洪 光

（日本東北大學(xué)大學(xué)院齒學(xué)研究科口腔創(chuàng)新合作交流中心，仙臺，日本980-8575）

口腔種植體作為人工牙根用于種植義齒修復(fù)，已在口腔臨床上廣泛使用?？谇环N植體的10年存活率已達(dá)到96.4%，在口腔臨床的普及率也已大幅度提高。目前為止，鈦金屬依然是種植材料的首選材料，已在臨床上成功地使用了近60年。但是，對于牙齦較薄的患者，容易透出鈦金屬種植體的金屬顏色，而且，種植體植入以后的牙齦萎縮也會導(dǎo)致金屬外露，難以充分滿足個別患者對種植修復(fù)美觀性能的要求。還有一些學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，在鈦種植體周邊的淋巴組織中有鈦離子的沉積，并指出鈦金屬可能是某些人潛在的致敏源?；谝陨显?，無金屬全瓷口腔種植體成為研究的熱點，并且已有一些氧化鋯種植體上市用于臨床。第一代陶瓷種植體是氧化鋁種植體，在20世紀(jì)80年代在口腔種植體以及口腔外科手術(shù)領(lǐng)域使用，但因為其生物力學(xué)特性、斷裂韌性并不理想，長期存活率較低，繼而退出了市場。隨著氧化鋯材料的普及以及技術(shù)的成熟，其材料特性也得到不斷地改善與提高，目前，氧化鋯材料的強度可達(dá)到1 200 mPa以上，其斷裂韌性也提高到10 mPa·m，已在牙科冠橋修復(fù)領(lǐng)域廣泛使用。自1995年以來，氧化鋯材料因其卓越的機械性能以及出色的生物相容性，并具有牙齒顏色等優(yōu)點，作為潛在的種植材料受到關(guān)注，在種植體以及種植牙基臺中已開始使用。

由于有關(guān)氧化鋯種植體的研究還不多，且臨床觀察時間較短，仍需要更多的數(shù)據(jù)來探討氧化鋯種植體的可行性。本文將通過介紹氧化鋯材料的特征、各種表面改性方法、臨床使用注意事項及最新研究進(jìn)展等，來展望氧化鋯種植體的未來。

1 氧化鋯材料的分類及材料特性

氧化鋯是鋯的氧化物-二氧化鋯的通稱。氧化鋯在室溫條件下，呈現(xiàn)單斜晶系結(jié)構(gòu)，但隨著溫度升高，在1 170℃左右，呈現(xiàn)四方晶系結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度提高到2 370℃左右，氧化鋯就呈現(xiàn)立方晶系結(jié)構(gòu)。這個過程叫做“相變”，特別是從單斜相到四方相的相變過程當(dāng)中，會產(chǎn)生4%的體積收縮。四方相氧化鋯出現(xiàn)微裂紋的時候，裂紋周邊的結(jié)晶相會有應(yīng)力集中，進(jìn)而會導(dǎo)致四方相到單斜相的相變，這時候會產(chǎn)生體積膨脹，抑制裂紋的擴展，最終會加強材料本身的強度和韌性。這就是氧化鋯特有的“相變增韌”現(xiàn)象。利用這個相變增韌，讓氧化鋯具有更好的強度以及韌性。但是，四方相在常溫狀態(tài)下不穩(wěn)定，會導(dǎo)致低溫退化，也就是老化。為了讓四方相以及立方相在常溫下保持穩(wěn)定，在氧化鋯會添加少量氧化鈣或氧化釔等稀土類氧化物，形成固溶體，這樣的氧化鋯稱作穩(wěn)定化或者部分穩(wěn)定化氧化鋯。目前口腔臨床上使用最多的是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，特別是添加3mol%氧化釔（YO）的氧化鋯，在室溫下其四方相接近100%，稱作四方氧化鋯多晶體（Tetragonal Zirconia Polycrystal，3Y-TZP），從21世紀(jì)初開始在口腔修復(fù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。3Y-TZP也是現(xiàn)有的氧化鋯牙種植體的主要材料。

