鈦作為-種生物相容性優良的植入物材料 ， 在口腔種植修復領域應用廣泛 。 但由于純鈦材料的生物惰性 ， 未經表面處理的純鈦植入物其表面生物活性及抗菌性能不佳 。 為了解決這一問題 ， 各種表面處理技術都可以用來增強鈦植入物表面生物活性，目前對于鈦表面處理的研究主要集中在微觀和納米層面 ， 結合不同的表面改性方法 從而促進骨結合反應及提高植入物表面的抗菌性能。 微觀層面上 ， 主要有表面噴砂-酸蝕 -噴砂-粗化-酸蝕結合 ( sand blasting and acid etching, SLA ) 等表面改性方法 ； 而通過等離子噴涂 、 陽極氧化等可以獲得納米級別的表面形態。 陽極氧化法是以純鈦為陽極 ， 惰性材料作為陰極(如石墨等) ， 兩極浸在電解液中 ， 在一定電流 、電壓等條件下鈦表面發生氧化反應 ， 最終形成一層穩定 、有序的 TiO2, 納米管結構 ， 其制備簡便 ， 是目前較成熟的表面處理技術 ， 具有多孔形貌的氧化鈦涂層已被證明是提高鈦表面生物學活性的有效途徑⑼ 。 文章將對鈦陽極氧化表面的性能及臨床應用的研究進展作一分析 。

一 、 成骨活性

1、不同多孔涂層的成骨活性 

陽極氧化技術中 ， 微弧氧化技術 (micro-arcoxidation, MAO) 可以相對高效地在種植體表面形成多孔涂層 。 Zhou W 等人⑸發現 ， 由 MAO 制備的鈦表面多孔結構可以促進骨髓間充質干細胞的黏附和成骨分化 ， 通過調節氧化的時間以制備出不同孔徑 (3-10 nm) 的多孔形態 ， 實驗結果表明在此范圍內孔徑越大越有利于骨髓間充質干細胞的黏附和成骨分化 。

近年來 ， 石墨烯材料由于其獨特的結構和優異的力學 、 熱學和電化學性能以及良好的殺菌和生物相容性得到了廣泛的應用 。 Karimi N 等回采用電泳沉積法制備了殼聚糖增強徑基磷灰石-氧化石墨烯納米復合層 (Chitosanreinforced hydroxyapatite-graphene oxide, CS-GO-HA) ,研究發現殼聚糖含量對磷灰石的形成能力和生物相容性有不同影響 ， 含 0.5 mg/ml 殼聚糖的 CS-GO-HA 納米涂層阻隔性能最好 。 通過陽極氧化的鈦基體與 TI02納米管形成了無裂紋 、 均勻的 CS-GO-HA 涂層 ， 結果表明鈦基體陽極氧化表面改性的 0.5 mg/ml 殼聚糖電泳沉積 CS-GO-HA 三元復合涂層具備良好的電化學性能 、 生物活性和細胞活性 ， 具有良好的骨植入應用前景 。

鈦誥合金 ( Ti ? Zr alloys) 作為可替代植入物的新興材料 ， 相比傳統純鈦具有更優異的機械強度 ， 更佳的抗腐蝕性能和生物相容性 ， 經過陽極氧化處理的鈦誥合金被證實性能更優異 。 Sharma A 等⑺分別對鈦錯合金和純鈦的圓盤進行了陽極氧化處理 ， 對比觀察其表面特性和細胞相容性 。 陽極氧化鈦誥合金表面比陽極氧化純鈦形成了更多的納米空隙 ， 具有了更佳的親水性 ， 兩者的細胞存活率無顯著差異 ， 但 24 h 后陽極氧化鈦錯合金表面的細胞總數明顯增加 ( P＜0.01)。陽極氧化鈦皓合金作為一種潛在的植入物材料值得做進一步研究分析 ［ 8 ］。

