Forschungsfortschritt zur Oberflächenmodifizierung von Titanimplantaten durch Spurenelemente

   Zahnimplantate nehmen im Bereich der Zahnverlustrestauration eine wichtige Stellung ein. Zahnimplantate weisen jedoch immer noch Risikofaktoren wie Implantatinfektionen und unvollständige Osseointegration auf. Um die Osseointegration und die antibakteriellen Eigenschaften von Implantaten zu verbessern, haben Forscher viel über die Modifikation von Implantatmaterialien geforscht, und die Modifikation von Spurenelementen ist einer der Hot Spots. Studien haben gezeigt, dass Spurenelemente wie Silber, Zink, Fluor, Strontium und Mangan eng mit der Mundgesundheit zusammenhängen und eine hervorragende Leistung bei der antibakteriellen und Osteogenese aufweisen. Mit Mikroelementen modifizierte Implantate sind von großer Bedeutung, um die Erfolgsrate von Zahnimplantaten zu verbessern und den Behandlungseffekt zu verbessern.

  1. Anwendungstechnologie der Oberflächenmodifizierung von Titanimplantaten mit Spurenelementen

  1.1 Plasma-Immersionsionen-Implantationsmethode

  Das traditionelle Ionenimplantationsverfahren besteht darin, die geladenen Ionen vertikal in die Oberfläche des Materials zu beschleunigen, um eine Beschichtung mit besonderen Eigenschaften zu bilden. Die Plasma-Immersionsionenimplantation (PIII) ist eine Verbesserung der Ionenimplantationsmethode. Dieses Verfahren taucht das Material in das Plasma ein und führt eine Ionenimplantation aus mehreren Winkeln durch, wodurch das Problem gelöst wird, dass die Ionenimplantationstechnologie hohe Anforderungen an den Implantationswinkel stellt und die Technologie die Oberflächenstruktur des Materials nicht beeinflusst und für geeignet ist Materialien mit komplexen Strukturen wie Implantate.

Die Zusammensetzung des Oberflächenfilms nach der Injektion kann abhängig von der Materialzusammensetzung des Modifizierungselements und der Matrix die einfache Substanz des Modifizierungselements, das Oxid des Modifizierungselements oder die Verbindung des Modifizierungselements und des Matrixelements sein und die Bedingungen während der Injektion. Wenn beispielsweise Titanimplantate durch nichtmetallische Elemente modifiziert werden, können Verbindungen wie TiN und TiF4 gebildet werden. Wenn Titanimplantate durch Metallelemente modifiziert werden, können ZnO-, MgO- oder reine metallische Zink- oder Magnesiumablagerungen auftreten gebildet werden.

  1.2 Mikrobogenoxidationsmethode

   Die Mikro-Lichtbogenoxidation (MAO) soll einen dicken und stabilen Oxidfilm auf der Metalloberfläche bilden, indem sie sich auf die momentan hohe Temperatur stützt, die durch die Lichtbogenentladung im Elektrolyten erzeugt wird. Die Zusammensetzung und Leistung des Films wird hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflusst. Die Dicke, Porengröße und Rauheit des nach diesem Verfahren hergestellten Oxids sind ebenfalls leichter zu kontrollieren als bei anderen Verfahren. Ähnlich wie bei der PIII-Methode kann die MAO-Methode immer noch einen Oxidfilm mit einheitlichen Eigenschaften, enger Haftung und Verschleißfestigkeit auf Materialien mit komplexen Oberflächenstrukturen bilden.

