氧化锆牙种植体的现状与未来

洪 光

（日本东北大学大学院齿学研究科口腔创新合作交流中心，仙台，日本980-8575）

口腔种植体作为人工牙根用于种植义齿修复，已在口腔临床上广泛使用。口腔种植体的10年存活率已达到96.4%，在口腔临床的普及率也已大幅度提高。目前为止，钛金属依然是种植材料的首选材料，已在临床上成功地使用了近60年。但是，对于牙龈较薄的患者，容易透出钛金属种植体的金属颜色，而且，种植体植入以后的牙龈萎缩也会导致金属外露，难以充分满足个别患者对种植修复美观性能的要求。还有一些学者通过研究发现，在钛种植体周边的淋巴组织中有钛离子的沉积，并指出钛金属可能是某些人潜在的致敏源。基于以上原因，无金属全瓷口腔种植体成为研究的热点，并且已有一些氧化锆种植体上市用于临床。第一代陶瓷种植体是氧化铝种植体，在20世纪80年代在口腔种植体以及口腔外科手术领域使用，但因为其生物力学特性、断裂韧性并不理想，长期存活率较低，继而退出了市场。随着氧化锆材料的普及以及技术的成熟，其材料特性也得到不断地改善与提高，目前，氧化锆材料的强度可达到1 200 mPa以上，其断裂韧性也提高到10 mPa·m，已在牙科冠桥修复领域广泛使用。自1995年以来，氧化锆材料因其卓越的机械性能以及出色的生物相容性，并具有牙齿颜色等优点，作为潜在的种植材料受到关注，在种植体以及种植牙基台中已开始使用。

由于有关氧化锆种植体的研究还不多，且临床观察时间较短，仍需要更多的数据来探讨氧化锆种植体的可行性。本文将通过介绍氧化锆材料的特征、各种表面改性方法、临床使用注意事项及最新研究进展等，来展望氧化锆种植体的未来。

1 氧化锆材料的分类及材料特性

氧化锆是锆的氧化物-二氧化锆的通称。氧化锆在室温条件下，呈现单斜晶系结构，但随着温度升高，在1 170℃左右，呈现四方晶系结构，当温度提高到2 370℃左右，氧化锆就呈现立方晶系结构。这个过程叫做“相变”，特别是从单斜相到四方相的相变过程当中，会产生4%的体积收缩。四方相氧化锆出现微裂纹的时候，裂纹周边的结晶相会有应力集中，进而会导致四方相到单斜相的相变，这时候会产生体积膨胀，抑制裂纹的扩展，最终会加强材料本身的强度和韧性。这就是氧化锆特有的“相变增韧”现象。利用这个相变增韧，让氧化锆具有更好的强度以及韧性。但是，四方相在常温状态下不稳定，会导致低温退化，也就是老化。为了让四方相以及立方相在常温下保持稳定，在氧化锆会添加少量氧化钙或氧化钇等稀土类氧化物，形成固溶体，这样的氧化锆称作稳定化或者部分稳定化氧化锆。目前口腔临床上使用最多的是氧化钇稳定的氧化锆，特别是添加3mol%氧化钇（YO）的氧化锆，在室温下其四方相接近100%，称作四方氧化锆多晶体（Tetragonal Zirconia Polycrystal，3Y-TZP），从21世纪初开始在口腔修复领域广泛应用。3Y-TZP也是现有的氧化锆牙种植体的主要材料。

在1998年，Nawa等人开发了一种基于氧化铈稳定的纳米结构氧化锆/氧化铝复合材料（NANOZR）。该复合材料由10 mol%的二氧化铈（CeO）稳定的TZP作为基体和30 vol%的AlO作为第二相组成。与3Y-TZP相比，NANOZR具有更高的强度和断裂韧性，并且完全耐低温退化，它的动态疲劳强度是3Y-TZP的两倍以上，具有良好的机械性能，已在口腔临床上开始应用。作为种植体材料，氧化锆和钛相比，有其长处也有短处。氧化锆在化学稳定性、耐磨耗性、颜色及强度方面比钛优秀，但是在韧性方面不如钛。