2、不同大小納米孔徑的成骨活性 

研究表明納米管的大小可以顯著影響成骨細胞在鈦基材料上的黏附 ， Shen X 等①在不同的電解液和電壓的條件下對鈦基底進行陽極氧化 ， 獲得了納米孔和納米管涂層 ， 研究指出相較于納米管 ， 納米孔結構有更強的連續性及更厚的管壁 ， MC3T3-E1 細胞的早期附著和成骨分化能力顯著改善 。

針對納米管的孔徑大小 ， Von Wilmowsky C 等(⑼主要評價了 TiO, 納米管的直徑對于成骨過程中種植體周圍骨形成和骨基質蛋白表達的影響 。 將 90 枚載有直徑為15 ? 100 nm 納米管的種植體植入 6 頭家豬的額顱內 ， 30d 后對骨-種植體接觸及骨形態發生蛋白 BMP-2 、 I 型膠原和骨改建的表達進行免疫組織化學染色及形態分析系統分析 ， 結果發現 BMP-2 在 50nm 、 70 nm 和 100nm 組的表達明顯高于未行種植體表面氧化處理的對照組 ， 其中直徑 70 nm 的二氧化鈦納米管具有更好的骨傳導特性 。

Wang N 等 3 對比了 30 nm 、 70 nm> 100 nm 的 TiO2納米管對種植體周圍堿性磷酸酶 ( ALP) 、 骨鈣素 ( OSX) 、I 型膠原 (Col-I) 和抗酒石酸酸性磷酸酶 (TRAP) 的基 因表達和骨形成的影響 ， 結果顯示直徑為 70 nm 的 TiO2納米管組其骨-種植體接觸率和基因表達水平顯著增加 。

二 、 抗菌性能

1、搭載抗菌藥物 

如上所述 ， 殼聚糖的加入可以提高鈦植入體的表面性能, A.Sasireka 等 “ 習研究了礦物復合甕基磷灰石.殼聚糖-酪蛋白復合涂層這種新型的生物活性材料的抗菌性和抗腐蝕性 。 在 100 LL 的涂層濃度下觀察到其對大腸桿菌最大直徑的抑菌區 ， 表現出良好的抗菌活性 。 電化學性能是評估材料體外抗腐蝕性的常用方法 ， 其最終測試結果可用 Icoir 值表示 ， 加載體外腐蝕電流后未涂覆的 Ti 電極的 Icorr 值最高 ( 10 A cm' 2 ) ， 腐蝕速率最高 ； 不同電解液下制成的納米復合涂層的 Icon ?值顯著降低 ( 0.61 ? 1.1A cm-2 ) ； 此外 ， 在相角圖上 ， 涂層具有較高的相角(在應力作用下 ， 分子鏈由于內摩擦力的作用 ， 使形變落后于應力變化 ， 其落后的一個角頻率&即相角 ， 相角越大說明分子鏈的運動越困難)和低頻阻抗模量 ， 表明其結構穩定 ， 并具有較好的抗腐蝕性和鈍性 。 但其體內的抗腐蝕性尚有待于進一步研究 。

陽極氧化后表面的 TiO2小管本身具有一定空隙 ， 近年來不同學者多采用在 TiO? 小管內搭載抗菌藥物來提高種植體的抗菌性能 。 Mansoorianfar M 等小 】 在 Ti 6-4 合金 上以陽極氧化的方式制備 TiO2納米管 ， 通過浸泡和電泳的方法填充萬古霉素 ， 發現在 60 ? 75 V 范圍內陽極氧化可以獲得最佳的納米管形態 、 合適的藥物釋放和抗菌性能 。

此外 ， 沒有載藥量的陽極氧化樣品沒有抗菌活性 。

銀離子置入二氧化鈦納米管后 ， 可以在一定條件下由鈦表面釋放 ， 表現出抗菌性能 ,4 - 151 o Huirong Li 等采用電化學陽極氧化法在鈦基底上制備 TiO2納米管 ， 通過銀鏡反應在管內沉積納米銀離子 ， 通過大腸桿菌的培養實驗評價不同結構特征(銳鈦礦型 、 金紅石型 、 無定型納米管)的抗菌活性 。 其中 ， 以銳鈦礦型的抗菌活性最高 。 此外 ， 研究還發現納米管的直徑同樣影響抗菌活性 ，直徑為 200 nm 和 50 nm 的納米管抑菌率高于其他直徑的納米管 。 而納米管的長度對抗菌活性無顯著影響 。

