紫外线光功能化对二氧化钛纳米管表面改性钛种植体骨结合的影响

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紫外线光功能化对二氧化钛纳米管表面改性钛种植体骨结合的影响 2024年01月03日

来源：中国知网
作者：盛美春 1　罗小龙 2　谢广平 2,3（1. 湖州市第一人民医院口腔科，湖州　313000 ；2. 上海市东方医院吉安医院口腔科，吉安　340001 ；3. 上海市浦东医院口腔科，上海　201399)

【摘要】

目的　研究紫外线光功能化对二氧化纳米管钛表面改性钛种植体骨结合的影响。方法　采用预阳极氧化法制备二氧化钛（TiO2）纳米管表面改性钛种植体，并用波长为 250 nm、功率为2mW/cm2 紫外线（UVA）对种植体进行处理。将种植体植入 SD 大鼠股骨，12 周后取含种植体骨组织制作组织切片，通过显微镜观察种植体周围骨组织形成情况并计算骨结合率。结果UVA 处理组种植体周围新生骨组织多于未 UVA 处理组，且更致密。UVA 处理组和未 UVA 处理组的骨结合率分别为（72.21±10.42）% 和（44.98±9.62）%，两组之间的差异具有统计学意义（P<0.05）。结论 UVA 光功能化 TiO2 纳米管表面改性有助于促进钛种植体骨结合。

【关键词】二氧化钛纳米管　光功能化　表面改性　骨结合

DOI ：10.11752/j.kqcl.2023.02.07

种植义齿修复是牙列缺损的重要修复方法。相比于活动义齿，种植义齿可以更好地恢复患者的口腔健康、咀嚼功能、语言功能以及生活质量 [1] 种植义齿依赖于种植体与骨组织之间的“骨结合 ” 而发挥作用，“骨结合 ”是种植义齿修复成功与否的决定性因素。表面改性是提高种植体骨结合的重要途径，二氧化钛（TiO2 ）纳米管改性则是种植体表面纳米改性的一种重要的方法。TiO2 具有光催化性能，经紫外线（UVA）照射后，表面性能可发生显著变化，改善种植体表面的亲水性、表面电位等属性，表现出光功能化性能，可能对种植体的骨结合过程产生影响 [2] 。因此，本实验研究了 UVA 光功能化对 TiO2 纳米管表面改性钛种植体骨结合的影响，为提高种植体骨结合率提供理论基础，促进种植义齿修复临床应用。

材料与方法

1.1 TiO2 纳米管表面改性种植体制备

本实验所用钛种植体材料购自上海金福钛业制造厂，直径 1 mm，长度 2 mm 圆柱形螺纹种植体，采用预阳极氧化法对种植体试样进行电解，电解液成分为 0.3％氢氟酸和 1 mol/L 磷酸，阳极为纯钛试样，阴极为石墨电极，直流电、室温下电解氧化处理试样 1 h ，电解电压为 10V。

1.2 UVA 处理

将试件置于 UVA 灯下 10 cm处照射，波长为 250 nm 、功率为 2 mW/cm2。

1.3 种植体预处理

将螺纹柱状阳极氧化种植体放入盛有无水酒精的超声清洗器清洗 20 min ，再连续重复 3 次用超纯水超声清洗 20 min 。洗净后高温高压灭菌冷却备用。

1.4 种植体植入术

本实验采用的动物购自上海杰思捷实验动物有限公司，12 只雄性 SD 大鼠，12 周龄，体重（250±20）g ，随机划分成对实验组和对照组，每组6只。按照外科手术无菌处理的要求进行操作。通过 3％戊巴比妥钠麻醉完成后，固定仰卧位，保持位置不变，在手术操作区域进行备皮。在后腿膝关节处外侧，切开皮肤并钝性分割肌肉，剥离骨膜，显露股骨头。按照种植流程，用牙科钻头在左侧股骨头位置配合生理盐水降温冲洗，钻出直径约 1 mm 的预备孔。预备孔内大量冲洗，清理其中的碎屑，植入种植体1枚。实验组植入UVA 处理的种植体，对照组则植入未UVA处理的种植体，仔细清洗后进行严密缝合关创。手术后的 1~5 天行青霉素30 U/D肌肉注射抗感染处理。

1.5 取材及骨切片的制作

种植术后 12 周，通过注射过量戊巴比妥钠处死所有实验组和对照组大鼠，随后分离股骨，获取种植体周边区域约 2 cm 骨组织。骨组织切片采用德国艾卡特公司的 EXAKT 切磨系统（含 EX- AKT510 脱水仪，EXAKT520 光固化包埋机，EX- AKT300 CP 切片机，EXAKT400 CS 磨片机）进行制作。将带种植体的骨组织，经多聚甲醛固定处理 48 h 后，在 EXAKT 510 脱水仪中用 100%丙酮溶液脱水。在 EXAKT 520 光固化包埋机中进行塑料包埋。切片后用 EXAKT 400 CS 磨片机磨片至预定厚度，用细砂纸对切片表面进行抛光。最终获得厚度为 5-10 μm 的切片。