  1.3 Sonstiges

Das Magnetron-Sputterverfahren verwendet Partikel, um die Oberfläche eines Targets im Vakuum zu treffen, und Partikel auf die Oberfläche des Targets zu sputtern, damit diese abkühlen und sich auf der Oberfläche des Materials ablagern können, um eine Nanobeschichtungsstruktur zu bilden. Die Beschichtung ist relativ dünn, aber die Bindung ist fester. Die technischen Eigenschaften des Magnetron-Sputterns sind, dass die Temperatur des Substrats niedrig ist, die Prozessparameter des Dünnfilms relativ leicht zu steuern sind und es für eine großflächige Beschichtung geeignet ist; Das elektrochemische Abscheidungsverfahren besteht darin, das Material in die entsprechende Spurenelementlösung oder Salzschmelze zu legen und die Oberfläche des Kathodenmaterials mit einem Metallfilm zu beschichten. Die Kombination dieser Methode mit der PIII-Methode wird als Plasma-Immersionsionenimplantation und -abscheidung (PIII & D) bezeichnet. das auf dem Gebiet der Biomedizin weit verbreitet ist. Bei der Auswahl der Modifizierungsmethoden ist es erforderlich, die Art des Materials, die Art des modifizierten Elements, die Effizienz, den Energieverbrauch usw. zu berücksichtigen und für dasselbe Element zu prüfen, ob unterschiedliche Modifizierungsmethoden unterschiedliche biologische Wirkungen hervorrufen können verglich die Studie.

  2. Spurenelemente zur Oberflächenmodifizierung von Titanimplantaten

  Titan ist ein biologisch inertes Material und besitzt keine biologischen Aktivitäten wie osteoinduktive und antibakterielle Eigenschaften. Metallimplantate unterliegen elektrochemischer Korrosion in der Mundhöhle. Eine einfache Modifikation der Oberflächentopographie hat nur begrenzte Auswirkungen auf die biologische Leistung von Titanimplantaten, während eine Modifikation der Spurenelemente zu Leistungen führen kann, die herkömmliche Titanimplantate nicht besitzen.

  2.1 Fluor

  Fluorid hat ein breites Anwendungsspektrum in der Mundhöhle. Lee et al. verwendeten Flusssäure (HF), um die Titanscheibe nach dem Sandstrahlen zu ätzen. Das Fluorid auf der Oberfläche der Titanscheibe trat hauptsächlich in Form von TiOF2 auf. Es wurde durch das Kulturexperiment von osteoblastenähnlichen Zellen MG-63 auf der Oberfläche der Titanscheibe gefunden. Im Vergleich zur Kontrollgruppe können auf der durch HF geätzten Titanscheibe mehr Zellen und eine stärkere Expression des osteogenen verwandten Gens Cbfα1 (Runx2) beobachtet werden. Die Oberflächenbenetzbarkeit der Titanscheibe wird ebenfalls verbessert, was die Differenzierungsaktivität der Zellen erhöht.

Wang et al. verwendeten die PIII-Methode, um Fluor in die Oberfläche des Titanimplantats zu injizieren. Die modifizierte Oberfläche des Implantats fügte eine neue Oberflächenschicht hinzu, die hauptsächlich aus TiF4 bestand. Das fluormodifizierte (F-Ti) Implantat war gegen Porphyromonas gingivalis wirksam. (Porphyromonas gingivalis, Pg) hat eine lytische Wirkung, die die Proliferation osteoblastenähnlicher Zellen MG-63 und die negative Wirkung auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) schwächt. Die Interferenz von OPG / RANKL, einem wichtigen Weg bei Osteoklasten, hängt in gewissem Maße zusammen; In-vivo-Experimente zeigen, dass F-Ti-Implantate im Vergleich zu reinen Titanimplantaten in der Kontrollgruppe eine stärkere Fähigkeit zur Chelatisierung von Calciumionen aufweisen, was zu mehr Knochenablagerungen führt. Der Körper weist einen hohen Grad an Osseointegration des Implantats auf.

Collaert et al. implantierte 125 fluoridmodifizierte Titanimplantate in die Unterkiefer von 25 zahnlosen Unterkieferpatienten. Nach zweijähriger Nachuntersuchung stellten sie fest, dass der durchschnittliche Knochenverlust bei 125 fluoridmodifizierten Implantaten nur 0,11 mm betrug und es kein Implantat gab. Periphere Entzündungen treten auf und die Erfolgsrate kann als 100% angesehen werden. Vor diesem Experiment (2011) erreichte der durchschnittliche Knochenverlust des im klinischen Experiment mit demselben chirurgischen Eingriff verwendeten TiOblast-Implantats nach zwei Jahren 1,29 mm, und die 1-Jahres-Erfolgsrate betrug 78%.

