钛锆合金种植体的研究进展

    钛锆合金种植体的研究进展

    钛锆合金 （TiZr） 作为一种新型合金材料，在口腔种植领域具有广泛的应用前景。由于其弥补了传统纯钛种植体机械强度方面的不足，且抗腐蚀性和生物相容性佳，目前钛锆合金窄直径种植体已初步应用于临床。本就钛锆合金种植体的机械力学特性、抗腐蚀性、表面性能、生物相容性及临床应用的预后作一综述。

    在牙科种植体中，纯钛材料的应用最为广泛，但用于单颗牙缺失修复或狭窄牙槽嵴中的窄直径种植体，其机械/拉伸强度仍不能满足临床需要，应力疲劳折裂的风险大大增加[1]。因此，单独的尖牙修复、后牙区单牙修复、强度较高的磁性附着体或栓体栓道的修复均视为纯钛窄直径 （<3.5mm） 种植体的禁忌证，且窄直径种植体的基台连接只能为外八角连接，方可弥补其颈部机械强度不足的缺陷[2]。钛 （Ti）及其合金具有与生俱来的良好机械特性 （相对较低的弹性模量、优良的抗折裂强度等） 和极佳的抗腐蚀性[3]。自 1995 年Kobayashi 等人首次提出将钛锆 （TiZr） 合金应用于医学领域以来[4]，这种合金作为一种新型种植体材料受到了广泛关注，其机械/拉伸强度方面优于纯钛。另外，已有研究表明，表面经酸蚀、阴极化改性的钛锆合金可促进牙龈成纤维细胞贴附，减少了菌斑附着、利于种植体周软组织形成，可作为一种新型种植体基台材料[5]。近几年，Strau－mann 公司已将研制的钛锆合金种植体 （商品名为RoxolidTM) 投入市场，并在临床获得了一定时间的应用，取得了较好的临床预后[6]。

    目前，已有越来越多的研究表明钛锆合金适用于生物医学[1，7~10]，作为一种新型合金材料在口腔种植领域应用前景广泛。本文就钛锆合金种植体的机械力学特性、抗腐蚀性、表面性能、生物相容性及临床应用的预后作一综述。

    1机械力学特性

    钛锆合金是由不同比例的钛及锆 （Zr） 组成。Zr 元素的添加对钛的铸造流动性影响小，同时可降低铸造的线收缩率、强化钛的力学性能、改善钛合金焊接性能[11]。另外，疏松多孔的钛锆合金支架可使其弹性模量与松质骨相似，具有良好的生物力学特性[12]。这种同等的弹性模量有助于消除可能造成种植失败的应力屏障效应。在机械/拉伸强度方面优于纯钛，满足了窄直径种植体内八角连接的机械强度需求。Kobayashi 等人比较了钛锆合金(0%-100% Zr) 与 Ti-6A1-4V 及 Ti-Zr-6Al-4V 的硬度和拉伸强度，研究发现随着 Zr 含量的增加，钛锆合金的硬度和拉伸强度增加，在 Zr 含量为50%时达到最大值，为纯钛的 2.5 倍；Ti-Zr-6Al-4V 的硬度也比 Ti-6A1-4V 的硬度大[13]。经过测试，钛锆合金 (13%-17% Zr) 的拉伸强度和屈服强度分别是纯钛的 1.4 倍和 1.6 倍[14]。该新材料的研发使咬合力大的区域、牙间隙不足或牙弓狭窄区域的窄直径种植体应用成为可能，尤其适用于下颌前牙区，减少了使用宽直径种植体时的骨增量手术需要[6, 15, 16]。然而，除需考虑机械强度外，仍应考虑其它影响种植体预后的因素以决定钛锆合金种植体中钛与锆的适宜比例，该方面研究目前未见文献报道。

    2抗腐蚀性口腔环境中的金属极易发生腐蚀

    腐蚀后会降低修复体强度、影响美观、对组织细胞产生损伤，甚至导致过敏、致癌等全身影响[17,18]。钛及其合金由于氧化膜的存在，在空气与电解质溶液中处于钝化状态，但在含氯化物的溶液中也会存在点蚀，使金属离子释放到周围组织[19, 20]。在不同的电解质溶液中，锆的抗腐蚀性优于其它金属[21]，但仍对 Cl-敏感[22]。锆无毒，无致敏性，且能稳定 β 相的金属钛[1]。另有研究表明，钛锆合金的表面氧化物组成的钝化膜比纯钛氧化膜的绝缘性更好，具有良好的稳定性[9]。此外，钛的含量、白蛋白、时间、环境 pH 值及 NaF 浓度也会影响钛锆合金的受腐蚀程度[23]。根据 Zhang 等人的研究，在人淋巴样细胞 (CEM) 和小鼠胚胎成骨细胞(MC3T3-E1) 环境下，钛锆合金 (12% Zr) 比纯钛、Ti-6Al-4V、TiAlMoZr、TiNbTaZr 和不锈钢的抗腐蚀性强[24]。

    3表面性能

    细胞与种植体相互作用的第一个阶段为接触、附着和锚着依赖性细胞的进一步贴附，骨细胞相容性对种植体与周围组织的整合及种植修复的最终成败都产生了极大影响[3]。纯钛与钛锆合金表面均较利于形成骨结合，但钛锆合金存在大量球状纳米级表面结构，纯钛表面极少。该结构可能与在受到酸腐蚀时，锆加强钛锆合金中氢化物的形成，促进氢的吸收有关[15]。