在1998年，Nawa等人開發(fā)了一種基于氧化鈰穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)氧化鋯/氧化鋁復(fù)合材料（NANOZR）。該復(fù)合材料由10 mol%的二氧化鈰（CeO）穩(wěn)定的TZP作為基體和30 vol%的AlO作為第二相組成。與3Y-TZP相比，NANOZR具有更高的強度和斷裂韌性，并且完全耐低溫退化，它的動態(tài)疲勞強度是3Y-TZP的兩倍以上，具有良好的機械性能，已在口腔臨床上開始應(yīng)用。作為種植體材料，氧化鋯和鈦相比，有其長處也有短處。氧化鋯在化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨耗性、顏色及強度方面比鈦優(yōu)秀，但是在韌性方面不如鈦。

2 氧化鋯種植體的表面改性及研究進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代末以來，因為具有較高的機械強度和良好的生物相容性，氧化鋯一直被用于髖關(guān)節(jié)股骨頭置換手術(shù)。 進(jìn)入21世紀(jì)后，氧化鋯作為潛在性口腔種植材料受到關(guān)注，體內(nèi)外實驗表明，3Y-TZP口腔種植體在細(xì)胞附著、細(xì)胞增殖和組織學(xué)反應(yīng)方面與鈦種植體相當(dāng)。和鈦種植體比較，氧化鋯種植體的骨-種植體接觸率（BIC）和鈦種植體沒有明顯的差異，在有些情況下，根據(jù)實驗動物以及實驗條件的不同，氧化鋯顯示出更好的BIC。而且，3Y-TZP種植體的靜態(tài)斷裂力在725 ～ 850 N之間，是臨床可接受的范圍。然而，3Y-TZP存在低溫退化（LTD）問題，從而會導(dǎo)致種植體的斷裂。此外，氧化鋁增韌氧化鋯（ATZ），氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA），氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯（Mg-PSZ）和氧化鋯/氧化鋁納米復(fù)合材料（NANOZR）也被視為潛在的口腔種植體材料。

眾所周知，材料表面形態(tài)，化學(xué)成分及表面粗糙度是影響生物材料表面新組織形成的主要因素?？谇环N植體表面改性會影響骨結(jié)合及材料的機械性能。因此，為了提高氧化鋯的生物活性及組織相容性，研究人員特別關(guān)注探索有效的氧化鋯表面改性方法。對氧化鋯的表面改性方法可分為物理處理方法、化學(xué)處理方法和涂層方法。

2.1 物理處理方法

物理處理方法可分為噴砂處理、激光處理以及紫外線照射。粗糙化的種植體材料表面可以有效促進(jìn)骨整合度。噴砂是一種獲得粗糙表面的最有效的方法之一，實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過噴砂處理的氧化鋯種植體的表面粗糙度明顯高于機械加工的氧化鋯種植體，而且隨著表面粗糙度的增加，骨-種植體接觸率（BIC）也提高。機械加工的氧化鋯種植體移除扭矩（RTQ）明顯低于多孔性氧化鋯種植體。然而，噴砂會導(dǎo)致材料表面的微裂紋，而且噴砂過程中的機械力會誘發(fā)LTD。所以，噴砂處理對于氧化鋯而言，弊大于利。

相比之下，激光處理是一種快速、清潔和易于操作的方法。激光在牙科的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代末，通過激光照射可以提高表面粗糙度也已得到證實。經(jīng)過激光處理的氧化鋯種植體的表面粗糙度有明顯提高，可以提高新骨的形成并可以提高骨-種植體界面的機械強度。此外，激光處理也可以提高氧化鋯表面的潤濕性，提高細(xì)胞的附著、增殖與分化，有助于加快氧化鋯的骨整合，而且研究表明，激光處理不會導(dǎo)致氧化鋯相變而影響其機械性能。從提高材料表面濕潤性的觀點來講，紫外線（UV）也是一種非常有用的方法。紫外線處理可以通過去除材料表面污染，以有效地提高氧化鋯表面的濕潤性。體內(nèi)試驗結(jié)果表明，經(jīng)過紫外線處理的氧化鋯種植體比未處理的氧化鋯種植體，可以促進(jìn)細(xì)胞的初期附著、伸展以及增殖，并可以促進(jìn)軟組織附著，在BIC以及骨量上也都有明顯的增加。

