人工种植牙载药方式及材料的研究进展

人工种植牙载药方式及材料的研究进展

人工种植牙以“骨结合”理论的确立为起点，已有50年的历史。在半个世纪的发展过程中，人工种植牙的临床远期成功率不断提高，已成为牙列缺损和缺失的主流修复技术，被称为“人类的第三副牙齿”。然而，骨质疏松症、糖尿病等全身系统性疾病及口腔颌面部缺损、炎症等局部因素会使人工种植牙的骨结合产生时间上的延迟和/或质量上的下降，严重影响了这类患者的种植牙成功率。

    传统的全身辅助给药方法存在用药量大、不良反应大、局部效果欠佳等诸多缺点，因此，如何通过人工种植牙自身载药并局部释放来改善疾病状态下受损的骨愈合能力、促进种植体早期骨结合、提高种植成功率成为国内外学者研究的热点。本文通过对近年来人工种植牙载药方式及材料研究现状及进展进行总结，以期为下一步的研究提供参考。

    1.人工种植牙表面载药方法

    金属钛具有良好的机械加工性、抗腐蚀性和生物相容性，是目前最理想的牙科种植材料。通过物理、化学等方法对钛种植体表面进行改性以提高其早期骨结合能力一直以来都是国内外学者研究的热点。近年来，如何在钛种植体表面进行局部药物加载成为一个新的研究方向。

    1.1人工种植牙表面载药的载体

    （1）二氧化钛纳米管：二氧化钛是一种天然存在于自然界中的半导体物质，具有催化活性高、化学性能稳定、生物相容性好等优点，广泛应用于工业、食品、环保等行业。随着纳米技术的迅猛发展，纳米级的二氧化钛以其良好的理化性质和生物相容性成为生物医学领域关注的热点。Ziwilling首次将二氧化钛纳米管作为一种生物材料进行报道，至此拉开了二氧化钛纳米管作为局部用药载体研究的序幕。

    钛基人工种植体表面二氧化钛纳米管的制备所采用的方法是阳极氧化法。阳极氧化法又称硬质阳极氧化，是一种传统的金属表面处理方法，属于电化学范畴。它是以钛基体为阳极，以银、铅、铂等金属作为阴极，在特定的电解液中施加一定的电压电流进行电解，从而在钛基体表面形成一层氧化钛膜的方法。通过调节电压参数，阳极氧化法可在钛基体表面构建出均一可控的二氧化钛纳米管阵列结构，这种高度规则的多孔状表面形貌由大量与基体表面相垂直的纳米级管状结构组成，具有良好的物理、化学性能及生物相容性，不仅能抑制钛种植体表面金属离子的释放，增强耐磨性和耐腐蚀性，更为重要的是其纳米级的管状结构可容纳药物，成为良好的局部药物载体。

    二氧化钛纳米管的纳米级表面形貌提供了较大的表面积及体积来吸附和容纳更多的药物到其表面及管腔内部，有效增加了药物的局部加载量，而其管状结构又可限制已加载的药物从其表面及管腔内部释放的速度，从而延长了药物释放时间达到缓释的效果。因此，通过改变阳极氧化时的电压参数制备不同长度和直径的二氧化钛纳米管阵列可以调控其药物的加载量及释放时间。

    （2）多孔钽：钽是一种稀有的过渡金属元素，由瑞典化学家Ekeberg首次发现并命名，原子序数为73。钽金属富有极强的延展性，熔点近3000℃，硬度高达6.5莫氏，除氢氟酸、三氧化硫、发烟硝酸、热浓硫酸和热强碱外，能抵抗其他所有酸环境，表现出极好的抗腐蚀性。良好的理化特性使钽金属广泛应用于电子、化工、原子能、航空航天等行业。除此之外，金属钽还具有良好的生物相容性，应用于生物医药领域已达半个多世纪之久，是理想的骨植入材料。

    多孔钽是一种具有开放孔隙的三维十二面体结构生物材料，Kaplan通过高温降解聚氨基甲酸酯得到多重的十二面体网状结构的碳骨架，再采用化学气相沉积法将钽粉附着至低密度的碳骨架上，去除碳骨架后得到了三维孔隙结构的类松质骨样多孔钽。该多孔钽钽层厚度约40-60μm，致密度接近100%。随后美国的Implex公司开发了商品名为Hedroce的多孔钽骨植入材料，孔径约400-600μm，孔隙率为75%-85%。2003年Zimmer公司将其并购后更名为骨小梁金属（trabecular metal，TM）。

    多孔钽人工种植牙主要包括多孔钽涂层种植体和多孔钽种植体两类。多孔钽涂层种植体是采用化学气相沉积法将98%的钽和2%的玻璃碳支架制备成的多孔钽涂层作为钛或钛合金种植体的中间部分，然后通过激光焊接技术将其与种植体的颈部和根尖部相接的一种种植体类型。多孔钽种植体是将直径10-25μm的金属钽颗粒通过选择性激光熔融技术制备成的平均孔径为500μm，孔隙率为80%的十二面体微体系结构，并可根据不同需要制备不同直径和高度的多孔钽支架。

