CN110811882A - 纯钛牙种植体及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种纯钛牙种植体，其要点在于在纯钛牙种植体表面制有若干微米级沟槽，在沟槽中制有垂直于牙种植体中心轴的纳米管。沟槽的宽度为50μm，深度10μm，相邻沟槽的间距为50‑53μm。本发明先在牙种植体表面制作中沟槽，再在沟槽上制作纳米管，使纳米管的顶部表面为斜面，与骨组织界面和软组织界面接触面大，微米级的沟槽可以诱导骨组织细胞和软组织细胞更好地顺着沟槽生长，纳米管也有利于蛋白、氧气和养份的吸附。沟槽的尺寸刚好略小于未伸展的骨髓基质干细胞和牙龈成纤维细胞，保证细胞不会掉落于沟槽之中，而使得细胞能顺着沟槽生长。可以促进牙龈成纤维细胞的增殖和软组织封闭相关基因的表达，即达到了兼具成骨和软组织封闭的效果。
Description
技术领域
本发明属于牙种植体，尤其涉及在纯钛牙种植体及其制备方法。
背景技术
随着口腔种植技术和生物材料的发展，目前在颌骨中植入钛种植体已成为修复牙缺失的常规方法。其结构如图1所示，其整体呈一定的向下锥度，上端为光滑的种植体颈圈，下端为螺纹，直径3.5-5mm，长度8-13mm，颈部光滑部分长度2mm左右。种植体作为天然牙的一种替代体植入口腔，其与口腔内组织形成两个界面：一个是种植体-骨组织界面，另一个是种植体-软组织界面。种植的成功与否不仅需要形成良好的骨结合，种植体颈圈与周围软组织形成良好的软组织封闭也担负着决定性的作用。但是目前的纯钛由于其生物惰性，不能形成很好的成骨效果和软组织封闭，因此在钛植体表面制备兼具成骨和软组织封闭效果的双功能涂层具有非常重要意义。
目前临床上运用的钛种植体表面都是微米粗糙度级别的。随着纳米技术的高速蓬勃发展,对种植体表面微观结构的认识也随之进入了纳米时代。天然骨组织和牙龈组织的构成成分，以及调控骨细胞和牙龈细胞生物学行为的细胞外基质都是纳米尺寸的，因此从仿生学的角度来看纳米结构的材料在牙种植体领域应该具有巨大的应用前景。
本设计人长期致力于牙种植体的研究和应用，在此前已申请“一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置及其制备方法”，专利申请号为2016107351436，是在纯钛表面直接加工二氧化钛纳米管，并在二氧化钛纳米管内部制有聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的负载层，目的在于载药，以减少甚至避免钛种植体相关感染和提高种植体的远期成功率。但是其成骨效果和软组织封闭效果还是不理想，而且外来的负载层同钛基底的结合力较弱，导致容易剥脱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有牙种植过程中存在的成骨效果和软组织封闭效果不理想的缺陷，提供一种成骨效果和软组织封闭效果较好的一种纯钛牙种植体，来提高种植体的远期成功率。
本发明所采用的技术方案为一种纯钛牙种植体，其要点在于在纯钛牙种植体表面制有若干微米级沟槽，在沟槽中制有垂直于牙种植体中心轴的纳米管。
本发明先在牙种植体表面制作中沟槽，再在沟槽上制作纳米管，纳米管内没有负载层，也就不存在剥脱的缺陷，同时由于纳米管的顶部表面为斜面，与骨组织界面和软组织界面接触面大，微米沟槽可以诱导骨组织细胞和软组织细胞更好地顺着沟槽生长，纳米管也有利于蛋白、氧气和养份的吸附。
微米级沟槽的宽度为50μm，深度10μm。相邻微米级沟槽的间距为50-53 μm。沟槽的尺寸刚好略小于未伸展的骨髓基质干细胞和牙龈成纤维细胞，保证细胞不会掉落于沟槽之中，而使得细胞能顺着沟槽生长。沟槽间平行间隔分布，有利于诱导细胞顺着沟槽的平行走向规则排列。多道沟槽等间隔均匀分布，有利于细胞均匀的受到相同宽度沟槽嵴顶对细胞骨架造成的形变刺激，使细胞受到形貌作用后尽量保持相对一致的生物状态。
纳米管为二氧化钛纳米管。纳米管径为100±15nm，管壁厚度为10±2nm，管长为2.2±0.2μm。该种管径纳米管可以吸附较多的纤维粘连蛋白并促进细胞粘附和伸展，不但可以支持骨髓间充质干细胞的增殖并促进其成骨相关基因的表达，而且可以促进牙龈成纤维细胞的增殖和软组织封闭相关基因的表达，即达到了兼具成骨和软组织封闭的效果。
牙种植体表面的微米级沟槽为纵向竖槽。与牙种植体中心轴同向的纵向竖槽不会破坏牙种植体的螺纹结构，保证了种植体良好的初期稳定性和应力分布。通过接触诱导效应，有利于诱导细胞顺着沟槽的平行走向规则排列，促进细胞骨髓间充质干细胞和成纤维细胞的增殖和活性。
所述的牙种植体表面的微米级沟槽为以牙种植体中心轴为中心的圆槽或连续的螺旋线槽。
本发明的制作方法为：在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽，清洗，然后将带有微米级沟槽牙种植体进行电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管。
