- 鈦（Ti）合金為生物相容性材料，經常用于人體植入物，尤其是在牙科中。本研究對種植體常用的Ti-6Al-4V（TAV）合金進行不同類型的種植體周圍炎（種植體周圍牙齦及牙齒組織感染）牙科處理，以探討合金表面粗糙度和化學性質所受的影響。
本研究旨在更好地了解這些常用的牙科處理方法是否有助于提高種植體與骨結合的能力，即愈合過程骨再整合到種植體材料中的能力。研究了各種牙科處理方法（比如超聲處理、噴射拋光、激光照明和化學物質處理）對Ti合金表面粗糙度和化學性質的影響。如果運用得當，這些牙科方法或可在成功治療種植體周圍炎后提高Ti合金種植體的骨再整合概率。
前言：
背景Ti合金**的成功應用，在很大程度上取決于快速愈合過程材料與頜骨的安全結合（骨整合）[1]。Ti合金的表面形貌對*的*應用的成功性至關重要。過去十年，為了改進骨整合過程，專家們致力于開發Ti種植體材料的處理方法[2]。zui近的研究發現，Ti合金種植體的理化改性，導致除骨形成反應受到調節之外，細胞募集、黏附、炎癥和骨重建活動也受到顯著調節[3]。*應用總體上取得了很大成功，大約96%留在患者體內10年以上。圖1示出*（帶基臺和牙冠）置入口腔頜骨的一般過程。
近年來，人們針對種植體周圍牙質組織感染（種植體周圍炎）提出了若干處理策略（機械、化學、物理化學等）[4]。種植體周圍炎是“種植體周圍的發炎過程，其特點為軟組織發炎和支持骨丟失”[5]。如果愈合過程允許發生骨整合，將人工基臺和牙冠安裝到*上，以取代缺失的牙齒。但如果種植體周圍牙齦和牙質組織的炎癥是由細菌感染引起的，*將有可能發生骨丟失并發癥。有利的*特性，即氧化鈦有助于細胞黏附的高度反應性，因細菌存在及其代謝活性殘留而改變。因此，受污染表面相當于異物，會加重種植體周圍軟組織炎癥和骨喪失。種植體周圍炎的處理涉及表面去污和清潔。適當使用這些不同的種植體周圍炎處理方法，或許可以使Ti合金表面改性，促進宿主對種植體的反應[6]。本報告討論不同牙科處理方法對Ti合金種植體材料表面特性的影響，以及種植體周圍炎愈合過程這些處理方法是否可以加快*的骨整合。*骨整合耗時較長（3～6月），因此可以加快這種現象的表面改性將縮短愈合時間，降低失效率，并將患者的不適感降至zui低程度[7]。 表面粗糙度的影響：改進鈦種植體表面形貌，可以增強骨與種植體的接觸以及改進界面的力學性能[8–11]。在缺乏對照比較臨床試驗的情況下，累積的實驗證據支持使用表面形貌得到改進的鈦種植體[12]。
表面粗糙度已被確定為一個重要的參數，該參數與種植體材料錨定到骨組織的能力相關[13]。增大種植體材料表面粗糙度的方法多種多樣，zui常用的是：加工、噴砂、酸蝕、陽極氧化、激光改性，或上述技術的組合。此外，已根據其表面粗糙度平均值（Sa），即表面的平均峰高和平均谷深，將市售種植體分為四類：光滑（Sa < 0.5μm）、輕微粗糙（0.5μm < Sa < 1.0μm）、中度粗糙（1.0μm < Sa < 2.0μm）和粗糙（Sa > 2.0μm）[14]。另一個重要的參數是Sdar，它表示粗糙表面參照*平坦光滑的表面展開后的面積。根據Teughels等[15]，種植體表面粗糙度及其化學成分對菌斑結構數量和質量具有顯著的影響。zui后，目前沒有證據表明暴露于口腔的種植體表面將形成其成分取決于表面粗糙度的生物膜 [16–17]。種植體形貌如何表示和分類？Wennerberg簡要回顧了適用于*的形貌測量方法。為了解釋平均平面形貌要素的各向同性偏差，必須進行三維（3D）測量[18]。接觸式儀器，比如表面輪廓儀，會低估表面形貌尺寸。以鈦合金等軟材料制成的螺旋狀種植體，其評估光學儀器[19]。2D表面測量和表征的局限性，推動了高效實用的3D表面測量和表征技術的開發。借助三維技術可以更好地了解表面的功能狀態。
