氧化加碱处理Ti?24Nb?4Zr?7.9Sn合金表面的生物相容性研究
【摘要】 目的：检测氧化加碱处理的Ti?24Nb?4Zr?7.9Sn合金表面的生物相容性。方法：对具有自主知识产权的Ti?24Nb?4Zr?7.9Sn (TNZS)亚稳β型超低模量钛合金和纯钛（以下简称CpTi），采用独立开发的氧化加碱处理方法进行表面处理，通过体外模拟实验和体内植入实验对材料生物相容性进行检测。结果：X射线衍射分析结果表明，在模拟人体体液(SBF)和快速生物活性鉴别液(FCS)中浸泡的氧化加碱处理TNZS表面形成骨样羟基磷灰石层，在SBF中浸泡后的氧化加碱处理TNZS表面生成的物质很薄。TNZS和CpTi二种材料表面处理组的直接骨结合率两者没有显著性差异（P>0.05），未表面处理组直接骨结合率两者也没有显著性差异（P>0.05）；TNZS和CpTi二种材料的表面处理组和未表面处理组均有显著性差异（P<0.05）。结论：氧化加碱性活化方法是一种良好的钛合金表面处理方法。
【关键词】 钛合金 低模量 表面处理 生物相容性
一种好的种植材料不但应该拥有良好的生物相容性，还应该具备生物活性[1]。对于种植体而言，种植表面最好能诱导骨的形成并能与骨组织产生化学结合，而不仅仅是物理上的紧密接触。虽然等离子喷涂的羟基磷灰石（HA）涂层已在临床上普遍应用，但从以往种植失败的病例看，HA涂层种植体的远期疗效令人质疑。本研究将对具有自主知识产权的亚稳β型低模量Ti?24Nb?4Zr?7.9Sn（TNZS）合金[2]采用独立开发的氧化加碱处理方法进行表面处理[3?4]，通过体外实验和体内实验对材料生物相容性进行检测，从而确定适合TNZS合金的表面处理条件，为进一步优化表面处理工艺提供指导，为该合金的临床应用提供理论依据，最终达到提高种植义齿的成功率、拓宽种植义齿临床使用范围的目的。
1材料和方法
1.1 材料
10 mm×10 mm×2 mm厚的TNZS小长方体试样,直径3.3 mm、长6 mm的圆柱形TNZS和 CpTi种植体试样(院金属研究所钛合金研究部提供)。成年日本大耳白兔20只（中国医科大学实验动物部提供）。甲苯氨蓝，光固化树脂液（TEC7200，Heraeus），JSM?6301F型扫描电镜，薄膜X射线衍射分析仪（XRD），能谱分析仪（EDS）,牙科种植机(Dental Unit DSC 1.400),普通X光机,硬组织切片机（EXAKT，Germany），磨片机（EXAKT，Germany），光学显微镜（Olympus BX41）,图像分析仪（Meta Morph/DP10/BX41,UIC/Olympus）。
1.2 方法
1.2.1 氧化加碱处理 试样经超声波清洗20 min，丙酮溶液中超声波清洗20 min，70%乙醇溶液中清洗20 min，蒸馏水溶液中清洗15 min后在空气中400 ℃氧化处理24 h，然后对氧化处理后的试样进行碱处理，过程如下：将试样在60 ℃的NaOH（10 mol·L-1）溶液中浸泡24 h，取出试样后在蒸馏水中轻轻清洗，40 ℃的空气中烘干24 h。烘干后的试样放在电阻炉中以5 ℃·min-1的升温速率升到600 ℃,保温1 h，最后炉冷到室温。
1.2.2 检测仿生液浸泡过的活化合金表面 将经氧化加碱性活化方法处理好的TNZS小长方体试样在两种仿生液中浸泡，一种是模拟人体体液(simulated body fluid，SBF)，另一种是快速生物活性鉴别液(fast calcification solution，FCS)，两种溶液所含的离子浓度以及与人体血浆离子浓度的对比见表1。每个试样在两种仿生溶液中浸泡2 4周，浸泡后将试样用蒸馏水轻轻冲洗，在50 ℃的空气中烘干24 h。浸泡实验在培养箱中进行。表13种溶液所含离子浓度mmol·L-1
