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钛種植體表面生物改性的研究進展

更新時間:2017/12/18 10:06:21    浏覽次數: 2100     文章來源: 钛公共服務平台

20世紀50年代,Bränemark教授提出種植體骨結合理論,為口腔牙列缺失修複敞開新的大門。後人在提高植入技術的同時,不斷改變種植體表面性質以彌補钛自身性質的不足,如生物惰性、低親水性等。經過30餘年,基本形成較成熟的物理和化學改性體系。但已有研究顯示,單純改變種植體表面形貌和成分對種植體植入早期的細胞應答改善效果不佳。種植體改性仍需要生物活性物質直接作用于周圍細胞組織,在短時間内促進細胞增殖、分化和礦化。

生物改性是在物理化學改性基礎上,形成一定的膜結構或生物活性結構,加載特定的生物活性物質,如生物活性因子、活性蛋白物質或藥物等,從而提高種植體表面生物活性。已有實驗顯示,生物改性後的種植體在植入體内早期即可釋放生物活性物質,且細胞應答反應更迅速,細胞增殖和分化活動更明顯。這不僅提高了骨結合水平,也縮短了骨愈合時間,真正意義上将惰性的钛金屬變成有機的金屬植入物。現從生物改性的主要活性物質和常用方法兩個方面綜述钛種植體生物改性的研究現狀。

1.钛種植體生物改性的主要活性物質

目前用于生物改性的活性物質包括細胞生長因子、多肽或蛋白類物質及藥物制劑。細胞生長因子是人體的重要調節因子,對調控機體生長發育和代謝有重要作用。目前與骨愈合和修複有直接聯系的生長因子主要包括血小闆衍生因子(platelet-derived growth factorPDGF)、血管内皮生長因子(vascular endothelial growth factorVEGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factorFGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factorIGF)、轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族及TGF-β亞家族——骨形态發生蛋白2bone morphogenic protein-2BMP-2)。這些生長因子可不同程度促進骨細胞增殖分化,增加成骨能力。多肽或蛋白類物質目前運用較廣泛。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arginine-glycine-asparticRGD)多肽序列是體内存在的一類骨相關蛋白依賴物,大多數骨細胞信号轉導的激活及之後的生長、增殖均依賴RGD多肽序列,其能有效調節骨細胞增殖分化,同時增加骨細胞對生物活性物質的黏附。此外,一些非膠原蛋白如絲素蛋白及骨鈣蛋白等均對骨細胞的增殖分化及礦化有重要的調控作用。藥物制劑在目前種植體改性中的應用也較多,例如抗菌抗炎藥物地塞米松、鹵代呋喃酮類化合物,骨質疏松類藥物阿倫膦酸鈉、辛伐他汀等。一定濃度的藥物可減少微生物菌膜生長,提高骨組織愈合和修複能力;在種植體植入後起抑菌、促進骨生成的作用并可緩解骨質疏松症帶來的成骨不足。

2.钛種植體生物改性方法

目前,種植體表面生物改性的方法已由最初簡單的物理吸附,逐步改進形成如納米化方法、化學鍵結合技術、自組裝技術及核酸鍊相關技術等較先進的方法。這些方法均在一定程度上提高了種植體表面形貌的穩定性。此外,生物改性方法使種植體表面形成藥物緩釋系統,更有利于生物活性物質長效、穩定地作用于骨組織。

1)物理吸附:

通過活性物質與一定pH的緩沖溶液混合,再将種植體浸入溶液一定時間,活性物質與金屬表面依靠非共價鍵(範德瓦耳斯力、氫鍵、靜電荷、分子軌道能)吸附結合。這種方法操作簡單,但結合力較弱,且形成的改性層厚度不均勻,有較大的局限性。

2)納米技術:

是目前廣泛使用的改性方法之一,通過陽極氧化、噴砂等處理改變種植體表面形貌,形成搭載生物活性物質的納米載體結構,使納米結構與載體共同發揮作用,促進骨組織生長和愈合。

1)二氧化钛納米管陣列:

在種植體表面通過水熱法、硬模闆法、溶膠-凝膠法以及陽極氧化法等形成二氧化钛納米管陣列,再于納米管上搭載相關生物活性物質。納米管陣列為頂部開口底部封閉的均勻二氧化钛膜結構,通過控制溶液濃度、電解質成分、反應電壓、溫度和時間等因素,改變二氧化钛納米管壁直徑、厚度及形态。納米管陣列可表現出優異的生物相容性,在種植體植入早期即有細胞僞足伸入并錨定于納米管管壁;在骨愈合過程中,納米管陣列表現出較好的抑菌性;其為生物活性物質提供搭載結構,使多種生物活性物質能穩定地錨定于種植體表面。

Lee等通過真空浸塗将重組人BMP-2recombinant human BMP-2rhBMP-2)大分子加載于種植體納米管陣列中,再将種植體植入新西蘭白兔胫骨内,8周後組織形态定量分析顯示,納米管加載rhBMP-2組的骨-種植體結合率及短期内的成骨率均高于3個對照組(空白組、噴砂處理組、納米管組)。Zhang等認為,使用真空抽提法可增加生物活性物質在納米管表面的附着力,并形成相對穩定的藥物控釋系統。将重組人PDGFrecombinant human PDGFrhPDGF)加載于納米管表面,真空抽提10 min後取出,掃描電鏡可見rhPDGF-BB呈微球形附着于納米管壁内及納米管表面。酶聯免疫吸附測定顯示,rhPDGF-BB在體外呈緩釋狀态,蛋白質印迹法顯示,rhPDGF-BB的緩慢釋放可上調PDGF因子相關信号通路磷酸化蛋白激酶B和磷酸化細胞外調節蛋白激酶的表達水平。Yang等在納米管上加入聚乳酸膠團微粒和藥物樣品維生素C及阿司匹林,有效形成了藥物控釋系統,分子動力學模拟以及耗散粒子動力學模拟實驗結果顯示,藥物試樣分散于聚乳酸基質中,并随聚乳酸降解緩慢釋放,釋放時間超過240 hKim等将藥物及GRGDS多肽序列(glycine-arginine-glycine-aspartic acid-serine)加載于納米管陣列上,體内外實驗顯示,納米管陣列與生物活性物質可共同促進骨細胞活性,促進骨生成和骨結合。

2)納米粒子:

膜結構常均存在骨傳導障礙,并使種植體表面失去應有的粗糙度,這些因素均可影響骨結合。納米粒子覆蓋型膜結構有一定的粗糙度,可增加骨組織與種植體的結合力,解決傳統膜結構的不足。Shim等通過電噴塗将FGF-2高分子聚合物納米粒子噴塗于陽極氧化後的钛表面,模拟體液實驗顯示,FGF-2呈緩釋狀态,釋放時間在2周左右,且釋放速度與聚合物内FGF-2濃度及納米顆粒尺寸呈正相關。種植體與人骨肉瘤細胞共培養4 h後可見細胞伸出明顯的絲狀僞足,且細胞與钛表面結合牢固。FGF-2不僅可直接作用于骨細胞并增加其活性,還可同時形成納米粒子物理結構,增加钛表面粗糙度,進而增加細胞的延展及固定。Sharma等将絲素蛋白納米顆粒通過矽烷偶聯劑偶聯于種植體表面,并在絲素蛋白上搭載慶大黴素;體外培養顯示,絲素蛋白有較好的負載能力,且對慶大黴素有控釋作用。慶大黴素的持續釋放對細菌等緻病因素有較好的抑制作用。同時,絲素蛋白顆粒自身促進了骨細胞的增殖分化及黏附。通過納米改性實現生物活性物質的搭載是目前使用較多的方法,改性後的種植體對骨組織愈合有較好的促進作用。但目前對納米管陣列的管徑及納米顆粒尺寸等均無統一結論,尚需深入研究。

3)化學鍵結合技術:

通過偶聯劑或交聯劑使钛表面與相關生物活性物質間形成規整的化學鍵(離子鍵、共價鍵、金屬鍵)結合。一種方法即在金屬與生物活性物質中加入偶聯劑、交聯劑或螯合劑,通過其兩個活性基團,以共價鍵方式将钛與生物活性物質結合起來。常用的化學試劑有多巴胺、聚乙二醇、聚吡咯、矽烷偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基矽烷等。以多巴胺為例,其含有氨基和鄰苯二酚羟基基團,在水相介質中不僅可自聚,同時可與其他基團形成共價偶聯。Zhang等通過多巴胺将酪氨酸酶活化的IGF-1與钛偶聯,使IGF-1能穩定加載于種植體表面,同時能直接作用于骨組織。

