微量元素によるチタンインプラントの表面改質に関する研究の進歩

   歯科インプラントは、歯の喪失の回復の分野で重要な位置を占めています。ただし、歯科インプラントには、インプラント感染や不完全なオッセオインテグレーションなどのリスク要因があります。インプラントのオッセオインテグレーションと抗菌性を高めるために、研究者はインプラント材料の修飾について多くの研究を行ってきましたが、微量元素の修飾はホットスポットの1つです。研究によると、銀、亜鉛、フッ素、ストロンチウム、マンガンなどの微量元素は、口腔の健康と密接に関連しており、抗菌および骨形成において優れた性能を発揮します。微量元素で修飾されたインプラントは、歯科インプラントの成功率を改善し、治療効果を改善するために非常に重要です。

  1.微量元素を含むチタンインプラントの表面改質の応用技術

  1.1プラズマ浸漬イオン注入法

  従来のイオン注入法は、帯電したイオンを材料の表面に垂直に加速して、特別な特性を持つコーティングを形成することです。プラズマ浸漬イオン注入(PIII)は、イオン注入法を改良したものです。この方法は、材料をプラズマに浸し、複数の角度からイオン注入を実行します。これにより、イオン注入技術には注入角度に対する厳しい要件があり、この技術は材料の表面構造に影響を与えず、インプラントなどの複雑な構造を持つ材料。

「射出後の表面フィルムの組成は、改質要素とマトリックスの材料組成に応じて、改質要素の単体、修飾要素の酸化物、または修飾要素とマトリックス要素の化合物であり得る。たとえば、チタンインプラントが非金属元素で修飾されている場合、TiNやTiF4などの化合物が形成される可能性があります。チタンインプラントが金属元素で修飾されている場合、ZnO、MgO、または純粋な金属亜鉛またはマグネシウムの堆積物が形成されます。

  1.2マイクロアーク酸化法

   マイクロアーク酸化(MAO)は、電解液のアーク放電によって発生する瞬間的な高温に依存することにより、金属表面に厚くて安定した酸化膜を形成することです。フィルムの組成と性能は、主に電解質の化学組成に影響されます。この方法で生成される酸化物の厚さ、細孔径、粗さも、他の方法よりも制御が容易です。PIII法と同様に、MAO法でも、複雑な表面構造を持つ材料に対して、均一な特性、密着性、耐摩耗性を備えた酸化皮膜を形成できます。

  1.3その他

マグネトロンスパッタリング法は、粒子を使用して真空中でターゲットの表面に衝撃を与え、粒子をターゲットの表面にスパッタリングし、粒子を冷却して材料の表面に堆積させてナノコーティング構造を形成することを可能にする。コーティングは比較的薄いですが、結合はより緊密です。マグネトロンスパッタリングの技術的特徴は、基板の温度が低く、薄膜のプロセスパラメータを比較的制御しやすく、大面積コーティングに適していることです。電気化学的堆積法は、材料を対応する微量元素溶液または溶融塩に入れ、カソード材料の表面を金属膜でめっきすることです。この方法をPIII法と組み合わせることは、プラズマ浸漬イオン注入および堆積(PIII&D)と呼ばれます。これは生物医学の分野で広く使用されています。修飾方法の選択については、材料の性質、修飾された要素の性質、効率、エネルギー消費などを考慮する必要があり、同じ要素について、異なる修飾方法が異なる生物学的効果を生み出すかどうかを考慮する必要があります。研究を比較しました。

  2.チタンインプラントの表面改質に使用される微量元素

  チタンは生物学的に不活性な材料であり、骨誘導性や抗菌性などの生物学的活性を持たず、金属製インプラントは口腔内で電気化学的腐食を受けます。単純な表面トポグラフィーの変更は、チタンインプラントの生物学的性能に限定的な影響を及ぼしますが、微量元素の変更は、従来のチタンインプラントにはない性能を与えることができます。

  2.1フッ素

  フッ化物は、口腔内で幅広い用途があります。Lee etal。サンドブラスト後、フッ化水素酸(HF)を使用してチタンディスクをエッチングしました。チタンディスクの表面のフッ化物は主にTiOF2の形で現れました。チタンディスク表面の骨芽細胞様細胞MG-63の培養実験で発見されました。対照群と比較して、HFによってエッチングされたチタンディスク上で、より多くの細胞およびより多くの骨形成関連遺伝子Cbfα1(Runx2)の発現が観察されます。チタンディスクの表面の濡れ性も向上し、細胞の分化活性が高まります。

