Effects of surface modification of titanium implants on the osseointegration

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.52.023

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Studies have shown that modifying implant surface through chemical, physical, biological means can enhance the biological activity and favor the occurrence of osseointegration effectively.

OBJECTIVE: To review and compare the effects of different methods of surface modification of titanium on osseointegration.

METHODS: The CNKI, Wanfang, and PubMed were searched by computer using the keywords of “pure titanium, implants, plant, the surface of the implant, surface modification, biological activity, biocompatibility, osseointegration, research progress” in Chinese and English, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: Titanium has good biocompatibility, stable chemical properties and high fracture strength, and therefore it is widely used in implant repair. But titanium is a kind of biological inert material, and shows poor biocompatibility and biological activities. Titanium implants directly implanted into the body is bad for the occurrence of osseointegration. For improving the occurrence of implant osseointegration, the modification of titanium metal surface is one of the most effective methods. Most of the studies have shown that after modification, the implants with osteoinduction effect can promote adhesion, proliferation, differentiation and mineralization of bone cells on the surface. The surface treatment of implants is an important way to improve the performance of implants, such as physics, chemistry, biochemistry modification and so on. After modification, the surface morphology, chemical composition, surface roughness and hydrophilicity of implants can be altered, so as to improve the biocompatibility and biological activity of the titanium implants, and to promote the occurrence of osteoinduction.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

Key words: titanium, dental implants, synostosis

CLC Number:

R318

Wang Fang-hui, Zhang Shan-shan, Shu Jing-yuan, Gao Yan, Sun Xiao-kun, Wang Qing-shan. Effects of surface modification of titanium implants on the osseointegration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(52): 8491-8497.