4)自組裝技術:

自組裝技術是高分子結構單元間存在一些特定基團,兩種基團間自發以非共價鍵結合,從而形成一定的規則有序結構。在醫學中,運用自組裝技術形成多樣的短肽、核酸結構,以此形成新型活性物質檢測工具或進行相關疾病治療。自組裝技術在種植體改性中可彌補物理氣相沉積的不足,适用于物理氣相沉積中無法氣化的高分子結構,在溶液中可使兩種物質形成均勻穩定的複合結構,且相對于其他膜結構,自組裝技術搭載生物活性物質結合牢固,不易剝脫,能更穩定持久地作用于周圍組織。Lee等将兒茶酚高聚物納米顆粒層層自組裝于钛表面,形成較穩定的共價及非共價結合力,并由兒茶酚陰離子基團結合BMP-2形成穩定的改性結構;體外脂肪間充質幹細胞培養顯示,細胞表現出較好的黏附、增殖能力,堿性磷酸酶測試顯示細胞分化和細胞活性較強;同時,該結構形成較好的藥物控釋系統,BMP-2釋放時間超過35 dLv等通過自組裝技術将殼聚糖和藻酸鹽形成複合結構并搭載米諾環素,結果顯示自組裝後種植體有良好的親水性,且結構穩定,同時表現出持久的抑菌效果。Tack等将氧化後的钛與牛血清蛋白分别進行自組裝及偶聯劑結合;結果顯示,兩種技術均能達到較好的結合效果,但偶聯劑結合技術可能影響甚至阻斷蛋白質功能,細胞對蛋白的吸收率也有所下降。因此自組裝技術在生物安全性及細胞相容性方面更具優勢。

5)核酸鍊雜交技術:

借助于核酸鍊或DNA寡核糖核苷酸(oligodeoxynucleotideODN)互補結合,将生物活性物質固定于種植體表面。基本原理是首先在種植體表面錨定一段核苷酸鍊,将搭載生物活性物質的另一端核苷酸鍊與之雜交互補,生物活性物質随互補鍊結構搭載于種植體表面。生物方法的特異性高,搭載穩定性好,且可形成控釋系統。但需要進行較嚴格的核酸鍊特異性選擇過程,操作較複雜。Wolf-Brandstetter等比對不同類型ODN加載系統後認為,選用多聚腺苷酸、增加核苷酸鍊密度、縮短核苷酸鍊長度、在反應溶液中添加Mg離子等措施,可提高核苷酸鍊的互補率及生物活性物質的搭載量。Schliephake等認為,通過控制DNA鍊的種類及相對分子質量實現一定的藥物濃度梯度,能更有效控制藥物釋放,從而使藥物能穩定長效作用于周圍組織。核酸鍊雜交技術是一種新型改性方法,其要求載體及搭載物質均有較高的種屬特異性,且DNA的加入對機體的影響仍不明确,需進一步研究。此外,DNA形态結構難以控制也是改性的一大難題。有學者将蛋白質作為定型物質插入堿基對之間,使DNA的結構可控性提高,且蛋白質與DNA可共同促進成骨。Sakurai等通過三氟代乙烷磺酰氯激活及自組裝技術将魚精蛋白和DNA鍊固定于種植體表面,經體内外實驗證實,DNA與魚精蛋白形成了較穩定的結構,對種植體早期成骨(3周内)有積極作用,且對革蘭陽性菌有明顯的抑制作用。

目前生物改性的方法較多,大多采用一些媒介物質偶聯,形成種植體--生物活性物質複合層結構。生物活性物質的加入對骨細胞生長增殖、緻病菌控制等均直接有效,是一種更優良的改性方法。但在使用生物改性物質的同時,應注意摻入物種類、劑量以及一定時間内釋放濃度的控制。生物改性後的藥物在短期内釋放僅影響早期骨修複,且局部生長因子的短時間大量釋放可能産生一定的毒性反應,甚至導緻疾病(炎症、骨生成異常、纖維瘤、惡性腫瘤等)的發生。因此,在種植體表面形成控釋系統,使生物活性物質緩慢、持續釋放仍是需要深入研究的熱點。

 

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