劉玉潔，李保勝，張震陽，歐燕珍，孟維艷

天然牙中，冠根方向上齦溝底到牙槽嵴頂之間的恒定距離為3～4 mm，即軟組織的“生物學寬度”，包括近冠方約2 mm的結合上皮以及近根方的結締組織，而在種植體周圍也存在類似天然牙的生物學寬度。生物學寬度對于維持種植體周圍軟硬組織健康具有重要意義。為了維持生物學寬度，避免細菌滲透破壞種植體初期愈合或長期效果，早期軟組織細胞粘附和長期軟組織封閉屏障的維護至關重要，是組織整合的關鍵部分。

眾多表面處理技術中，納米技術作為當下研究熱點有望對下一代醫(yī)療設備的設計、開發(fā)和制造產生重大影響。納米結構表面對細胞行為的調控是近年來的研究熱點，其中模仿天然納米尺度的界面在生物材料研究領域引起了廣泛的興趣。由于細胞行為可以受可溶性因子、細胞間相互作用、細胞外基質(extracellular matrix，ECM)相互作用的調控[1]，改善細胞及ECM作用的種植體納米級結構可以影響細胞諸多特征，從形態(tài)到基因表達。

1 天然牙和種植體周圍的結締組織

天然牙周圍牙齦組織的生物封閉不僅依賴于上皮附著，還依賴于牙齦纖維將結締組織附著在牙根表面，尤其是齦牙纖維和Sharpey纖維。牙周膜中膠原纖維數量最多，主要有Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅻ型膠原。其中Ⅰ型膠原成分最多，由上皮細胞和成纖維細胞共同分泌形成。直徑約70 nm的膠原纖維聚集成直徑幾微米的膠原束，以Sharpey纖維的形式垂直插入牙根表面的牙骨質。牙齦纖維的垂直附著可以提供強大的粘附力，阻止上皮根方遷移，在維持上皮附著水平和牙齒懸吊中起著重要作用，從而抵抗牙周牙齦組織炎癥和機械應力。

早期研究認為種植體周圍纖維走行平行于種植體表面，但是后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)種植體周圍的纖維可以向不同方向延伸，甚至垂直伸入種植體多孔表面[1-3]。垂直于種植體表面的纖維走行可以增加結締組織的粘附性，抵抗結締組織/種植體界面的機械性撕裂。通過電泳融合的方法將Ⅰ型膠原垂直插入直徑約67 nm的二氧化鈦納米管中，作為結締組織初期結合位點，可以明顯抑制上皮的伸展及上皮層的形成[4]，說明了垂直了種植體表面的纖維可以阻止上皮細胞根方遷移。另外，種植體周圍有許多Ⅴ型膠原纖維，對膠原酶具有抵抗性，因此種植體周圍的結締組織通常呈慢性炎癥狀態(tài)，而不是攔截或防御狀態(tài)[5]。

結締組織中成纖維細胞通過黏著斑粘附在種植體表面上，黏著斑蛋白表達增加與成纖維細胞粘附強度的提高相關，通過改變種植體表面微納米形貌調節(jié)成纖維細胞的粘附性及形態(tài)，對于抵御種植體周炎具有重要意義。

2 種植體表面特性對軟組織整合的影響

Albrektsson和Wennerberg將種植體表面特性分為三類：機械性能、形貌性能和理化性能。他們指出：這些特性是互相影響的，改變其中任意一個特性，其他特性也會隨之改變[6]。為了促進種植體/軟組織界面結合的強度和穩(wěn)定性，提高短期和長期預后效果，本文重點關注表面形貌及理化性能中濕潤性對結締組織的影響。

2.1 表面形貌與粗糙度

有研究認為成纖維細胞表現(xiàn)在納米級或者微米級結構的表面上無明顯差異[7]。但是相比于單一的微米形貌而言，在微米級結構材料上賦予納米級結構可以明顯促進人牙齦成纖維細胞的功能，包括粘附性、增殖性以及Ⅰ型膠原的合成[8]，這表明納米級結構的存在對成纖維細胞具有重要意義。

不同于上皮細胞的是成纖維細胞在輕微粗糙表面的表現(xiàn)似乎更好。光滑的鈦種植體表面會被纖維包膜所包繞，使得組織幾乎與種植體表面相分離，但是納米管有良好的組織整合性，可以明顯促進細胞和組織的粘附力，甚至減少炎癥因子的釋放[9]。研究對比鈦納米管管徑方面，認為管徑范圍在70～90 nm有利于人牙齦成纖維細胞的粘附和增殖反應[10-11]。但是，動物體內實驗認為直徑100 nm的鈦納米管和機械處理的光滑表面軟組織附著表現(xiàn)相似，纖維走行依舊平行于種植體表面[12]，在管徑為40 nm的納米管上培養(yǎng)人表皮成纖維細胞也未見細胞粘附性有明顯提高[13]。國內學者發(fā)現(xiàn)100 nm管徑的納米管比20、200 nm管徑納米管更適合人牙齦成纖維細胞的粘附、增殖和Ⅰ型膠原分泌[14]。在酸蝕20 min和60 min的表面上分別形成粗糙度為0.1～0.15 μm和0.5～0.7 μm的凹坑及突起結構，成纖維細胞接種培養(yǎng)3 d后未見兩組間有增殖、Ⅰ型膠原合成的差異[15]，不同處理方法雖然可以形成不同粗糙度的表面，但是這種差別對細胞行為似乎不具有意義。

