激光酸蚀与喷砂酸蚀的纯钛种植体表面生物效能的对比性研究

摘要

背景和目的：
　　 早在1981年，Albrektsson等已认为种植体表面形貌结构是影响种植体骨结合的六大因素之一，他们认为粗糙的表面比光滑表面更有利于促进骨结合。随后便有大量的学者对种植体的表面形貌进行了相关的体内外研究及改性处理，大大的缩短了种植体临床的骨愈合时间;至今已有30年余，但对种植体表面形貌及理化性质的研究仍然是当今口腔种植学领域十分热门的研究之一！仍然有大量的学者在研究种植体的表面处理方法，因为种植体表面形貌和理化特征不仅可以决定骨组织细胞的附着、增殖和分化，而且在很大程度上决定种植体与骨组织间的愈合速率，也是评估一个种植体系统优劣的重要标准之一。尽管目前的种植表面处理方法已经达到了很好的临床骨结合效果，但每当我们误以为种植体表面处理技术的研究已经到了没有什么值得再去研究时，一些学者及机构对种植体表面处理技术的进一步发掘及改进，这却又让整个口腔种植界发生重要的变化，譬如SLActive表面、全粗糙表面的种植体及粗糙度逐级过渡的表面等等。故再进一步缩短种植体的临床骨愈合时间，最大限度的减少患者牙体缺损的痛苦仍然是基础和临床研究人员的一个追求与期望。
　　 在种植体的表面处理方法中，主要是有涂层和非涂层两种处理方法，但多年的研究表明非涂层的种植体表面处理更优于涂层的表面处理方法，成为了种植体表面处理的主流。目前非涂层表面处理经常采用物理学、化学以及电化学等方法直接粗化钛种植体表面，如喷砂、阳极氧化、酸蚀等获得了进一步改善种植体骨结合的数量与质量的效果。近些年来，喷砂酸蚀(Sand Blast andAcid Etching，SLA)表面已成为国际上使用最为广泛的种植体表面之一，其表面良好的机械生物相容性和骨组织引导性已经得到了口腔种植界的公认。种植体表面能在大颗粒喷砂下获得10～30μm孔坑，这些大孔坑具有促成骨的作用，再经过酸蚀后，种植体表面又形成大量的微孔(大小主要为1～3μm);同时酸蚀能在一定程度上清洁纯钛种植体的表面杂质，增加其表面的亲水性，这样便形成了二级粗糙度。可以说，一级粗糙度类似于骨陷窝有利于成骨细胞的附着，二级粗糙度可以刺激成骨细胞增殖分化，有利于骨结合的形成;此外，体内试验已经证实:喷砂加酸蚀明显增加了种植体的扭矩值。因此，目前世界上一些著名品牌的种植体也采用了喷砂酸蚀的表面处理方法，如瑞士的straumman种植体系统(SLA/SLActive)、德国的Ankylos系统等，这些系统在临床上获得了良好的骨结合，进一步缩短了口腔种植的临床治疗时间。尽管喷砂加酸蚀的表面处理方法具有许多优点，但其也具有一定的缺点[15,16]:如喷砂操作的不可控性，其形成的孔坑大小不同可直接影响种植体表面的成骨效能，而影响孔坑大小的因素包括颗粒大小、气压及喷砂距离等;此外，SLA的表面处理技术未能达到真正的防污染和表面净化的作用，其表面会嵌留下一些不利于骨结合的颗粒如Al2O3等，以上这些不足促使了口腔种植学的学者们对种植体表面处理的方法继续深入研究！
　　 近年来，随着激光加工和口腔种植学的不断进步，激光表面处理新技术逐渐被引进种植体表面处理的领域。将光应用于材料加工和医学已有悠久的历史，但正式将激光应用于粗化种植体表面也是近10年多来才开始的。与上述传统的种植体表面处理技术不同的是，激光表面处理是一种非接触性的干洁技术，其具有准确可控、高度重复性、高效率性等特点，它能在纯钛的表面产生独特的表面形貌和表面物质构成，还能增加钛表面的耐腐蚀性等。利用不同的激光表面处理技术对钛合金进行表面改性，可达到不同的改善合金表面性能的效果，或赋予合金生物活性的不同目的，如激光表面合会化(Laser Surface Alloying，LSA)、激光表面熔覆陶瓷涂层及脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PID)等技术已经广泛应用; Shan-hui Hsu等利用激光照射种植体表面后来达到杀菌、清洁的作用，再加酸蚀处理的细胞和动物实验，发现明其显增加了种植体表面骨细胞的吸附和骨结合;最近有学者用Nd:YAG激光轰击种植体表面来增加其表面积和粗糙度，研究其骨结合效应，得出了更利于骨细胞生长，明显增加了扭力及种植体骨接触面积的结论; Itala等的实验结果提示:表面孔坑的直径为40或50μm比100μm以上的孔坑表面更有利于骨结合;DavideBerardi等在种植表面对不同直径及洞深的表面进行了研究，他们得出的结论是直径为30μm、深度为20μm的激光处理表面更有利于种植体骨结合。