种植体周围炎去污处理对种植体用钛合金表面粗糙度和化学性质的影响：对骨整合的影响

背景

Ti合金牙科植入物的长期成功在很大程度上取决于能否安全地整合到颌骨（骨整合）中以实现快速愈合 [1]。 Ti合金的表面形貌对于牙科植入物的长期成功至关重要。在过去的十年中，已经开发出了用于Ti植入物材料的治疗方法，致力于改善骨整合过程。 [2]。最近，研究表明钛合金植入物的物理化学性质的变化除了调节骨形成反应外，还导致细胞募集，粘附，炎症和骨重塑活动的显着调节。 [3]。总体而言，牙种植体的使用非常成功，大约有96种 他们留在患者中的百分比超过10 years. Figure 图1示出了通常如何将具有基牙和牙冠的牙科植入物放入口腔的颚骨中的基本描述。

近年来，已经提出了几种治疗策略（机械，化学，物理化学等），用于感染种植体周围的牙齿组织（种植体周围炎） [4]。种植体周围炎是一种"植入物周围的炎症过程，其特征在于软组织炎症和支撑骨丢失" [5]。在允许愈合时间进行骨整合后，为牙种植体加载假体基台和牙冠，以替代缺失的牙齿。但是，一旦牙龈和植入物周围的牙齿组织由于细菌感染而发炎，骨丢失对于牙科植入物可能是一种潜在的并发症。细菌的存在及其代谢活性的残留会改变牙齿植入物的有利表面性能，即允许细胞粘附的氧化钛的高反应活性。因此，受污染的表面起异物的作用，并可能导致软组织的更多炎症和植入物周围的骨质流失。种植体周围炎的治疗包括表面去污和清洁。这些针对种植体周围炎的不同治疗方法可能可以策略性地用于修饰Ti合金表面并改善宿主对种植体的反应 [6]。该报告讨论了不同的牙科治疗对钛合金植入物材料的表面性能的影响，以及这些治疗方法是否可能会在种植体周围炎愈合期间促进牙科植入物的再骨整合。牙种植体的骨整合相对较长（3–6 因此，可以加速这种现象的表面改性将导致更短的愈合时间，更低的失败率以及对患者的不适感降到最低 [7].

增强的钛种植体表面形貌改善了骨与种植体的接触并增强了界面的机械性能 [8–11]。在缺乏对照比较临床试验的情况下，综合的实验证据支持使用表面形态增强的钛植入物 [12].

表面粗糙度已被确定为与植入材料锚固到骨组织中的能力有关的重要参数 [13]。有多种增加植入物表面粗糙度的方法，其中最常用的是：机加工，喷砂，酸蚀，阳极氧化，激光改性或这些技术的组合。此外，根据其平均表面粗糙度值对市售植入物进行了分类 (S_a），则表面上的峰的平均高度和谷的平均深度为4 groups: smooth (S_a < 0.5 μm），最小粗糙度（0.5 μm < S_a < 1.0μm），中等粗糙（1.0 μm < S_a < 2.0 μm) and rough (S_a > 2.0 μm) [14]。另一个重要参数是S_达 与完全平坦，光滑的表面相比，它代表了粗糙表面的展开表面区域。根据Teughels等 al. [15] 植入物表面的粗糙度及其化学成分对斑块形成的数量和质量有重大影响。最后，没有现有证据表明暴露于口腔的植入物表面显示出生物膜的发展，该生物膜的成分取决于表面粗糙度 [16-17]。植入物的地形如何表现和分类？ Wennerberg简要回顾了适用于牙科植入物的地形测量方法。三维 需要进行（3D）测量以说明地形元素与平均表面平面的各向同性偏差 [18]。接触仪（例如轮廓仪）可能会低估表面特征的尺寸。对于评估软材料（例如钛合金）的螺旋形植入物，首选光学仪器 [19]。 2D的局限性 表面测量和表征推动了高效实用3D的发展 表面测量和表征。三维技术可以更好地了解处于功能状态的表面。

钛合金改性工艺

总共25个圆柱形植入物（每个样品5个，对照样品+ 4 处理工艺）由5级制成 CP（商业纯）钛（Ti）合金（PM 国际供应商（LLC，EEUU），即成分为90的Ti-6Al-4V（TAV） % Ti, 6 % Al (aluminum), and 4 % 分析了钒（钒）。样本是10 mm in diameter and 5 长度mm。植入物样品通过牙科中通常使用的几种不同工艺进行了表面处理：

