种植体周围炎去污处理对用于种植体的钛合金表面粗糙度和化学性质的影响:对骨再融合的影响

背景

钛合金种植体的长期成功很大程度上取决于快速愈合和安全融入颌骨(骨整合)。[1]．钛合金的表面形貌对种植牙的长期成功至关重要。钛种植材料的治疗方法在过去十年中得到了发展，主要致力于改善骨整合过程[２]．最近，研究表明，除了调节骨形成反应外，钛合金植入物理化性质的改变还会导致细胞募集、粘附、炎症和骨重塑活性的显著调节[3]．种植牙的使用通常非常成功，其中约96%的种植牙在患者体内停留超过10年。图1显示了牙齿种植体(包括基牙和牙冠)通常如何放置到口腔颌骨的基本描述。

近年来，针对种植体周围的牙组织感染(种植体周围炎)提出了几种治疗策略(机械、化学、物理化学等)。[4]．种植体周围炎是一种“种植体周围的炎症过程，以软组织炎症和支撑骨丧失为特征”。［5］．在经过一段时间的愈合以重新进行骨整合后，种植体被装入假基台和牙冠，以取代缺失的牙齿。然而，一旦细菌感染导致种植牙周围的牙龈和牙齿组织发炎，骨质流失是潜在的并发症。有利的种植体表面特性，即氧化钛的高反应性，允许细胞粘附，被细菌的存在及其代谢活性的残留物所改变。因此，被污染的表面就像异物一样，会导致种植体周围软组织发炎和骨质流失。种植体周围炎的治疗包括表面去污和清洁。这些不同的治疗种植体周围炎的方法可能被用于一种战略性的方式来修饰钛合金表面，并导致宿主对种植体反应的改善[6]．本报告讨论了不同的牙科处理对钛合金种植体材料表面性能的影响，以及这些处理是否可能加速种植体在种植体周围炎愈合期间的再骨整合。种植体的骨整合相对较长(3-6个月)，因此，表面修饰可以加速这一现象将导致更短的愈合时间，更低的失败率，并最大限度地减少患者的不适[7]．

增强的钛种植体表面形貌改善了骨与种植体的接触和增强界面的力学性能188金宝搏的网址[8]．在缺乏对照比较临床试验的情况下，总体实验证据支持使用具有增强表面形貌的钛植入物[12]．

表面粗糙度已被确定为一个重要参数的能力，种植材料锚定到骨组织[13]．增加种植体材料表面粗糙度的方法有很多种，其中最常用的有:机械加工、喷砂、酸蚀刻、阳极氧化、激光改性或这些技术的组合。此外，市售植入物已根据其平均表面粗糙度值(S_一个)，表面峰的平均高度和谷的平均深度，分为4组:光滑(S_一个< 0.5 μm)，最小粗糙(0.5 μm < S_一个中等粗糙(1.0 μm < S_一个< 2.0 μm)和粗糙(S_一个> 2.0 μm)[14]．另一个重要参数是S_dar它代表了一个粗糙表面与一个完全平坦光滑的表面相比的发展表面积。根据Teughels等人。[15]种植体表面的粗糙度及其化学成分对斑块形成的数量和质量有重要影响。最后，目前还没有证据表明暴露于口腔的种植体表面显示出生物膜的发展，其成分取决于表面粗糙度(16 - 17)．种植体地形如何表示和分类?温纳伯格简要回顾了适用于种植牙的地形测量方法。需要进行三维(3D)测量，以解释地形元素与平均表面平面的各向同性偏差[18]．188金宝搏的网址接触式仪器，如轮廓仪，可以低估表面特征尺寸。光学仪器是评价软材料(如钛合金)螺旋形植入物的首选[19]．二维表面测量和表征的局限性推动了高效实用的三维表面测量和表征的发展。三维技术可以更好地理解表面的功能状态。

钛合金改性工艺

分析了由5级CP(商业纯)钛(Ti)合金(PM国际供应商，LLC, EEUU)制成的共25个圆柱形植入物(每个样品5个，对照样品+ 4个处理工艺)，即Ti- 6al - 4v (TAV)，其成分为90% Ti, 6% Al(铝)和4% V(钒)。样品直径为10mm，长度为5mm。种植体样品经过牙科常用的几种不同工艺的表面处理:

• 化学:四环素和光敏剂暴露;
• 体检:超声及
• 物化:碳酸氢盐喷射抛光;

下面将更详细地解释这一点。

使用以下类型的显微镜:

1. 共聚焦显微镜(CM): CM提供了一种获取物体三维图像的方便方法。采用徕卡DCM三维双系统测量表面形貌，计算表面粗糙度参数。图像用共焦物镜拍摄，放大倍数为20倍，数值孔径(NA)为0.50。
2. 原子力显微镜(AFM)：AFM研究是在室温空气中进行的，使用的尺寸为3100AFM头部带有Nanoscope IVa控制器(Bruker)。所有AFM采用矩形硅悬臂梁(标称尖端半径为10 nm，弹簧常数为15 N/m，谐振频率为145 kHz)，扫描速率为1 Hz，每幅图像有512 × 512个数据点，在敲击模式下记录图像。
3. 扫描电子显微镜(扫描电镜)和能量色散x射线能谱(EDS): JSM-7100F扫描电镜采用(JEOL)和INCA 250 EDS (Oxford Instruments)对钛合金的表面形貌和成分进行了研究。工作条件为15kv加速电压，放大200倍，工作距离为10mm。

研究了以下几种典型牙齿处理对钛合金表面粗糙度和化学性质的影响:

1. 碳酸氢盐喷射抛光
   喷射细碳酸氢盐粉末(平均颗粒直径约150 μm)可以快速有效地清洁牙齿(Turbodent by Mectron)。碳酸氢钠颗粒与温水结合，然后以很高的速度加速，从而获得极细和规则的射流。钛合金种植体样品以生理盐水冲洗，喷射抛光1分钟，然后用大量生理盐水冲洗。
2. 四环素
   盐酸四环素(Sigma-Aldrich)是一种主要作为抑菌剂的抗生素，但在一定浓度下也可以作为杀菌剂。粉末状的盐酸四环素具有很强的腐蚀性，可对种植体表面进行消毒。在本研究中，将钛合金暴露在四环素/生理盐水溶液(四环素浓度为50 mg/ml)中1分钟，然后用大量清洁的生理盐水冲洗。
3. 超声波
   超声波清洗是现代牙科的常用技术。它用于牙周和种植体周围的治疗。超声波尖端由非常薄的硬化钢制成(Sirona的Sirosonic)。振动引起了一种叫做空化的现象，即在含有气体或蒸汽的液体介质中形成空腔或气泡。此外，振动运动可以进行清创，即分解附着在牙齿或种植体表面的微生物。用生理盐水作为冲洗剂，对钛合金植入物样品进行超声1分钟(30 kHz)。
4. 光动力治疗
   光动力疗法(PDT)包括使用光活性染料(光敏剂)。当光敏剂在氧气的存在下被激活时，它们会产生已知对病毒、细菌和真菌有效的细胞毒性物质，因此，PDT可用于局部感染的治疗。牙科光动力疗法涉及光敏剂凝胶的应用。在这项研究中，甲苯胺蓝(Sigma-Aldrich)被570 nm波长的光激活。光敏凝胶产生的游离氧自由基与微生物的细胞壁高度反应，因此对微生物有毒。这种疗法常用于种植体周围炎的治疗。在本研究中，钛合金植入物样品被甲苯胺蓝凝胶覆盖，然后照射(使用FotoSan灯570 nm)，静置1分钟(100µg/mL)，然后第二次照射(使用906 nm软激光)，最后用大量生理盐水冲洗。

表面粗糙度用共聚焦三维光学表面测量系统(徕卡DCM 3D)测量，使用蓝光照明以获得更高的分辨率。不同的表面粗糙度参数(表1)是由五个不同的钛合金种植体样品在不同的处理工艺中获得的。

表1:本研究分析的三维粗糙度参数。

共聚焦显微镜(CM)

分别获得对照钛合金种植体样品和各处理样品的CM 2D和3D图像数据。下面的图2显示了一些示例。

AFM三维图像数据仅为对照钛合金种植体样品。下面的图3显示了来自示例的两个不同区域的示例。

如上所述，最大z图3A区域的-范围为1219 nm(1.22µm)，图3B区域的-范围为1628 nm(1.63µm)，这表明两个区域之间有25% - 35%的巨大变化。

扫描电镜EDS数据显示，经过碳酸氢盐喷射抛光、四环素处理和光动力处理的钛合金样品表面的污染量与对照样品(未改性的TiO)相比最大₂表面)。然而，超声处理后的钛样品即使不比对照样品干净，也与对照样品一样干净。