目前的喷砂处理技术一般在种植体表面喷出的直径为10～30μm。而最近Sang-HwanKang等进行了激光表面处理与微弧氧化表面处理的研究，他们利于激光在种植表面处理出孔径为40μm、深度为23μm大量孔坑后植入动物体内的实验，发现该表面比微弧表面处理更能增加种植体的骨扭出力。根据以上文献，可以推测直径为20～50μm的孔坑比大于100μm直径更有利于骨结合。此外，粗糙度的大小也是影响喷砂酸蚀表面骨结合效果的一个重要的指标，由于喷砂本身的不可控性，不同的直径的喷颗粒和喷砂时间等都会有不同的喷砂效果，其所形成的表面特征大也不相同，如Straumann牙种植体公司推出的SLA表面ITI牙种植体表面的Ra值为2.93μm，孔坑的直径约2岬;美国3i牙种植体Osseotite种植体喷砂出表面Ra值为0.86μm，孔坑的直径约2μm; Frialit-Xive系酸蚀出表面Ra值为2.75μm，孔坑直径主要范围在3～5μm，坑深2～3μm。结合口腔种植的临床效果和以上的表面粗糙度的差异，可以推断由喷砂酸蚀处理所产生的不同表面，其生物活性也将各有差异，目前尚没有一个统一的数值或观点，只有一个范围，较多的研究结果多倾向于表面小孔坑的直径为1～4μm、粗糙度为1～3.62μm的种植体表面较利于骨细胞附着生长，而粗糙度大于3.62μm就不利于骨组织附着结合。两者具体为何值更利于骨结合仍需进一步的研究。
　　 根据文献报道可知，目前用于种植体表面轰击处理的激光器主要有YAG激光、CO2激光两种，而YAG激光器比CO2激光器在改变种植体表面形貌方面方面显得更有优势，主要体现在打孔用的平均输出功率高、重复频率高，并且具有高亮度、高聚焦性、容易实现精细加工等特点。国外已有研究表明:经Nd:YAG激光照射后的钛表面没有细胞毒性，比光滑钛表面更能促进成骨细胞的附着和骨结合;此外，激光轰击与喷砂处理相比，具有清洁和可控性强等优点，可以在种植体上准确的形成所需孔径大小、均匀一致的三维窝洞，甚至有学者认为，在可行的表面处理技术中，只有激光能达到不污染种植体表面的一项新技术。经处理的种植体表面的形貌及化学性质的改变与激光照射的能量、脉冲、角度及波长等有密切的关系。而最近光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性:如产品优势光束质量高，分辨率为1微米，是传统产品的10倍以上，其打标速度是传统产品的3-5倍以上，并且耗电量低，是传统产品的1/25-1/10;值得可喜的是，光纤激光器的价格比以前大大降低，这为本实验对它的引进和研究提供了可能性。最近Cho SA及Sang-Hwan等使用光纤激光来处理种植体的实验，均获得良好的种植体表面形貌及较好的骨结合效果。值得一提的是，结合多种处理方法对种植体表面进行处理是当今口腔种植体表面处理发展的一大趋势，例如最近国内外报道将喷砂酸蚀与微弧氧化、微弧载银和非载银等综合处理方法相互比较种植体的表面活性和骨结合效果;又有学者将种植体表面先经过喷砂加酸蚀，再进行激光处理等方法研究其表面生物效应，以寻求出一种更好的表面处理方法;而在今年最新的有关激光处理种植体表面的研究报道中，Prodanov L在激光处理与喷砂酸蚀的表面对比性研究中，得出激光处理与喷砂酸蚀均获得了良好骨结合的结论。这为我们进一步的激光表面处理研究提供及时的实验基础及理论依据。
　　 综上所述，尽管现在已经有少数的有关激光和喷砂酸蚀的研究报道，但仍未见有对激光加酸蚀和喷砂加酸蚀的对比性研究的报道，究竟激光酸蚀能不能获得与喷砂酸蚀这一经典的表面处理一样的骨结合效果呢？又或者比该经典方法更好？关于这些，仍需要相关的对比性研究;此外，本科研组前期已经对激光加酸蚀的表面和光滑的表面进行了对比性研究，发现激光加酸蚀表面能明显的促进成骨的效果。故本次的研究拟根据目前激光表面处理的一些新进展，改变激光处理的一些条件，缩小蚀刻孔坑的直径等，再经过酸蚀处理的方法，与喷砂加酸蚀这双重处理的表面在理化性质和动物实验方面进行对比，对这两种表面处理方法作一个初步的综合性研究，为激光加酸蚀的深入研究提供实验基础及理论依据，以最终寻求出一种更好的种植体表面处理技术为目标。
　　 方法：
　　 1.实验纯钛种植体的制备:通过查阅大量国内外文献及结合本实验的研究目的，使用精密的数控机床生产出合乎实验要求的实验种植体，根据预先确定的表面处理方法及相关实验参数，制备出较好的两种种植体表面:激光加酸蚀表面和喷砂加酸蚀表面。
