作者：王佳萍，吴新，南京医科大学附属南京医院 南京市第一医院
口腔种植体成功植入颌骨内并且长期使用取决于骨组织-种植体界面的骨结合，即种植体表面与骨组织的直接接触。如果种植体表面未能与骨组织直接接触而是被纤维组织包绕，则易导致种植体松动，最终导致种植失败。钛(Ti)和钛合金因其理想的力学特性，如相对较低的弹性模量和良好的疲劳强度、耐腐蚀性和生物相容性，被广泛用于骨科和口腔种植体的生产，商业纯的αTi(cpTi)和α-β Ti-6Al-4V合金仍然是应用最广泛的材料。
对种植体进行各种表面修饰。一些研究试图通过物理、化学方法(例如，喷砂，酸蚀，喷砂和酸蚀的结合，电化学氧化和激光处理)来增加种植体的表面粗糙度，以加快种植体与周围宿主组织的相互作用，以增强骨结合，使种植体稳固并长期使用。
为了提高金属种植体的性能，还可以采用涂层材料进一步修饰种植体表面。在用于金属种植体涂层的生物材料中，羟基磷灰石(hydroxyapatite， HA)是得到广泛关注的生物材料之一，由于其与天然骨组织的无机化合物相似，因此已成功应用于骨整合。但是，植体表面HA涂层存在一定的局限性，如存在涂层分离、涂层吸收、骨结合率缓慢等问题，影响种植体在骨组织中的长期稳定性。为了克服羟基磷灰石涂层的局限性，学者们进行了许多尝试，以开发具有良好附着力和高生物活性的化学稳定涂层。
1969年，Hench教授开发了一种后来被称为“生物活性玻璃”(Bioactive glasses， BG)的玻璃材料，能够与人体骨骼或软组织形成结合而不被排斥。当BG与生物组织接触时，会发生一系列的化学反应，最终刺激组织与BG之间形成化学键。Mistry等发现，在适用于钛合金(Ti6Al4V)种植体表面的BG涂层和羟基磷灰石粉末涂层的对比中，BG涂层在感染环境中具有较高的抗吸收能力，良好的力学性能和更高的生物活性，因此，BG已经成为金属种植体涂层的一个很好的选择。本综述将重点介绍BG在种植体涂层领域的应用、涂层技术及目前受到的挑战。
1. BG的应用介绍及优点
1.1 BG的基本分类
BG一般可分为3种类型：硅基玻璃(SiO2)、磷酸盐基玻璃(P2O5)和
1.2 BG的优点
①良好的生物相容性，可以替代机体受损的组织，促进组织再生，并以与组织再生相似的速率降解。BG作为一种涂层材料，可通过在界面处形成磷灰石，促进种植体与宿主组织更好地结合。种植体涂层技术使用过程中涂层剥脱问题受到关注，羟基磷灰石是得到广泛使用的材料，在使用过程中脱落下来的羟基磷灰石颗粒会引起周围免疫细胞的聚集，引起的无菌性炎症不加以控制最终会导致种植体的松动脱落，会对临床治疗效果产生极大的负面影响。BG与钛颗粒形成的复合涂层有较好的持久性，与此同时BG具备的良好的生物相容性及抗菌性能，会尽可能地减少周围组织的免疫反应。
②调节或抑制植入金属在生物环境中的腐蚀。沉积在镁合金上的BG涂层起到了至关重要的保护屏障作用，阻止镁合金与溶液之间的接触，从而有利于在更长的时间内保持机械完整性。
③基本结构没有特定的形状，独特可定制的微纳米结构，可以作为多孔支架的形式刺激骨细胞主要指成骨细胞黏附和增殖，并促进其与天然骨组织的快速整合。
④防止细菌生物膜的形成，提供抗菌保护，从而减少治疗所需的总时间。
⑤BG可以掺杂并释放多种金属离子，同时保持玻璃特性和基本物理与化学性质，其组成的灵活性使其具有较大的设计空间与多种功能，各自具有不同的生物学作用，在合适的浓度下可以提高碱性生物玻璃的生物活性。常见的元素是Sr、Cu、Ag、Mg、Zn、和Mn， 如Sr2+促进骨生长，Cu2+促进血管生成，以及BG中的Ag+具有抗菌作用。
最近，除了最初的45S5 Bioglass外，已经开发出了多种具有不同化学成分的BG，如芬兰学者成功开发了一种二氧化硅的比例高于45S5被称为S53P4的BG；基于CaO-SiO2组合，如70S30C， 58S和77SBG等。
1.3 BG在种植体涂层领域的应用
BG被提议作为种植体的涂层材料，即生物惰性金属衬底上沉积BG，可以改善金属种植体的生物性能，根据涂层的组成，生物活性玻璃及其复合涂层介绍如下：