Figures/Tables 1

2.1 化学改性纯钛表面发生化学反应，引起表层化学成分的变化，改变了表面化学特性，使之产生与细胞表面分子之间的特异性相互作用，同时引起细胞内部结构和功能的变化，从而达到增加骨结合的目的。化学方法操作较为简单且表面处理结果均匀一致，不受其形态的影响，故该方法成为近年来研究的热点，包括阳极氧化法、酸碱处理法、微弧氧化法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、生物化学法等。 2.1.1 阳极氧化处理在一定的氧化条件下以硫酸等溶液为电解液，使阳极纯钛表面发生氧化，Ti原子失去电子变成Ti2+，电解液中的氧等阴离子与之发生反应生成氧化膜并逐渐增厚及致密，最后形成100 nm至几微米的二氧化钛膜。研究表明，氧化钛膜具有一定的生物学活性，可诱导羟基磷灰石在其表面的生成，从而特异性吸附胞外基质和骨基质蛋白及纤维蛋白，加快成骨细胞的黏附、伸展和生长，形成一定程度的生物性结合[1-2]。氧化钛膜还可防止深层继续氧化，有效阻止金属离子的释放，增强其耐腐蚀性和耐磨性。氧化钛膜层的化学成分、粗糙度、孔隙大小等受电解液成分、浓度、温度、后期处理等因素影响，研究表明，具有一定粗糙度的多孔氧化钛膜不仅与基体表面结合力较强，而且能增强基体表面的生物学活性[3]。因此，可以通过调控阳极氧化及后期处理来改变氧化层晶相结构(金红石相或锐钛矿)，从而提高骨结合强度。 2.1.2 微弧氧化微弧氧化也称之为等离子体氧化法、等离子微放电氧化法，是在电解质溶液中放入纯钛种植体，在普通阳极氧化的基础上，利用较高的工作电压，使氧化膜在高温高压下被击穿，致氧化层与基体金属熔化，熔融物与基体表面形成新的高电阻的氧化膜层，逐渐在阳极氧化的基础上生成完整的氧化膜层。以磷酸为电解液的微弧氧化，剧烈的微弧放电产生瞬间高温高压等离子体，电解液离子化，磷元素立刻沉积到种植体表面，随施加电压的升高微弧放电反应强度增加，电解液内的磷元素越来越多的沉积到表面氧化膜层内，表面的磷含量及金红石型增加[4]。由于击穿程度不同，导致表面形成多孔结构，并且所形成的氧化层较厚，又因为是在基体原位生成生长，故与基体材料结合紧密，不易剥脱且耐磨性及抗腐蚀性能增强，克服了其他方法所形成的薄膜层容易崩裂、脱落及有一定腐蚀性的缺陷。经微弧氧化后所形成的较厚氧化膜更好地屏蔽了钛离子的析出，加之其多孔的表面形态和耐腐蚀性，使其表现出较好的生物相容性和生物学活性，细胞的黏附和骨诱导能力增强，更好地促进种植体周围新生细胞及骨组织的生长，缩短愈合时间。为提高种植体的生物活性，可调整电解液种类和技术参数，并在电解液中添加钙、磷元素[5]，将其复合到纯钛表面的氧化膜层，诱导羟基磷灰石在其表面的沉积，形成内层致密、外层多孔的含有磷灰石的氧化膜层，进一步促进骨整合[6-7]。微弧氧化对种植体的表面处理是近年来发展起来的具有很好应用前景的新技术，陶瓷膜与基体结合牢固，且具有极高的硬度、优良的耐磨性、抗热冲击能力和抗腐蚀性能，克服了其他方法的涂层缺陷，突破了其他一些方法的技术束缚，在提高种植体表面理化性能方面具有良好的应用前景。 2.1.3 溶胶-凝胶技术溶胶-凝胶技术是低温下合成无机材料的重要方法，利用该技术将适当比例的钙磷溶液配制成稳定的胶体液，并均匀涂抹在纯钛种植体表面，在一定温度下经过加热处理，在其表面生成一层羟基磷灰石薄膜。羟基磷灰石具有优良的生物学性能，可有效促进骨结合和骨新生[8]。张天夫等[9]动物实验发现，经该技术处理后的种植体术后骨性结合形成时间较对照组显著提前。值得注意的是，运用溶胶-凝胶法在纯钛表面构建多孔纳米二氧化钛薄膜成为新的研究热点[10]，其粗糙的陷窝结构增大了种植体表面积，纳米级结构也为细胞在材料表面的黏附提供了更好的条件，有利于组织细胞在其表面的生长[11]。实验还发现纳米级二氧化钛涂层在潮湿的环境下，其表面会形成一些活性羟基，促进羟基磷灰石的形成，由于成骨细胞容易黏附在磷灰石表面，羟基磷灰石又可刺激了成骨细胞的分化和生长，最终诱导了新骨在种植体表面的形成[12]，骨组织中的羟基磷灰石与沉积在种植体表面的羟基磷灰石形成结合紧密的骨-种植体界面[13]。溶胶-凝胶技术对种植体的表面改性操作简单、成本低廉，有望成为表面纳米修饰的有效手段。 2.1.4 酸碱处理酸蚀法是将金属放入到特定的酸溶液对其表面氧化层进行化学腐蚀，并与钛反应生成离子键，去除表面氧化层及残留杂质，提高表面自由能，使表面形成孔隙形貌。