敖小剛 陳文川

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院修復科，成都 610041

鈦及其合金因具有較好的機械性能、理化穩(wěn)定性、生物相容性和與骨相似的彈性模量等，一直以來作為牙種植材料被廣泛地應用于臨床，被越來越多的牙列缺損或缺失患者接受。

牙科種植體的臨床成功取決于骨結合，即牙槽骨與種植體表面之間的直接接觸和功能連接。在骨結合的研究中，骨與種植體接觸（bone-implant con-tact，BIC）是常用的評估指標。BIC值的大小與種植體材料類型、表面性質（如表面形貌、化學組成、親水性）、愈合時間等有著較大的關系[1]。常規(guī)BIC值介于52%～78%，未達到理想的100%[2]?？赡艿脑蛟谟诜N植體在生產過程中其表面被大氣碳化和有機污染，導致種植體在生產完成到植入牙槽骨期間發(fā)生生物學老化[3]。此外，當存在糖尿病[4]、骨質疏松[5]等不利條件時，會對種植體骨結合產生負面影響，顯著地降低BIC，降低種植體的成功率。因此，提高種植體的骨結合效率，提高牙種植體的成功率，減少種植體周圍炎和種植體周圍黏膜炎的發(fā)生十分必要。

近年來，許多學者將研究方向集中于鈦表面改性，通過改性后增加其表面的生物活性，從而提高骨結合和軟組織愈合的效率。常用的鈦表面改性方法有噴砂、酸蝕、陽極氧化、活性物質涂層、基因涂層、化學氣相涂層等。各種改性方法在一定程度上都促進了鈦種植體與牙槽骨之間的骨結合，提高了BIC值[6]，所以鈦表面改性對增加種植體的骨結合效率具有積極作用。

近年來，低溫等離子體技術引起了廣泛的關注，它為材料表面改性提供了一種簡單、有用且方便的方法。許多學者將其應用于鈦種植體表面改性，大量的體外實驗證明了低溫等離子體改性鈦表面后可以提高骨結合細胞的生物學性能[7]，減少細菌的定植[8]。此外，相關體內實驗已證實低溫等離子體改性的鈦種植體表面顯著提高了BIC值，加速了種植體周圍新骨的形成[9]。因此，低溫等離子體改性鈦表面可以提高種植體的骨結合，減少種植的失敗?，F(xiàn)將低溫等離子體改性鈦種植體表面影響骨結合的體內外研究進展作一綜述。

1 低溫等離子體概述

等離子體[10]是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后物質的第四種狀態(tài)，是一種具有高位能的電中性氣體團。當氣體電離度小于1%時，被稱為低溫等離子體，含有大量的中性原子、離子、分子及自由基等[11]。低溫等離子體主要是通過低頻交流放電、電暈放電、介質阻擋放電、大氣壓等離子體射頻、直流輝光放電、微波等離子體等不同的方式產生[12]。

低溫等離子體是溫度為數(shù)十電子伏以下的電離氣體，其粒子能量為幾個至幾十個電子伏特，大于材料的結合鍵能，所以可破壞材料表面有機大分子的化學鍵而形成新鍵，對材料產生表面改性作用。除材料改性外，它還具有消毒滅菌、牙齒美白、殺滅癌細胞、增強粘接、促進血液凝結等作用[11]。因此，在口腔醫(yī)學領域，低溫等離子體逐漸受到許多學者的青睞，被廣泛地應用于如牙齒美白[13]、抑制口腔致病菌[14]、根管消毒與滅菌[15]、牙本質與修復體粘接[16]等。

而在牙科植入物領域，由于低溫等離子體對材料改性的能力，被研究者應用于鈦種植體表面改性。通過影響鈦表面的物理、化學和生物性質，提升其生物活性及生物相容性，進而改善種植體骨結合過程，促進種植體的成功。

2 低溫等離子體對鈦表面性質的影響

2.1 表面形貌

材料表面形貌會對細胞生物學行為產生一定的影響：如鈦種植體表面形貌會影響蛋白質的吸收和成骨細胞與破骨細胞等的黏附、增殖及骨礦物質合成等[17]。研究[18]發(fā)現(xiàn)：當使用常規(guī)低溫等離子體（功率200 W；氣源為20 slm氬氣與30 sccm的氧氣）處理鈦表面時，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和光學3D成像系統(tǒng)等設備檢測處理后的鈦表面，發(fā)現(xiàn)鈦表面的形貌未發(fā)生改變。這種現(xiàn)象在Henningsen等[19]使用的等離子體（功率24 W；頻率100 kHz；壓力0.5 mbar；氣源為氧氣與氬氣）改性鈦表面實驗中也同樣觀察到。此外，Ulu等[20]發(fā)現(xiàn)，使用低溫等離子體（脈沖時間2.5 us；頻率1.2 kHz；功率5 W）處理細菌感染的種植體時，不會使鈦種植體表面形貌發(fā)生改變，維持最初種植前的表面形貌。因此，常規(guī)低溫等離子體處理鈦表面后能夠保持其原有的表面形貌，不會影響種植體最初生產時所設定的最有利于骨結合的合適表面形貌參數(shù)，進而不會影響骨結合過程。