氧化鋅是臨床中常用的抗菌劑 ， Liu W 等 z 將氧化鋅粒子引入到 TiO? 納米管中以探究其與純鈦樣品間成骨能力和抗菌性能的區別 。 打對照組相比 ， 氧化鋅小管的堿性磷酸酶活性 、 I 型膠原和骨鈣素基因的表達都有所提高 。

并且鈦與適濃度(初始濃度為 0.015 M 的 Zn(NO).) 的氧化鋅復合可以有效促進骨髓間充質干細胞的成骨分化 ，并具有較好的抗菌性能 。

2、藥物緩釋系統 ：

搭載 LL37 肽的 TiO2、 管進一步具備 J ’ 藥物緩釋作用 ， Shen X 等⑼在納米孔涂層中加入 LL37 肽 ， 可以以 7天的緩釋時間釋放 ， 進-步提高了抗菌 LL37 肽的反應時間和效果 。 許多學者據此特點 ， 將 TiO, 納米管陣列開發為藥物加載系統來輸送相應的藥物 。 該系統的優點是所輸送的藥物町以在預定的時間跨度內釋放 ， 然后釋放到鈦植入體的界面 。 磁 、 電磁和超聲波都可以用來作為從陽極氧化鈦表面釋放藥物的觸發器。

三 、 陽極氧化表面種植體的臨床效果

大量的基礎研究表明 ， 陽極氧化技術可以在種植體表面形成微觀的特殊結構 ， 這些結構具有良好的骨結合能力及抗菌性能 “ 役眾多學者的臨床研究及追蹤觀察也表明 ， 陽極氧化表面種植體在早期負荷及即刻負載時可以取得良好的療效 ， 具有更高的種植成功率。

1、陽極氧化種植體的臨床應用效果 

Pimentel Lopes de Oliveira GJ 等冋在一個隨機對照臨床研究中對比了陽極氧化表面和常規酸蝕處理的種植體表面在穩定性方面的差異 ， 最終結果表明不同表面處理的種植體穩定性相似 。 Rocci A 等 3 報道了陽極氧化表面處理的 Nobel Ti Unit 種植體和同系統機加工表面種植體在即刻負載后隨訪 9 年的結果 ， 負載 9 年后種植體的留存率分別為 95.5% 和 85.5%, 與機械加工種植體相比 ，TiUnite 種植體的成功率提高了 10% ； 此外機械加工種植體的失敗病例在吸煙者和骨質較差的部位數量較多 ， 而接受陽極氧化處理的 TiUnite 種植體沒有這樣的表現 。

2、探索新型復合型陽極氧化種植體 

針對陽極氧化頸部的特性, Wiliam YS Hung 等日研發設計岀-款新型的 A1D1 種植體 ， 其特點在于種植體頸部釆用了陽極氧化和微螺紋的雙邊緣設計 ， 頂部通過陽極氧化形成高 1.2 mm 的結構 ， 顏色呈黃色或粉色 ， 這種處理可以增加種植體表面氧化層的厚度及粗糙度 ， 從而提高種植體的生物相容性 ， 可以在種植體暴露或軟組織萎縮時改善美觀性 ， 氧化層的存在還能防止牙菌斑的滋生 。

四 、 結論與討論

對于鈦陽極氧化不同材料表面的研究 ， 多集中于運用各種方法在鈦表面形成不同的形態 ， 如結合新型材料殼聚糖涂層 ， 與其他元素形成鈦錯合金 ， 以及對于納米小管的形態 、 結構 、 長度和直徑等方面來開展研究 。 其研究結果都證實了經過陽極氧化表面處理的鈦基底可以增強成骨活性及抗菌性能 。 而對于納米管的抗菌性能 ， 藥 物控釋緩釋系統將是未來研究的重點之。然而 ， 目前對種植體表面形態設計還沒有嚴格的標準 ， 因此新型納米鈦材料距離投入臨床實際應用及商業化尚需要大量的臨床試驗以進一步提高植入物的安全性和可靠性 。 新型表面處理技術的種植體在臨床應用中也有較好的表現 ，其遠期留存率明顯高于傳統機械加工表面的種植體 ， 且有更好的軟組織相容性和齦緣美觀性 。