溶液c(Na+)c(K+)c(Mg2+)c(Ca2+)c(Cl-)c(HPO2-4)c(SO2-4)c(HCO2-3)血浆142.05.01.52.5103.01.00.527.0SBF142.05.01.52.5148.81.00.54.2FCS137.03.7-3.1145.01.9--
浸泡合金表面的形貌及成分用JSM?6301F型扫描电镜进行观察，用EDS分析生成物的元素成分，用X射线衍射相分析方法来鉴定相的组成。
1.2.3 检测表面活化处理后种植体与骨界面结合情况 取兔，称质量，用10％水合氯醛麻醉。将兔仰卧固定于兔台，备皮，消毒术区，常规铺巾。切开兔左股骨区皮肤，钝性分离肌肉，暴露股骨中下段，使用牙科种植机制备Φ 3.3 mm的植入骨腔2个，相距约1.5 cm，钻磨速度<1 200 r·min-1,术中不断滴注生理盐水冷却，然后将两种种植体分别置于孔中，使用器械柄轻敲就位，庆大霉素8万U冲洗，生理盐水冲洗，逐层严密缝合伤口。术后动物肌肉注射庆大霉素8万U·d-1,共 4 d。植入试样分别为TNZS表面处理、TNZS未处理、CpTi表面处理、CpTi未处理，各5个。
动物于术后3个月处死，沿原手术路径完整取出双侧股骨，剔除表面肌肉组织，摄X光片。取含种植体的股骨标本放入福尔马林（pH 7.2）中固定。1周后分切种植体，再用福尔马林（pH 7.2）固定1周，每组种植体任选3个乙醇梯度脱水,光固化树脂液中梯度浸透、包埋、固化。用硬组织切片机将种植体纵向切片，厚度约30 μm，再用磨片机磨片至10 μm，然后以甲苯氨蓝染色。光学显微镜观察种植体骨界面骨形成情况。
采用机辅助图像处理系统，对已作形态学观察的组织磨片定量分析3个月不同材料直接骨性结合率（direct contact length fraction,DCLF）。每个标本3张切片，取其平均值。直接骨性结合率（DCLF）＝骨与种植体直接接触的长度/种植体的长度×100％。
1.3 统计学处理
实验结果用SPSS 10.0处理，单因素方差统计分析，P<0.05表示具有统计学差异。
2 结 果
2.1 对氧化加碱处理TNZS表面的检测结果
将TNZS放在两种仿生溶液中浸泡一段时间后，合金表面有不同形态的物质生成。在FCS溶液中浸泡后，合金表面的生成物为片状（图1a），而在SBF溶液中浸泡后，合金表面有大量球状沉淀生成（图2a）。EDS分析结果表明生成物主要包含Ca、P、O元素（图1b、2b）。X射线衍射分析结果（图3）表明，在两种溶液中浸泡后合金表面的生成物主要为磷酸钙。
2.2 大体标本观察
分别处死动物，逐一观察大体标本，见所有带有种植体的后腿区的外表无异常，软组织弹性良好。切开观察见股骨周围肌肉组织无萎缩，色泽正常，股骨表面骨膜覆盖穿透皮质骨的部分钛合金种植体顶端被骨组织覆盖。所有种植体均无脱出或松动，剥离骨膜，暴露部分种植体顶端，见种植体顶端表面无锈蚀，光泽度较好。各个大体标本肉眼比较显示，TNZS合金与经氧化加碱处理的TNZS合金种植区未发现明显差异。
2.3 X线摄片检查
结果发现，各个种植体与骨组织界面及邻近骨组织均未见骨组织破坏吸收的低密度影。4种种植材料的股骨X线影像表现相似，均可见种植体穿透端皮质骨增厚，表现为皮质骨沿种植体表面伸入骨髓腔，密度均匀。
2.4 不脱钙切片观察
光学显微镜下观察种植后3个月的磨片，可见经过氧化加碱处理的TNZS和CpTi种植体周围骨组织边缘光整，无骨组织缺损，无巨噬细胞聚集，种植体—骨界面间无纤维结缔组织介入，种植体和骨组织结合紧密，新生骨基质多，骨细胞密集。而未经过表面处理的种植体—骨界面的结合不如经过表面处理的好。见图4、5。
2.5 骨结合率定量检测结果
