CN101292907A - 一种牙种植体生物活性表面的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征是先利用喷砂技术、微弧氧化－电泳技术在纯钛表面构建一层由氧化钛支架及磷灰石组成的三维孔隙层，后选择与骨生长发育及再生有关的生长因子纤维粘连蛋白(Fn)和骨形成蛋白(BMP)，根据组织工程生物支架的构思，使其与钛氧化层表面发生化学吸附的生物活性分子沉积并固化于三维孔隙层的微环境内，从而使种植体表面可以诱导和调控成骨并参与骨基质物质交换，具备与机体长期协调共存所必需的改建和自我修复能力，形成牙种植体与骨组织双方参与的物理－化学－生物性骨结合。该方法可以大大缩短牙种植体的骨结合时间并提高其在体内长期协调共存的能力和成功率，在一定程度上具备人工器官的生命特征。

Description

一种牙种植体生物活性表面的构建方法

技术领域

本发明属于牙科人工种植体技术领域。涉及一种牙种植体表面改性的处理方法，尤其涉及一种可以大大缩短牙种植体的骨结合时间并提高长期协调共存的能力和成功率的牙种植体表面改性的处理方法。

背景技术

近年来，人工牙种植技术已经在欧美经济发达国家中得到了普及性的使用，成为口腔牙列修复的主导技术。相对于传统的活动和固定义齿修复技术，人工牙种植体技术有着修复理念上的本质区别和明显进步，各国都在新型种植体的研发方面投入巨大人力和物力。牙种植体的表面活性处理技术是人工牙种植体研发的最关键技术之一[1，2]。以前经典的骨结合式种植体并不强调人工器官的概念，也不要求牙种植体的生命化，而仅仅把牙种植体当作是一种生物惰性的外源性植入体，因此在这一标准下的牙种植体的骨结合是一个长达数月的被动过程，早期结合强度不高，其界面多呈机械性物理性结合[3]。根据现代牙科医学的发展方向，理想的“种植牙”应该是一个具有部分生命特征的人工器官，与周围活体组织发生物质和信息交换以及具有自我改建和修复能力是牙种植体具备基本生命特征的标志。只有实现了牙种植体表面的生命化，才能实现种植体与骨组织之间的物理-化学-生物性骨结合，也才能同时从初期骨结合到长期功能稳定性两方面来保证“种植牙”的最佳治疗效果。然而目前的人工牙种植体还不能实现这一目标。在本发明以前的牙种植体的表面活性处理现有技术中，国内外主要的研究方向可分为以下二个：一、以各种方法在钛金属表面涂覆生物材料以提高其生物相容性。该方法在一定时间内和一定程度上可以提高骨结合强度，针对部分学者对其涂层稳定性的质疑，新的研究结果也可做到梯度的生物陶瓷材料涂层，基本消除涂层与钛种植体之间的物理和化学性突变界面，其研究成果应用于国际牙科种植组织(International Team for Implantology，ITI)研制的表面钛浆喷涂(Titanium plasmasprayed，TPS)种植体以及部分国产种植体[7，8]。但公认的研究结果认为涂层脱落问题依旧存在[9]，此类种植体的应用总体来看将趋于淘汰；二、进一步改良喷砂酸蚀等传统技术来改造种植体表面微观物理形貌和化学成分，形成具有较好生物相容性的粗糙多孔表面，并提高了种植体与骨组织的结合面积，这种方法收到了较好临床效果，在一定程度上加快了骨愈合速度并改善了骨结合强度，代表性研究成果为国际牙科种植组织(ITI)研发的表面大颗粒喷砂后酸蚀(Sand-blasted large-grit acid-etched，SLA)种植体[10，11]，目前此类种植体在国内外临床医用中较为多见，但此类种植体与骨组织之间仍然是物理性机械性结合。此外，近年来不少学者利用电化学氧化技术对种植体表面进行改性处理，使纯钛表面氧化并转化为类生物陶瓷性材料，从而大大提高生物相容性[12，13，14]，此类研究也属于非涂层的表面生物学改性，代表性研究成果为世界最大的牙种植体研发生产机构诺保科(Nobel Biocare)的TiUnite系列种植体产品[4，15，16]，该产品由于其表面具有良好的生物相容性，缩短了骨结合时间至，并一定程度上推动了即刻修复技术的发展[16]，但仍不能完全满足临床上对于尽可能缩短骨结合时间的要求，也不能达到前述的具备人工器官生命特征的要求。此外，CN101138652A号中国专利申请中公开的一种高生物活性表面多孔种植体复合材料制备方法，该方法采用微弧氧化处理设备在含钙磷的电解液中对钛或钛合金进行微弧氧化处理，得到的种植体表面陶瓷氧化膜的厚度在20μm左右；CN101054708A号专利申请公开的一种等离子微弧氧化法制备羟基磷灰石生物陶瓷膜的方法，该方法用不同的电解液和不同的工艺参数可得到10～45μm厚度的羟基磷灰石生物陶瓷膜，这两种方法的共同缺点是所形成的氧化层中羟基磷灰石的含量低，且为单级立体结构，不利于生物体内活细胞的附着及成骨；另外，模拟体液法吸附生物大分子的方法耗时长、效率低、易脱落。