酸蚀一般采用一种或多种酸蚀剂，常用的酸有盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸和草酸等，金属表面出现的微观结构与酸的种类和浓度、腐蚀时间和温度等关系密切[14]。酸蚀是纯钛种植体表面改性的常用方法，由于其表面的氧化层较为稳定，一般需要混合酸处理才能发生化学反应，致其表面形成小于10 nm的由TiO2和一些酸氧化物构成的氧化层。目前认为HCl是最理想的酸蚀剂，它除了能形成微米级的表面微孔结构外，还具有最优的表面去污效果，HNO3和HF混合液则是前期处理的标准配方。与表面打磨抛光相比，酸蚀能获得更理想的表面粗糙度，明显增加表面积，具有更好的表面能，为细胞在表面的吸附及生长提供更多的空间和机械锁合机会，使两者更易结合，诱导和促进骨整合作用的发生[15]。碱热处理是最为简单的纯钛表面改性方法，是由Kim等[16]在20世纪90年代提出的处理技术，方法是将纯钛种植体在氢氧化钠溶液中浸泡24 h，取出后在800 ℃温度下加热1 h。其基本原理是使基体表面官能团化，纯钛表面TiO2及Ti与OH-发生一系列化学反应，再与Na+结合，生成水和钛酸钠，在纯钛表面形成多孔钛酸钠凝胶，经加热处理发生相变，晶体化成约100 nm的锐钛或金红石型多孔氧化钛薄膜[17]。弱碱性钛酸钠可使基体表面pH值升高，在机体内诱导羟基磷灰石沉积，引发磷灰石成核，产生理想的界面结合层；处理后形成的表面结构如HTiO3负电荷、氢键等还可增加对体液中Ca2+、PO33+的吸附，促进羟基磷灰石的形成。研究证实，将纯钛经碱热处理后放入仿生体液中，最终在其表面观察到骨样磷灰石形成[18-19]。而酸蚀加碱热处理法联合应用被证实具有更优良的效果[20]。纯钛表面经打磨后，扫描电镜下仅能观察到微粗糙、沟壑清晰的微细结构；混合酸处理后，表面形貌无明显变化；酸碱处理后，表面粗糙度加大，出现一层微孔结构；600 ℃热处理后，表面氧化层变得致密，微孔变小且均匀，生物诱导增强。 2.2 物理改性物理改性是一类不发生或只发生极小程度化学反应的改性方法，包括打磨、抛光、喷丸/喷砂、钛浆喷覆、激光处理、等离子喷涂法、离子注入、羟基磷灰石喷涂法、表面陶瓷化等。物理改性方法并不能改变纯钛表面的化学成分及化学特性，通常通过改变钛表面形貌及粗糙度，以增强种植体与硬组织界面的机械锁合作用，促进成骨细胞的附着和诱导骨整合作用。 2.2.1 喷砂处理对种植体进行喷砂/喷丸处理的主要目的是获得特定的表面形貌和粗糙度，改善材料表面活性，提高骨结合强度。在可控制压力和时间状态下，通过高速气流将一定尺寸的介质(颗粒或小球)喷射至种植体，形成粗糙的表面并产生残余压应力层，改善表面活性。基体表面的粗糙度与介质颗粒大小、喷射角度、压力和时间有关，粒度越大表面粗糙度越大。绝大多数研究都表明，纯钛粗糙的表面比平滑表面具有更强的成骨活性，这可能是由于粗化表面增加成骨细胞与种植体间的接触面积，使成骨细胞在种植体表面有更多的伪足附着位点，使种植体材料表面能改变[21]。但对最适宜表面粗糙度目前仍存在争议，赵震锦等[22]研究认为，1.00 µm是较适宜的粗糙度。大颗粒喷砂加酸蚀技术则充分发挥了两种技术的优点，表面不仅具有喷砂形成的直径10-30 µm的一级孔洞，促进成骨细胞在纯钛表面停留，而且增加了酸蚀形成的直径1-3 µm的孔洞，促进蛋白黏附、细胞伪足附着[23]。这种独特的的表面粗化形态，优化了表面结构，增大了表面与骨组织的接触面积，使成骨细胞在纯钛表面的粘连、增殖和分化有所增强，提高了界面机械锁合性能[24]。同时，大颗粒喷砂加酸蚀消除了残余颗粒及棱角结构对周围骨组织矿化产生的影响[25]。临床研究证实大颗粒喷砂加酸蚀可以缩短种植体-骨结合时间至6 周[26]。由于喷砂/喷丸操作的可控性较差，导致孔坑大小不同，粗糙表面形貌不规则，坑洞边缘锐利，易造成内应力分布不均，抗腐蚀性降低，加速离子的释放，使周围发生炎症的概率增大[27]，进而影响种植体表面的成骨效能[28]。虽然目前大颗粒喷砂加酸蚀技术是种植体表面处理常用的方法之一，但即使喷砂后经过酸处理，其均匀一致可重复的纯钛表面也难以获得，因此，纯钛表面喷砂处理及粗糙度与其生物活性的关系有待进一步研究。 