史洋 謝志堅(jiān)（通訊作者）

（1 浙江大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 浙江 杭州 310058）

（2 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院 浙江 杭州 310006）

近些年，種植義齒已經(jīng)逐漸成為牙體缺失的主要治療方法，然而，由于失去了牙周膜的緩沖作用，咀嚼應(yīng)力直接傳遞至種植體周圍骨組織，造成不必要的損傷，也會(huì)因植入物的彈性模量與周圍骨組織不匹配，使周圍骨組織不能承受正常負(fù)荷，導(dǎo)致骨重建不能，最后造成骨質(zhì)疏松，即應(yīng)力屏蔽[1]。如今使用的純鈦種植體，由于無法模擬類似人體骨組織由內(nèi)而外的連續(xù)性復(fù)雜變化，因此在植入體內(nèi)后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽等問題，最后造成骨吸收，最常見的種植體失敗就是種植體周圍骨形成不足或骨的質(zhì)量較差導(dǎo)致的。如何獲得一種既能獲得良好的生物相容性和機(jī)械性能，又能充分模擬人體骨在成分及性能上由內(nèi)而外的連續(xù)性逐漸變化的材料，已經(jīng)成為目前的研究方向。1984年，由日本學(xué)者新野正之、平景敏雄等首次提出功能階梯材料（FGM）概念，并運(yùn)用于航空領(lǐng)域。它是一種非均質(zhì)的生物材料，由生物陶瓷和生物金屬構(gòu)成，由于其組成和結(jié)構(gòu)在空間上連續(xù)變化，使得性能和功能如彈性模量等也得到連續(xù)變化[2]。正如很多天然組織器官也是非均一材料，它們的結(jié)構(gòu)也展現(xiàn)出了一定的功能梯度性，如人的皮膚、骨骼、牙齒等，因此為了創(chuàng)造一個(gè)自然的功能性，牙種植體材料必須是FGM才能更好的發(fā)揮功能。正因?yàn)镕GM的優(yōu)良性能可適應(yīng)復(fù)雜的口內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)均質(zhì)材料所不能達(dá)到的功能，近些年漸漸被引入口腔種植領(lǐng)域。如今所公認(rèn)的，F(xiàn)GM的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）減少對(duì)周圍骨組織的應(yīng)力屏蔽；（2）提高和周圍骨組織的生物相容性；（3）迎合不同區(qū)域骨組織生物相容性的需要。

如今，許多學(xué)者根據(jù)這類材料的構(gòu)成原理，探索著多種功能梯度形式，目前主要集中在以下幾方面：1.材料整體梯度設(shè)計(jì)；2.材料的梯度涂層設(shè)計(jì)；3.材料表面的多孔化梯度處理。本篇綜述將從這幾方面討論功能梯度種植體的最新研究進(jìn)展。

1.種植體材料的整體梯度設(shè)計(jì)

1.1 軸向梯度設(shè)計(jì)

