中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

医疗器械设备展牙科产品核心部件与技术论坛热议: 口腔种植体新材料研究与改性进展

2022-07-01

随着我国人口老龄化的加快以及口腔科患病人数的增加,医疗机构对口腔器械行业的需求持续增加,口腔器械行业市场规模呈现持续增长态势。2019 年我国口腔器械市场规模达 233.71 亿元,2015 年至 2019 年复合增长率为 15.53%。

种植体材料应无毒性、无致敏性、无致癌致畸性,具备良好的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性,以及优良的力学性能。近年来,随着材料学的发展和处理、加工技术的进步,新的口腔种植体材料层出不穷,医疗器械前沿展会医疗器械设备展Medtec China近些年也专注于齿科部件及材料相关产品与技术内容,主要有金属及其合金、陶瓷、高分子聚合物等。这些材料在性能和诱导成骨方面各有其特点。本文综述了近几年口腔种植体新材料的研究现状,仅就种植体材料本身的研究进行归纳总结,以及总结种植体的表面改性方面问题。

钛及其合金

20世纪60年代,骨内牙种植体多以金属纯钛及钛合金(如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等)为主。尽管钛种植体受到大量实验与临床研究证据的支持,但其在临床使用中仍存在一些问题。其一是钛潜在的致敏性;其二,与人类骨组织相比,钛弹性模量过高,易发生骨组织改建或丧失;其三,金属种植体缺乏透光性,影响美观。现阶段钛及其合金为口腔临床上较为常用的种植材料。优点即1.不易腐蚀溶解、对牙髓无刺激、化学性能稳定不易变色;2有良好的生物相容性、耐腐蚀性、抗疲劳性等。缺点 即1.制作工艺复杂故而价格偏高;2.弹性较高与骨组织之间存在问题;3.表面活性较低,且可能出现牙龈萎缩等问题影响美观。

陶瓷种植体—氧化锆

在如今口腔临床上除去钛及其合金为主要材料的种植体,以氧化锆为主要材料种植体也备受关注。口腔氧化锆材料众多,但只有3%氧化钇稳定的氧化锆才是具有代表性的口腔修复体材料。氧化锆材料优点突出,生物相容性好、颜色表达良好、物理化学性能出色,强度足以媲美口腔科常用合金。锆元素在元素周期表中归类为金属,但是在口腔应用领域因其良好的美观性被归类为陶瓷材料。

氧化锆抗弯强度可达1200MPa,是最耐用的口腔陶瓷材料。氧化锆于20世纪90年代后期在口腔市场出现,在最初的10年中,它仅仅被用作颜色媲美牙本质的基底材料,仍需在其上制作饰面瓷。以氧化锆为基底的早期修复体,经常出现崩瓷和饰面瓷脱落的现象。

常用于全瓷牙修复体的材料种类可以简单分为三种,即氧化锆全瓷牙、铸瓷牙和氧化铝全瓷牙。其中二氧化锆(ZrO2)陶瓷凭借其优异的性能,是近年来口腔材料界研究关注的热点。氧化锆陶瓷的优势很突出,它不仅具有良好的机械性能(断裂韧性、强度、硬度等)、生物相容性、稳定性、美观性、热导性和成形性,能很好解决常规全瓷冠材料强度和韧性不足的问题,而且断裂韧性和挠曲强度约是氧化铝陶瓷的两倍。较之钛及钛合金材料,氧化锆材料用于种植体主要优势在于其美学性能,更接近天然牙,但氧化锆种植体的普及仍面临以下问题:1.加工容易断裂是氧化锆种植体的主要问题。2. 由于表面处理等技术导致其可能发生老化,氧化锆种植体表面结构粗糙活化困难。骨结合种植体,需要良好的亲水性,表面结构的粗糙度对提高亲水性有重要的意义,氧化锆的表面处理困难,无论是喷砂或酸蚀,对其表面都难以粗化。3.常规钛种植体的设计思路不适合氧化锆种植体的设计。目前临床设计的氧化锆种植体多位一段式种植体,与临床使用的两段式种植体有所不同,限制了氧化锆种植体在临床上使用。可以说,氧化锆陶瓷优异的机械性能显著弥补了传统陶瓷材料在口腔临床应用中出现的韧性低、耐冲击性差及脆性大等问题,为其在口腔修复领域中的应用及推广创造了前提,但要真正应用于口腔环境中,要做的工作还有很多。其作为牙种植体材料的磨损、结晶降解、裂纹扩展和脆性断裂等问题仍存在争议。