2.2 化學(xué)處理方法

氧化鋯的化學(xué)處理方法有酸蝕方法和電化學(xué)方法。酸蝕氧化鋯使用的酸主要有氫氟酸、硝酸和硫酸。氧化鋯酸蝕可以在不破壞材料的情況下，有效地達(dá)成表面粗糙化。由于酸蝕可以去除氧化鋯表面的殘留物包括噴砂處理后的殘留物，所以酸蝕通常與噴砂同時進(jìn)行，被稱為噴砂酸蝕處理（SLA）。SLA是一種有效的種植體表面處理方法，SLA氧化鋯種植體顯示出良好的成骨細(xì)胞增殖和分化，以及良好的BIC值。然而有些文獻(xiàn)顯示，熱處理和酸蝕有可能降低氧化鋯的抗彎強度，這表明SLA方法不太適合用于氧化鋯的表面處理。

電化學(xué)處理可以在鈦合金表面形成納米結(jié)構(gòu)，可以顯著改善骨整合和抗菌能力。然而，因為氧化鋯是非導(dǎo)電性材料，所以長期以來電化學(xué)處理方法未能有效地應(yīng)用在氧化鋯材料。2017年，可以從固體金屬氧化物中去除的電化學(xué)脫氧（ECD）技術(shù)解決了這個問題。通過ECD處理，氧化鋯表面呈現(xiàn)出良好的微孔結(jié)構(gòu)，接觸角降低，而且單斜相含量也略有下降。電化學(xué)處理技術(shù)也可以有效地在氧化鋯表面制造納米管。納米管具有藥物緩釋功能，有良好的機械性能以及生物相容性，作為嶄新的表面修飾方法受到關(guān)注。當(dāng)氧化鋯納米管浸泡在模擬體液中（SBF）30 d，在納米管表面形成羥基磷灰石，表明納米管具有良好的生物相容性。但由于氧化鋯的導(dǎo)電率不同，確定成熟的納米管成形方法需要進(jìn)一步的探討。

2.3 涂層方法

不同涂層方法也經(jīng)常被應(yīng)用于氧化鋯表面的改性，目的是改善表面性能以及生物活性。磷酸鈣（CaPO， CP）是一種具有生物活性的磷灰石，可以刺激骨修復(fù)，并加速細(xì)胞附著和增殖。在眾多的磷酸鈣中，羥基磷灰石（Ca（PO）（OH）， HA）是最穩(wěn)定并最不容易溶解的磷酸鈣之一。HA具有與骨相似的礦物成分，因此顯示出良好的生物活性，具有可以提高骨結(jié)合的能力。研究數(shù)據(jù)表明，HA涂層的氧化鋯比未涂層的氧化鋯有更多的新骨形成。然而，現(xiàn)有的氧化鋯磷酸鈣涂層技術(shù)具有涂層穩(wěn)定性差、和基底材料粘接強度低等缺點，為了克服這些缺點，一些填充材料，例如磷酸三鈣和氧化鋯粉，被添加到涂層中以提高涂層的強度。除了磷酸鈣涂層，還有生物玻璃（Bioglass）涂層，聚多巴胺（PDA）涂層，絲素蛋白涂層等多種方法。但生物玻璃涂層也存在缺乏長期穩(wěn)定性、機械性能不足、涂層脆弱等缺點，絲素蛋白涂層也需要提高涂層效率。所以上述這些涂層方法應(yīng)該是一個值得探索的方面，但目前都還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究和改良。此外，這些涂層不僅是將惰性氧化鋯轉(zhuǎn)化為生物活性材料，而且一些涂層還具有藥物緩釋作用，可以充當(dāng)藥物傳輸系統(tǒng)（Drug Delivery System，DDS）。