    钛及钛合金种植体表面的多孔钽孔隙结构与天然骨组织相似，为肉芽组织的快速长入和血管生长因子的产生提供了良好支架，从而有助于新生内皮血管的形成。而多孔钽的高孔隙率结构增加了其表面自由能和亲水性，有助于蛋白的吸附进而促进成骨细胞的黏附、增殖和分化。因此，多孔钽种植体能够促进种植体与周围骨组织的早期骨结合，提高人工种植牙的早期稳定性。除此以外，多孔钽种植体表面开放的微孔形貌有利于负载各种药物和细胞因子，展现出人工种植牙局部载药方面的巨大潜力，对提高伴全身慢性疾病种植修复的初期稳定性和远期骨结合具有重要的意义。

    （3）钙磷涂层：钙磷涂层是在37℃温度和pH7.4的生理条件下，将钛基种植体浸入到模拟体液中，使模拟体液中的钙磷在种植体表面经异相成核、生长形成的种植体表面涂层。该涂层具有良好的生物相容性、生物降解性和骨传导性，已广泛用作药物、蛋白、生长因子等生物活性分子的缓释载体。钙磷涂层的制作方法被称为仿生共沉积法，在药物、蛋白及生长因子等生物活性大分子与钙磷涂层共沉积的过程中，模拟体液的用量、药物的质量浓度、蛋白质的等电点等多种因素均会对涂层的载药率产生影响。而药物等生物活性分子在仿生共沉积钙磷涂层内的释放方式主要有药物自身溶解扩散和钙磷涂层溶解释放两种，其释放行为受涂层载药率、降解速度以及药物在涂层中所吸附位置的影响。

    （4）壳聚糖：壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，由甲壳素脱乙酰化获得，是一种带有大量阳离子的高分子碱性多糖聚合物。甲壳素是自然界唯一一种带阳离子的能被生物降解的高分子材料，广泛存在于某些真菌的细胞壁及昆虫、甲壳纲动物和海洋无脊椎动物的外壳中，是制造壳聚糖的原材料。作为自然界中含量仅次于纤维素的第二大天然多糖，壳聚糖具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫原性，能够抑制细菌增殖、促进骨细胞的粘附分化，是一种应用非常广泛的生物多功能材料。作为一种天然的高分子生物聚合物，壳聚糖除了具有良好的生物相容性和生物降解性之外，还具有黏膜粘附性，即在溶胀状态时吸附到软组织上的能力。这些特性使壳聚糖特别适合包载基因、蛋白、多肽等生物活性大分子，成为理想的药物、抗原、疫苗等的缓释载体。

    壳聚糖作为各种药物的缓释载体已使用了几十年，到目前为止被广泛地应用于口腔、颌面部、胃肠道等部位的局部药物治疗。研究表明，作为药物的缓释载体，壳聚糖不仅可降低所载药物生物活性成分降解产生的毒副作用，而且可通过控制药物释放、促进药物吸收增强疗效。壳聚糖作为人工种植牙表面载药的载体主要是应用其带正电荷的特性，通过层层静电自组装技术与带负电荷的肝素、藻酸盐、透明质酸等物质发生阴阳离子的静电吸附作用，交替沉积在种植体表面形成电解质复合薄膜，进而实现药物的有效加载和持续释放。

    （5）聚乳酸-羟基乙酸共聚物：聚乳酸-羟基乙酸共聚物（polylactic-co-glycolic acid，PLGA）是由乳酸和羟基乙酸两种单体随机聚合而成的一种可降解的功能性高分子有机化合物，已被美国食品药品监督管理局作为药用辅料收录进美国药典。PLGA可在体内降解为乳酸和羟基乙酸，经三羧酸循环代谢后最终以二氧化碳和水的形式排出体外。因此，PLGA安全无毒，具有很好的生物相容性和生物降解性。良好的生物相容性、生物降解性和成囊成膜性使PLGA广泛应用于生物医学工程的各个领域，成为制作人工导管、药物载体及组织工程支架的理想材料，其中作为药物缓释载体的PLGA微球是研究的热点。

    PLGA微球体系具有降低药物毒性、控制药物释放、延长药效时间的特点，可加载脂溶性、水溶性及蛋白类生长因子等药物，其降解速率与释药性能受分子质量、构成比例、微球体积、表面形态及环境温度等因素的影响，因此可根据不同的目的制作不同载药率和释药性的PLGA微球。PLGA载药微球作为种植体植入前种植窝内促骨结合及抗炎药物缓释载体应用较普遍，而将化学修饰后的PLGA载药微球与种植体结合构建钛-载药纳米复合材料的研究也取得了突破性进展。

    1.2人工种植牙表面载药的药物加载方法

    （1）物理吸附法：物理吸附法是将药物材料自然附着于种植体表面的一种结合方法，该方法受种植体表面结构的影响，最常用的物理吸附法主要有浸泡法和冻干法。浸泡法是应用最广泛的一种药物加载方法，该方法简单方便，但同时存在药物装载剂量和浓度不易控制、装载效率低、药物浪费多等缺点。冻干法是将加载药物配制成一定浓度的溶液在真空中冻干的一种药物加载方法，该方法不改变药物的生物活性，通过控制滴加溶液的剂量来控制加载药物的总量，实现了药物加载剂量的可控性。