• 化学物质：四环素和光敏剂暴露；
• 物理的：超声和
• 理化：碳酸氢盐喷射抛光；

这将在下面更详细地说明。

使用了以下类型的显微镜：

1. 共聚焦显微镜（CM）：CM提供了一种方便的方法来获取对象的3D图像。徕卡 DCM 使用3D对偶系统测量表面形貌并计算表面粗糙度参数。使用共焦物镜以20倍的放大倍率和0.50的数值孔径（NA）拍摄图像。
2. 原子力显微镜（原子力显微镜）： 原子力显微镜 研究是在室温下使用Dimension在空气中进行的 3100 原子力显微镜 头用纳米镜 IVa控制器（布鲁克）。所有 原子力显微镜 使用矩形硅悬臂（标称尖端顶点半径为10）以攻丝模式记录图像 nm，弹簧常数为15 N / m，共振频率为145 kHz）的扫描速率为1 Hz and 512 × 512 每个图像的数据点。
3. 扫描电子显微镜 （扫描电镜）和能量色散X射线光谱仪（EDS）：JSM-7100F 扫描电镜 （JEOL）和INCA 250 用EDS（牛津仪器公司）研究了钛合金的表面形态和组成。工作条件为15 200倍放大倍率下的kV加速电压，工作距离为10 mm.

研究了以下几种典型的牙科治疗对钛合金表面粗糙度和化学性质的影响：

1. 碳酸氢盐喷射抛光
   碳酸氢盐细粉射流（约150 平均粒径（μm）可以快速有效地清洁牙齿（Mectron生产的Turbodent）。碳酸氢钠颗粒与温水合并，然后以高速率加速，这使得可以获得极细且规则的射流。将钛合金植入物样品喷射抛光1 每分钟用生理盐水作为冲洗液，然后用大量生理盐水冲洗。
2. 四环素
   盐酸四环素（Sigma-Aldrich）是一种抗生素，主要起抑菌剂的作用，但在一定浓度下也可以起杀菌剂的作用。粉末状的盐酸四环素具有高腐蚀性，可消毒植入物表面。对于本研究，将钛合金暴露于四环素/生理盐水溶液（四环素浓度= 50 mg/ml) for 1 分钟，然后用大量干净的生理盐水冲洗。
3. 超音波
   超声波清洗是现代牙科的常用技术。它用于牙周和种植体周围治疗。超声波探头由非常薄的硬化钢（Sirona的Sirosonic）制成。该振动引起称为气蚀的现象，该现象是在其中包含气体或蒸汽的液体介质中形成的气穴或气泡。另外，振动运动允许清创术，这是附着于牙齿或植入物表面的微生物的分解。将钛合金植入物样品超声处理1 分钟（30 kHz），并用生理盐水冲洗。
4. 光动力疗法
   光动力疗法（PDT）涉及使用光活化染料（光敏剂）。当光敏剂在氧气存在下被激活时，它们会产生细胞毒性物质，已知这种物质可有效对抗病毒，细菌和真菌，因此，PDT可用作局部感染的治疗方法。牙科中的光动力疗法涉及光敏剂凝胶的应用。为了进行这项研究，使用了甲苯胺蓝（Sigma-Aldrich），它可以被波长为570的光激活 纳米光敏凝胶产生的游离氧自由基与微生物的细胞壁高度反应，因此对它们有毒。这种疗法通常用于种植体周围炎的治疗。在这项研究中，将钛合金植入物样品用甲苯胺蓝凝胶覆盖，然后进行照明（Application FotoSan Lamp at 570 nm），保留1 分钟（100 µg / mL），然后再次照射（应用  Soft laser 906 纳米），最后用大量生理盐水冲洗。

使用共聚焦3D测量表面粗糙度 光学表面计量系统（徕卡 DCM 3D）使用蓝光照明以获得更高的分辨率。不同的表面粗糙度参数（表  1）从每个处理过程的五个不同的钛合金植入物样品中获得。

标签。 1：本研究分析了3D粗糙度参数。

共聚焦显微镜（CM）

获得了对照钛合金植入物样品以及每个处理过的样品的CM 2D和3D图像数据。一些示例如下图所示 2.

原子力显微镜 仅获得了对照Ti合金植入物样品的3D图像数据。 2的例子 样品的不同区域如下图所示 3.

如上所述，最大 z-图中区域的范围 3A is 1,219 nm（1.22 µm）和图中的面积 3B is 1,628 nm（1.63 µm）表示相差25 % – 35 % between the 2 areas.

扫描电镜 和EDS数据显示，与对照样品相比，经碳酸氢盐喷射抛光，四环素处理和光动力疗法处理的Ti合金样品在表面上的污染程度最大（未改性的TiO₂ 表面）。但是，超声处理的Ti样品与对照样品一样干净，甚至不干净。

扫描电镜 获得了对照Ti合金植入物样品和每个处理过的样品的EDS和EDS图像数据。一些例子 扫描电镜 图像显示在下面的图4中，而显示局部组成的EDS数据显示在表中 2.