综上所述，目前人工牙种植体的研究仍未彻底摆脱骨组织单方参与的骨愈合形式，也没有从人工器官的角度来考虑牙种植体尤其是其表面的远期自我修复能力。虽然目前有些种植体产品经过不断改良表面处理技术已经具有较好的生物活性表层，可以显著提高早期的结合强度并缩短骨结合时间[4，5]，但对于日益提高的临床要求，如即刻种植即刻负载的目标还有相当的差距，且后期维持骨结合的动态平衡主要由机体组织的单方参与，缺乏种植体的主动性，所初步形成的骨结合界面缺乏动态改建和自我修复的能力，易受到病理生理因素(如牙周炎、骨质疏松及局部骨吸收)和生物力学因素(如早期负载的微动损伤和种植体设计)的影响，致骨结合部分甚至全部丧失[6]。

发明内容

针对上述现有技术的状况，本发明的目的在于，提供一种构建具有部分生命特性的人工牙种植体表面的方法，使种植体在人体内的愈合过程由单方参与变为双方参与，从根本上改变骨结合的进程和形式，用本方法构建的种植体以氧化钛及磷灰石为主体构成表面的三维孔隙层，其中含有多种调控骨基质生成及矿化的生物因子，可以加速接触成骨、诱导周围组织远程成骨并能与周围形成的骨组织保持钙磷离子交换及动态平衡，以此实现种植体骨界面的物理-化学-生物性骨结合，并使这种牙种植体的表面具有一定的自我修复功能。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

根据现代牙科医学的发展方向，越来越强调人工种植体的生物学特性，未来人工牙种植体表面活性处理的目标应该是能够显著缩短骨结合时间并实现牙种植体与骨组织之间的生物性结合，而不仅仅是提高种植体表面材料的生物相容性。只有实现了牙种植体表面的生命化，才能实现种植体与骨组织之间的物理-化学-生物性骨结合，也才能同时从初期骨结合到长期功能稳定性两方面来保证“种植牙”的最佳治疗效果。

钛表面生命化是利用人工器官的设计思想，将仿生技术与材料学技术相结合的非涂层生物改性技术，目的是使生物惰性的钛表面呈现部分活骨的生命特性，进而被改造成类生命材料，彻底改变钛作为骨内种植材料的生物学行为，加强人工牙种植体在人体组织内的远期稳定性等诸多临床应用中遇到的问题，这是人工牙种植体研究的一个新思路。本发明构思具体来源于以下两方面问题的考虑：

1、在生物大分子参与条件下，钛表面三维孔隙层内生物磷灰石结晶过程的启动与生长。钛表面生命化区别于以往表面改性技术的要点在于：(1)在微观三维结构方面，构建含有二级微观孔洞的氧化钛三维孔隙层，为生物成骨提供必需空间；(2)选择骨生长发育、骨再生有关的生长因子——纤维粘连蛋白和骨形成蛋白，利用静电化学吸附法使之固定于材料表面及微孔洞内，使新形成的生物磷灰石晶体和生物大分子发生有机结合并沉积于三维孔隙层微环境内。