2.2.2 激光处理激光表面改性技术具有准确可控、重复性好、效率高、无污染等优点[29]，能增加钛表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等机械物理性能[30]。更有意义的是在其表面可产生独特的形貌和物质构成，赋予其更优良的生物学活性。激光刻蚀调整参数后可以得到精确大小、深度、间距的三维孔坑[31]，再经酸蚀处理，原激光处理的表面能形成无数大小在1-3 μm的微孔，形成独特的含有少量的钛、氧元素的表面二级结构[32]。脉冲激光沉积是高功率激光束作用于基体表面，使温度迅速升高并产生高温高压等离子体，在基体上沉积形成薄膜，脉冲激光沉积沉积的化学成分及计量比准确，结晶度及与基体结合强度高；激光表面合金化是基体表面经高能量激光束照射后，与加入的合金元素快速熔化混合，形成10-1 000 μm厚的表面熔化层，冷却后快速形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层；激光熔覆是基体表面添加熔覆材料，在激光束作用下使之与基体表面同时熔化并快速凝固，熔覆材料与基体表面形成冶金状结合的表面涂层，利用该技术可以在纯钛表面制备羟基磷灰石生物陶瓷梯度涂层[33]。而更直接的作用是，经激光轰击后，表面出现大孔坑，改变了种植体的表面形貌，增加了种植体的表面积，并对表面具有消毒作用。基于激光处理种植体表面的优越性，越来越多的学者通过激光对钛种植体表面进行改性，结果显示其表面的生物学活性增强，成骨细胞的接触、铺展、增殖、早期骨结合效能及骨结合强度提高[34]，Kang等[35]使用光纤激光来处理种植体，结果表现出优良的种植体表面形貌和骨结合效果；Cho等[36]用激光刻蚀纯钛种植体，发现其表面更有利于骨细胞生长，种植体扭力及骨接触面积明显增加；Hsu等[37]利用激光照射种植体表面再加酸蚀处理，细胞和动物实验发现，种植体表面骨细胞的吸附和骨结合能力均明显增强。 2.2.3 等离子喷涂等离子喷涂法是利用等离子枪产生直流电弧，将粉末材料加热熔融后快速喷射到基体表面形成涂层[38]，是目前最为常用的纯钛表面植入羟基磷灰石涂层的方法。虽然羟基磷灰石的骨诱导及与骨组织的骨性结合作用已得到众多研究的证实，但羟基磷灰石高温降解和热膨胀系数大，而等离子喷涂是线性过程，对于形状复杂或表面多孔的基体难以获得均匀、致密的涂层，直接使用易导致剥落、降解，进而发生炎症反应等。在合适的工艺条件下，液相等离子喷涂得到的涂层具有良好的扁平化，而非呈颗粒状松散堆积，推测涂层与基体之间具有良好的结合强度，故此法值得进一步探索[39]。钛浆喷覆是获得临床成功的种植体处理方法之一[40]，它是以熔融的液体钛合金高速喷在种植体表面并快速冷却而成，与基体成为一体，降低了界面处的残余应力，形成微粗糙的表面结构，表面和骨组织之间可以形成一个似三维状的接触面，增大了表面积，加强了与骨组织间的作用，利于骨结合的形成[41]，对早期固定起着重要的作用。钛种植体表面经钛浆喷覆后，更有利于成骨细胞的黏附、增殖及成骨细胞的分化[42]。 2.2.4 离子注入离子注入是半导体集成电路制造中快速发展的技术，目前在材料学研究、半导体制造、金属表面处理中应用越来越广泛，是硅片制作的标准工艺。它是利用离子注入机将杂质原子以离子加速的方式注入到基体内，以改变其元素组成及结构、性能等，其注入的浓度和深度受注入杂质种类、注入能量、掺杂剂量的控制。研究发现，在钛表面注入钙、镁等离子能增强其生物学活性[43]；钙离子注入改性后的种植体后类成骨细胞MG-63表面反应性明显增强[44]；将注入钙或镁离子后的钛放置在模拟体液溶液中其表面可逐渐生成羟基磷灰石[45-46]；Xie等[47]将水和氢同时注入钛表面，改性后浸入模拟体液溶液中，其表面形成类骨的羟基磷灰石，利于成骨细胞的黏附和生长；注入钠离子亦可使纯钛种植体表面成骨细胞有序生长，且在有羟基磷灰石形成后其促进细胞增殖作用更加明显[48]；将氮离子注入钛种植体表面，除了增加材料的表面硬度、抗腐蚀性及耐磨性外[49]，还可促进成纤维细胞及成骨细胞的黏附及生长，有利于软组织的附着及骨整合作用[50]。虽然离子注入优势明显，但由于离子注入设备极为复杂且昂贵，所以限制了该技术在纯钛种植体表面改性中的应用。 2.2.5 物理气相沉积物理气相沉积法是真空气相沉积的一种，通过形成原子分散状态的物质来沉积在基体表面，蒸发和溅射是其主要工艺。