    （2）共价键结合法：共价键结合法是一种通过特定化学反应将药物等生物活性分子以共价键的方式连接到种植体表面的方法。该方法一般通过三种途径实现：①钛表面氨基硅烷化后将所加载生物分子连接到种植体表面。②将多巴胺偶联到钛表面，使所加载生物分子与多巴胺的胺基反应后连接到种植体表面。③利用含磷酸基团的共聚物与钛表面作用，然后连接所加载生物分子至种植体表面。与物理吸附法相比，共价键结合法吸附力大，结合牢固，稳定性好，而其不足之处也正在于生物活性分子与种植体表面牢固的结合使其不能被直接释放到种植体的周围，限制了所加载药物的生物活性。

    （3）仿生共沉积法：仿生共沉积法是在生理性的温度和酸碱度条件下，将钛基种植体浸入到含有药物、蛋白及生长因子等生物活性分子的模拟体液中并将其整合到磷灰石晶体内部共沉积到钛种植体表面的一种种植体表面改性方法。该方法在模拟人体生理温度和血浆无机离子环境的条件下，实现类骨磷灰石钙磷涂层与生物活性分子的共沉积，形成整合有生物活性分子的钙磷涂层。这种方法解决了药物等生物活性分子简单物理吸附到种植体表面时存在的突释问题，同时也避免了化学共价结合中的化学试剂对生物活性分子性能的影响。

    （4）层层自组装技术：层层自组装技术（layerby-layer self-assemble，LBL）又称静电自组装技术，DecherG等最先提出并应用，是一种基于聚电解质阴阳离子所带正负电荷间相互作用的分子静电自组装技术。该技术的基本原理是在带电基板表面通过静电相互作用，依次交替吸附上带异种电荷的聚电解质，沉积形成自组装多层聚电解质复合物涂层。LBL技术简单易行，在常温水溶液中交替浸泡就可实现药物的加载，最大限度的保留了所加载药物的活性，而且不受种植体形状的限制。更为重要的是，通过控制溶液吸附循环次数可有效控制自组装涂层的层数，进而实现药物的缓释控释。到目前为止，LBL技术可组装核酸、蛋白、脂质等生物活性分子。

    （5）复合涂层法：复合涂层法是将生物活性分子与人工种植体表面涂层进行复合进而改变种植体生物活性的一种种植体表面改性方法，通常是将蛋白、生长因子、生物活性药物等有机物质作为添加剂加载到钛种植体的表面涂层中，形成良好的生物活性界面，达到降低感染率、加速骨形成的目的，是种植体涂层技术的研究方向之一。当把具有复合涂层的种植体植入体内后，涂层上所加载的生物活性分子可被缓慢持续地释放到周围组织中，达到药物缓控释的目的。

    2.人工种植牙内部载药

    人工种植牙表面载药在载药载体、结合方法、药物种类等多方面均取得了突破性的进展，在促进种植体早期骨结合、减轻种植体周围炎等并发症、提高种植修复远期成功率方面发挥了积极作用。然而不可否认的是，人工种植牙表面载药在药物加载剂量、种类以及药物加载的可重复性方面还存在一定的局限性，而人工种植牙内部载药的研究成为国内外学者试图解决这一问题的新途径。Sykaras将重组人骨形态发生蛋白2加载于胶原海绵并置于中空的种植体内后，将种植体植入犬的下颌骨，实验证实从种植体尖端的扩散孔释放出的重组人骨形态发生蛋白2促进了种植体表面与犬下颌骨之间的骨结合。

    王贻宁教授设计并制作了一种牙种植体载药基台，该基台由三部分构成，包括上部的储药仓、下部的连接部和用来封闭储药仓的封盖，其周壁设有药物流通孔。实验证实该种植体载药基台具备较好的药物流通性，加载药物后具有较好的体外抑菌效果，可用于牙种植体周围炎的预防与治疗。刘洪臣提出并设计了一种能全身给药的人工种植牙种植系统，该系统由网状种植体、储药囊和封盖螺丝组成，通过封盖螺丝将储药囊封闭在网状种植体内，随着封盖螺丝的旋紧压迫使储药囊内的药物释放到种植体周围的骨组织，进而吸收扩散到局部或全身。该人工种植牙给药系统具有便于更换装置、易于自我调节和控制、可根据不同的疾病给予不同的药物等特点，这一设计的提出为人工种植牙载药方法的研究开辟了新的方向。

    3.总结

    随着技术的不断进步和材料的持续更新，人工种植牙载药研究取得了突破性的进展，各种能够加载药物的种植体应运而生，已逐渐由基础研究向临床应用转化，提高了有骨质疏松症、糖尿病等全身系统性疾病及口腔颌面部缺损、炎症等局部因素患者的种植牙成功率。相信随着研究的不断深入，人工种植牙载药系统会更加完善，从而进一步扩大其在口腔种植治疗中的应用。