钛及其合金因具有较好的机械性能、理化稳定性、生物相容性和与骨相似的弹性模量等,一直以来作为牙种植材料被广泛地应用于临床,被越来越多的牙列缺损或缺失患者接受。

牙科种植体的临床成功取决于骨结合,即牙槽骨与种植体表面之间的直接接触和功能连接。在骨结合的研究中,骨与种植体接触(bone-implantcon-tact,BIC)是常用的评估指标。BIC值的大小与种植体材料类型、表面性质(如表面形貌、化学组成、亲水性)、愈合时间等有着较大的关系。常规BIC值介于52%~78%,未达到理想的100%。可能的原因在于种植体在生产过程中其表面被大气碳化和有机污染,导致种植体在生产完成到植入牙槽骨期间发生生物学老化。此外,当存在糖尿病、骨质疏松等不利条件时,会对种植体骨结合产生负面影响,显著地降低BIC,降低种植体的成功率。因此,提高种植体的骨结合效率,提高牙种植体的成功率,减少种植体周围炎和种植体周围黏膜炎的发生十分必要。

近年来,许多学者将研究方向集中于钛表面改性,通过改性后增加其表面的生物活性,从而提高骨结合和软组织愈合的效率。常用的钛表面改性方法有喷砂、酸蚀、阳极氧化、活性物质涂层、基因涂层、化学气相涂层等。各种改性方法在一定程度上都促进了钛种植体与牙槽骨之间的骨结合,提高了BIC值,所以钛表面改性对增加种植体的骨结合效率具有积极作用。

近年来,低温等离子体技术引起了广泛的关注,它为材料表面改性提供了一种简单、有用且方便的方法。许多学者将其应用于钛种植体表面改性,大量的体外实验证明了低温等离子体改性钛表面后可以提高骨结合细胞的生物学性能,减少细菌的定植。此外,相关体内实验已证实低温等离子体改性的钛种植体表面显著提高了BIC值,加速了种植体周围新骨的形成。因此,低温等离子体改性钛表面可以提高种植体的骨结合,减少种植的失败。

低温等离子体概述

等离子体是继固态、液态、气态之后物质的第四种状态,是一种具有高位能的电中性气体团。当气体电离度小于1%时,被称为低温等离子体,含有大量的中性原子、离子、分子及自由基等。

低温等离子体是温度为数十电子伏以下的电离气体,其粒子能量为几个至几十个电子伏特,大于材料的结合键能,所以可破坏材料表面有机大分子的化学键而形成新键,对材料产生表面改性作用。除材料改性外,它还具有消毒灭菌、牙齿美白、杀灭癌细胞、增强粘接、促进血液凝结等作用。因此,在口腔医学领域,低温等离子体逐渐受到许多学者的青睐,被广泛地应用于如牙齿美白、抑制口腔致病菌、根管消毒与灭菌、牙本质与修复体粘接等。

而在牙科植入物领域,由于低温等离子体对材料改性的能力,被研究者应用于钛种植体表面改性。通过影响钛表面的物理、化学和生物性质,提升其生物活性及生物相容性,进而改善种植体骨结合过程,促进种植体的成功。

低温等离子体对钛表面性质的影响

表面元素组成

用于牙科植入物的钛材料,主要由钛(Ti)、碳(C)、氧(O)、氢(H)、氮(N)等元素组成。在生产过程中由于空气的污染,常导致钛表面形成过多的C-C与C-H键。生物医用材料表面碳水化合物中C-C与C-H键的存在会影响材料的表面能,导致其亲水性发生改变。研究表明:降低生物材料表面的碳百分比能够促进材料植入过程中细胞黏附和成骨分化，而碳含量过高时会对细胞活力产生负面影响。

等离子体处理可以增强钛表面的O含量，降低C含量。其主要原因在于等离子体中具有高能量的电离物质破坏了钛表面C-C和C-H中的化学键，重新形成了有利于亲水性的O-H键，从而提高材料的表面能。

接触角

低温等离子处理能够增强钛表面的亲水性与表面能,降低钛表面的水接触角。亲水性的增加有利于骨整合早期阶段中单核细胞的黏附、血小板的激活和血凝块的形成,同时还能显著地促进成骨与血管生成相关基因的表达,诱导更快的骨-种植体接触。低温等离子体处理使钛表面疏水性表面转变为亲水性表面,导致接触角降低。主要是由于高能量的低温等离子体成分(如活性氧、羟基等多种活性自由基)裂解了钛表面部分原有官能团,形成了新的亲水性功能基团,从而提高钛表面的亲水性。

等离子处理后钛种植体表面亲水性观察

低温等离子体可以清除钛种植体材料表面碳氢化合物杂质,提升材料表面的亲水性,使材料表面变得有利于成骨细胞的附着、增殖和分化。