很多學(xué)者研究了軸向變化的FGM種植體，即種植體的彈性模量從頸部向尖端逐漸整體降低。Daniel Lin等設(shè)計(jì)了5種呈冪次定律梯度變化的Ti-HAP/Col FGM種植體與純鈦種植體比較，發(fā)現(xiàn)FGM種植體周圍應(yīng)力分布更為均勻，周圍骨組織生長(zhǎng)更快，骨重建更多，對(duì)皮質(zhì)骨的應(yīng)力更低，且有更多應(yīng)力傳遞至松質(zhì)骨，降低了應(yīng)力屏蔽，從而促進(jìn)骨結(jié)合，尤以高HAP/Col者更為顯著，但是當(dāng)HAP/Col含量太高時(shí)，降低了材料的整體強(qiáng)度，對(duì)周圍骨的應(yīng)力明顯增加，并產(chǎn)生了一定程度的垂直向移位，更多咀嚼力傳遞至周圍骨組織，使其在植入初期過負(fù)荷，產(chǎn)生微骨折，所以在獲得最有利于骨重建的HAP/Col比例時(shí)，并非同時(shí)獲得最有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定的最佳強(qiáng)度。因此他們探索并提出了一個(gè)最佳參數(shù)及設(shè)計(jì)方案，兼顧機(jī)械強(qiáng)度和骨結(jié)合，調(diào)節(jié)參數(shù)m，他們認(rèn)為臨床上應(yīng)根據(jù)患者的需要，權(quán)衡兼顧兩者，充分考慮各因素，獲得個(gè)性化最佳設(shè)計(jì)方案。Hedia等也設(shè)計(jì)了Ti-HAP/Col FGM種植體，從頭部的純鈦漸變?yōu)榈撞康募僅AP/Col，同樣的方法進(jìn)行力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)Ti-HAP/Col FGM種植體在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨上的最大應(yīng)力較純鈦種植體分別降低了40% 和19%，有效減少甚至防止骨組織發(fā)生微斷裂和疲勞失敗，進(jìn)一步防止后期骨吸收。

孫健等也設(shè)計(jì)了按長(zhǎng)軸方向分為8層的Ti-HAP FGM種植體，從頭部到底部的彈性模量分別按線性、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)變化，分析發(fā)現(xiàn)FGM種植體表面應(yīng)力及骨界面應(yīng)力均明顯下降，且以指數(shù)函數(shù)變化組最為顯著，提示在設(shè)計(jì)FGM種植體時(shí)，上半部分應(yīng)注重受力，保證鈦含量，下半部分可適當(dāng)增加HAP含量以降低彈性模量，減少應(yīng)力，促進(jìn)早期骨愈合與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

1.2 半徑向及軸向半徑向梯度設(shè)計(jì)

H.Asgharzadeh Shirazi等設(shè)計(jì)了2種半徑向Ti-HAFGM種植體，從中心的鈦核心至最外層HA可被分為20層漸變層，漸變方式分別為拋物線型和指數(shù)型，從而構(gòu)建半徑向變化的彈性模量，以純鈦種植體和HA涂層的鈦種植體為對(duì)照組，建立三維有限元模型并分析應(yīng)力分布，結(jié)果表明2種FGM種植體均能有效降低界面最大應(yīng)力（拋物線型稍優(yōu)于指數(shù)型），減少周圍骨組織的微斷裂；同時(shí)增加了周圍骨組織的應(yīng)力，避免了因應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松。此外，這種功能梯度的漸變方式也避免了傳統(tǒng)HA涂層種植體的涂層斷裂、脫落問題。

2.種植體材料的梯度涂層設(shè)計(jì)

如今較多種植體采用HA涂層，以提高生物相容性，促進(jìn)骨結(jié)合，從而增加機(jī)械性能。但Ti-HA界面存在較大的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)合強(qiáng)度差，易開裂，最后導(dǎo)致生物相容性及生物力學(xué)問題。而Ti-HA梯度涂層的出現(xiàn)可以有效解決該問題，通過將緩沖薄層加入到在Ti基體與HA涂層之間，實(shí)現(xiàn)其成分、結(jié)構(gòu)及性能的逐漸過渡，有效減輕因Ti和HA熱膨脹系數(shù)差異過大而造成的內(nèi)應(yīng)力。

