钛种植体表面生物活性涂层的应用进展

王丽娜， 王佐林

（上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院·同济大学附属口腔医院口腔种植科，上海 200072）

钛种植体因其优异的生物相容性、高机械强度和耐腐蚀性能被广泛应用于口腔领域[1]。20世纪40年代初，Bothe等首次将钛引入医疗领域，直至1910年纯钛种植体的诞生[2]。然而，纯钛种植体表面的金属特性使之与骨组织的结合有着明显界限，因此各国学者们开始采用在钛种植体上添加不同表面生物活性涂层的方法，以期使之获得理想的与天然骨组织微环境协调一致的种植体表面结构。本文将对此类方法作一综述。

1969年，Hench教授[3]首先提出生物活性的概念。生物活性是指生物材料与骨组织之间存在化学键的特征。生物活性材料[4]是指该材料能与周围微环境进行动态互动，从而促进和增强骨组织的形成。其中最具代表性的生物活性材料如磷酸钙材料等，这些材料不仅具有良好的生物相容性和骨传导性，而且还可以在体内降解释放离子，形成一个弱碱性的环境，以提高细胞活性和加速骨修复[5]。

在生物医学材料工程领域中，学者们提出了许多对钛及其合金表面改性的方法[6]。这些方法侧重于对种植体表面形貌和形态的改变[6-8]。近年来，有学者提出通过物理化学和生物化学沉积技术在钛表面获得额外生物活性涂层的方法[6]。

本文将从以下3个方面进行概述[9]。首先是无机磷酸钙涂层，即与天然骨组织中的无机矿物相类似的磷酸钙涂层；其次是有机生物分子涂层，指各种有机生物分子固定在种植体表面的涂覆方法；最后是有机-无机复合涂层，即模拟天然骨组织结构和成分的涂层。

1 无机磷酸钙涂层

1.1 磷酸钙材料

磷酸钙材料的生物活性现象主要由物相决定[9]。磷酸钙材料的晶相、分子结构、表面粗糙度和孔隙率变化决定了磷酸钙形成不同的物相[9]。这些物相包括磷酸三钙、磷酸八钙、无定形磷酸钙、羟基磷灰石和碳酸型磷灰石等[10]。

1.2 磷酸钙涂层的制作方法

1987年，有学者提出使用磷酸钙涂层对种植体表面进行处理[11]。实验证明磷酸钙涂层材料具有生物活性，骨组织能直接附着于其表面而实现骨结合。同时磷酸钙涂层的种植体具有良好的机械强度和出色的生物学特性。

磷酸钙涂层的形成方法：通过将生物材料浸入过饱和磷酸钙溶液中诱导材料表面的磷酸钙成核，包括沉积工艺和物理沉积。沉积工艺如浸涂、溶胶-凝胶[12]、电泳沉积、仿生合成[13]；物理沉积如等离子喷涂[14]、溅射工艺、热喷涂等[6,15]。但这些方法各有优缺点。

目前，获得种植体表面磷酸钙涂层颇具代表性的方法是等离子喷涂技术[14]。等离子喷涂技术可以高效快速地形成磷酸钙涂层，具有可以控制涂层厚度、表面形貌和化学成分等优点。尽管大量研究证实了等离子喷涂涂层的骨传导性和骨结合行为[14]，但该技术仍存在一些严重的问题。这些劣势包括：①喷涂过程中的温度过高、冷却速度过快；②陶瓷粉材料的热膨胀系数和弹性模量与钛金属的差别较大[15]，产生的残余应力导致涂层在钛合金基体上的相变和开裂，降低了涂层与基体的结合强度[16]；③基底形状复杂不容易获得均匀的涂层；④高温、高压条件下无法将有机化合物（如细胞因子、抗生素、生长因子、蛋白质、多肽、DNA等）掺入磷酸钙涂层中。随后，Ke等[14]提出通过激光工程净成形技术在Ti6Al4V上制备梯度羟基磷灰石涂层后进行等离子喷涂沉积，结果表明粘接强度从（26±2）MPa提高到（39±4）MPa。尽管改善了结合强度，但这种技术仍然存在高温条件下羟基磷灰石的分解以及不能均匀的涂覆在钛表面的问题。

溶胶-凝胶法制备的磷酸钙涂层是在低温下进行的，因此溶胶-凝胶法可以获得比较均匀的涂层表面，但凝胶在烧结过程中会有较大的收缩，涂层易开裂，结合强度很弱[15]。因此，有学者通过阳极氧化形成二氧化钛纳米管，可以轻微改善溶胶-凝胶涂层与羟基磷灰石黏附性差的问题[15]。还有学者提出一种新技术——冷气喷涂技术[16]，通过冷气喷涂技术可以获得高孔隙率、高结合强度的钛-羟基磷灰石复合涂层。该技术虽然可以避免磷酸钙材料发生相变，但成本较高。

