牙種植體骨界面多尺度下的模擬構(gòu)建及力學(xué)耦合.pdf

1、過去二十年,無疑是口腔種植技術(shù)迅猛發(fā)展的黃金期。種植牙已成為目前最理想和最重要的缺牙修復(fù)方式,越來越被廣大缺牙患者所接受。然而在臨床工作中,仍然有許多局部和全身因素會(huì)導(dǎo)致種植失敗的發(fā)生,如骨質(zhì)疏松、咬合負(fù)載過重、吸煙、糖尿病、牙周炎、自身免疫疾病等。在影響種植牙失敗的諸多因素中,種植體周圍發(fā)生細(xì)菌微生物引起的種植體周圍炎和種植體周圍粘膜炎往往是種植失敗的主要原因。因此,牙種植體骨界面已成為種植體發(fā)生初期骨結(jié)合和種植成功的關(guān)鍵。同時(shí),通過

2、牙種植體骨界面的表面改性和修飾來促進(jìn)種植體骨結(jié)合一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本課題正是基于這一現(xiàn)狀,受生物活性功能界面仿生學(xué)的啟發(fā),擬在牙種植體骨界面上多尺度下模擬構(gòu)建出與自然牙槽骨組織相似的等級(jí)排列的微納復(fù)合結(jié)構(gòu),從而使種植體獲得更好的表面性能、親水性、生物相容性、力學(xué)耦合,更有利于牙種植體發(fā)生初期骨結(jié)合,為臨床上進(jìn)一步提高種植牙成功率提供了新的思路和理論依據(jù)。
　　研究目的:
　　通過病理切片、SEM、AFM等多元

3、化手段分析Wistar大鼠牙槽骨組織中微米級(jí)單位(哈弗氏管)和納米級(jí)單位(膠原原纖維)的大小及各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),得到體外牙種植體骨界面模擬構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)和自然參考模型。
　　采用特定濃度下的雙元酸處理和恒電位三電極氧化技術(shù)在體外Ti種植體表面模擬構(gòu)建出與自然牙槽骨相似的等級(jí)排列的微納復(fù)合結(jié)構(gòu),并對(duì)三種不同的Ti種植體骨界面(機(jī)械平滑面、微米級(jí)界面、微納復(fù)合界面)作SEM、XRD、XPS等分析,比較三種不同Ti種植體骨界面表面特征及性狀的

4、差異;通過AFM觀察分析三種不同Ti種植體骨界面的形貌差異及表面三維立體結(jié)構(gòu)的差異;利用AFM的Tip動(dòng)態(tài)掃描并力學(xué)耦合三種不同的Ti種植體骨界面,通過對(duì)三種不同表面接觸力曲線的動(dòng)態(tài)研究,比較三種不同的Ti種植體骨界面粘附功及力學(xué)性能的差異;用水接觸角測(cè)量?jī)x分析微納復(fù)合構(gòu)建后界面親水性的變化。
　　在體外通過SBF浸泡實(shí)驗(yàn),觀察三種不同的Ti種植體骨界面生物學(xué)活性和生物相容性的差異;分別在三種不同的Ti種植體表面作成骨細(xì)胞粘附培養(yǎng)

5、,用 SEM、AFM動(dòng)態(tài)觀察成骨細(xì)胞的粘附情況,通過熒光顯微鏡在相同培養(yǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的成像及細(xì)胞計(jì)數(shù),比較分析三種不同Ti種植體骨界面成骨細(xì)胞生物學(xué)行為和骨誘導(dǎo)性的差異。
　　實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果:
　　實(shí)驗(yàn)一:
　　方法:將9周齡大的Wistar大鼠在腹膜內(nèi)注射下麻醉,用環(huán)形取骨鉆(配0.9％的無菌生理鹽水沖洗降溫)在大鼠左側(cè)下頜角中心部位區(qū)取下一直徑約為3mm的圓形骨塊,置于10%的福爾馬林溶液于4℃固定一周,然后修整標(biāo)本

6、邊緣制樣、包埋,制備30μm厚的不脫鈣硬組織切片,HE染色后用SEM、AFM觀察分析其中微米級(jí)單位(哈弗氏管)和納米級(jí)單位(膠原原纖維)的大小及各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
　　結(jié)果:
　　(1) Wistar大鼠自然牙槽骨中的微米級(jí)單位(即哈弗氏管)的大小在直徑0.5-2μm的范圍內(nèi),SEM、AFM觀察下顯示為微坑狀有序排列的結(jié)構(gòu)。
　　(2) Wistar大鼠自然牙槽骨中的納米級(jí)單位(即膠原原纖維)的大小在直徑60-80nm的

7、范圍內(nèi),SEM觀察下顯示為向一個(gè)固定方向延伸的似電紡絲樣的結(jié)構(gòu),AFM觀察下顯示這些納米級(jí)的膠原原纖維有序的嵌入了微米級(jí)的坑狀結(jié)構(gòu)中。
　　實(shí)驗(yàn)二:
　　方法:利用預(yù)先配置的特定濃度的HNO3和HF對(duì)Ti種植體表面作雙元酸處理獲得微米級(jí)結(jié)構(gòu),然后在此微米級(jí)結(jié)構(gòu)表面通過恒電位三電極氧化技術(shù)構(gòu)建垂直排列的TiO2納米管,這樣就得到了等級(jí)排列的微納復(fù)合界面。通過SEM、AFM觀察分析微納復(fù)合界面較機(jī)械平滑面、微米級(jí)界面的形態(tài)學(xué)差異