關(guān)于氧化鋯種植體的研究，主要針對材料表面改性的研究占大多數(shù)，其次是針對材料本身機械性能的改良。因為眾所周知，氧化鋯的斷裂韌性還不能充分滿足臨床使用上的標(biāo) 準(zhǔn)。

3 氧化鋯種植體的臨床使用

自1987年世界上首個氧化鋯種植體在瑞典開發(fā)并成功上市以來，以歐洲為中心，氧化鋯種植體慢慢普及。起初，氧化鋯種植體是以一體式為主流，但近年來分體式氧化鋯種植體也慢慢開始普及。氧化鋯種植體已被推薦用于口腔領(lǐng)域，但主要還是使用在前牙區(qū)。臨床病例匯報顯示，氧化鋯種植體的存活率在91.5%，明顯低于鈦種植體。雖然氧化鋯種植體的失敗大多數(shù)發(fā)生在早期愈合階段，種植體植入1年以后的存活率高于植入1年以內(nèi)的存活率，但不同的臨床研究結(jié)果之間存在著差異。

氧化鋯種植體的失敗主要來源于種植體本身的斷裂或破壞。一部分是在種植體植入中發(fā)生的斷裂，一部分是植入以后使用過程中的斷裂。斷裂的主要原因還是材料本身的內(nèi)部缺陷，表面微裂紋等為主，而且斷裂容易發(fā)生在又深又薄又尖銳的螺紋邊緣，這個地方容易被trephine鉆破壞。關(guān)于氧化鋯種植體邊緣骨缺失（Marginal Bone Loss），呈現(xiàn)出與鈦種植體相似或更好的結(jié)果，但也有一些文獻(xiàn)報道不如鈦種植體。關(guān)于氧化鋯種植體周邊軟組織，研究結(jié)果表明，氧化鋯種植體和基臺提供了一個非常好的種植體周圍軟組織界面。對氧化鋯周圍軟組織反應(yīng)與傳統(tǒng)的鈦相比，氧化鋯的愈合反應(yīng)更好，炎癥浸潤也更少。這可能是因為氧化鋯表面的細(xì)菌粘附性低于鈦的緣故。雖然對氧化鋯種植體的前瞻性和回顧性臨床研究有些報告，但到目前為止，關(guān)于氧化鋯種植體的臨床研究并不多，特別是長期隨訪研究很少。綜上所述，氧化鋯種植體的短期臨床效果是可以接受的，但仍然需要對其長期效果進(jìn)行評估，以比較氧化鋯種植體和鈦種植體之間的臨床效果。

4 展望

氧化鋯作為新一代的種植材料有其優(yōu)點也有缺點。對于審美要求較高的患者，特別是對鈦金屬過敏的患者來說，以氧化鋯為主的無金屬全瓷口腔種植體的需求日益增長，而且氧化鋯種植體在提高其生活質(zhì)量（QOL）上會起到非常重要的作用。但是為了避免氧化鋯種植體的斷裂，降低種植體的失敗，提高存活率，不只是要針對氧化鋯材料本身的機械性能進(jìn)行改良，而且還需要通過建立合理有效的表面改性方法來提高氧化鋯材料的生物活性以及組織相容性。并且在氧化鋯種植體的制造過程中進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。合理化氧化鋯種植體的設(shè)計，通過減少尖銳的螺紋及螺紋深度等來避免所有可作為應(yīng)力集中點的區(qū)域。3D打印等快速成型技術(shù)將來也應(yīng)該用于氧化鋯種植體的制作以減少材料浪費。因此，氧化鋯表面改性以及確立3D打印氧化鋯技術(shù)將是未來氧化鋯種植體領(lǐng)域研究的重要方向。