所述的在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽所使用的设备为感应耦合等离子体刻蚀机，制备完成后，使用丙酮和去离子水分别超声清洗10min除油， 4wt％HF-5mol/LHNO3溶液化学刻蚀10s后，用去离子水清洗后干燥备用。
在纯钛牙种植体表面用感应耦合等离子体刻蚀机制备同向微米级沟槽形貌。
所述的电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管是指在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，已经预处理后备用的牙种植体为阳极，阴极由铂片制成，其形状为空心圆桶状，内表面与种植体有相同的锥度，上下面为开放式，套在牙种植体外，与种植体表面保持1cm间距，电解质为0.50wt％ NH4F+10vol％H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌器的搅拌，控制电解质溶液保持环境温度处于30±2℃，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，然后450℃退火处理2h,去离子水冲洗干净。
制备二氧化钛纳米管过程中，在30v电压下阳极氧化3h,制得纳米管径为 100±15nm,管壁为10±2nm，管长为2.2±0.2μm。
本发明所使用的电解液是含氟离子的有机电解液体系，有机溶剂的高粘度和高介电常数，氟离子对二氧化钛的腐蚀作用更弱，反应达到平衡的时间更长, 使得此体系中制备的纳米管表面光滑且孔径均匀。制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连,这与在钛表面进行的外来涂层修饰有所不同，其结合牢固不易脱落,呈现极高的有序性和极低的团聚程度。
制备的纳米管不但有利于蛋白、氧气和养分的吸附，而且可以诱导细胞的伪足和伪板向纳米管爬行，从而促进骨髓基质干细胞和牙龈成纤维细胞的增殖和分化。
通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管,此法成本低廉且方法简便。在阳极氧化前用感应耦合等离子体刻蚀机制备同向微米级沟槽形貌。然后通过控制阳极氧化的电压以及氧化时间较准确地控制纳米管的直径。
本发明先在牙种植体表面制作中沟槽，再在沟槽上制作纳米管，使纳米管的顶部表面为斜面，与骨组织界面和软组织界面接触面大，微米级的沟槽可以诱导骨组织细胞和软组织细胞更好地顺着沟槽生长，纳米管也有利于蛋白、氧气和养份的吸附。沟槽的尺寸刚好略小于未伸展的骨髓基质干细胞和牙龈成纤维细胞，保证细胞不会掉落于沟槽之中，而使得细胞能顺着沟槽生长。沟槽间平行间隔分布，有利于诱导细胞顺着沟槽的平行走向规则排列。多道沟槽等间隔均匀分布，有利于细胞均匀的受到相同宽度沟槽嵴顶对细胞骨架造成的形变刺激，使细胞受到形貌作用后尽量保持相对一致的生物状态。本发明所选择合适管径的纳米管可以吸附较多的纤维粘连蛋白并促进细胞粘附和伸展，不但可以支持骨髓间充质干细胞的增殖并促进其成骨相关基因的表达，而且可以促进牙龈成纤维细胞的增殖和软组织封闭相关基因的表达，即达到了兼具成骨和软组织封闭的效果。
附图说明
图1为现有牙种植体的结构示意图；
图2本发明牙种植体的结构示意图；
图3为图2的A-A剖面图；
图4为图3的D处放大图(其中虚线表示部分纳米管)；
图5为微沟槽中纳米管的放大图；
图6为图5的B向局部放大图；
图7为二氧化钛纳米管的制备示意图；
其中：1牙种植体、2沟槽、3纳米管、4阴极、5磁力搅拌器。
具体实施方式
下面结合视图对本发明进行详细的描述,使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图2-7所示，由于图中各结构的尺寸是1000倍数量级的差别，图中仅为原理结构示意。一种纯钛牙种植体1，在纯钛牙种植体表面制有若干微米级沟槽 2，沟槽沿种植体圆周表面均匀分布，纵向高度由顶面到根部螺纹结束点，在沟槽中制有垂直于牙种植体中心轴的纳米管3，纳米管均匀密布于牙种植体表面。
在纯钛牙种植体表面用感应耦合等离子体刻蚀机制备同向微米级沟槽形貌。
微米级沟槽的宽度为50μm，深度10μm。相邻微米级沟槽的间距为50-53 μm。牙种植体表面的微米级沟槽为与牙种植体中心轴同向的纵向竖槽，与牙种植体表面有着相同的锥度。
纳米管为二氧化钛纳米管。纳米管孔径为100±15nm，管壁厚度为10±2nm，管长为2.2±0.2μm。该管径纳米管可以吸附较多的纤维粘连蛋白并促进细胞粘附和伸展，不但可以支持骨髓间充质干细胞的增殖并促进其成骨相关基因的表达，而且可以促进牙龈成纤维细胞的增殖和软组织封闭相关基因的表达，即达到了兼具成骨和软组织封闭的效果。