材料表面凹槽走行可以調控細胞取向，在機械加工獲得的平均粗糙度為(0.104±0.010)μm、凹槽寬度為100～200 nm的鈦表面上，雖然成纖維細胞增殖活力沒有改變，但是納米凹槽走形能有效地驅動早期(48 h)牙齦成纖維細胞的取向，促進細胞的粘附性[16-17]。值得注意的是制備不同納米形貌表面修飾可能是在鈦表面上創(chuàng)建類似于天然牙Sharpey纖維狀結構的解決方案之一。在堿熱法形成的納米孔隙直徑約200 nm的表面上，Kato等見到了成纖維細胞外基質伸入到亞微米級突起、孔隙及溝槽之間，兔體內實驗驗證了種植體周圍纖維垂直走行類似于牙周膜[4]，對人皮膚成纖維細胞的研究中，這種納米級孔隙和突起可以促進ECM的合成，在ECM和材料表面之間建立充分的機械整合，以抵抗機械、酶和化學剝離處理，且不引起促炎反應[18]，證實了表面形貌改善種植體周圍軟組織封閉的可能性。

另外，植體周圍的成纖維細胞會發(fā)生纖維化，其中細胞粘附性、α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)表達以及細胞外基質沉積增加是細胞纖維化的標志，有研究發(fā)現(xiàn)相比于光滑鈦片，噴砂酸蝕處理后的粗糙鈦片表面上人牙齦成纖維細胞中α-SMA和纖連蛋白含量更低、粘附面積和粘附強度均較低，胞外基質重組相關基因上調，認為特定鈦片表面形貌可以抑制人牙齦成纖維細胞向成肌纖維細胞分化，對于減少瘢痕組織的形成具有意義[19]。

雖然粗糙度似乎對細胞行為無明顯影響，但是表面形貌確實會對細胞進行調控。有研究通過制備具有微米級溝槽和納米級孔的分層微納米復合形貌，將其與光滑表面和不規(guī)則微米尺度的表面進行比較，發(fā)現(xiàn)整合素在復合微納米表面上的表達要高于另外兩個表面，且證實了整合素α2-PI3K-AKT信號軸在分層微納米形貌促進細胞粘附和成骨分化中發(fā)揮關鍵作用[20]。而在骨髓間充質干細胞成骨分化過程中，適當的表面形貌可以使H3K27快速去甲基化，使成骨相關基因啟動子區(qū)域的H3K4me3水平升高[21]。這些都驗證了形貌對細胞命運的重要影響，但表面形貌在成纖維細胞中的作用機制的研究仍不充足。

2.2 濕潤性及表面自由能

潤濕性被認為是種植體重要的表面特性。通常使用液體-固體接觸角(contact angle，CA)來量化濕潤性，CA是三相邊界處液滴表面的切線與液體一側水平固體表面之間的角度。通常表面水接觸角小于90°被認為屬于親水性，表面水接觸角大于90°被認為是疏水的。但濕潤性除了與材料極性基團賦予的內在性質——親水性、疏水性有關外，還與物體表面性狀如孔隙有關，只有當固體表面完全光滑平整時，材料表面對水的濕潤性才完全取決于物體內在的親疏水性，所以平時看到的接觸角更多反應的是材料對水濕潤性的高低[22]。

受表面化學以及表面形貌影響的表面潤濕性和相關的表面能對于優(yōu)化材料周圍生物活性至關重要。增加濕潤性可以增強種植體表面與生物環(huán)境之間的相互作用。表面潤濕性不僅影響蛋白質的吸附，對細胞的粘附和遷移也有重要作用，在設計植入物時，表面能具有選擇性抑制細菌粘附，同時提高細胞活性的作用。70 nm的陽極氧化納米管相比于光滑表面的濕潤性更好，在粗糙的納米形貌基礎上進行親水性處理可以更加明顯地促進內皮細胞的生物學行為，利于血管生成因子激活從而促進種植體周圍新生血管的形成[23]。通過對微米表面進行改性獲得微/納米復合結構也可以提高材料表面親水性[24]。增加表面納米粗糙度可以增加潤濕性，從而增加表面能，但是原子層沉積的二氧化鈦納米涂層表面的發(fā)現(xiàn)與常規(guī)認識有所不同，成纖維細胞的粘附力與初始表面能是成反比的[25]。這種不確定性可能與表面吸附蛋白動力學與種植體其他理化特性之間的復雜作用相關。但是可以確定的是表面粗糙度/表面自由能較高的種植體表面會促進菌斑生物膜的形成[26]，高粗糙度和高表面能對于種植體的生物特性是一把雙刃劍，如何合理利用這把雙刃劍是值得探討的。

3 結論與展望

納米形貌修飾是當前鈦表面設計的一個重要研究熱點，現(xiàn)階段對經皮膚或者穿黏膜的醫(yī)療材料研究結果匯總后認為，納米級拓撲結構可能是促進軟組織封閉的關鍵步驟。眾所周知，細胞微環(huán)境中，基因和胞外介質共同調控細胞行為及功能，不同表面形貌會導致基因表達的差異[27]，例如在干細胞方面，表面形貌促進組蛋白第三亞基的乙酰化水平來影響細胞的功能和表觀遺傳特性，平行微槽所產生的各向異性可以誘導細胞對齊[28]。由于表觀遺傳調控機制非常復雜，且實驗技術上的限制，全面揭示表觀遺傳機制仍是一大難題，所以后續(xù)種植體材料表面形貌對周圍軟組織細胞表觀遺傳表達模式的深層機制仍有待深究?，F(xiàn)階段對于種植體/軟組織界面的研究以體外實驗為主，而體內環(huán)境錯綜復雜，尤其體外實驗無法模擬種植體周圍纖維走行，體內實驗應成為軟組織探究過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，種植體周圍結締組織的體內實驗有待繼續(xù)完善。