扫描电镜并获得对照钛合金植入体样品和每个处理样品的EDS图像数据。一些例子扫描电镜图像如下图4所示，显示局部成分的EDS数据如表2所示。

答:控制

B:碳酸氢盐喷射

C:四环素

D: Ultrasonicated

E:光动力疗法

表2A-E:钛合金样品表面局部区域成分EDS分析数据，其中K_α为测量的x射线线，σ为% wt浓度数据的标准差值:A)对照样品;B)碳酸氢盐喷射抛光样品;C)四环素处理样品;D)超声试样;E)光动力处理样品。

粗糙度分析主要集中在CM获得的钛合金样品的数据上，它允许确定三个重要的三维粗糙度参数的值:S_一个,年代_问，和S_dar．这些数据如下表3所示。

表3:共聚焦显微镜下钛合金样品的表面粗糙度数据。分析的重点是3个粗糙度值:S_一个(算术平均高度);年代_问(均方根[rms]高度);和S_dar(已开发地区/预计地区)。

首先，S_一个和S_问光动力处理、四环素处理和碳酸氢盐喷射抛光样品的粗糙度值与对照样品基本相同。另一方面，S_一个和S_问超声处理后样品的粗糙度值比对照样品低30% ~ 50%左右。的年代_dar粗糙度值也呈现出类似的趋势，尽管喷射抛光和四环素处理样品的S明显较低_dar数值高于对照样本(参见下图5)。

初步分析AFM在两个不同地方拍摄的对照样品(未经修改)图像表明，在非常粗糙的表面的较小区域之间，粗糙度值有很大变化的可能性很大，因此AFM在这种样本上进行大范围测量并不是一种实用的技术，而这是本研究所需要的。

表4:用原子力显微镜获得的钛合金种植体对照样品2个区域的表面粗糙度数据。分析的重点是3个粗糙度值:S_一个(算术平均高度);年代_问(均方根[rms]高度);和S_dar(已开发地区/预计地区)。

如表4所示，S_dar2个区域的数值相差约10%，S_问值相差约35%，而S_一个数值相差约30%。另一方面，AFM图片显示山峰和山脉与z-量程差异大于1µm，差异较大为AFM分析，这可能导致图像中存在人工制品，即。“条纹”可能是尖端在扫描样品时接触表面的痕迹。一般而言，AFM图像结果将取决于样品的地形和机械性能，反馈回路的增益，扫描速率等。

目前临床使用的钛合金种植体在结构和化学性能方面表现出多种多样的表面特征。上述表面修饰保留了植入物的关键物理特性，并仅修改其最外层表面，最终目标是实现所需的生物反应。介绍了不同的物理化学、物理和化学表面改性方法的优缺点。这些方法将有助于我们更好地了解种植体材料表面修饰如何影响骨-种植体界面，并开发一种方法，在成功治疗种植体周围炎(种植体周围牙组织感染)后，优化种植体在愈合期间的再骨整合性能。目前还不完全清楚表面粗糙度和化学成分对骨整合的影响程度。理想的粗糙程度的最佳临床表现仍然未知[20]．

经四环素和光动力处理后，钛合金中析出金属间颗粒的化学攻击影响了样品的形貌。对于经过喷射抛光和超声改性的样品，其机理更为机械。喷射抛光和光动力处理样品的表面粗糙度与对照样品(基于S_一个,年代_问，和S_dar值)。超声处理和四环素处理后的样品表面粗糙度均小于对照样品。事实上，超声波能显著地使表面变平。

碳酸氢盐喷射抛光样品(盐渣)对样品的污染最大，其次是四环素和光动力处理样品，最后是超声处理样品。喷射抛光、四环素和光动力疗法处理的钛合金样品污染最严重，因为它们暴露在盐(碳酸氢盐)或化学物质(四环素或甲苯胺蓝)化合物中，这并不奇怪。超声处理后的样品与对照样品一样干净，除了少量铁(Fe)可能来自用于超声处理的钢尖。

有可能提出一种战略性的牙科治疗方法，以优化钛合金种植体在种植体周围炎后的再骨整合机会。也许会有第一步应用光动力疗法或碳酸氢盐喷射抛光(较低的频率，例如20 kHz和功率)来维持植入物表面的粗糙度，然后进行轻而短暂的超声波，这将有效地去除表面污染。

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作者要感谢Leica Microsystems的James DeRose对结果进行了有益的讨论，并对手稿进行了广泛的审查和校对，并感谢Ar188金宝搏的网址anzazu Villuendas (CCiTUB)对结果进行了有益的讨论扫描电镜结果。