Hassan S.Hedia等人通過使用TI-Col涂層（即外層為鈦，內(nèi)層為膠原），設(shè)計(jì)了2種方式的軸向梯度變化涂層，通過有限元分析應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)的Col、HA涂層相比最大應(yīng)力分別減少16%、13%；使用TI-HA涂層，（即外層為鈦，內(nèi)層為HA），和傳統(tǒng)的Col、HA涂層相比最大應(yīng)力分別減少8%、5%，同時(shí)該涂層方式彈性模量和周圍骨相近，避免了應(yīng)力屏蔽。此外，他們還發(fā)現(xiàn)隨著涂層厚度增加，對(duì)皮質(zhì)骨的應(yīng)力逐漸減少，150μm為最佳厚度。萬澎波等應(yīng)用低溫?zé)Y(jié)技術(shù)在鈦種植體表面形成厚度約120μm梯度涂層，其底層為生物活性玻璃，中間層是以一定比例混合HA與生物活性玻璃的復(fù)合物，表層是HA。和無涂層的種植體相比，新生骨生長(zhǎng)與成熟的速度明顯加快，新生骨組織更加規(guī)則致密。將生物玻璃和HA梯度混合，制成的梯度涂層與鈦合金之間的界面能顯著降低，膨脹系數(shù)與鈦基底相近，結(jié)合強(qiáng)度高，表面的HA也與機(jī)體組織也有較強(qiáng)的親和力。

3.種植體表面的多孔化梯度設(shè)計(jì)

種植體表面的多孔形態(tài)能促進(jìn)早期骨細(xì)胞的附著，有利于新骨形成，故許多學(xué)者致力于研究小孔的最佳大小、分布、密度等，此外也可通過小孔調(diào)節(jié)過高的彈性模量，既能滿足機(jī)械性能的需要，又能促進(jìn)骨結(jié)合。Y.Torres等通過粉末冶金技術(shù)、space-holder技術(shù)和新型壓縮設(shè)備，利用鈦粉末和NaCl制成半徑向多孔梯度牙種植體，由內(nèi)而外共三層，每層孔率與孔徑逐漸增大，分布均勻，從而獲得良好的機(jī)械性能的牙種植體，彈性模量（約26GPa）接近骨組織，有效減少應(yīng)力屏蔽，且外層大小合適的孔徑能有效引導(dǎo)骨組織的長(zhǎng)入，提高骨結(jié)合。Paul I.Ichim等設(shè)計(jì)制造出以鋯-HA混合物為核心，彈性模量（約110GPa）和純鈦種植體相近，并設(shè)計(jì)了不同彈性模量的內(nèi)外鋯-HA多孔涂層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)、外層彈性模量分別為110GPa、45 GPa，每層100μm厚時(shí)，最大應(yīng)力、平均應(yīng)力達(dá)到最小，從而提出控制外層的彈性模量最關(guān)鍵，最佳值為45GPa，此時(shí)界面的緩沖能力最強(qiáng)。孫健等人將鈦粉末和HA粉末通過3D打印技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)打印成種植體，上半部分為純鈦，下半部分為80%鈦粉和20%HA，經(jīng)過燒結(jié)后在表面形成50～150μm小孔，形成的強(qiáng)度約為184.3MPa，該表面結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有利于骨細(xì)胞的長(zhǎng)入、增值分化。LinWeiShao等人通過直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）制備多孔梯度Ti-6Al-4V種植體，發(fā)現(xiàn)通過170W激光強(qiáng)度燒結(jié)形成0.35mm表面層，43W激光強(qiáng)度燒結(jié)核心，形成的種植體彈性模量最低（約35GPa），最接近骨組織，有效減小了應(yīng)力屏蔽。

4.總結(jié)

FGM種植體相較于鈦種植體的優(yōu)勢(shì)是明確的，不僅能降低最大應(yīng)力，還能使應(yīng)力均勻分布，避免應(yīng)力屏蔽，此外，具體的FGM設(shè)計(jì)方案需根據(jù)具體梯度材料種類和患者實(shí)際情況來決定，然而對(duì)FGM種植體的研究尚停留于實(shí)驗(yàn)室階段，昂貴的價(jià)格是限制這一潛力材料發(fā)展的主要原因，所以制作工藝的深入研究及成本的降低將會(huì)是接下來的研究重點(diǎn)，只要克服這一點(diǎn)，F(xiàn)GM種植體將會(huì)很快廣泛應(yīng)用于臨床。