TNZS和CpTi两种材料表面处理组直接骨结合率无显著性差异[分别为（87.41±7.85)%、（86.52±8.53）%,P>0.05],TNZS和CpTi两种材料未表面处理组直接骨结合率也无显著性差异[分别为（67.82±6.74)%、（67.47±7.13）%,P>0.05],TNZS和Cp Ti两种材料的表面处理组和未表面处理组均有显著性差异（均P<0.05）。
3讨 论
经过氧化加碱处理后的种植体浸入SBF和FCS中，一段时间后其表面能形成一层磷酸钙涂层。X射线衍射分析显示，在SBF中浸泡的TNZS比在FCS中浸泡的TNZS表面形成的物质薄且致密，可见表面处理后的TNZS在SBF中容易形成良好的结合，可简单模拟表面处理的TNZS进入人体后种植体骨周围发生的变化。关于该涂层的形成机制还不十分清楚，但大多数人认为溶液中晶核的形成是诱导磷酸钙涂层的关键[5]。一旦磷酸盐晶核形成，就能自发地从溶液吸附Ca2＋、PO3－4到其表面并进一步形成无数的晶核，最后在其表面形成薄层。该涂层厚度较薄（<20 μm），与基体之间有较强结合力（约20 MPa），更有利于骨整合。越来越多的报道认为，等离子喷涂方法制备HA涂层材料有以下不足：（1）涂层相对较厚，一般为40 100 μm，且涂层的构相不均匀；（2）涂层和金属基底的结合较弱；（3）较难控制材料的钙磷比。而最新的方法是通过仿生溶液生长法制备磷酸钙涂层[6?11]。对氧化处理后的TNZS低模量钛合金进行碱处理，在其合金表面形成了碱性钛酸盐，表面具有了生物活性。将经过碱处理后的合金在两种仿生溶液（SBF和FCS）中浸泡后，其表面有类似骨组织的磷酸钙生成。由此可见，氧化加碱处理方法是有效的钛合金表面处理方法。
本实验在成功进行体外模拟实验的基础上，对有无氧化加碱处理的TNZS和CpTi进行了长达3个月的兔股骨内种植的对比研究。从X线摄片结果看，不同材料的X线影像表现都极为相似，种植体与骨组织间没有低密度影，种植体一端的骨皮质沿种植体表面向髓质骨内长入，使髓腔缩小且密度均匀，这种表现有别于一般的慢性炎症反应。
因骨组织与钛种植体的硬度相差悬殊，使得应用普通方法制片困难。国内大多将种植体从骨块中取出，将骨脱钙、脱水、石蜡包埋制片以观察形态，这样破坏了种植体—骨界面原有的一些细微结构，难以观察，本研究采用不脱钙种植体切片[12]。结合不脱钙切片对长入髓腔的皮质骨观察，发现这些皮质骨与种植体紧密贴合，由骨基质和骨细胞构成。环绕于种植体的皮质骨可使骨组织与种植体间更紧密地结合，这表明骨组织对氧化加碱处理的TNZS合金有良好的生理反应，氧化加碱处理使种植体具有更好的种植体骨结合能力。
本实验对种植体骨界面采用长度来直接骨性结合率，可准确反映种植体周围新骨组织生长情况和骨性结合的程度。Rupprecht等[13]报道，微波化学原浆蒸气沉积涂层种植体DCLF最高可达62.9％。王国平等[14]报道，HA涂层种植体DCLF在3个月可达68％，生物陶瓷涂层种植体可达70％，钛合金可达64％。定量组织学为骨内种植体组织界面提供了一种实验研究方法。本实验在3个月时直接骨性结合率检测结果显示，经氧化加碱处理的各组材料的直接骨性结合率明显高于未表面处理组，最高值达到88.11％。由此可见，氧化加碱处理方法可以有效提高合金的表面活性。至于是否可以应用于临床，由于本课题动物实验样本相对较少，尚无法得出最后的结论。
自主开发的氧化加碱方法处理亚稳β型低模量TNZS合金表面后生物相容性良好，这将为进一步优化合金成分和表面处理工艺提供指导，为该合金的临床应用提供理论依据，最终达到提高种植义齿的成功率、拓宽种植义齿临床使用范围的目的。在此基础上，我们将对TNZS合金进行深入研究，以期使其成为一种新型的种植材料应用于临床。
【】
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