答：控制

B：碳酸氢盐射流

C：四环素

D：超声波

E：光动力疗法

标签。 2A–E：钛合金样品表面局部成分的EDS分析数据，其中K_α 是测量的X射线线，σ是％的标准偏差值 wt浓度数据：A） control sample; B) 碳酸氢盐喷射抛光样品； C） 经四环素处理的样品； D） 超声样品和E） 光动力疗法治疗的样品。

粗糙度分析主要集中在通过CM获得的Ti合金样品的数据上，该数据允许三个重要的3D值 待确定的粗糙度参数：S _a，_q和S_达。这些数据显示在表中 3 below.

标签。 3：通过共聚焦显微镜获得的钛合金样品的表面粗糙度数据。分析重点放在3 roughness values: S_a （算术平均高度）；小号_q （均方根[rms]高度）；和S_达 （开发区域/预计区域）。

首先，S_a 和S_q 光动力疗法和四环素处理过的碳酸氢盐喷射抛光样品的粗糙度值实际上与对照样品相同。另一方面，S_a 和S_q 超声样品的粗糙度值约为30 % to 50 比对照样品低％。 S_达 粗糙度值显示出相似的趋势，尽管经喷射抛光和四环素处理的样品具有明显较低的S_达 值比对照样品（参考图 5 below).

初步分析 原子力显微镜 在两个不同位置拍摄的对照样品（未经修改）的图像显示，在非常粗糙的表面的较小区域之间，粗糙度值有很大变化的可能性很大，因此 原子力显微镜 这不是在此类样品上进行大面积测量的实用技术，这是本研究所需的。

标签。图4：通过原子力显微镜获得的Ti合金植入物对照样品的2个区域的表面粗糙度数据。分析重点放在3 roughness values: S_a （算术平均高度）；小号_q （均方根[rms]高度）；和S_达 （开发区域/预计区域）。

如上表4所示，S_达 2的值 面积相差约10 %, the S_q 值相差约35 %, and the S_a 值相差约30 ％。另一方面， 原子力显微镜 图像显示山峰和山脉 z-范围差异大于1 µm，对于 原子力显微镜 分析，这可能导致图像中出现伪像，即"streaks"扫描样品时，尖端可能接触到表面。一般而言， 原子力显微镜 图像结果将取决于样品的形貌和机械性能，反馈回路的增益，扫描速率等。

当前使用的临床钛合金牙科植入物在结构和化学性质方面均显示出多种表面特征。上面概述的表面修饰保留了植入物的关键物理特性，并且仅修饰了它们的最外表面，最终目的是实现所需的生物反应。介绍了不同物理化学，物理和化学表面修饰的优缺点。这些方法将帮助我们更好地了解植入物材料的表面改性如何影响骨-植入物界面，并开发出一种方法，可在成功治疗植入物周围炎，牙齿组织感染后的愈合过程中优化植入物的再骨整合特性。植入物周围。尚不清楚表面粗糙度和化学性质对骨整合的影响程度。用于最佳临床表现的理想粗糙度仍然未知  [20–23].

对于用四环素和光动力疗法修饰的样品，其形态会受到钛合金中金属间沉淀物颗粒化学腐蚀的影响。对于用喷射抛光和超声波改性的样品，其机理更加机械化。喷射抛光和光动力处理的样品的表面粗糙度均与对照样品相当（基于S_a，_q和S_达 值）。经超声处理和四环素处理的样品的表面粗糙度均小于对照样品。实际上，超声处理会使表面显着变平。

对于碳酸氢盐喷射抛光的样品（盐残留物），样品的污染最大，其次是经四环素和光动力疗法处理的样品，最后是超声处理的样品。毫不奇怪，经喷射抛光，四环素和光动力疗法处理的钛合金样品受污染最大，因为它们暴露于盐（碳酸氢盐）或 化学（四环素或甲苯胺蓝）化合物。超声处理后的样品与对照样品一样干净，甚至比对照样品干净，除了可能有少量的铁（Fe）来自用于超声处理的钢尖外。

可以建议对这些牙科治疗方法进行战略性使用，以优化种植体周围炎后钛合金植入物重新骨整合的机会。可能会有第一步进行光动力疗法或碳酸氢盐射流抛光（具有较低的频率，例如20 kHz和功率）以保持植入物的表面粗糙度，然后进行短暂的轻度超声处理，这对表面去污。

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作者要感谢Leica Microsystems的James DeRose对结果进行有益的讨论并对该手稿进行了广泛的审查和校对，并对Aranzazu Villuendas（CCiTUB）进行了感谢。 扫描电镜 结果。