2 有机生物分子涂层

目前，将蛋白质等有机物固定在种植体材料上的生物化学方法引起了人们的极大关注[17]。将不同的生物功能性分子固定在钛表面上，可以促进种植体界面处的骨再生。有机生物分子的修饰是利用骨组织中的有机成分来影响组织反应。

2.1 生物分子固定在钛表面的方法[9]

2.1.1 物理吸附 物理吸附是通过范德华力或静电的相互作用而实现的[18]。吸附是在温和的条件下进行固定的方法，因此几乎不会破坏生物分子的活性。但是，通过将钛种植体浸入到溶液中，生物分子的吸附浓度依赖于实验条件，如pH值的高低、温度的变化和溶剂的成分等。同时，在种植体植入后这些表面吸附的分子会不可控地单个爆发、快速释放[19]。

2.1.2 物理捕获 物理捕获是生物分子通过屏障系统保留界面，没有发生化学结合。因此，该技术比较温和，适用于任何生物分子。但屏障系统通常很脆弱，若被撕裂或腐蚀将导致生物分子流失。

2.1.3 共价结合 共价结合是指钛表面通过共价连接的方式衍生为反应性基团的一种方法，如氨基或醛基[20]。共价结合具有非常高的表面能和较低的生物分子流失，但与其他固定生物分子的方法相比更复杂，更耗时。

2.2 有机生物分子涂层的应用

学者将生物分子掺入如胶原蛋白等材料制成的种植体表面涂层中，这样可以控制种植体表面生物分子的释放[21]。将生物大分子掺入磷酸钙种植体表面涂层材料中，这些生物分子可以诱导磷酸钙物相的转变，从磷酸八钙变为碳酸型磷灰石，与天然骨矿物质更相似[21]。

有学者将生长因子添加到磷酸钙涂层的种植体或胶原蛋白涂层的种植体中[22]。结果发现，与钛表面未结合生长因子的涂层相比，添加生长因子的涂层可以更有效地诱导骨形成[22]。

还有学者采用层层矿化技术[23]，将DNA中的阴离子磷酸基团与阳离子聚电解质通过静电相互作用而稳定在种植体磷酸钙涂层内。该研究结果表明，有机生物分子DNA可以改善磷酸钙的沉积速率，有利于将骨组织直接沉积到种植体表面[17]。

3 有机-无机复合涂层

3.1 有机-无机复合涂层的组成

骨骼是由有机基质（其中90%是胶原蛋白）和无机相磷酸钙纳米晶体（碳酸型磷灰石）组成的[24]。有机分子可以在相当长一段时间内维持其生物活性，而无机磷酸钙涂层可以支持涂层的机械强度。因此，大多数学者研究的重点是开发类似于骨组织仿生纳米颗粒的复合涂层，即由胶原蛋白和磷酸钙制成的有机-无机复合涂层。

3.2 有机-无机复合涂层的应用

有学者采用仿生矿化技术，通过有机生物分子促进或抑制磷酸钙的组装，可以获得具有复杂形状、多层次结构、优异机械性能的有机-无机复合材料[25]。纳米磷酸钙矿物相可以模拟天然骨组织的成分和结构，具有良好的强度、骨传导性与生物相容性[26]，同时还可以被人体组织降解吸收。因此，仿生矿化技术被认为是制作有机-无机复合涂层最有前途的技术之一[13]。

Izawa等[27]利用仿生矿化技术在黄原胶水凝胶上通过交替浸泡羟磷灰石（Xan/Hap=2.7）的方法，获得了出色的机械性能（伸长率约为370%）。磷酸钙涂层中掺入的生长因子，有利于促进骨组织与种植体界面处的骨形成[17]。Ciobanu等[28]学者通过仿生方法获得掺杂铈的羟基磷灰石/胶原涂层，研究结果表明该涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌效果。也有学者采用浸涂法涂覆硅-羟基磷灰石（Si-HA）涂层并以血管内皮生长因子修饰[29]，运用绵羊骨质疏松模型进行研究。结果表明，血管内皮生长因子在Si-HA涂覆的支架上表现出协同吸附作用，获得了更粗大的骨小梁、更高的骨形成率和血管生成率。

综上所述，模拟天然骨组织的无机成分和有机成分的涂层可以直接影响种植体周围组织的增殖分化反应。有机成分的添加有利于改善新骨的形成。但将其应用到临床上仍有许多的问题和挑战。目前临床上的种植体表面无神经、血管依附，不具有生物活性。如何运用合适的技术在其表面修饰促进血管、神经和成骨的有机活性因子仍然是未来种植体发展的方向之一。因此，有机-无机复合涂层可能形成真正的类骨涂层，有望获得功能与生物学性能优异的新一代种植体。