2 氧化锆种植体的表面改性及研究进展

自20世纪80年代末以来，因为具有较高的机械强度和良好的生物相容性，氧化锆一直被用于髋关节股骨头置换手术。 进入21世纪后，氧化锆作为潜在性口腔种植材料受到关注，体内外实验表明，3Y-TZP口腔种植体在细胞附着、细胞增殖和组织学反应方面与钛种植体相当。和钛种植体比较，氧化锆种植体的骨-种植体接触率（BIC）和钛种植体没有明显的差异，在有些情况下，根据实验动物以及实验条件的不同，氧化锆显示出更好的BIC。而且，3Y-TZP种植体的静态断裂力在725 ～ 850 N之间，是临床可接受的范围。然而，3Y-TZP存在低温退化（LTD）问题，从而会导致种植体的断裂。此外，氧化铝增韧氧化锆（ATZ），氧化锆增韧氧化铝（ZTA），氧化镁部分稳定的氧化锆（Mg-PSZ）和氧化锆/氧化铝纳米复合材料（NANOZR）也被视为潜在的口腔种植体材料。

众所周知，材料表面形态，化学成分及表面粗糙度是影响生物材料表面新组织形成的主要因素。口腔种植体表面改性会影响骨结合及材料的机械性能。因此，为了提高氧化锆的生物活性及组织相容性，研究人员特别关注探索有效的氧化锆表面改性方法。对氧化锆的表面改性方法可分为物理处理方法、化学处理方法和涂层方法。

2.1 物理处理方法

物理处理方法可分为喷砂处理、激光处理以及紫外线照射。粗糙化的种植体材料表面可以有效促进骨整合度。喷砂是一种获得粗糙表面的最有效的方法之一，实验数据显示，经过喷砂处理的氧化锆种植体的表面粗糙度明显高于机械加工的氧化锆种植体，而且随着表面粗糙度的增加，骨-种植体接触率（BIC）也提高。机械加工的氧化锆种植体移除扭矩（RTQ）明显低于多孔性氧化锆种植体。然而，喷砂会导致材料表面的微裂纹，而且喷砂过程中的机械力会诱发LTD。所以，喷砂处理对于氧化锆而言，弊大于利。

相比之下，激光处理是一种快速、清洁和易于操作的方法。激光在牙科的应用始于20世纪90年代末，通过激光照射可以提高表面粗糙度也已得到证实。经过激光处理的氧化锆种植体的表面粗糙度有明显提高，可以提高新骨的形成并可以提高骨-种植体界面的机械强度。此外，激光处理也可以提高氧化锆表面的润湿性，提高细胞的附着、增殖与分化，有助于加快氧化锆的骨整合，而且研究表明，激光处理不会导致氧化锆相变而影响其机械性能。从提高材料表面湿润性的观点来讲，紫外线（UV）也是一种非常有用的方法。紫外线处理可以通过去除材料表面污染，以有效地提高氧化锆表面的湿润性。体内试验结果表明，经过紫外线处理的氧化锆种植体比未处理的氧化锆种植体，可以促进细胞的初期附着、伸展以及增殖，并可以促进软组织附着，在BIC以及骨量上也都有明显的增加。

2.2 化学处理方法

氧化锆的化学处理方法有酸蚀方法和电化学方法。酸蚀氧化锆使用的酸主要有氢氟酸、硝酸和硫酸。氧化锆酸蚀可以在不破坏材料的情况下，有效地达成表面粗糙化。由于酸蚀可以去除氧化锆表面的残留物包括喷砂处理后的残留物，所以酸蚀通常与喷砂同时进行，被称为喷砂酸蚀处理（SLA）。SLA是一种有效的种植体表面处理方法，SLA氧化锆种植体显示出良好的成骨细胞增殖和分化，以及良好的BIC值。然而有些文献显示，热处理和酸蚀有可能降低氧化锆的抗弯强度，这表明SLA方法不太适合用于氧化锆的表面处理。

电化学处理可以在钛合金表面形成纳米结构，可以显著改善骨整合和抗菌能力。然而，因为氧化锆是非导电性材料，所以长期以来电化学处理方法未能有效地应用在氧化锆材料。2017年，可以从固体金属氧化物中去除的电化学脱氧（ECD）技术解决了这个问题。通过ECD处理，氧化锆表面呈现出良好的微孔结构，接触角降低，而且单斜相含量也略有下降。电化学处理技术也可以有效地在氧化锆表面制造纳米管。纳米管具有药物缓释功能，有良好的机械性能以及生物相容性，作为崭新的表面修饰方法受到关注。当氧化锆纳米管浸泡在模拟体液中（SBF）30 d，在纳米管表面形成羟基磷灰石，表明纳米管具有良好的生物相容性。但由于氧化锆的导电率不同，确定成熟的纳米管成形方法需要进一步的探讨。