而對用等離子體增強化學氣相沉積技術（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）產生的鍍膜低溫等離子體，它可在材料表面形成一層生物活性層。相關研究[21]發(fā)現(xiàn)，PECVD產生的低溫等離子體（功率50 W；頻率13.56 mHz，壓力0.05 bar，氣源為氬氣與庚胺）處理時鈦表面時，可在其表面形成一層氨基生物分子層，改變鈦表面的表面形貌。劉想梅等[22]研究也發(fā)現(xiàn)：低溫等離子體（功率30 W；壓力6 Pa；氣源為氬氣與丙烯胺）聚合的鈦表面與對照組相比，粗糙度降低，表面島狀拓撲結構更加均勻，且在z軸方向上的尺度明顯地降低。雖然這種低溫等離子體處理改變了鈦表面設定的最佳表面形貌參數(shù)，但是由于引入了生物活性層，對種植體表面骨結合的細胞學過程影響遠大于表面形貌參數(shù)的改變。

2.2 表面元素組成

用于牙科植入物的鈦材料，主要由鈦（Ti）、碳（C）、氧（O）、氫（H）、氮（N）等元素組成。在生產過程中由于空氣的污染，常導致鈦表面形成過多的C-C與C-H鍵。生物醫(yī)用材料表面碳水化合物中C-C與C-H鍵的存在會影響材料的表面能，導致其親水性發(fā)生改變[23]。研究表明：降低生物材料表面的碳百分比能夠促進材料植入過程中細胞黏附和成骨分化[24]，而碳含量過高時會對細胞活力產生負面影響[25]。

Kim等[18]研究發(fā)現(xiàn)：通過X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）掃描低溫等離子體處理的鈦表面，觀察到等離子體處理組O1s峰的密度高于未處理組，而C1s峰的密度卻低于未處理組。結果表明等離子體處理增強了鈦表面的O含量，降低C含量。其主要原因在于等離子體中具有高能量的電離物質破壞了鈦表面C-C和C-H中的化學鍵，重新形成了有利于親水性的O-H鍵，從而提高材料的表面能。其他的學者[9,21,26]也得到相同的結果。因此，等離子體處理能夠有效地去除鈦種植體表面的碳污染，形成有利于骨結合的表面能。

2.3 接觸角

接觸角是指液滴在固體表面達到平衡狀態(tài)時，通過液滴邊緣三相點（氣、液、固點）作液滴曲面的切線，曲線在液滴接觸面一側與固體表面的夾角（θ）受表面張力大小的影響，反映材料的親疏水性[27]。研究[26]發(fā)現(xiàn)：低溫等離子體（電壓25 kV；頻率20 kHz，氣源為5 L·min-1的空氣）處理能夠增強鈦表面的親水性與表面能，降低鈦表面的水接觸角。親水性的增加有利于骨整合早期階段中單核細胞的黏附、血小板的激活和血凝塊的形成，同時還能顯著地促進成骨與血管生成相關基因的表達，誘導更快的骨-種植體接觸[28]。

低溫等離子體處理使鈦表面疏水性表面轉變?yōu)橛H水性表面，導致接觸角降低?？赡艿臋C制是由于高能量的低溫等離子體成分（如活性氧、羥基等多種活性自由基）裂解了鈦表面部分原有官能團，形成了新的親水性功能基團，從而提高鈦表面的親水性。

3 低溫等離子體改性鈦表面的體外研究

3.1 低溫等離子體對鈦表面成骨細胞的影響

眾所周知，種植體若要與牙槽骨形成良好的骨結合，肯定離不開成骨細胞，它是骨結合形成的必要條件。因此，利于成骨細胞生長或促進其活性的方法都能加速與優(yōu)化骨結合過程，從而促進種植成功，減少失敗病例的發(fā)生。

相關研究[19]發(fā)現(xiàn)：與未處理的鈦片相比，培養(yǎng)在低溫等離子體改性鈦片上的成骨細胞表現(xiàn)出更快的細胞生長速度、更大的細胞生長面積和更好的細胞代謝活力。Seo等[29]將鼠前成骨細胞（MC3T3-E1）同樣培養(yǎng)在低溫等離子體（電壓2.24 kV；電流1.08 mA；功率2.4 W；頻率12 kHz；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣或氮氣）改性的鈦表面，發(fā)現(xiàn)細胞黏附數(shù)量及活性都優(yōu)于未處理的對照組，逆轉錄-聚合酶鏈反應分析顯示堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、Runt相關轉錄因子2（Runt-related transcrip-tion factor 2，Runx2）、骨鈣素（osteocalcin，OCN）和骨橋蛋白（osteopontin，OPN）等成骨相關基因的表達同樣高于對照組。此外，其他學者[18,30]也得出了相似的實驗結果。出現(xiàn)上述情況的主要原因在于：低溫等離子體對鈦表面的去污、碳的清除及相關化學鍵與基團的引入，導致其親水性增加，從而利于成骨細胞的生長、代謝及分化等。