  2.2 Strontium

  Strontium ist eine Art osteogenes Spurenelement, und das verwandte Medikament Strontiumranelat wird verwendet, um die Osseointegration um Implantate herum zu fördern. Strontium kann die Proliferation von Osteoblasten stimulieren, die Differenzierung von Osteoklasten hemmen und die adipogene und chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen hemmen. Strontium kann auch die Reaktion von entzündlichen Immunzellen um das Implantat herum hemmen. Okuzu et al. verwendeten Strontium, um die Oberfläche von Implantaten durch alkalisches Erhitzen zu modifizieren. Zellexperimente zeigten, dass Strontium-modifizierte Titanimplantate im Vergleich zur Kontrollgruppe die Expression von Osteoblasten-β-Atenin und osteogenen Differenzierungsgenen (Runx2, Expression von ALP, OCN, OPN) ebenfalls signifikant verbesserten; In-vivo-Experimente zeigen, dass im Vergleich zur Kontrollgruppe

Die schnelle Osseointegrationsleistung des von Zhang et al. durch die MAO-Methode innerhalb von 6 Wochen entspricht der des im Handel erhältlichen Straumann-Implantats und unterscheidet sich von der neuen Knochenbildungsrichtung des Straumann-Implantats "Wachstum von der Implantatoberfläche". Die Osteogeneserichtung von Strontium-modifizierten Implantaten erstreckt sich entlang der Oberfläche des Implantats, was darauf hinweist, dass der Grad der Osseointegration weiter zunimmt. Offermanns et al. erhielt eine Titan-Strontium-Sauerstoff (Ti-Sr-O) -Beschichtung im Nanomaßstab durch einen Magnetron-Sputterprozess und brachte sie auf die Oberfläche des Titanimplantats auf, wodurch eine kontinuierliche und kontrollierbare Strontiumionenfreisetzungsumgebung geschaffen wurde. Im Osteoporose-Mausmodell Die Knochenbildung und Osseointegration um das Implantat waren signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Die Menge an neuer Knochenbildung korrelierte positiv mit der Menge an freigesetzten Strontiumionen. Die Beschichtung kann auch dazu führen, dass das Osseointegrat des Implantats im Voraus das Maximum erreicht. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass Ti-Sr-O-Beschichtungen in normalen Organismen die osteoinduktive und frühe Osseointegration von Implantaten besser fördern können als SLActive-Titanimplantate und fluormodifizierte Implantate, die klinisch weit verbreitet sind.

  2,3 Silber

   Silberionenmodifiziertes Implantat hat eine ausgezeichnete antibakterielle und entzündungshemmende Fähigkeit. Experimente zeigen, dass Silbernanopartikel (Ag-NPs) eine hemmende Wirkung auf eine Vielzahl von oralen Pathogenen haben. Qiao et al. verwendeten die PIII-Methode, um AgNPs in ein Titanimplantat mit einer aufgerauten Oberfläche einzubetten. Das modifizierte Implantat erhielt nicht nur eine gute antibakterielle Aktivität, sondern förderte auch die Proliferation osteoblastenähnlicher Zellen MG-63. Und die PIII-Methode setzt weniger freies Silber frei, wodurch die toxischen Wirkungen von AgNPs verringert werden. Die gemeinsame Injektion von Silber und anderen Elementen in die Implantatoberfläche ist ebenfalls die aktuelle Forschungsrichtung.

Zhao et al. verwendeten die PIII-Methode, um Magnesium und Silber gemeinsam in die Oberfläche von Titanimplantaten zu injizieren, und stellten fest, dass die antibakteriellen und osteoinduktiven Wirkungen von Magnesium- und Silber-Co-Injektionsimplantaten stärker sind als diejenigen, die nur durch Magnesium oder Silber modifiziert wurden, was zeigt, dass Osteogenesezellen ein stärkeres ALP aufweisen Aktivität und höhere Expressionsniveaus osteogen verwandter Gene. In-vivo-Experimente zeigen, dass die Menge der gemeinsam injizierten Implantate größer und die Osseointegration des Implantats stärker ist. Der Osteoinduktionseffekt von gemeinsam injizierten Implantaten kann mit der Bildung einer Magnesium-Silber-Mikrobatterie zusammenhängen. Magnesium wirkt als Anode in der Mikrobatterie. Diese Struktur kann die Freisetzung von Magnesiumionen fördern. Gleichzeitig wirkt Silber als Kathode, wodurch die Freisetzung von Silber verringert und die Menge an freiem Silber weiter verringert wird.