2、生命化钛种植体骨界面物理-化学-生物性结合的实质：区别于传统的组织学概念的骨结合，本发明提出的物理-化学-生物性结合将骨结合界定为非界面性、特异性的配体—受体结合，大致分为两部分，(1)细胞成分区：纤维粘连蛋白与细胞膜蛋白配体—受体特异结合。据已有实验表明，细胞成分区的骨结合并非种植体骨结合的主要组成部分，也就是说，这些区域的生物性结合在骨结合中并不占主要地位；(2)细胞外矿化基质区：有机生物磷灰石与矿化骨基质之间的非界面过渡性动态结合，这是骨结合的主要部分和功能区域，也是本技术关注的重点。细胞外骨基质成分中，生物大分子—纤维粘连蛋白有促进细胞趋化、贴附、增殖、分化、并可在骨界面处形成配体—受体生物结合的作用，骨形成蛋白BMP-2有诱导成骨的作用，这两种物质作用较明确，且已经大量成熟应用于实践，可以作为本发明钛种植材料生命化并使种植体形成物理-化学-生物性骨结合所必备的生物学性能的突破口。

根据上述发明构思，本发明牙种植体表面改性的处理方法的具体方法步骤如下：

步骤1：用喷砂法建立牙种植体表面的一级立体结构：

将牙种植体置于喷砂机中，用粒度为30～50目金刚砂(菱形碳化硅颗粒)，通过喷嘴对植体的表面进行喷沙处理，使其形成直径50～150微米的弹坑状的一级立体结构，增大表面积，并同时去除钛金属表面油污及氧化物；喷砂处理的工艺条件为：压缩空气压力0.3～0.5兆帕；喷射距离5～15厘米、喷射角度45～90度、喷射时间5～20秒；

步骤2：用微弧氧化+电泳法建立牙种植体表面二级立体结构：

步骤2.1：配制含有纳米级羟基磷灰石粉2g/L～4g/L、甘油磷酸钠0.01～0.03M、乙酸钙0.10～0.20M、氢氧化钠0.005～0.015M的碱性电解液；调节电解液的碱性条件至PH为11～13；

步骤2.2：电解装置阴极电极采用石墨，阳极电极及其阳极夹具均采用纯钛金属制作，电极暴露于电解液中的部分预先进行喷塑保护；

步骤2.3：将电解液注入不锈钢电解装置内，在冷却池中加冷却用水，同时开启内层气泵和外层水循环电源，以保持电解液浓度的均匀和一定的含氧量，并将微弧氧化过程中产生的热量迅速释放，保证***温度的基本恒定，整个电化学处理过程中电解液温度以不超过60℃为宜；

步骤2.4：开启电解装置的脉冲直流电源，并按照梯度电压升高法，在1分钟内升高电压至200伏，2分钟内升高电压至300伏，3分钟内升高电压至400伏，电压升至400伏后维持2分钟；在直流高压电场产生的电泳作用下，羟基磷灰石颗粒在电解液中极化成为带电负荷的基团，带负电荷的羟基磷灰石颗粒向阳极移动并吸附于阳极金属表面，同时电极产生大量高压电微弧，瞬间击穿阳极试件表层，放电微弧产生2000℃以上的瞬间高温将阳极表面吸附的羟基磷灰石颗粒烧结，而氧、钙、磷元素也同时进入钛氧化层中，从而使得电解液中的多种离子和带有负电荷的羟基磷灰石晶体颗粒在电泳作用下渗入并瞬间烧结于新形成的三维氧化钛支架中，形成一层厚5～15微米互相联通的孔隙层；

步骤3：用化学吸附法进行种植体表面生物活性处理

步骤3.1：将试件置于装有Ca(OH)₂饱和溶液的高压釜中处理1～3小时，温度为150～250℃，以进一步增加表面极性，使种植体表面带负电并富含羟基，以便于蛋白质分子吸附；

步骤3.2：将试件悬置于1～3mg/mL的重组人骨形成蛋白(rhBMP)溶液中，放入37℃孵箱，超声震荡10～30分钟，缓慢震荡1～3小时；使骨形成蛋白分子充分吸附于种植体表面及三维孔隙层内；

步骤3.3：将试件悬置于用磷酸缓冲液(pH＝7.4)和纤维粘连蛋白(Fn)配制的浓度为50-150μg/mL的纤维粘连蛋白溶液，放入37℃孵箱，缓慢震荡1～3小时；

步骤3.4：将试件悬置于重组人骨形成蛋白+胶原混合溶液中，放入37℃孵箱，缓慢震荡1～3小时；

步骤3.5：将试件悬置于10～30mg/mL的硫酸软骨素(GAG)溶液中，放入37℃孵箱1～3小时，冻干1～3小时。硫酸软骨素与胶原协同可有促进成骨作用，并可使试件表面胶原发生交联固化，封闭种植体表面微孔，以使微孔内部生物活性分子保持活性并可在体内缓慢释放。