實驗方法：鈦合金改性工藝：總共分析了25件圓柱形種植體（每種樣品5件，對照樣品+4種處理工藝），種植體原料為5號商業純（CP）鈦（Ti）合金（PM供應商，LLC，EEUU），即Ti-6Al-4V（TAV），其成分為90% Ti、6% Al（鋁）和4% V（釩）。樣品直徑10mm、長5mm。以幾種不同的牙科常用方法處理種植體樣品的表面：
- 化學方法：接觸四環素和光敏劑；
- 物理方法：超聲處理
- 物理化學方法：碳酸氫鹽噴射拋光；
23. Giavaresi G, Ambrosio L, Battiston GA, Casellato U, Gerbasi R, Finia M, Nicoli Aldini N, Martini L, Rimondini L and Giardino R: Histomorphometric, ultrastructural and microhardness evaluation of the osseointegration of a nanostructured titanium oxide coating by metal-organic chemical vapour deposition: an in vivo study. Biomaterials 25 (25): 5583–91 (2004).
致謝
下文將予以詳述。
用于處理種植體的牙科處理方法：探討以下典型牙科處理方法對Ti合金表面粗糙度和化學性質的影響：
碳酸氫鹽噴射拋光
碳酸氫鹽細粉末（平均粒徑約150μm）噴射可以快速有效地清潔牙齒（Turbodent by Mectron）。*顆粒與熱水混合，然后加速，直至獲得極細而且規則的射流。以生理鹽水為沖洗劑，對Ti合金種植體樣品進行噴射拋光處理1分鐘，然后用大量生理鹽水沖洗。
四環素
*（Sigma-Aldrich）是一種抗生素，主要用作抑菌劑，但在特定濃度條件下可以用作殺菌劑。*的粉末形式具有很強的腐蝕性，可用于種植體表面消毒。在本研究中，Ti合金接觸四環素/生理鹽水溶液（四環素濃度= 50mg/ml）1分鐘，然后用大量干凈的生理鹽水沖洗。
超聲波
超聲波清洗是現代牙科常用的技術。它用于牙齒周圍和種植體周圍處理。超聲波尖頭用非常薄的硬化鋼制作（Sirosonic by Sirona）。振動誘導一種稱之為空腔化的現象，即在含有氣體或蒸氣的液體介質中形成空腔或氣泡。此外，振動有助于清除傷口腐肉，即分解附著于牙齒或種植體表面的微生物。以生理鹽水為沖洗劑，超聲處理Ti合金種植體樣品1分鐘（30kHz）。
光動力學療法
光動力學療法（PDT）需要使用光激活染料（光敏劑）。當光敏劑在有氧條件下被激活時，會產生具有細胞毒性的物質，這些物質可以有效地抗病毒、細菌和真菌，因此PDT可用于局部感染治療。牙科光動力學療法涉及光敏膠的使用。本研究使用甲苯胺藍（Sigma-Aldrich），它被波長為570nm的光激活。光敏膠產生的氧自由基與微生物細胞壁強烈反應，因此對后者有毒性作用。該療法通常用于種植體周圍炎治療。在本研究中，Ti合金種植體樣品以甲苯胺藍凝膠覆蓋，接著照射（FotoSan燈，570nm），靜置1分鐘（100μg/mL），然后再次照射（軟激光，906nm），zui后用大量生理鹽水沖洗。