蒸发即蒸发镀膜技术，是使镀料通过热蒸发而获得；溅射即溅射镀膜，是由离子轰击靶材获得，离子来源于工作气体放电，主要是挥光放电，从靶材溅射出来的粒子具有较高的动能，可以改善膜层与基体间的结合强度，优化膜层的结构和性能，使涂层的附着力和致密度提高[51]。自从Eprek等[52]提出了纳米复合超硬涂层的理论和设计概念以来，随着物理气相沉积技术的发展对硬质/超硬涂层的开发与应用越来越多，纯钛表面纳米复合硬质涂层技术将为纯钛种植体的发展带来新的机遇，为涂层新技术的发展作出更大的贡献。物理气相沉积技术工艺过程相对简单，对环境污染少，沉积层均匀并与工件的结合力强，但该方法对设备要求高。Chatzinikolaidou等[53]将重组人骨形成蛋白等离子气相沉积在纯钛表面，复合重组人骨形成蛋白涂层的表面显示出较高的生物活性，其中MC3T3-E1小鼠成骨细胞的碱性磷酸酶活性增强；羊远端股骨髁骨内植入4-9周，植入体周围骨密度提高，骨小梁和皮质骨长入，骨-植入体直接结合，骨整合效果良好。 2.2.6 陶瓷化处理(Bio-Ti技术) 生物陶瓷具有化学稳定性高、耐腐蚀、抗磨损、高压缩强度、良好生物活性、无毒副作用等优点，因而在人体组织中的应用受到了普遍关注。表面陶瓷化的应用可使纯钛表面形成一层具有较高结合强度的多元复合陶瓷层。研究表明，利用该技术制成的新型陶瓷化种植体具有优良的理化性能和组织相容性[54]、良好的生物学活性，其特殊的表面形貌诱导了磷酸钙盐沉积[55]，显著增强种植体与骨组织的结合力，被认为是一种具有广阔应用前景的生物活性材料制备技术。 Bio-Ti处理的种植体植入早期，其表面的陶瓷化磷酸钙发生一定程度的溶解，呈现出微孔状形态，与体液之间发生离子交换，促进新的磷酸钙层不断沉积，且因其化学成分和结构与种植体表面的陶瓷层相似，故而可产生紧密结合。这种刺激性的蛋白胶原和钙、磷不断沉积形成的磷灰石层，可反复发生溶解和再结晶，最终骨组织中的磷灰石晶体将和种植体表面沉积的磷灰石发生化学性键合。 2.3 生物化学改性对骨结合的影响应用对骨细胞的增殖分化具有促进作用的生物活性分子，对种植体表面进行改性的方法称为生物化学改性。常用的为一些特定的蛋白、酶或肽，将这些活性分子固定在钛表面，植入后可被释放至周围组织中，诱导特殊细胞的分化和组织改造，引发钛与骨之间的早期结合，促进骨整合的发生和发展，提高种植成功率[56-57]。生物化学改性原为化学改性的特殊部分，由于这些特殊的生物活性分子在种植体表面发挥了确切的成骨效果，提高骨整合，因而近几年逐渐发展成为一类新的独立的改性方法。钛种植体的生物化学改性与物理改性或化学改性相比，生物化学改性是主要依靠生物活性分子来影响组织反应，比物理改性和化学改性更为直接有效。目前需要解决的关键的问题是，生物分子如何与种植体形成更加良好结合并发挥其活性。 2.3.1 表面吸附生物分子表面吸附是指将一些生物分子通过物理吸附的方法固定到种植体表面，使种植体表面具备骨诱导功能。将种植体浸泡于引入生物活动分子溶液中，让其自然依附于种植体上。表面物理吸附的方法操作简便，但容易受到个体差异的影响，且对生物分子的吸附和释放数量以及在表面的排列难以控制，制约了该方法的应用范围。而将胶原、RGD多肽直接涂层到钛种植体表面，体外实验发现成骨细胞的黏附能力增强[58-59]，动物体内实验则显示种植体植入的早期界面有新骨的形成，证明该技术具有明显的骨整合作用。 2.3.2 化学键接枝固定将钛表面经过硅烷化处理和戊二酸醛作用后使其表面氨基硅烷化，然后利用氨基将其他生物分子的氨基或羧基通过化学键连接到钛表面，能使生物活性分子产生可控的吸附，并且保持其特定的空间构型和构象，使表面的生物活性分子与骨组织中的生理信号产生特异性的相互作用，诱导骨结合。此方法过程较为复杂，被固定的分子不能直接释放，其生物活性持续时间过短。 2.3.3 层-层自组装层-层自组装是利用带相反电荷的聚电解质在基体表面交替沉积形成聚电解质多层膜，构筑类似于细胞外基质的PEM膜用于组织工程[60-61]。钛在生理环境中带负电荷，其表面首先吸附带正电荷的聚电解质(如聚L-赖氨酸、壳聚糖、聚乙烯亚胺等)，然后再吸附带负电荷的聚电解质(如聚谷氨酸、明胶、肝素等)，此过程交替进行，在其表面即可形成聚电解质多层膜。该方法制备改性涂层方法简单，制备条件温和，适合各种外观形貌的基体，其在生物医用材料领域的研究越来越引起人们的重视。"

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