本发明牙种植体表面改性的处理方法的优越性在于：

1、使种植体表面具备二级立体结构，增加粗糙度及表面积，提高初期骨结合的速度；

2、提高钛表面氧化层内羟基磷灰石含量，可促进多种生物活性分子的附着，主动诱导种植体接触及远程成骨，提高骨结合的速度和质量；

3、通过化学吸附方法在微孔隙层内结合多种具有协同成骨效应的生物活性分子，结合效率高，吸附较为牢固，具备缓释功能；

4、在满足生物力学性能前提下，种植体表面由大量含有生物活性分子的孔隙构成的微环境提供给成骨细胞生命活动的空间，可以通过类似活体骨组织的信号传导和物质交换来实现表面结构的优化和改建，能使所诱导得到的种植体生物性骨结合长期处于一种动态平衡过程中，针对体内功能状态下的各种病理生理与生物力学方面的不利因素，具有一定的主动适应、修复再生的能力。

具体实施方式

试验条件：

1.取机械加工完毕的纯钛制牙种植体一批(10枚)；

2、准备喷砂机一部、40目菱形碳化硅颗粒300克；

3、直流脉冲式微弧氧化设备一台及配套电源；

4、电解槽一个，该装置应具有塑料内网、不锈钢槽和外壳体，不锈钢槽与外壳体之间可通循环冷却水；

5、37℃孵箱一个，内设有超声震荡装置；

6、取20mg重组人骨形成蛋白-2(rhBMP-2)溶解于蒸馏水中，配成2mg/mL溶液10mL；取1mg纤维粘连蛋白溶解于磷酸缓冲液(pH＝7.4)中，配成100μg/mL溶液10mL；取4mgI型胶原溶于0.1M醋酸溶液，取1mg骨形成蛋白(BMP)溶于水，将两者等比混合后配成20ml溶液。取2g硫酸软骨素(GAG)溶解于蒸馏水中，配成20g/L溶液100mL。

实施步骤如下：

步骤1：用喷砂法建立牙种植体表面的一级立体结构：

将牙种植体置于喷砂机中，用粒度为40目菱形碳化硅颗粒，通过喷嘴对植体的表面进行喷砂处理；喷砂处理的工艺条件为：压缩空气压力0.4兆帕；喷射距离10厘米、喷射角度45度、喷射时间10秒；

步骤2：用微弧氧化+电泳法建立牙种植体表面二级立体结构：

步骤2.1：配置电解液5升，各成份及浓度为：甘油磷酸钠0.02M；乙酸钙0.15M；氢氧化钠0.01M；纳米羟基磷灰石粉3g/L；

步骤2.2：电解装置阴极电极采用石墨，阳极电极及其阳极夹具均采用纯钛金属制作，电极暴露于电解液中的部分预先进行喷塑保护；

步骤2.3：将电解液注入不锈钢电解装置内，在冷却池中加冷却用水，同时开启内层气泵和外层水循环电源，保证电解液温度不超过60℃；

步骤2.4：开启电解装置的脉冲直流电源，在1分钟内升高电压至200伏，2分钟内升高电压至300伏，3分钟内升高电压至400伏，电压升至400伏后维持2分钟；

步骤3：用化学吸附法进行种植体表面生物活性处理

步骤3.1：将试件置于装有Ca(OH)₂饱和溶液热的高压釜中2小时，温度设定为200摄氏度，蒸馏水清洗后吹干，以进一步增加表面极性，使得表面带负电并富含羟基，以便于蛋白质分子吸附；

步骤3.2：将试件悬置于2mg/mL的重组人骨形成蛋白-2(rhBMP-2)溶液中，放入37°孵箱，超声震荡20分钟，缓慢震荡2小时，使骨形成蛋白(BMP)充满孔隙层；

步骤3.3：将试件悬置于用pH＝7.4的磷酸缓冲液和纤维粘连蛋白(Fn)配制的浓度为100μg/mL的纤维粘连蛋白溶液，放入37°孵箱，缓慢震荡2小时；

步骤3.4：将试件悬置于重组人骨形成蛋白+I型胶原混合溶液中，放入37°孵箱，缓慢震荡2小时；

步骤3.5：将试件悬置于20mg/mL的硫酸软骨素(GAG)溶液中，放入37°孵箱2小时，冻干2小时，利用硫酸软骨素与胶原的协同促进成骨作用，使试件表面胶原发生交联固化，封闭表面微孔，以使微孔内部生物活性分子保持活性并可在体内缓慢释放。