  2,4 Zink

  Auf dem Gebiet der Zahnimplantate gibt es weitere Studien zu Zink zur Förderung der Osseointegration. Das von Zhu et al. durch die PIII-Methode liegt ZnO auf der Oberfläche des Titanimplantats und in Form von elementarem Zink im tiefen Teil vor, und die biologische Wirkung des zinkmodifizierten Titanimplantats hängt mit der Spannung während der Zinkinjektion zusammen. Wenn die Injektionsspannung 15 kV beträgt Wenn sie auf 30 kV ansteigt, wird die Fähigkeit des Implantats, die Zellproliferation und antibakterielle Mittel zu fördern, verbessert. Zink kann nicht nur allein, sondern auch in Kombination mit anderen Elementen injiziert werden.

   Yu et al. injizierte Zinkionen und Magnesiumionen in die Oberfläche von Titanimplantaten nach der PIII-Methode und beobachtete, dass das Wachstum einer Vielzahl von oralen Anaerobier gehemmt wurde. Im Vergleich zu allein injizierten Zink- oder Magnesiumionen haben Implantate, denen Zink- und Magnesiumionen zusammen injiziert wurden, auch die Aktivität, die Angiogenese zu fördern, und können die Expression osteogener Gene von mesenchymalen Knochenstammzellen (BMMSCs) verbessern, die Zelladhäsion und die Wachstumsaktivität verbessern, fördern Schnelle Osteogenese, Aufrechterhaltung der langfristigen Osteogenese und Verbesserung der Stärke der Osseointegration. Dies kann mit der synergistischen Wirkung von Zink- und Magnesiumionen im Verlauf der Osteogenese zusammenhängen.

  2,5 Tantal

   Tantal kann die Knochenbildung im Implantat fördern und die Proliferation von Bakterien hemmen. Shi et al. fanden heraus, dass die Förderung der Osteogenese durch Tantal mit der Aktivierung von Wnt / β-Atenin- und TGF-β / Smad-Signalwegen zusammenhängt und Tantal auch eine hemmende Wirkung auf Osteoklasten hat. Die Leistung von Tantal-modifizierten Implantaten hängt eng mit der Partikelgröße von Tantal zusammen. Nano-Tantal hat bessere osteoinduktive Eigenschaften als mikroporöses Tantal. In-vivo-Studien von Lee et al. haben gezeigt, dass die porösen Tantal-Trabekelknochen-modifizierten Titanimplantate (Trabecular Metal? Dental Implants, TM) eine bessere knochenfördernde Leistung und Leistung aufweisen als TSV (Tapered Screw-Vent?). Da die Menge an neuer Knochenbildung größer ist, ist die Trabekelknochen-Mikrostruktur größer ist besser. Im Vergleich zu herkömmlichen Titanimplantaten,

Zhu et al. verwendeten ein Magnetron-Sputter-Verfahren, um die Oberfläche von Titanimplantaten mit einer Tantal enthaltenden Mikro- / Nanobeschichtung zu bedecken, und beobachteten, dass es eine gewisse hemmende Wirkung auf die Adhäsion der wichtigsten pathogenen Bakterien in der Mundhöhle hat. Der Mechanismus kann auf die Wirkung von BMMSCs auf Tantal zurückzuführen sein. Der hohe Adhäsionseffekt ist spezifisch, dh er wird nicht von Bakterien beeinflusst, und die Oberfläche dieses Implantats mit hoher Zelladhäsion verringert die Wahrscheinlichkeit einer bakteriellen Adhäsion und zeigt somit einen bakteriostatischen Effekt.

  2,6 Kobalt

   Kobalt kann die Hypoxie-induzierbare Faktor (Hypoxie-induzierbarer Faktor, HIF) -spezifische Prolylhydroxylase inaktivieren, wodurch HIF-1 stabilisiert, nachgeschaltete Gene aktiviert und der Effekt der Aktivierung der Osteogenese erzielt wird. Zhou et al. verwendeten die MAO-Methode, um die Oberfläche von Titanimplantaten mit Kobalt-dotierten Titandioxid / Calciumphosphat-Beschichtungen zu bedecken, und stellten fest, dass der Einbau von Kobalt dazu führte, dass Zellen um die Implantate höhere Zytokinspiegel in Bezug auf Blutgefäße und Knochenbildung sowie Blut exprimierten Gefäße und Der Knochenbildungseffekt steht in positivem Zusammenhang mit der Menge des eingebauten Kobalt.