3.2 低溫等離子體對鈦表面細菌的影響

在種植體的表面，存在著細菌與成骨細胞的黏附競爭。如果細菌的競爭作用強于成骨細胞，常會導致骨結合的失敗。即種植體表面細菌的黏附和積聚通常會導致種植失敗，這種情況在臨床上表現(xiàn)為種植體周圍炎[31]。去凈種植體表面的細菌生物膜和減少細菌在其表面的黏附對于口腔種植的成功是十分重要的。因此，為了抑制細菌的黏附，對鈦種植體表面進行改性顯得比較有意義。Lee等[32]發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體（電壓15 kV；電流13 mA；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣）處理鈦表面后能夠降低細菌黏附和生物膜形成的速率，這種效果對革蘭陰性細菌的作用更強。Lee等[8]（電壓15 kV；電流13 mA；氣源為1 000 sccm的氮氨混合氣體）與Jeong等[33]（電壓2.24 kV；電流1.08 mA；氣源為5 L·min-1的氮氣）將低溫等離子體處理鈦表面后，能夠減少溶血鏈球菌對鈦表面的黏附，從而減少微生物在植入物表面定植，降低種植體周圍炎或種植失敗的發(fā)生率。此外，Ulu等[20]研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體（脈沖時間2.5 us；頻率1.2 kHz；功率5 W）處理也可以減少鈦表面金黃色葡萄球菌的黏附及生長。

細菌在材料表面的黏附主要與材料的表面形貌和親水性有著密切的關系。在這其中，親水性的影響大于表面形貌[33]。低溫等離子體處理后，改變了鈦表面的化學組成，提高表面能與親水性。材料表面親水性的提高可顯著減少細菌的黏附[34]。此外，細菌在材料表面的黏附又取決于兩者的親水性和疏水性是否一致。鏈球菌是最先定植在植入物表面的細菌，同時還是一種疏水性細菌[35]。因此，當鈦表面的親水性提高以后，在植入初期使其不容易黏附于表面。此外，常規(guī)低溫等離子體處理不會改變鈦表面形貌，能夠保持其原有的納米尺度的表面粗糙度，使其抗菌性不發(fā)生變化[36]。在鈦表面形成生物活性層的低溫等離子體雖然改變了鈦表面的表面形貌，但是形成的生物活性層對細菌的抑制效果遠大于形貌改變帶來的影響。

4 低溫等離子體改性鈦表面的體內研究

既然低溫等離子體改性鈦表面后的體外作用很明顯，那么它的體內作用效果如何呢？Danna等[9]發(fā)現(xiàn)，當把低溫等離子體（電壓230 V；功率65 W；頻率1.5 mHz；氣源為5 L·min-1的壓縮空氣）處理的鈦種植體植入比格犬3周與6周以后，處理組的BIC與骨區(qū)域占比（bone area fraction occupancy，BAFO）都明顯高于未處理組，組織學分析也發(fā)現(xiàn)處理組種植體表面形成更多的編織骨，而且形成的骨比較均勻。

Hung等[37]將低溫等離子體（高電壓；頻率0.5～4 kHz；氣源為1.8 L·min-1的氬氣與0.01 L·min-1的氧氣）處理的鈦種植體植入比格犬4、8、12周后發(fā)現(xiàn)，各時間點處理組的種植體穩(wěn)定系數(shù)（implant stability quotient，ISQ）值都大于對照組，且組織學分析同樣發(fā)現(xiàn)處理組表面形成更多的骨組織。因此，低溫等離子體處理鈦種植體表面能夠增強骨結合。其可能的機制在于：低溫等離子體處理鈦種植體后，使其表面性質發(fā)生變化，影響骨結合相關的細胞學行為，從而促進種植體表面骨組織的形成。

5 總結

綜上所述，在鈦表面性質方面，低溫等離子體改性鈦表面后，一定會改變其表面的化學組成、親水性和接觸角，但對其表面形貌的影響會因等離子的種類不同而不同。體外研究中，低溫等離子體改性的鈦對成骨細胞及細菌表現(xiàn)出不同的生物學反應，對成骨起到促進黏附及生長分化的作用，而對細菌表現(xiàn)出抑制效果。體內研究中，低溫等離子體處理鈦種植體表面后可以增強種植體的BIC、BAFO、早期穩(wěn)定性和種植體表面骨組織的形成。因此，以上研究證明，低溫等離子體改性鈦種植體表面后，對于促進其骨結合具有積極的作用。

但目前大部分體內外實驗都是進行現(xiàn)象觀察，未對產生現(xiàn)象的機制作詳細的探究。對于研究中使用的低溫等離子體改性參數(shù)（電壓、電流、功率、氣源、時間等）方面，不同研究者所采用的參數(shù)也并不一樣。因此，還需要更多的科研工作者投身于該研究中，進一步探究其改性的詳細機制，以及對改性參數(shù)的優(yōu)化。筆者相信，低溫等離子體用于鈦表面改性將會是未來促進鈦種植體骨結合的一種重要手段。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。