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紫外線光功能化對二氧化鈦納米管表面改性鈦種植體骨結合的影響 2024年01月03日

來源：中國知網
作者：盛美春 1　羅小龍 2　謝廣平 2,3（1. 湖州市第一人民醫(yī)院口腔科，湖州　313000 ；2. 上海市東方醫(yī)院吉安醫(yī)院口腔科，吉安　340001 ；3. 上海市浦東醫(yī)院口腔科，上海　201399)

【摘要】

目的　研究紫外線光功能化對二氧化納米管鈦表面改性鈦種植體骨結合的影響。方法　采用預陽極氧化法制備二氧化鈦（TiO2）納米管表面改性鈦種植體，并用波長為 250 nm、功率為2mW/cm2 紫外線（UVA）對種植體進行處理。將種植體植入 SD 大鼠股骨，12 周后取含種植體骨組織制作組織切片，通過顯微鏡觀察種植體周圍骨組織形成情況并計算骨結合率。結果UVA 處理組種植體周圍新生骨組織多于未 UVA 處理組，且更致密。UVA 處理組和未 UVA 處理組的骨結合率分別為（72.21±10.42）% 和（44.98±9.62）%，兩組之間的差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。結論 UVA 光功能化 TiO2 納米管表面改性有助于促進鈦種植體骨結合。

【關鍵詞】二氧化鈦納米管　光功能化　表面改性　骨結合

DOI ：10.11752/j.kqcl.2023.02.07

種植義齒修復是牙列缺損的重要修復方法。相比于活動義齒，種植義齒可以更好地恢復患者的口腔健康、咀嚼功能、語言功能以及生活質量 [1] 種植義齒依賴于種植體與骨組織之間的“骨結合 ” 而發(fā)揮作用，“骨結合 ”是種植義齒修復成功與否的決定性因素。表面改性是提高種植體骨結合的重要途徑，二氧化鈦（TiO2 ）納米管改性則是種植體表面納米改性的一種重要的方法。TiO2 具有光催化性能，經紫外線（UVA）照射后，表面性能可發(fā)生顯著變化，改善種植體表面的親水性、表面電位等屬性，表現出光功能化性能，可能對種植體的骨結合過程產生影響 [2] 。因此，本實驗研究了 UVA 光功能化對 TiO2 納米管表面改性鈦種植體骨結合的影響，為提高種植體骨結合率提供理論基礎，促進種植義齒修復臨床應用。

材料與方法

1.1 TiO2 納米管表面改性種植體制備

本實驗所用鈦種植體材料購自上海金福鈦業(yè) 制造廠，直徑 1 mm，長度 2 mm 圓柱形螺紋種植體，采用預陽極氧化法對種植體試樣進行電解，電解液成分為 0.3％氫氟酸和 1 mol/L 磷酸，陽極為純鈦試樣，陰極為石墨電極，直流電、室溫下電解氧化處理試樣 1 h ，電解電壓為 10V。

1.2 UVA 處理

將試件置于 UVA 燈下 10 cm處照射，波長為 250 nm 、功率為 2 mW/cm2。

1.3 種植體預處理

將螺紋柱狀陽極氧化種植體放入盛有無水酒精的超聲清洗器清洗 20 min ，再連續(xù)重復 3 次用超純水超聲清洗 20 min 。洗凈后高溫高壓滅菌冷卻備用。

1.4 種植體植入術

本實驗采用的動物購自上海杰思捷實驗動物有限公司，12 只雄性 SD 大鼠，12 周齡，體重（250±20）g ，隨機劃分成對實驗組和對照組，每組6只。按照外科手術無菌處理的要求進行操作。通過 3％戊巴比妥鈉麻醉完成后，固定仰臥位，保持位置不變，在手術操作區(qū)域進行備皮。在后腿膝關節(jié)處外側，切開皮膚并鈍性分割肌肉，剝離骨膜，顯露股骨頭。按照種植流程，用牙科鉆頭在左側股骨頭位置配合生理鹽水降溫沖洗，鉆出直徑約 1 mm 的預備孔。預備孔內大量沖洗，清理其中的碎屑，植入種植體1枚。實驗組植入UVA 處理的種植體，對照組則植入未UVA處理的種植體，仔細清洗后進行嚴密縫合關創(chuàng)。手術后的 1~5 天行青霉素30 U/D肌肉注射抗感染處理。

1.5 取材及骨切片的制作

種植術后 12 周，通過注射過量戊巴比妥鈉處死所有實驗組和對照組大鼠，隨后分離股骨，獲取種植體周邊區(qū)域約 2 cm 骨組織。骨組織切片采用德國艾卡特公司的 EXAKT 切磨系統(tǒng)（含 EX- AKT510 脫水儀，EXAKT520 光固化包埋機，EX- AKT300 CP 切片機，EXAKT400 CS 磨片機）進行制作。將帶種植體的骨組織，經多聚甲醛固定處理 48 h 后，在 EXAKT 510 脫水儀中用 100%丙酮溶液脫水。在 EXAKT 520 光固化包埋機中進行塑料包埋。切片后用 EXAKT 400 CS 磨片機磨片至預定厚度，用細砂紙對切片表面進行拋光。最終獲得厚度為 5-10 μm 的切片。