①生物活性玻璃涂层：45S5 Bioglass®一直被广泛研究，玻璃基体可容纳各种掺杂剂，因此许多新的玻璃组合物被提出，也拓展出了多种生物医学应用，不仅可以作为种植体涂层，在组织工程中也大有可为。
②生物活性玻璃-陶瓷复合涂层：玻璃陶瓷材料可以提高BG的机械性能，且可以形成羟基磷灰石层，含磷灰石-硅灰石(A-W)的玻璃陶瓷(glass-ceramic A-W)，其具有较高的机械强度，同时也具有良好的物理化学特性。
③生物活性玻璃聚合物复合涂层：聚合物涂层具有较好的生物活性、黏附强度，且化学性能相对稳定，也常被用作涂层材料。壳聚糖是一种天然的阳离子聚合物，可以通过电泳沉积(electrophoretic deposition， EPD)在金属基底上形成种植体涂层。聚合物聚己内酯(polycaprolactone， PLC)是一种具有良好生物相容性和生物可降解性的有机材料，类似于骨和胶原蛋白中的天然聚合物，加入到生物活性玻璃混合物中时，可以增加材料的弹性及细胞黏附性。
1.4 BG在口腔其他领域的应用
当然BG的临床应用并不局限于种植体涂层，在口腔的其他领域中有许多应用。一种BG被称为NovaMin，用作牙膏的活性成分增加再矿化和降低牙齿敏感性。在牙周方面，生物活性玻璃PerioGlas其配方与Bioglass 45S5相似，可作为一种骨移植材料来弥补牙周炎症所导致的骨缺损，为后续的修复治疗提供骨量支持。
在正畸方面，含有2%～6%BG的溶液均可以使去釉邻面再矿化；去除残留的正畸托槽粘接剂时，易损伤牙釉质，QMAT3作为一种新型的生物活性玻璃，可以更好地保护牙釉质。BG也推动根管治疗不断向前发展，Gutta-percha联合Bioglass 45S5(Bioactive gutta-percha)可以粘结到牙本质壁上，封闭牙本质小管的同时还具有抗菌作用，良好的生物相容性可用于根管治疗。
含有Bioglass 45S5(BAG)或锌-聚羧化生物活性玻璃(zinc-polycarboxylated bioactive glass， BAG-Zn)的粘接系统可以通过对树脂-牙本质界面的再矿化，提高牙本质界面的弹性模量和硬度来减少微渗漏的发生。Bioglass 45S5、Biogran、70S30C生物活性玻璃、BonAlive、StronBone等成品BG已应用于口腔颌面外科手术中，BG通过对骨组织的刺激作用来促进骨再生，减少取自体骨的手术损伤，简化手术程序，与此同时可以减少骨吸收。
2. 涂层技术
BG组合物可根据所采用的特定沉积技术进行定制，组合物可增强宿主中特异性反应或具有抗菌作用，以获得黏附良好的涂层并减少失效。与羟基磷灰石或磷酸钙等陶瓷涂层相比，BG成分易调节，因此具有很大的优势。具体涂层技术的选择在很大程度上取决于BG的性质，以及种植体应用的具体目的，如：修复缺失牙的种植体涂层需要保障植体的长期稳定性，而一些正畸治疗需要的植体达到目的后需要及时取出。
为了使涂层有效，必须考虑几个因素：
①BG和种植体的热膨胀系数须相当相似，以避免在热处理过程中出现裂纹和剥离。如生物玻璃和钛的热膨胀系数不匹配，可将Bioglass(SiO2-CaO-MgO-Na2O-K2O-P2O5)体系中的Na2O和CaO分别替换为K2O和MgO，以调整热膨胀系数；或钛种植体上涂覆以下组成(按重量计)：53%SiO2、6%Na2O、22%CaO、11%K2O、5%MgO、2%P2O5和1%B2O3的BG。
②涂层厚度决定了降解时间和速率，以及掺杂元素/药物的量，但如果涂层过厚则易剥离，导致种植失败和严重的负作用。
③烧结参数也会对力学性能以及涂层附着强度产生影响。
④涂层细胞毒性及生物相容性，BG涂层的种植体需要在体内实验中得到印证。
多年来，探索多种沉积方法以获得在机械强度和生物相容性上均可靠的BG涂层。在现有涂层技术中，相同喷涂条件下，等离子喷涂45S5BG涂层具有相似的粒径，涂层更加致密，孔隙率更低，但等离子喷涂技术制备BG涂层的长期稳定性不佳。与传统热喷涂工艺相比，基于液体原料技术，如高速悬浮火焰喷涂(high velocity suspension flame spraying， HVSFS)，液料等离子熔射(suspension plasma spraying， SPS)和液相等离子喷涂(solution precursor plasma spraying， SPPS)，可用于实现从更小颗粒尺寸开始的涂层。