粗糙度分析：
以共聚焦3D光學表面測量系統（Leica DCM 3D）測量表面粗糙度，使用藍光照明以獲得較高的分辨率。獲得了每一個處理過程五種不同Ti合金種植體樣品的各種表面粗糙度參數（表1）。
結果與結論：
共聚焦顯微鏡（CM）獲得了Ti合金種植體對照樣品和各處理樣品的CM 2D和3D圖像數據。示例見下圖：Ti合金種植體樣品的共聚焦顯微鏡2D和3D形貌圖像，所測圖像的掃描面積為636μm×477μm。
掃描電子顯微鏡（SEM）能量色散X射線譜（EDS）
SEM和EDS數據顯示，碳酸氫鹽噴射拋光、四環素處理和光動力學療法處理的Ti合金樣品，其表面污染量比對照樣品（未改性的TiO2表面）大。但超聲處理的Ti樣品與對照樣品一樣潔凈，或比對照樣品更潔凈。
獲得了Ti合金種植體對照樣品和各處理樣品的SEM和EDS圖像數據。以下圖4為SEM圖像示例，顯示局部區域組成的EDS數據則載于表2。
表2A–E：Ti合金樣品表面局部區域組成的EDS分析數據，其中Kα為X射線測量值，σ為%wt濃度數據的標準偏差：A）對照樣品；B）碳酸氫鹽噴射拋光樣品；C）四環素處理樣品；D）超聲處理樣品；E）光動力學療法處理樣品。
粗糙度結果：
粗糙度分析側重于以CM獲得的Ti合金樣品數據，CM可測定三個重要的3D粗糙度參數值： Sa、Sq及Sdar。這些數據示于下文表3。
對拍攝于對照樣品（未改性）兩處不同區域的AFM圖像進行初步分析，結果表明，如果表面非常粗糙，其不同小區域的粗糙度值可能差異較大，因此AFM并非用于大面積測量的實用技術，而本研究的這類樣品需要這種測量。
總結和結論：
目前臨床上使用的Ti合金*具有各種各樣的表面特性（包括結構特征和化學性質）。上述表面改性保留種植體的關鍵物理性質，只涉及其zui外層表面，zui終目標為實現所需的生物反應。以上介紹了不同物理化學、物理和化學表面改性方法的優劣。這些方法將幫助我們更好地了解種植體材料表面改性如何影響骨-種植體界面，以及如何在成功治療種植體周圍炎（種植體周圍牙質組織感染）后的愈合過程中影響種植體骨整合優化方法的制定。目前尚未*清楚表面粗糙度和化學性質對骨整合的影響程度。具有臨床效果的理想粗糙度仍是個未知數[20–23]。
對于用四環素和光動力學療法改性的樣品，其形態受到鈦合金析出的金屬間顆粒化學侵蝕的影響。對于用噴射拋光和超聲處理改性的樣品，機理主要與力學相關。噴射拋光和光動力學療法處理樣品的表面粗糙度與對照樣品相似（基于Sa、Sq和Sdar值）。超聲和四環素處理樣品的表面粗糙度低于對照樣品。事實上，超聲處理可使表面明顯變得平坦。
碳酸氫鹽噴射拋光樣品的污染程度zui大（鹽殘留），其次為四環素和光動力學療法處理樣品，超聲處理樣品污染zui少。由于接觸到鹽（碳酸氫鹽）或化合物（四環素或甲苯胺藍），噴射拋光、四環素及光動力學療法處理的Ti合金樣品污染程度zui大，這是顯而易見的。超聲處理的樣品與對照樣品一樣潔凈，或比對照樣品潔凈，不過也存在少量的鐵（Fe），這些鐵可能來自超聲處理所用的鋼探頭。
可以通過合理使用這些牙科處理方法，zui大可能提高種植體周圍炎愈合過程Ti合金種植體與骨結合的概率。也許可以先使用光動力學療法或碳酸氫鹽噴射拋光（頻率較低，比如20kHz，功率亦較低）維持種植體的表面粗糙度，然后施以短暫輕微的超聲處理，或可有效凈化表面。
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