    目前，对钛锆合金的表面活性已有较多研究。多个体外实验研究证实，钛锆合金种植体在模拟体液中有良好的骨细胞相容性和生物活性[ 3,25]。Sista 等人研究发现与纯钛相比，细胞更易附着于钛锆合金 (50% Zr) 上，成骨细胞/骨细胞分化进程在钛合金上更加迅速[7, 26]。在早期阶段钛锆合金种植体比纯钛种植体在垂直向骨引导方面有明显的延迟效应，而后期的表面成骨特性相似[16]。在迷你猪动物模型实验中，钛锆合金 (15% Zr)、纯钛与 Ti-6Al-4V 三者间，Ti-6Al-4V 的骨-种植体接触值（BIC）最低[8]。Gottlow 等人及 Wen 等人的研究结果表明钛锆合金 (13%-17% Zr) 比纯钛的转矩（RT） 值与骨结合区域大，BIC 值相似[4, 27]。狗动物模型中，钛锆合金 (15% Zr) 与纯钛的 BIC 值无统计学差异，两者均观察到安全良好的愈合[28]。另有实验表明，不同颗粒大小的多孔疏松钛锆合金(40% Zr)，颗粒越大，骨长入、骨充填越多，推出试验中粘结力越大[29]。由于钛锆合金种植体存在骨引导的延迟效应，其即刻种植即刻修复的临床应用有待进一步研究。

    4生物相容性

    在口腔环境中，若合金出现的游离金属离子浓度到达一定的范围，就会使细胞代谢产生变化，损伤组织细胞[30, 31]。在多种钛合金中，Ti-6Al-4V 由于良好的抗腐蚀性、机械性能和生物相容性而倍受青睐

    [32]。然而，有报道显示合金中释放的铝离子和钒离子可能对人体健康产生远期影响[33]。Zr 位于元素周期表的ⅣB 族，与 Ti 相同，因此化学特性与 Ti 相仿[34]，组织反应研究显示 Zr 和 Ti 是不会对人体产生不良反应的无毒元素[23]。金属钛和锆的表面会在空气或处在开路的电解质环境下自发形成薄的氧化膜[35，这层氧化膜形成了金属与电解质之间的屏障。MG-63 成骨样细胞实验中，钛锆合金(13%-17% Zr)的生物相容性不比纯钛差[14]。王勇等人经过细胞毒性分析表明，钛锆合金的细胞毒性微小，不会产生过敏反应，无牙龈红肿、充血等不良反应，对人体危害极低，说明钛锆合金安全可靠[36]。Ikarashi 等人通过对大鼠观察研究 8 个月证实钛锆合金的生物相容性优于纯钛[37]。

    5临床应用预后RoxolidTM是市场上第一个用于临床的钛锆合金种植体

    含 83-87%的 Ti 和 13-17%的 Zr，与传统的Ⅳ级纯钛比较，RoxolidTM的拉伸强度提高了50%，骨结合性能相仿[6,16]。目前，国外已有对3.3mm 直径的钛锆合金种植体临床应用及随访观察的文献报道，但在国内仍未开展临床应用。

    Barter 等人通过两年随访 20 名患者证实，钛锆合金 (13%-15% Zr) 3.3mm 窄直径种植体与Ⅳ级纯钛 3.3mm 窄直径种植体比较，预后良好，负重两年后平均骨水平改变-0.33±0.54mm (近中、远中分别为-0.32±0.61mm 和-0.34±0.63mm)，种植体周软组织健康，平均探诊牙周袋深度 2.21-2.89mm[2]。Al-Nawas 等人追踪 87 名覆盖义齿修复的患者6-12 个月，钛锆合金 (13%Zr) 3.3mm 窄直径种植体在骨水平改变、菌斑附着和龈沟出血方面均不会劣于Ⅳ级纯钛 3.3mm 窄直径种植体，钛锆合金与纯钛种植体成功率分别为 96.6% 和 94.4%[38]。Chiapasco 等 人 对 使 用 Straumann RoxolidTM3.3mm窄直径种植体修复的 18 名患者随访观察 2~12 个月的结果也显示了种植体良好的骨结合，成功率为 100%，种植体周围骨吸收 0~1mm[39]。Boynton等应用 93 枚 Straumann RoxolidTM3.3 mm 窄直径种植体修复 64 位患者，92 枚获得初期骨结合，负重后仅两枚种植体失败，使骨增量手术减少了83.0%，其中 55.9%的种植体位于扩大适应证的部位[6]。Benic 等人对 Straumann RoxolidTM3.3mm 窄直径种植体与 Straumann Bone Level Ti SLActiveTM4.1mm 直径种植体前牙及前磨牙单冠修复的患者一年随访显示边缘骨水平无明显差异，成功率均较高[40]。以上临床实验均显示了钛锆合金种植体具有较高的成功率，符合种植义齿的成功标准，表现出可接受范围的骨水平改建、牙周袋探诊深度、牙菌斑和龈沟出血及良好的骨结合，安全、可靠。由于钛锆合金良好的机械/拉伸强度，满足了 3.3mm 窄直径种植体内八角连接的机械强度需求，避免了纯钛窄直径种植体修复时由于外八角连接造成的牙冠颈部瓷体过薄易于发生冠颈部崩瓷的现象[2]，后期美观效果更佳。

    6结束语

    根据目前现有的研究，钛锆合金在体外实验、动物实验及临床实验中机械性能、抗腐蚀性、骨亲和力和生物相容性各方面表现均不比纯钛差，甚至在一些实验中表现出优于纯钛的性能。作为一种新型口腔修复材料，有利于提高患者的口腔修复质量，间接提高患者生存质量。然而，钛锆合金在口腔种植领域的研究、应用近几年才逐步兴起，其种植体表面处理、种植体基台及非窄直径种植体的临床应用仍有待进一步研究。钛锆合金窄直径种植体目前只在国外取得了短短四、五年的临床应用，国内仍未应用于临床，其