèi)作用效果如何呢？Danna等[9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把低溫等離子體（電壓230 V；功率65 W；頻率1.5 mHz；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣）處理的鈦種植體植入比格犬3周與6周以后，處理組的BIC與骨區(qū)域占比（bone area fraction occupancy，BAFO）都明顯高于未處理組，組織學(xué)分析也發(fā)現(xiàn)處理組種植體表面形成更多的編織骨，而且形成的骨比較均勻。

Hung等[37]將低溫等離子體（高電壓；頻率0.5～4 kHz；氣源為1.8 L·min-1的氬氣與0.01 L·min-1的氧氣）處理的鈦種植體植入比格犬4、8、12周后發(fā)現(xiàn)，各時(shí)間點(diǎn)處理組的種植體穩(wěn)定系數(shù)（implant stability quotient，ISQ）值都大于對照組，且組織學(xué)分析同樣發(fā)現(xiàn)處理組表面形成更多的骨組織。因此，低溫等離子體處理鈦種植體表面能夠增強(qiáng)骨結(jié)合。其可能的機(jī)制在于：低溫等離子體處理鈦種植體后，使其表面性質(zhì)發(fā)生變化，影響骨結(jié)合相關(guān)的細(xì)胞學(xué)行為，從而促進(jìn)種植體表面骨組織的形成。

5 總結(jié)

綜上所述，在鈦表面性質(zhì)方面，低溫等離子體改性鈦表面后，一定會改變其表面的化學(xué)組成、親水性和接觸角，但對其表面形貌的影響會因等離子的種類不同而不同。體外研究中，低溫等離子體改性的鈦對成骨細(xì)胞及細(xì)菌表現(xiàn)出不同的生物學(xué)反應(yīng)，對成骨起到促進(jìn)黏附及生長分化的作用，而對細(xì)菌表現(xiàn)出抑制效果。體內(nèi)研究中，低溫等離子體處理鈦種植體表面后可以增強(qiáng)種植體的BIC、BAFO、早期穩(wěn)定性和種植體表面骨組織的形成。因此，以上研究證明，低溫等離子體改性鈦種植體表面后，對于促進(jìn)其骨結(jié)合具有積極的作用。

但目前大部分體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)都是進(jìn)行現(xiàn)象觀察，未對產(chǎn)生現(xiàn)象的機(jī)制作詳細(xì)的探究。對于研究中使用的低溫等離子體改性參數(shù)（電壓、電流、功率、氣源、時(shí)間等）方面，不同研究者所采用的參數(shù)也并不一樣。因此，還需要更多的科研工作者投身于該研究中，進(jìn)一步探究其改性的詳細(xì)機(jī)制，以及對改性參數(shù)的優(yōu)化。筆者相信，低溫等離子體用于鈦表面改性將會是未來促進(jìn)鈦種植體骨結(jié)合的一種重要手段。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。