氧化锆陶瓷增韧方法:

二氧化锆存在单斜相、四方相、立方相三种不同的晶型。这三种晶型可以相互转化,其中四方相转变为单斜相的过程称为马氏体相变,相变过程中伴随有3~5%的体积膨胀。而氧化锆陶瓷在应力状态下不能发生滑移,因而材料容易产生裂纹,导致应力集中,使氧化锆陶瓷容易发生脆性断裂。

但若在纯氧化锆陶瓷中添加适量的氧化钇、氧化镁和氧化钙等氧化物,就能使四方相氧化锆晶型稳定地存在于室温,添加的氧化物被称为稳定剂。在应力诱导作用下,室温下存在的四方相氧化锆会发生马氏体相变,吸收部分能量,相变产生的体积膨胀会在一定程度上抑制裂纹进一步扩展这种应力诱导的马氏体相变能够有效改善陶瓷材料固有的脆性,提高氧化锆陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使氧化锆陶瓷成为理想的齿科修复材料。



氧化锆常用晶型稳定剂-稀土氧化物

此外,根据ISO6872-2015《Dentistry—Ceramicmaterials》标准,全瓷义齿用氧化锆瓷块(Ⅱ型)的主要性能指标包括均匀性、无外来异物、放射性、弯曲强度、断裂韧性、线胀系数、化学溶解性、收缩率。其中,弯曲强度的大小决定了全瓷义齿用氧化锆瓷块的临床预期用途,若弯曲强度≥800MPa,则可制作四单位及四单位以上的修复体。

生产全瓷义齿用氧化锆瓷块的关键工序是粉体成型和瓷坯预烧结。目前,国内主要采取的是干法成型的方式,包括等静压成型和干压成型,主要控制产品的尺寸及密度,因此密度应作为考量全瓷义齿用氧化锆瓷块性能的指标之一。瓷坯预烧结主要控制产品的硬度,若硬度超过企业制定的标准,将会对义齿加工厂加工产品时使用的雕铣机及车针造成一定的损坏,甚至会造成车针断裂;若硬度指标偏低,当应用于咀嚼硬物时,将会造成牙齿断裂,因此,在研究产品性能指标时还必须考虑硬度。另外,临床上常出现患者口腔黏膜、牙龈受刺激破溃充血出现红肿的现象,其原因之一为配方不正确,因此化学成分也是考量全瓷义齿用氧化锆瓷块性能的重要指标。

高分子材料—PEEK

聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)是1978年由英国帝国化学工业集团(现victrex公司)首次开发出来的高聚合物。凭借优异的化学及物理力学性能,与骨及牙本质更加接近的弹性模量,以及可靠的生物安全性,自1988年PEEK材料应用于口腔领域以来,PEEK作为正畸弓丝,可摘局部义齿,固定修复支架,种植体基台,应用于正畸,修复,种植领域。

PEEK作为种植体、临时基台、固定义齿、活动义齿支架等研究逐渐增多,其在口腔医学领域的应用引起了国内外学者密切关注。聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)为线性芳香族高分子化合物,构成单位为氧-对亚 phenyl group - tāng -对亚 phenyl group ,是半结晶性、热塑性塑料。自1978年面世后,在可以恢复患者的咀嚼功能,提高患者的生活质量,在临床上已经得到了广泛的应用和发展,种植修复成为了牙列缺损、牙列缺失患者的有效修复方式之一。



上颌:常规涂层弓丝,下颌:用PEEK管覆盖的弓丝



PEEK种植支架



PEEK临时修复基台

但是PEEK作为口腔修复材料也存在一定的不足。PEEK的表面生物活性较差且无明显抗菌性,植入人体后易受细菌攻击且不易与人体骨组织结合,PEEK作为种植修复材料的实际应用受到了一些限制,寻求优化以改善其性能是目前研究的热点。同时由于PEEK的光学特性包括低半透明性和灰色的美学缺陷,用作固定修复体时需要额外添加树脂饰面。但PEEK表面能较低,用常规处理方法进行粘接时难以获得理想的粘接效果[4],PEEK桩冠/桥的应用及推广主要在于解决自身活性低导致的粘接性能低下的问题。因此,如何对PEEK进行改性,优化其性能成为了目前研究的热点。目前,研究人员针对 PEEK进行的改性方式主要包括:表面改性、填充改性。