8、,TiO2納米管及微坑狀結(jié)構(gòu)的大小、各自特點(diǎn)。利用AFM區(qū)域掃描分析三種不同Ti種植體骨界面(機(jī)械平滑面、微米級(jí)界面、微納復(fù)合界面)表面粗糙度、平均峰谷高度的差異,利用AFM的Tip動(dòng)態(tài)掃描及力學(xué)耦合分析三種不同Ti種植體骨界面粘附功及表面力學(xué)性能的差異。利用XRD、XPS分析Ti種植體骨界面微納復(fù)合模擬構(gòu)建后表面成分及元素的變化。利用靜態(tài)水接觸角測(cè)量?jī)x分析三種不同Ti種植體骨界面親水性的差異。
　　結(jié)果:
　　(1)本研究

9、構(gòu)建了一層厚度約為200nm的垂直排列的TiO2納米管嵌入微米級(jí)的坑狀結(jié)構(gòu)中,直徑在30-50nm,與大鼠自然牙槽骨的膠原原纖維(納米級(jí)單位,直徑在60-80nm)大小接近。
　　(2)三種不同 Ti種植體骨界面表面粗糙度、平均峰谷高度均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(機(jī)械平滑面<微米級(jí)界面<微納復(fù)合界面),三種不同Ti種植體骨界面的親水性有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(微納復(fù)合界面>微米級(jí)界面>機(jī)械平滑面)。
　　(3) XR

10、D曲線分析顯示三種不同Ti種植體骨界面上礦化晶體結(jié)構(gòu)有明顯差異,其中TiO2、TiC的晶體峰差異明顯;XPS分析顯示三種不同界面的Ti、O元素峰有顯著性差異(Ti元素:機(jī)械平滑面>微米級(jí)界面>微納復(fù)合界面,O元素:機(jī)械平滑面<微米級(jí)界面<微納復(fù)合界面)。
　　(4) AFM上部Tip的動(dòng)態(tài)掃描顯示,三種不同Ti種植體骨界面的表面接觸力曲線有顯著差異,粘附功對(duì)比有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(微納復(fù)合界面<微米級(jí)界面<機(jī)械平滑面)。<

11、br>　　實(shí)驗(yàn)三:
　　方法:將具有三種不同界面結(jié)構(gòu)的厚度為1mm的純Ti片分別置于SBF中浸泡7天、14天,利用 SEM觀察表面礦物質(zhì)沉淀情況的差異,并用 XPS、拉曼光譜分析證實(shí)該表面礦物質(zhì)的HA樣類似物的性質(zhì)。將單位面積數(shù)量相等的成骨細(xì)胞接種、培養(yǎng)于具有三種不同界面結(jié)構(gòu)的純Ti片(邊長(zhǎng)為10mm,厚度為1mm)上,分別用SEM及 Bio-AFM觀察成骨細(xì)胞在2h、24h、48h后粘附狀況的差異;然后在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上用PBS沖

12、洗掉每個(gè)樣品上未粘附的成骨細(xì)胞,用DAPI染色固定,利用熒光顯微鏡成像及細(xì)胞計(jì)數(shù),比較分析三組樣本在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上細(xì)胞粘附數(shù)量的差異。
　　結(jié)果:
　　(1) SBF浸泡14天后顯示,三組樣品表面礦物質(zhì)沉淀情況有顯著差異。機(jī)械平滑面上幾乎看不見礦物質(zhì)沉淀,微米級(jí)界面上可見一些小的、顆粒狀散在分布的礦物質(zhì)沉淀,而微納復(fù)合界面上可見一層均勻一致的大的、球狀顆粒物組成的礦物質(zhì)沉淀層。拉曼光譜和XPS分析證實(shí)該礦物質(zhì)沉淀物為HA樣物

13、質(zhì)。
　　(2) SEM和AFM觀察分析顯示三組不同樣品在成骨細(xì)胞粘附培養(yǎng)2h、24h、48h后有顯著性差異。機(jī)械平滑面上可見稀少的線狀偽足粘附,微米級(jí)界面上可見一些的多邊形細(xì)胞偽足粘附,而微納復(fù)合界面可見大量的細(xì)胞核和細(xì)胞偽足同時(shí)更緊密的粘附。
　　(3)在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上(即細(xì)胞培養(yǎng)粘附2h、24h、48h后),三組不同樣品表面熒光顯微細(xì)胞計(jì)數(shù)顯示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(機(jī)械平滑面<微米級(jí)界面<微納復(fù)合界面)。

14、>　　研究結(jié)論:
　　(1)本研究得到了大鼠自然牙槽骨中微米級(jí)單位(哈弗氏管)和納米級(jí)單位(膠原原纖維)的大小及各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),證實(shí)了多尺度結(jié)構(gòu)的存在和有序排列。
　　(2)本研究用特定濃度下的雙元酸處理和恒電位三電極氧化技術(shù)在體外Ti種植體表面模擬構(gòu)建出了與自然牙槽骨相似的等級(jí)排列的微納復(fù)合結(jié)構(gòu),該技術(shù)簡(jiǎn)單易行、安全可靠、效果良好,適于下一步應(yīng)用于臨床研究和推廣。
　　(3)這種多尺度下模擬構(gòu)建的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)可以使T