2.3 涂层方法

不同涂层方法也经常被应用于氧化锆表面的改性，目的是改善表面性能以及生物活性。磷酸钙（CaPO， CP）是一种具有生物活性的磷灰石，可以刺激骨修复，并加速细胞附着和增殖。在众多的磷酸钙中，羟基磷灰石（Ca（PO）（OH）， HA）是最稳定并最不容易溶解的磷酸钙之一。HA具有与骨相似的矿物成分，因此显示出良好的生物活性，具有可以提高骨结合的能力。研究数据表明，HA涂层的氧化锆比未涂层的氧化锆有更多的新骨形成。然而，现有的氧化锆磷酸钙涂层技术具有涂层稳定性差、和基底材料粘接强度低等缺点，为了克服这些缺点，一些填充材料，例如磷酸三钙和氧化锆粉，被添加到涂层中以提高涂层的强度。除了磷酸钙涂层，还有生物玻璃（Bioglass）涂层，聚多巴胺（PDA）涂层，丝素蛋白涂层等多种方法。但生物玻璃涂层也存在缺乏长期稳定性、机械性能不足、涂层脆弱等缺点，丝素蛋白涂层也需要提高涂层效率。所以上述这些涂层方法应该是一个值得探索的方面，但目前都还不够成熟，需要进一步的研究和改良。此外，这些涂层不仅是将惰性氧化锆转化为生物活性材料，而且一些涂层还具有药物缓释作用，可以充当药物传输系统（Drug Delivery System，DDS）。

关于氧化锆种植体的研究，主要针对材料表面改性的研究占大多数，其次是针对材料本身机械性能的改良。因为众所周知，氧化锆的断裂韧性还不能充分满足临床使用上的标 准。

3 氧化锆种植体的临床使用

自1987年世界上首个氧化锆种植体在瑞典开发并成功上市以来，以欧洲为中心，氧化锆种植体慢慢普及。起初，氧化锆种植体是以一体式为主流，但近年来分体式氧化锆种植体也慢慢开始普及。氧化锆种植体已被推荐用于口腔领域，但主要还是使用在前牙区。临床病例汇报显示，氧化锆种植体的存活率在91.5%，明显低于钛种植体。虽然氧化锆种植体的失败大多数发生在早期愈合阶段，种植体植入1年以后的存活率高于植入1年以内的存活率，但不同的临床研究结果之间存在着差异。

氧化锆种植体的失败主要来源于种植体本身的断裂或破坏。一部分是在种植体植入中发生的断裂，一部分是植入以后使用过程中的断裂。断裂的主要原因还是材料本身的内部缺陷，表面微裂纹等为主，而且断裂容易发生在又深又薄又尖锐的螺纹边缘，这个地方容易被trephine钻破坏。关于氧化锆种植体边缘骨缺失（Marginal Bone Loss），呈现出与钛种植体相似或更好的结果，但也有一些文献报道不如钛种植体。关于氧化锆种植体周边软组织，研究结果表明，氧化锆种植体和基台提供了一个非常好的种植体周围软组织界面。对氧化锆周围软组织反应与传统的钛相比，氧化锆的愈合反应更好，炎症浸润也更少。这可能是因为氧化锆表面的细菌粘附性低于钛的缘故。虽然对氧化锆种植体的前瞻性和回顾性临床研究有些报告，但到目前为止，关于氧化锆种植体的临床研究并不多，特别是长期随访研究很少。综上所述，氧化锆种植体的短期临床效果是可以接受的，但仍然需要对其长期效果进行评估，以比较氧化锆种植体和钛种植体之间的临床效果。

4 展望

氧化锆作为新一代的种植材料有其优点也有缺点。对于审美要求较高的患者，特别是对钛金属过敏的患者来说，以氧化锆为主的无金属全瓷口腔种植体的需求日益增长，而且氧化锆种植体在提高其生活质量（QOL）上会起到非常重要的作用。但是为了避免氧化锆种植体的断裂，降低种植体的失败，提高存活率，不只是要针对氧化锆材料本身的机械性能进行改良，而且还需要通过建立合理有效的表面改性方法来提高氧化锆材料的生物活性以及组织相容性。并且在氧化锆种植体的制造过程中进行严格的质量控制。合理化氧化锆种植体的设计，通过减少尖锐的螺纹及螺纹深度等来避免所有可作为应力集中点的区域。3D打印等快速成型技术将来也应该用于氧化锆种植体的制作以减少材料浪费。因此，氧化锆表面改性以及确立3D打印氧化锆技术将是未来氧化锆种植体领域研究的重要方向。