1.6 骨组织形态学观察和骨结合率测量

在显微镜下对种植体周围骨组织形态学进行观察，并分析种植体周围组织形成情况。对酒精伊红染色处理之后的骨磨片进行检测，记录新生骨和表面接触的整体尺寸，通过下列公式获得出种植体 - 骨结合率（Bone-implant Contact, BIC）：BIC = 新生骨与该组螺纹接触面的总长度 / 每个螺纹的总周长度 ×100%。

1.7 统计学分析

采用 SPSS12.0 统计软件包，对 2 组种植体的骨结合率进行单因素方差分析，检验水准为 0.05。

结果

2.1 种植体骨结合组织学表现

组织切片观察显示，未经 UV 处理组新生的骨组织呈现碎片和裂痕，种植体和新生骨附近可见大量纤维结缔组织；而 UVA 处理组种植体周围新生骨增多，结构致密，纤维结缔组织明显减少（图 1）。

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2.2 种植体骨结合率

通过对各组种植体周围骨结合率的计算和分析，结果见图 2 。UVA 处理组和未 UVA 处理组的骨结合率分别为（72.21±10.42）% 和（44.98±9.62）%，两者比较具有统计学意义（r<0.05）。

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讨论

尽管金属钛作为种植体的主要材料，已被公认为具有良好的生物安全性和组织相容性；但作为一种惰性材料，与骨组织的结合仅仅是“机械结合”，并不能实现更具功能性和生理性的“生物化学结合”。对钛种植体进行表面改性，使之由 “生物惰性 ”向“生物活性 ”转变，是当前口腔种植修复领域的研究热点。TiO2 纳米管改性是种植体表面纳米改性的一种重要的方法。相比其他纳米材料表面改性，TiO2 纳米管来源于种植体本身，避免了外源性材料涂层所导致的机械强度不足问题 [3] 。体外研究发现，TiO2 纳米管表面改性可以促进成骨细胞的增殖以及骨髓基质干细胞向成骨细胞的分化 [4] ；体内动物实验研究也发现，TiO2 纳米管表面改性后的种植体与骨组织的结合率要高于酸蚀或喷砂等常规表面处理的种植体 [5] 。这些研究结果表明，TiO2 纳米管表面改性对种植体的骨结合具有一定促进作用，但这种作用主要是通过改变种植体表面形貌而实现的，与种植体表面的电位性质和可湿性等表面属性无关，而骨结合早期的蛋白质吸附和血液在种植体表面的润湿却恰恰与这两者有密切关系。种植体植入术后的骨结合过程始于术后血液在种植体表面的浸润和血液中蛋白在种植体表面吸附形成的适应层，这对于在种植体表面形成细胞外基质层和早期的骨形成具有重要作用 [6] 。换言之，TiO2 纳米管表面改性可能对于早期骨形成的作用较弱。口腔种植修复常常面临一些挑战性问题，例如：受植区骨密度不良、糖尿病患者组织愈合慢等，获得较快的骨形成速度和较好的骨形成质量是解决这些问题的关键，而这恰恰是单纯 TiO2 纳米管表面改性所难以达到的。因此，在 TiO2 纳米管表面改性的基础上，进一步研究种植体早期骨结合速度和骨结合质量对于解决口腔种植修复所面临的问题具有重要作用。

TiO2 具有光催化性能，经长波紫外线 (UVA) 照射后，可以获得良好的理化性能及较高的生物活性 [7] 。TiO2 在 UVA 照射下，其表面电子发生跳跃，电子可被 TiO2 表面 O2 俘获形成 O2- 和 OH-，空穴氧化 H2O 生成 HO ，O2- 和 HO 具有较强的氧化能力，可将有机物氧化，在短时间内达到杀灭细菌、清除材料表面的碳水化合物的功效。UVA 照射后的 TiO2 表面碳原子数明显减少，随之带来的是表面可湿性的变化 [8] 。Wang 等也证实，TiO2 经 UVA 照射后，表面接触角接近 0° , 表现出超亲水性 (superhydrophilicity)[9] 。TiO2 经紫外线照射后还可改变其表面电荷性质，使表面由负电位转变为正电位 [10] 。这一系列表面性能的改变，称之为光功能化 (photofunetionalization) 。显然，UVA 光功能化将对细胞粘附将产生极其重要的影响 [11 ，12]。表面呈现的亲水性，将有助于血液在种植体表面迅速润湿；表面电荷由负电荷转变为正电荷，将使得带负电荷的蛋白质分子在不需要阳离子介导的情况下非常容易地吸附在种植体表面，并随之促进以蛋白质分子为介导的细胞粘附过程。本研究的结果表明，UVA 光功能化 TiO2 纳米管表面改性可以提高钛种植体骨结合率，对钛种植体的骨结合具有促进作用。本研究对促进种植义齿的应用、减少种植义齿修复并发症的发生具有重要作用。

结论

本研究提示：UVA 光功能化TiO2 纳米管表面改性可以提高种植体的骨结合率，促进种植义齿的稳定性，是一种改善种植体骨结合的好方法。

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