本发明的制作方法为：在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽，清洗，然后将带有微米级沟槽牙种植体进行电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管。
所述的在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽所使用的设备为感应耦合等离子体刻蚀机，在牙种植体表面沉积8μm的SU-8光刻胶，用感应耦合等离子体刻蚀机制备：宽度为50μm，深度10μm，相邻微米级沟槽的间距为50-53μm 微米级的沟槽，制备完成后，使用丙酮和去离子水分别超声清洗10min除油， 4wt％HF-5mol/L HNO3溶液化学刻蚀10s后，用去离子水清洗后干燥备用。
所述的电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管是指在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，如图7所示，将已经预处理后备用的牙种植体为阳极，阴极4由铂片卷制而成，其形状为空心圆桶状，内表面与种植体有相同的锥度，上下面为开放式，套在牙种植体1外，内表面与种植体表面保持1cm 间距，电解质为0.50wt％NH4F+10vol％H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌器5的搅拌，控制电解质溶液保持环境温度处于30±2℃，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，然后450℃退火处理2h,去离子水冲洗干净。
制备二氧化钛纳米管过程中，在30v电压下阳极氧化3h,制得纳米管孔径为 100±15nm,管壁为10±2nm，管长为2.2±0.2μm。
本发明在10v、30v和60v电压下制备的三组二氧化钛纳米管，分别称为本发明实施例1、本发明实施例2和本发明实施例3。其管径分别为28±5nm、100 ±15nm和203±22nm，管长分别为2.0±0.2μm、2.2±0.2μm和2.5±0.3 μm。即制备了兼有微沟槽和纳米管的微米/纳米表面。
本发明的有益效果：
实验中对照组为未经处理的纯钛：
1)采用CCK-8实验，通过溶液在OD450的吸光度值反映细胞在材料表面的增殖情况。
骨髓间充质干细胞在材料表面不同时间点的增殖结果(OD450吸光度值)
| 分组 | 1D | 3D | 7D |
| 纯钛 | 0.183±0.051 | 0.831±0.136 | 1.372±0.201 |
| 本发明实施例1 | 0.176±0.034 | 0.843±0.034 | 1.357±0.218 |
| 本发明实施例2 | 0.181±0.018 | 0.801±0.091 | 1.368±0.186 |
| 本发明实施例3 | 0.081±0.011 | 0.311±0.031 | 0.532±0.110 |
牙龈成纤维细胞在材料表面不同时间点的增殖结果(OD450吸光度值)
| 分组 | 1D | 3D | 7D |
| 纯钛 | 0.186±0.034 | 0.432±0.102 | 0.721±0.142 |
| 本发明实施例1 | 0.196±0.057 | 0.498±0.210 | 0.701±0.321 |
| 本发明实施例2 | 0.314±0.033 | 0.769±0.121 | 1.012±0.211 |
| 本发明实施例3 | 0.098±0.012 | 0.243±0.030 | 0.454±0.101 |
实验结果表明，同对照组纯钛相比，本发明实施例1可以支持骨髓间充质干细胞的增殖和牙龈成纤维细胞的增殖；本发明实施例2可以支持骨髓间充质干细胞的增殖，且明显促进了牙龈成纤维细胞的增殖；本发明实施例3均明显抑制了骨髓间充质干细胞和牙龈成纤维细胞的增殖。
2)采用qRT-PCR对骨髓间充质干细胞的成骨相关基因Runx2、ALP、OCN和Col-1 的表达水平用进行了检测，对牙龈成纤维细胞的软组织封闭相关基因Integrin- β1，Vinculin，Fibronectin和Col-1的表达水平进行了检测。
两组实验组样本表面骨髓间充质干细胞成骨相关基因的表达水平
| 分组 | Runx2 | ALP | OCN | Col-1 |
| 本发明实施例1 | 0.975±0.165 | 1.018±0.360 | 1.219±0.130 | 0.889±0.123 |
| 本发明实施例2 | 2.341±0.176 | 3.874±0.370 | 2.489±0.288 | 3.894±0.382 |
| 本发明实施例3 | 3.432±0.324 | 5.843±0.423 | 4.435±0.564 | 6.654±0.548 |