Claims (8)

1、一种牙种植体表面生物活性的构建方法，利用仿生技术与材料学技术相结合的非涂层生物改性技术，包括表面喷砂技术、微弧氧化-电泳技术和化学吸附生物活性处理技术，使钛材表面生物活性化，其特征在于：具体按以下方法步骤：

步骤1：用喷砂法建立牙种植体表面的一级立体结构：

将牙种植体置于喷砂机中，用粒度为30～50目金刚砂，通过喷嘴对植体的表面进行喷砂处理；

步骤2：用微弧氧化-电泳法建立牙种植体表面二级立体结构：

步骤2.1：将已经具有一级立体结构表面的牙种植体置于含有纳米羟基磷灰石粉、甘油磷酸钠、乙酸钙、氢氧化钠的碱性电解液中；

步骤2.2：将电解液注入不锈钢电解装置内，在冷却池中加冷却用水，同时开启内层气泵和外层水循环电源，保证***温度的基本恒定；

步骤2.3：电解装置阴极电极采用石墨，阳极电极及其阳极夹具均采用纯钛金属制作，电极暴露于电解液中的部分预先进行喷塑保护；

步骤2.4：开启微弧氧化脉冲直流电源后，采用梯度电压升高法进行电化学表面处理；

步骤3：用化学吸附法进行种植体表面生物活性处理

步骤3.1：将试件置于装有Ca(OH)₂饱和溶液热的高压釜中1～3小时，温度设定为150～250摄氏度，以进一步增加表面极性，使得表面带负电并富含羟基，以便于蛋白质分子吸附；

步骤3.2：将试件悬置于1～3mg/mL的重组人骨形成蛋白(rhBMP)溶液中，放入37℃孵箱，超声震荡10～30分钟，缓慢震荡1～3小时；

步骤3.3：将试件悬置于用磷酸缓冲液和纤维粘连蛋白(Fn)配制的浓度为50～150μg/mL的纤维粘连蛋白溶液，放入37℃孵箱，缓慢震荡1～3小时。

步骤3.4：将试件悬置于重组人骨形成蛋白+胶原混合溶液中，放入37℃孵箱，缓慢震荡1～3小时；

步骤3.5：将试件悬置于10～30mg/mL的硫酸软骨素(GAG)溶液中，放入37℃孵箱1～3小时，冻干1～3小时。

2、根据权利要求1所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：喷砂所用的金刚砂为菱形碳化硅颗粒；喷砂处理的工艺条件为：压缩空气压力0.3～0.5兆帕；喷射距离5～15厘米、喷射角度45～90度、喷射时间5～20秒。

3、根据权利要求2所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：碱性电解液的PH为11～13；其中含有颗粒直径为纳米级的羟基磷灰石。

4、根据权利要求3所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：电解液的配比为：纳米级羟基磷灰石粉2g/L～4g/L、甘油磷酸钠0.01～0.03M、乙酸钙0.10～0.20M、氢氧化钠0.005～0.015M的碱性电解液；电解液的碱性条件为PH11～13。

5、根据权利要求4所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：通过循环冷却***保持电解液温度基本恒定，以不超过60℃为宜。

6、根据权利要求5所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：开启微弧氧化脉冲直流电源后，采用梯度电压升高法进行电化学表面处理的具体方法为：在1分钟内升高电压至200伏，2分钟内升高电压至300伏，3分钟内升高电压至400伏，电压升至400伏后维持1～3分钟。

7、根据权利要求6所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：重组人骨形成蛋白(rhBMP)溶液的配制方法为：取20mg重组人骨形成蛋白(rhBMP)溶解于10mL蒸馏水中，配成2mg/mL溶液10mL；纤维粘连蛋白溶液的配制方法为：取1mg纤维粘连蛋白溶解于pH＝7.4的磷酸缓冲液中，配成100μg/mL溶液10mL。

8、根据权利要求7所述的一种牙种植体表面生物活性的构建方法，其特征在于：重组人骨形成蛋白+胶原混合溶液的配制方法为：取4mg I型胶原溶于0.1M醋酸溶液，取1mg骨形成蛋白(BMP)溶于水，将两者等比混合后配成20ml溶液。取2g硫酸软骨素(GAG)溶解于蒸馏水中，配成20g/L溶液100mL。