Die Studie fand auch heraus, dass in-vitro-antibakterielle Experimente zeigten, dass die antibakterielle Rate von gemeinsam injizierten Implantaten 95% erreichen konnte, wenn Strontium, Kobalt und Fluor durch die MAO-Methode gemeinsam auf die Oberfläche des Implantats injiziert wurden. und in Bezug auf die Förderung der Angiogenese und Osteogenese Co-Injektionsimplantate Der Körper ist besser als die drei Elemente Strontium, Kobalt und Fluor, die getrennt oder paarweise injiziert werden. Ein übermäßiges Kobaltelement kann jedoch leicht zu einer Zytotoxizität führen, und es sind wiederholte Experimente erforderlich, um seine optimale Konzentration und langfristige biologische Toxizität zu bestimmen.

  2,7 Mangan

  Mangan spielt nachweislich eine wichtige Rolle im Osteogeneseprozess. Der Mangel an Mangan kann zu Problemen wie langsamer Knochenbildung und Knochenverformung führen. Yu et al. verwendeten PIII & D- und MAO-Methoden, um die Oberfläche von Titanimplantaten mit einer manganhaltigen Beschichtung zu bedecken und eine Umgebung zu schaffen, in der Manganionen für lange Zeit freigesetzt werden können. Die Manganbeschichtung hat eine gewisse Hemmwirkung auf E. coli und Pseudomonas aeruginosa. In Bezug auf die Osteogenese kann Mangan die Differenzierung von Osteoblasten verbessern und die gesamte Knochenbildung erhöhen. Der Grund kann sein, dass Mangan den Signalweg des Nebenschilddrüsenhormons beeinflusst und dadurch die Knochenmineraldichte reguliert. Übermäßiges Mangan hat jedoch eine toxische Wirkung auf Osteoblasten. Die manganhaltige Beschichtung, hergestellt von PIII &

  2.8 Sonstiges

Heo et al. implantierte Goldnanopartikel in die Oberfläche von Implantaten aus silanisiertem Titan. Die goldmodifizierten Implantate können die Differenzierung von Osteoblasten verbessern und die Expression osteogener differenzierungsspezifischer Gene (COL1, Runx2, OCN, BSP usw.) in menschlichen Fettstammzellen erhöhen. Die Aktivität von ALP verbessern, die Ablagerung von Calciumsalz erhöhen. und fördern die Bildung der Implantat-Osseointegrations-Grenzfläche. Studien haben gezeigt, dass Goldnanopartikel an Signalwegen wie p38 / MAPK und ERK / MAPK teilnehmen können, um die Osteogenese zu fördern. Li et al. verwendeten Cer (Ce), um die Oberfläche von Titanimplantaten zu modifizieren, und erhielten durch Magnetron-Sputtern Nano-Ceroxid-Beschichtungen mit unterschiedlichen Ce3 + / Ce4 + -Verhältnissen auf der Oberfläche von Titanimplantaten. Mit der Zunahme des Ce4 + -Gehalts

  3. Zusammenfassung

`` Zusammenfassend haben verschiedene Spurenelemente ihre eigenen Vorteile. Zum Beispiel haben Strontium, Tantal und andere Elemente eine offensichtliche fördernde Wirkung auf die Knochenbildung, und Elemente wie Silber und Zink haben bessere antibakterielle Wirkungen. Die gemeinsame Verwendung von zwei oder mehr Elementen führt zu besseren Ergebnissen als die alleinige Verwendung eines Elements. Gegenwärtig wurden einige elementmodifizierte Implantate in Kliniken verwendet (Fluor, Tantal usw.), und einige Implantate haben sogar eine bessere antibakterielle und osteogene Wirkung als im Handel erhältliche Implantate. Eines der Hauptprobleme bei den modifizierten Implantaten von Spurenelementen besteht darin, einen geeigneten Wert in dem niedrigen Konzentrationsbereich zu finden, in dem die Spurenelemente eine Rolle spielen.