表面改性

表面改性包括物理改性、化学改性以及涂层改性[6],以提高PEEK表面生物活性及抗菌性能,改善其粘接性能。



改善PEEK材料生物活性的表面改性方法

表面物理改性

通过改变PEEK材料表面的微纳结构或沉积一些活性物质而不改变与其相关的表面的化学性质,是PEEK材料表面改性最常用且易操作的一种表面改性方法。目前聚醚醚酮表面物理改性主要采用等离子体处理、物理气相沉积来提高PEEK材料生物活性[6]。

等离子体处理

等离子体是一种电离气体,可以在含有低压气体混合物的封闭反应堆系统中通过电磁波激发产生。以这种方式生成的活性粒子可以与放置在反应器中的生物材料的表面相互作用,在表面引入特定官能团[6]。Czwartos等[7]采用两种低温、EUV诱导、氧气和氮气等离子体对聚醚醚酮进行表面改性。得出结论,两类等离子体处理导致PEEK表面形貌发生显著变化,表面粗糙度增加,形成锥形结构。此外,与未改性PEEK相比,其化学成分发生了显著变化,表现为新官能团的出现,氮原子的掺入量高达~ 12.3 at . % (在氮气存在下改性),氧含量高达~ 25.7 at . % (在氧气存在下改性)。所有化学和物理改变的表面均表现出细胞相容性和无细胞毒性的特性,MG63细胞黏附能力也有增强。因此,通过等离子体处理,可在PEEK表面引入特定官能团,改善生物相容性,增强细胞粘附性。

PEEK材料在口腔中的应用以及更多新型新型材料在牙科产品中的发展与应用,请关注医疗器械设备展Medtec China技术论坛O:牙科产品的核心部件与技术论坛,届时来自北京大学口腔医院、路博润管理(上海)有限公司等企业和高校的嘉宾届时开讲,点击快速预登记。

物理气相沉积

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子或分子,或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术, 物理气相沉积是主要的表面处理技术之一。Yu等[8]采用气相沉积法在PEEK基体上制备了纯镁,最适衬底温度为230 ℃、 PEEK上的镁涂层在Hank的溶液中至少能维持14 d。镁包覆PEEK具有优良的抗菌性能,抗菌率达99%。物理气相沉积可以在PEEK表面形成多种生物相容膜,与PEEK基体结合紧密,从而改善其生物特性。

表面化学改性

PEEK材料表面化学改性通过引入不同的分子链或增加表面活性基团,来提高材料表面的生物活性[6]。

磺化反应

磺化反应是一种亲电取代反应,它使用浓硫酸将磺酸盐基团连接到PEEK结构中的芳环上。PEEK的化学性质十分稳定,常温下除浓硫酸外,PEEK几乎耐受其他任何化学药品。李艳华等[9]采用不同化学处理方法对PEEK材料进行表面改性,提高PEEK材料的生物性能。结果表明经磺化的PEEK材料表面形成了3D筛网状结构,同时增加细胞粘附且伪足数量显著增多。Escobar等[10]评价硫酸蚀刻处理PEEK对树脂基质复合材料的剪切键强度的影响。硫酸蚀刻后的PEEK与树脂基质复合材料的剪切粘结强度随时间的变化而增强(0min:4.95±2.86MPa;< 1min:9.35±2.26MPa;< 3min:17.84±2.82MPa;< 5min:21.43±5.00MPa)。扫描电镜图像显示,硫酸蚀刻后PEEK表面形貌有显著变化(见图7)。因此,磺化处理PEEK可在其表面形成3维多孔结构,利于细胞粘附及生长,并能够改善其与树脂材料的粘接强度。



图7 扫描电镜图像显示了在不同放大倍数下(×100,×500,×1k)的PEEK(a、b、c)和98%浓硫酸蚀刻后PEEK(d、e、f)表面形态

表面接枝

表面接枝法是通过化学处理, 光辐射等方法将各种官能团加入到聚合物表面,从而达到改性的目的。刘等[11]采用紫外光诱导接枝聚合技术制备表面接枝聚丙烯酸(PAA)的聚醚醚酮(PEEK)以改善其成骨细胞相容性。结果表明,与未处理的PEEK表面相比,接枝PAA的PEEK表面能显著改善成骨细胞的黏附、铺展与增殖(见图8)。因此,表面接枝可通过引入活性基团改善PEEK表面生物活性。