两组实验组样本表面牙龈成纤维细胞软组织封闭相关基因的表达水平
| 分组 | Integrin-β1 | Vinculin | Fibronectin | Col-1 |
| 本发明实施例1 | 1.021±0.132 | 1.217±0.154 | 0.894±0.201 | 1.074±0.284 |
| 本发明实施例2 | 2.321±0.484 | 3.717±0.321 | 3.215±0.331 | 2.642±0.531 |
| 本发明实施例3 | 0.647±0.101 | 0.638±0.019 | 0.801±0.103 | 0.693±0.011 |
结果表明以纯钛作为对照组，本发明实施例1基本可以支持骨髓间充质干细胞的成骨相关基因的表达和牙龈成纤维细胞软组织封闭相关基因的表达；本发明实施例2均明显促进了骨髓间充质干细胞的成骨相关基因的表达和牙龈成纤维细胞软组织封闭相关基因的表达；本发明实施例3虽明显促进了骨髓间充质干细胞的成骨相关基因的表达，但是却明显抑制了牙龈成纤维细胞软组织封闭相关基因的表达。
综合CCK-8和qRT-PCR结果：本发明实例1同对照组纯钛相比没有明显差别；本发明实例3明显抑制了骨髓间充质干细胞和牙龈成纤维细胞的增殖；只有本发明实例2不但可以支持骨髓间充质干细胞的增殖并促进其成骨相关基因的表达，而且可以促进牙龈成纤维细胞的增殖和软组织封闭相关基因的表达，即本发明实例2(管径为100±15nm，管长为2.0±0.2μm)达到了兼具成骨和软组织封闭的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，各个具体参数在不改变本发明宗旨的情况下可进行多种选择，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的实质范围内所做出的改进、替换和润饰，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种纯钛牙种植体，其特征在于，在纯钛牙种植体表面制有若干微米级沟槽，在沟槽中制有垂直于牙种植体中心轴的纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种纯钛牙种植体，其特征在于，沟槽的宽度为50μm，深度为5μm。
3.根据权利要求1所述的一种纯钛牙种植体，其特征在于，相邻微米级沟槽的间距为50-53μm。
4.根据权利要求1所述的一种纯钛牙种植体，其特征在于，纳米管为二氧化钛纳米管。
5.根据权利要求1或4任一所述的一种纯钛牙种植体，其特征在于，纳米管径为100±15nm，管壁厚度为10±2 nm，管长为2.2±0.2μm。
6.根据权利要求1-3所述的一种纯钛牙种植体，其特征在于，所述的牙种植体表面的微米级沟槽为纵向竖槽。
7.一种兼具成骨和软组织封闭的纯钛牙种植体的制作方法，其特征在于，在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽，清洗，然后将带有微米级沟槽牙种植体进行电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管。
8.根据权利要求7所述的一种兼具成骨和软组织封闭的纯钛牙种植体的制作方法，其特征在于，所述的在纯钛牙种植体表面制备微米级沟槽所使用的设备为感应耦合等离子体刻蚀机，制备完成后，使用丙酮和去离子水分别超声清洗10min除油，4wt%HF-5mol/L HNO3溶液化学刻蚀10s后，用去离子水清洗后干燥备用。
9.根据权利要求8所述的一种兼具成骨和软组织封闭的纯钛牙种植体的制作方法，其特征在于，所述的电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管是指在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，将已经预处理后备用的牙种植体为阳极，阴极由铂制成，其形状为空心圆桶状，内表面与种植体有相同的锥度，上下面为开放式，套在牙种植体外，与种植体表面保持1cm间距，电解质为0.50 wt% NH4F+10vol% H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌器的搅拌，控制电解质溶液保持环境温度处于30±2℃，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，然后450℃退火处理2h,去离子水冲洗干净。
10.根据权利要求9所述的一种兼具成骨和软组织封闭的纯钛牙种植体的制作方法，其特征在于，制备二氧化钛纳米管过程中，在30v电压下阳极氧化3h,制得纳米管径为100±15nm，管壁厚度为10±2 nm，管长为2.2±0.2μm。
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