綜上所述 ， 陽極氧化技術可提高鈦及鈦合金表面生物相容性及生物活性 ， 體內體外評價和臨床研究都表明鈦表面的 TiO, 納米管除了改善骨結合 ， 還可以增強植入物表面的抗菌性能以及頸部的軟組織相容性 ， 因此經陽極氧化制備的種植體在臨床應用中得到了 -定的驗證 。

利益沖突本文作者均聲明不存在利益沖突

參考文獻

[1] Pierre C, Bertrand G, Rey C, et al. Calcium phosphatecoatings elaborated by the soaking process on titaniumdental implants: Surface preparation, processing andphysical-chemical characterization[J]. Dent Mater,2019,35(2):e25-e35. DOI : 10.101 6/j.dental.20 18.10.005.

[2] Liu P. Hao Y, Zhao Y, et al. Surface modification of titaniumsubstrates for enhanced osteogenetic and antibacterialproperties[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2017,160: 1 10-116. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2017.0 8.044.

[3] Wang Q, Zhou P, Liu S, et al. Multi-Scale SurfaceTreatments of Titanium 【 mplants for Rapid Osseointegration:A Review 卩]. Nanomaterials (Basel). 2020.10(6):1244. DOI:10.3390/nano 10061244.

[4] Li G,Cao H,Zhang W et al. Enhanced Osseointegration ofHierarchical Micro/Nanotopographic Titanium Fabricatedby Microarc Oxidation and Electrochemical Treatment.[J] .ACS Appl Mater Interfaces, 2016. 8: 3840-52. DOI:10.1021 /acsami.5b 10633.

[5] Zhou W, Huang O, Gan Y, et al. Effect of titaniumimplants with coatings of different pore sizes on adhesionand osteogenic di fferentiation of BMSCs[J]. Art if Cells Nanomed Biotechnol, 2019,47( I ):290-299. DOI:10.1080/21691401.2018.1553784.

[6] Karimi N, Kharaziha M. Raeissi K. Electrophoreticdeposition of chitosan reinforced graphene oxide -hydroxyapatite on the anodized titanium to improve biological and electrochemical characteristics^]. Mater SciEng C Mater Biol Appi. 2019,98:140-152. DOI: 10.1016/j.msec. 2018.12.136.

[7] Sharma A. McQuillan AJ, Sharma LA, et al. Sparkanodization of titanium-zirconium alloy: surfacecharacterization and bioactivity assessment[J]. J Mater Sci Mater Med. 2015,26(8):221. DOI: 10.1007/sl0856-0l5-5555-7.

[8] Sharma A . McQuillan A J . S h i bata Y, et a I .Histomorphometric and histologic evaluation of titanium-zirconium (aTiZr) implants with anodized surfaces[J]. J Mater Sci Mater Med, 2016,27(5):86. DOI: 10.1007/si 0856-016-5695-4.

[9] Shen X. Al-Baadani MA. He H. et al. Antibacterialand osteogenesis performances of LL37-loaded titaniananopores in vitro and in vivo[J]. Int J Nanomedicine, 2019.14:3043-3054. DOI: 10.2 147/IJN.S 198583.

[10] von Wilmowsky C, Bauer S, Roedl S, et al. The diameter ofanodic TiO : nanotubes affects bone formation and correlateswith the bone morphogenetic protein-2 expression invivo[J]. Clin Oral Implants Res, 2012,23(3):359-366. DOI:10.1111/j .1600-0501.2010.021 39.x.

[11] Wang N, Li H. Lii W. et al. Effects of TiO : nanotubes withdifferent diameters on gene expression and osseointegrationof implants in minipigs[J]. Biomaterials, 2011,32(29):6900-6911 . DOI: 10.101 6/J.biomaterials. 2011.06.023.