图8 MC3T3-E1 成骨细胞在 PEEK 和 PEAA 表面黏附 1 d 的 SEM 形貌图

负载生长因子

在骨移植材料表面负载有益于成骨细胞增殖及分化的生长因子也是常见的方法。骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein, BMP)因其具有诱导成骨潜能细胞的作用而常被负载。其中BMP-2是BMP家族中最具潜力的促进成骨分化的生长因子[6]。Senatov等[12]将多孔超高分子量聚乙烯( UHMWPE )和聚醚醚酮( PEEK )分别与羟基磷灰石( HA )复合,并与未负载重组骨形态发生蛋白- 2 ( BMP-2 )的复合作为种植体。得出结论,在UHMWPE / HA和PEEK / HA两种情况下,BMP-2加载导致植入区尤其是缺损边缘处骨组织量明显增加,显微CT时BV / TV值(骨量/组织体积)增加。

表面涂层改性

利用生物相容性涂层对PEEK进行表面改性是一种很有应用前景的方法,它可以赋予PEEK生物活性,改善植入物与组织的相互作用。到目前为止,许多材料被用作涂层材料,如HA、石墨烯、氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)和聚多巴胺(Polydopamine,PDA)仿生涂层等[6]。Geng等[13]分析了钛、PEEK和PEEK-HA(羟基磷灰石复合PEEK)种植体在犬胫骨的成骨反应,结果显示,掺入羟基磷灰石的PEEK更有利于促进周围骨形成。Yan等[14]从催化金属膜中将石墨烯稳定地包覆在CFR-PEEK表面。石墨烯的修饰可显著促进BMSCs细胞增殖,并加速诱导分化为成骨细胞系。实验表明石墨烯修饰的CFR-PEEK种植体周围形成的新骨多于CFR-PEEK种植体。Xu等[15]利用PDA涂层将含地塞米松/米诺环素(Dex/Mino)的脂质体固定在PEEK表面。研究结果表明,开发的Dex/Mino脂质体修饰PEEK具有增强的抗菌、抗炎和骨整合能力,有很大的潜力作为骨科/牙科植入材料进行临床应用。

高分子材料--PMMA

据研究PMMA已经应用于人造关节和人造骨。近年来有学者对其在口腔种植领域的应用进行了初步研究。其强度高、耐光老化,质轻而坚韧;同时在常温下具有优良的拉伸强度和弯曲强度;制作工艺较为便捷。

同时任何材料都不是完美的,PMMA生物性能稳定性较差;长时间使用易发生降解、老化;缺乏临床实验,并未在口腔种植领域大范围推广。

近年来纳米材料可用于口腔医疗的各个方面( 如口腔肿瘤、口腔创伤修复等) ,由此可见,纳米材料在口腔种植中越来越受到重视。

种植体材料除上述几种外,还有如钽基金属、玻璃陶瓷、金属玻璃、硅灰石、氮化硅等亦是当今研究方向所在,这些研究成果为获得优异的种植体材料提供了可能,同时也推动了口腔种植领域技术的发展。在医疗器械设备展Medtec China现场,也将会看到关于更多齿科的企业以及展品信息,包含牙科设备和手柄、牙科植入部件等,从中获取更多的研发思路。同时,各位医械制造商也应该注意,随着近年来对复合材料进行表面改性的研究取得了许多进展,改性方法也更加多样化。综合利用各种改性方法,需要更多的生物实验及进一步的临床实验来验证。相信随着对PEEK及其复合材料的深入研究,其在口腔医学领域中的应用会更加广阔。

参考文献:
[1]宣丽娜,黎红.种植体新型材料聚醚醚酮表面改性处理的研究进展[J].中国现代医生,2022,60(08):182-187.
[2]慕彦婷,卢燃,陈溯.种植体材料纳米管改性的研究进展[J].北京口腔医学,2021,29(06):391-394.
[3]于婉琦,周延民,赵静辉.口腔种植体新材料的研究现状[J].国际口腔医学杂志,2019,46(04):488-496.
[4]张永佳.不同种植体材料在口腔医学上的应用分析[J].全科口腔医学电子杂志,2018,5(19):31-32.DOI:10.16269/j.cnki.cn11-9337/r.2018.19.014.
[5]孙巍,阚韶华,辛越红.口腔不同种植材料的应用研究进展[J].医学综述,2016,22(15):2991-2993.
参考文章:
分析 | 简述5大口腔种植材料应用特点
口腔修复材料聚醚醚酮改性技术的研究进展
合格的氧化锆全瓷修复材料,做起来可不容易!
新型纳米氧化锆——齿科新材料