　　 2.形貌及理化性质的检测:通过扫描电子显微镜、X线光电子能谱仪和BMTExperi3D表面形貌仪分别对喷砂加酸蚀和激光加酸蚀这两种表面的形貌特征、粗糙度及元素成分等进行分析，评估这两处理组表面的理化性能特性的异同。
　　 3.实验种植体的植入:先使用新西兰大白兔的胫骨上段研究不同植入位点是否会对种植体早期骨结合效果产生影响，然后再根据其结果指导下一步的动物实验;然后选择beagle犬作为SLA和LA表面对比性研究的实验动物，按随机分配的原则，分别在其胫骨上段植入这两种表面的植体，每侧胫骨共植入8枚种植体，编号从上往下编号为1～8号，每种处理组各4枚。按一定的时间间隔在beagle犬的皮下注射钙黄绿素和四环素双色标记，分别在2、4周两个时间点处死实验动物，5～8号种植体行扭出力的测量，1～4号种植体行骨组织切片的制作。
　　 4.组织学观察:将解剖组的大白兔胫骨标本脱钙后制作石蜡切片，行HE染色观察测量;将带种植体的骨组织标本制作成不脱钙的骨组织切片（大白兔和Beagle犬），按实验目的行荧光双标记及染色观察分析，评估骨结合的生长速率和计算BIC％。
　　 5.测量记录好骨扭出力值和BIC％（Bone-to-implant Contact，BIC）等数据，进行统计分析，得出实验结论。
　　 统计学处理
　　 实验数据以均数±标准差（(x)±s）来表示，样本量以n表示，应用SPSS v13.0软件(SPSS Inc.，Chicago，USA)进行统计分析。当满足正态分布且方差齐性时，采用两独立样本t检验或单因素方差来进行整体的均数比较;当不满足正态分布或方差不齐齐性时，采用两独立样本t'检验或秩和检验，再以Bonffronni检验比较组间差异;而对于需要分析交互效应的数据，则以析因设计的方差分析来检测处理因素的主效应和交互作用。假设检验为双侧检验，检验水准为0.05。当P＞0.05时，差异被认为无统计学意义;当P＜0.05时，差异被认为具有统计学意义。
　　 结果：
　　 1.通过查阅大量国内外文献及结合本实验的研究目的，使用精密的数控机床生产出合格的实验种植体，然后根据预先设定的表面处理方法及相关实验参数，制备出较好的两种种植体表面:激光加酸蚀表面和喷砂加酸蚀表面。
　　 2.两种表面理化性质检测结果:喷射加酸蚀组和激光加酸蚀组均具有良好的二级粗糙结构，LA表面的粗糙度大于SLA表面的粗糙度(LA:Ra=2.1μm;SLA: Ra=1.53μm)，两者具有统计学差异(P＜0.01);激光加酸蚀的表面仍可见孔洞周围存留突起的熔融物，但酸蚀能酸洗去激光表面的碳物质;喷砂加酸蚀表面可见尖锐的边缘，其中仍有散在的一些三氧化二铝颗粒。
　　 3.经过对大白兔胫骨上段的不同位点植入种植体的研究，发现不同的植入位点会对种植体早期的骨结合效果会产生明显的影响(P＜0.01)。
　　 4.LA组和SLA组在2周和4周的骨扭出力测量结果未见统计学差异(P＞0.05)，这两种在2周和4周时均获得良好的骨结合效果，亦未见统计学差异(P＞0.05)。
　　 结论：
　　 通过测量分析得出，新西兰大白兔的胫骨上段主要存在3种不同骨密度结构的区域，这3处的种植体骨结合率具有统计学差异;激光加酸蚀与喷砂加酸蚀的表面均具有二级粗糙的表面，前者较后者干洁而规则，这两种表面均具有良好的生物相容性和良好的骨组织引导性，激光加酸蚀组在2、4周均获得了与喷砂加酸蚀相似的BIC％和骨扭出力值，均能增强种植体早期骨结合的效能;激光加酸蚀处理均是一种可行的、效果较好的表面处理方法，但仍需要进一步的深入研究。

目录

摘要

前言

第一章 纯钛实验种植体的制备与表面处理

1．1 材料与设备

1．2 实验方法

1．3 结果

1．4 讨论

1．5 小结

第二章 激光加酸蚀和喷砂加酸蚀的纯钛种植体表面理化分析

2．1 材料与设备

2．2 实验方法

2．3 结果

2．4 讨论

2．5 小结

第三章 不同植入位点对种植体早期骨结合影响的动物实验研究

3．1 材料与仪器

3．2 实验方法

3．3 结果

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 激光加酸蚀和喷砂加酸蚀的纯钛种植体的动物实验研究

4．1 材料与仪器

4．2 实验动物及实验方法

4．3 结果

4．4 讨论

4．5 小结

全文总结

参考文献

中英文缩略词表

致谢

博士研究生期间发表论文情况

参加国内国际会议

声明

统计学审稿证明