1.6 骨組織形態(tài)學觀察和骨結合率測量

在顯微鏡下對種植體周圍骨組織形態(tài)學進行觀察，并分析種植體周圍組織形成情況。對酒精伊紅染色處理之后的骨磨片進行檢測，記錄新生骨和表面接觸的整體尺寸，通過下列公式獲得出種植體 - 骨結合率（Bone-implant Contact, BIC）：BIC = 新生骨與該組螺紋接觸面的總長度 / 每個螺紋的總周長度 ×100%。

1.7 統(tǒng)計學分析

采用 SPSS12.0 統(tǒng)計軟件包，對 2 組種植體的骨結合率進行單因素方差分析，檢驗水準為 0.05。

結果

2.1 種植體骨結合組織學表現

組織切片觀察顯示，未經 UV 處理組新生的骨組織呈現碎片和裂痕，種植體和新生骨附近可見大量纖維結締組織；而 UVA 處理組種植體周圍新生骨增多，結構致密，纖維結締組織明顯減少（圖 1）。

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2.2 種植體骨結合率

通過對各組種植體周圍骨結合率的計算和分析，結果見圖 2 。UVA 處理組和未 UVA 處理組的骨結合率分別為（72.21±10.42）% 和（44.98±9.62）%，兩者比較具有統(tǒng)計學意義（r<0.05）。

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討論

盡管金屬鈦作為種植體的主要材料，已被公認為具有良好的生物安全性和組織相容性；但作為一種惰性材料，與骨組織的結合僅僅是“機械結合”，并不能實現更具功能性和生理性的“生物化學結合”。對鈦種植體進行表面改性，使之由 “生物惰性 ”向“生物活性 ”轉變，是當前口腔種植修復領域的研究熱點。TiO2 納米管改性是種植體表面納米改性的一種重要的方法。相比其他納米材料表面改性，TiO2 納米管來源于種植體本身，避免了外源性材料涂層所導致的機械強度不足問題 [3] 。體外研究發(fā)現，TiO2 納米管表面改性可以促進成骨細胞的增殖以及骨髓基質干細胞向成骨細胞的分化 [4] ；體內動物實驗研究也發(fā)現，TiO2 納米管表面改性后的種植體與骨組織的結合率要高于酸蝕或噴砂等常規(guī)表面處理的種植體 [5] 。這些研究結果表明，TiO2 納米管表面改性對種植體的骨結合具有一定促進作用，但這種作用主要是通過改變種植體表面形貌而實現的，與種植體表面的電位性質和可濕性等表面屬性無關，而骨結合早期的蛋白質吸附和血液在種植體表面的潤濕卻恰恰與這兩者有密切關系。種植體植入術后的骨結合過程始于術后血液在種植體表面的浸潤和血液中蛋白在種植體表面吸附形成的適應層，這對于在種植體表面形成細胞外基質層和早期的骨形成具有重要作用 [6] 。換言之，TiO2 納米管表面改性可能對于早期骨形成的作用較弱。口腔種植修復常常面臨一些挑戰(zhàn)性問題，例如：受植區(qū)骨密度不良、糖尿病患者組織愈合慢等，獲得較快的骨形成速度和較好的骨形成質量是解決這些問題的關鍵，而這恰恰是單純 TiO2 納米管表面改性所難以達到的。因此，在 TiO2 納米管表面改性的基礎上，進一步研究種植體早期骨結合速度和骨結合質量對于解決口腔種植修復所面臨的問題具有重要作用。

TiO2 具有光催化性能，經長波紫外線 (UVA) 照射后，可以獲得良好的理化性能及較高的生物活性 [7] 。TiO2 在 UVA 照射下，其表面電子發(fā)生跳躍，電子可被 TiO2 表面 O2 俘獲形成 O2- 和 OH-，空穴氧化 H2O 生成 HO ，O2- 和 HO 具有較強的氧化能力，可將有機物氧化，在短時間內達到殺滅細菌、清除材料表面的碳水化合物的功效。UVA 照射后的 TiO2 表面碳原子數明顯減少，隨之帶來的是表面可濕性的變化 [8] 。Wang 等也證實，TiO2 經 UVA 照射后，表面接觸角接近 0° , 表現出超親水性 (superhydrophilicity)[9] 。TiO2 經紫外線照射后還可改變其表面電荷性質，使表面由負電位轉變?yōu)檎娢?nbsp;[10] 。這一系列表面性能的改變，稱之為光功能化 (photofunetionalization) 。顯然，UVA 光功能化將對細胞粘附將產生極其重要的影響 [11 ，12]。表面呈現的親水性，將有助于血液在種植體表面迅速潤濕；表面電荷由負電荷轉變?yōu)檎姾?/span>，將使得帶負電荷的蛋白質分子在不需要陽離子介導的情況下非常容易地吸附在種植體表面，并隨之促進以蛋白質分子為介導的細胞粘附過程。本研究的結果表明，UVA 光功能化 TiO2 納米管表面改性可以提高鈦種植體骨結合率，對鈦種植體的骨結合具有促進作用。本研究對促進種植義齒的應用、減少種植義齒修復并發(fā)癥的發(fā)生具有重要作用。

結論

本研究提示：UVA 光功能化TiO2 納米管表面改性可以提高種植體的骨結合率，促進種植義齒的穩(wěn)定性，是一種改善種植體骨結合的好方法。

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