[12] A. Sasireka.Renji Rajendran,V. Raj. In vitro corrosionresistance and cytocompatibility of minerals substitutedapatite/b io polymers duplex coatings on anodized Tifor orthopedic implant applications[J]. Arabian Journalof Chemistry,2020, 13(8):63 I 2-6326. DOI: 10.1016/j.arabjc.2020.05.031,

[13] Mansoorianfar M. Khataee A. Riahi Z, et al. Scalablefabrication of tunable titanium nanotubes viasonoelectrochemical process for biomedical applications[J]. Ultrason Sonochem, 2020,64:104783. DOI: 10.1016/j.ultsonch.20 19.104783.

[14] Dong Y. Ye H, Liu Y, et al. pH dependent silvernanoparticles releasing titanium implant: A noveltherapeutic approach to control peri-implant infection[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2017,158:127-136. DOI:10.101 6/j.colsurfb.201 7.06.034.

[15] Radtke A, Grodzicka M. Ehlert M. et al. Studies on SilverIons Releasing Processes and Mechanical Properties ofSurface-Modified Titanium Alloy Implants[J]. Int J Mol Sci,2018,19(12). DOI: 10.3390/ijms1 9123962.

[16] Huirong Li,Qiang Cui.Bo Feng.et al. Antibacterialactivity of TiO 2 nano tubes: Influence of crystalphase, morphology and Ag deposition[J] . Applied Surface Science,20 1 3,284:1 79-1 83 .DOI : 10.1 0 I 6/j.apsusc. 2013.07.076.

[17] Liu W. Su P, Gonzales A 3rd, et al. Optimizing stem cellfunctions and antibacterial properties of TiO2 nanotubesincorporated with ZnO nanoparticles: experiments andmodeiing[J]. Int J Nanomedicine, 2015 」 0:1997-2019. DOI:10.2147/IJN.S744I8.

[18] Wang Q. Huang JY. Li HQ. et al. Recent advances on smartTiO(2) nanotube platforms tor sustainable drug deliveryapplications[J]. Int J Nanomedicine, 2017,12:151-165. DOI:1 0.2 147/IJN.S 117498.

[19] Aiempanakit K. Jessadaluk S. Tongmaha S. et al. VerticalAlignment TiO2 Nanotube Based on Ti Film Prepared viaAnodization Technique[J]. Key Engineering Materials,2016, 675-676:167-170. DOI : 1 0.4028/www.scientific.net/KEM.675-676.167.

[20] Rocci A. Martignoni M, Gottlow J. Immediate loading ofBrnemark System TiUnite and machined-surface implantsin the posterior mandible: a randomized open-ended clinicaltrial.[J]. Clinical I nip I ant Dentistry and Related Research.2010, 5(sl):57-63. DOI: 1 0.1 I 11 /j. 1 708-8208.2003.tbOOOI6.x.

[21 ] Degidi M, Perrotti V, Piattelli A. Immediately loadedtitanium implants with a porous anodized surface withal least 36 months of follow-up[J]. Clin Implant Dent Relat Res, 2006,8(4):169-177. DOI: 10.1 1 I l/j.1708-8208.2006.00008.x.

[22] Pimentel Lopes de Oliveira GJ, Leite FC, Pontes AE. etal. Comparison of the Primary and Secondary Stability ofImplants with Anodized Surfaces and Implants Treatedby Acids: A Split-Mouth Randomized Controlled ClinicalTrial[J]. Int J Oral Maxillofac Implants, 2016,31( 1 ): 1 86-190. DOI: 10 .11607/jomi.4212.

[23] Rocci A, Rocci M. Rocci C, et al. Immediate loading ofBranemark system TiUnite and machined-surface implantsin the posterior mandible, part II: a randomized open-ended9-year follow-up clinical trial[J]. Int J Oral MaxillofacImplants. 2013,28(3):891-895. DOI: 10.1 1607/jomi.2397.

[24] Tian C, Tseng S, Hung WY. Redesigning the macrostructureof dental implants[J]. Dent Today, 2012,31(4):8 & 90-91.

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