通过物理气相沉积(physical vapour deposition， PVD)，如脉冲激光沉积(pulsed laser deposition， PLD)和脉冲电子沉积(pulsed electron deposition， PED)，射频磁控溅射(radio-frequency magnetron sputtering， RF-MS)，微弧氧化，可以产生均匀的薄涂层且具备良好的粘附力。喷刷、旋涂、浸涂和电泳沉积，使用溶胶-凝胶前体和后续热处理，溶胶-凝胶技术具有低温处理优势，允许使用常规技术所不支持的多种BG组合。
搪瓷技术采用的高温热处理会损伤基材玻璃基底，然而，由于其工艺简单、成本低，仍被广泛应用。研究沉积技术、喷涂参数和最佳的生物玻璃成分组合将是未来工作的重要部分，以实现优化的多功能涂层，能够促进组织愈合和再生，并保证种植体的长期稳定性。
3. 涂层与局部骨组织的反应过程
BG与骨之间的结合机制包含数个阶段：包括离子反应，羟基碳酸磷灰石形成，成骨细胞和干细胞被固定在种植体表面并发生分化和增殖。生物惰性材料表面该过程会在几周内完成，但BG涂层存在情况下，上述所有步骤都在几十小时内完成。在6～12 d， 成熟的骨细胞被整合到胶原-羟基碳酸磷灰石基质中，确保新骨形成和骨整合。
不同组合的BG涂层还需要经过体外和体内试验，以用于评价BG涂层与周围组织的反应。体外实验浸泡在模拟体液(simulated body fluid， SBF)中，BG发生反应，逐渐转化为硅灰石，磷灰石。体内试验评估涂层毒性，样本需在动物体内置入一段时间。目前针对BG涂层种植体的体内外实验仍然有限，动物模型对涂层潜在的细胞毒性和生物相容性研究是十分必要的，关注种植体长期稳定性及其涂层的长期特性，是一个复杂动态环境。
4. BG涂层的挑战
在过去的数年间，金属种植体BG涂层得到广泛研究，然而金属种植体表面获得BG涂层仍具挑战。玻璃的机械性能较差，不能承受较高的局部应力，否则会出现裂纹并蔓延，形成的界面层会产生表面缺陷，扩展到种植体的整个表面，并随后导致涂层破坏，因此，BG不能用于制造承重植入物。为解决脆性问题，BG可为复合结构的一部分，如电泳沉积生物玻璃/氧化石墨烯(BG/graphene oxide， BG-GO)复合材料来提高钛合金种植体的抗菌性和细胞相容性。
其次，在维持BG成分时遇到的问题，包括结晶、金属芯中不需要的离子的转移、金属芯的膨胀系数难以匹配等。迄今为止，仍然缺乏足够数量的体内试验和临床试验，BG在动态生物环境中与受损软组织接触时的具体生物反应，如溶解、离子释放及其对机体的影响等仍有待研究。
口腔种植体BG涂层可能需要比骨移植支架更快的降解，其生物降解率须根据实际情况(如身体部位和特定的应用领域)进行调整。与天然骨相比，目前骨科使用的金属生物材料具有更高的弹性模量，从而产生应力遮挡效应，减少对骨形成和重塑的刺激，易导致种植体松动。降低种植体的整体刚度或使用生物活性涂层材料改善骨-种植体的结合是减轻应力遮挡效应的方法，虽然应力遮挡效应在长骨研究领域得到了深入的研究和认可，但其在口腔种植中的作用仍存在争议。
5. 结论及展望
在金属种植体上应用BG作为涂层，具有在抗菌性、可塑性、防腐蚀性和生物相容性等方面的优势。然而，新型改良生物玻璃可带来巨大益处，但仍未上市，获得完美的种植体BG涂层仍是巨大的挑战。由于缺乏足够的临床试验、数据和术后随访报道，涂层制备过程中依赖于复杂的技术，开发低成本的涂层方法需要更多的体内外实验支持，来证实其可靠性、效率和确切的作用机制。BG涂层的应用会更好地促进种植体与骨组织结合，在软组织应用和多孔支架上的3D涂层应用方面取得进展，有望实现牙齿及其相关组织的再生、骨再生和软组织再生。
来源：王佳萍，吴新.生物活性玻璃在口腔种植体表面涂层领域的应用[J].临床口腔医学杂志，2024，40(07)：443-446.
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