王ら。PIII法を使用して、チタンインプラントの表面にフッ素を注入しました。インプラントの修正された表面は、主にTiF4で構成される新しい表面層を追加しました。フッ素修飾(F-Ti)インプラントは、ポルフィロモナスジンジバリスに対して効果的でした。(Porphyromonas gingivalis、Pg)は溶解効果があり、骨芽細胞様細胞MG-63の増殖を弱め、アルカリホスファターゼ(ALP)活性に悪影響を及ぼします。破骨細胞の重要な経路であるOPG / RANKLの干渉は、ある程度関連しています。インビボ実験は、F-Tiインプラントがカルシウムイオンをキレート化するより強い能力を有し、対照群の純チタンインプラントと比較して、より多くの骨沈着をもたらすことを示している。身体は高度のインプラントオッセオインテグレーションを有する。

Collaert etal。25人の無歯顎患者の下顎に125個のフッ化物修飾チタンインプラントを移植しました。2年間のフォローアップの後、彼らは、125個のフッ化物で修飾されたインプラントの周りの平均骨損失がわずか0.11mmであり、インプラントがなかったことを発見しました。末梢の炎症が起こり、成功率は100%と考えられます。この実験(2011年)以前は、同じ外科手術で臨床実験に使用されたTiOblastインプラントの平均骨量減少は2年後に1.29mmに達し、1年の成功率は78%でした。

  2.2ストロンチウム

  ストロンチウムは一種の骨形成微量元素であり、関連する薬物であるラネル酸ストロンチウムは、インプラント周囲のオッセオインテグレーションを促進するために使用されます。ストロンチウムは、骨芽細胞の増殖を刺激し、破骨細胞の分化を阻害し、間葉系幹細胞の脂肪生成および軟骨形成の分化を阻害することができます。ストロンチウムはまた、インプラント周囲の免疫性炎症細胞の反応を阻害する可能性があります。奥津ほか ストロンチウムを使用して、アルカリ加熱法によりインプラントの表面を修正しました。細胞実験は、対照群と比較して、ストロンチウム修飾チタンインプラントが骨芽細胞β-アテニンの発現を効果的に増加させ、骨形成分化遺伝子(Runx2、ALP、OCN、OPNの発現)も有意に改善されたことを示した。インビボ実験は、対照群と比較して、

Zhangらによって得られたストロンチウム修飾インプラントの迅速なオッセオインテグレーション性能。6週間以内のMAO法によると、市販のStraumannインプラントと同等であり、Straumannインプラントの新しい骨形成方向「インプラント表面からの成長」とは異なります。ストロンチウム修飾インプラントの骨形成方向は、インプラントの表面に沿って伸びており、オッセオインテグレーションの程度がさらに高まることを示しています。オファーマンズ他 マグネトロンスパッタリングプロセスによりナノスケールのチタン-ストロンチウム-酸素(Ti-Sr-O)コーティングを取得し、それをチタンインプラントの表面に塗布して、連続的で制御可能なストロンチウムイオン放出環境を作成しました。骨粗鬆症マウスモデルでは、インプラント周囲の骨形成とオッセオインテグレーションは、対照群よりも有意に高かった。新しい骨形成の量は、放出されたストロンチウムイオンの量と正の相関がありました。コーティングはまた、インプラントのオッセオインテグレーションを事前に最大に到達させることができます。その後の研究では、正常な生物では、Ti-Sr-Oコーティングは、臨床的に広く使用されているSLActiveチタンインプラントやフッ素修飾インプラントよりも、インプラントの骨誘導性および早期のオッセオインテグレーションを促進できることが示されています。

  2.3シルバー

   銀イオン修飾インプラントは、優れた抗菌性と抗炎症性を備えています。実験は、銀ナノ粒子(Ag-NPs)がさまざまな口腔病原体に対して抑制効果を持っていることを示しています。Qiao etal。PIII法を使用して、表面が粗いチタンインプラントにAgNPを埋め込みました。改良されたインプラントは、良好な抗菌活性を得るだけでなく、骨芽細胞様細胞MG-63の増殖を促進しました。また、PIII法では遊離銀の放出が少なくなり、AgNPの毒性作用が減少します。銀と他の元素のインプラント表面への同時注入も現在の研究の方向性です。

趙ら PIII法を使用してマグネシウムと銀をチタンインプラントの表面に同時注入し、マグネシウムと銀の同時注入インプラントの抗菌効果と骨誘導効果が、マグネシウムまたは銀のみで修飾されたものよりも強いことを発見しました。これは、骨形成細胞がより強いALPを持っていることを示しています。骨形成関連遺伝子の活性とより高い発現レベル。インビボ実験は、同時注入されたインプラントの量がより多く、インプラントのオッセオインテグレーションがより強いことを示しています。同時注入されたインプラントの骨誘導効果は、マグネシウム-銀マイクロバッテリーの形成に関連している可能性があります。マグネシウムは、マイクロバッテリーのアノードとして機能します。この構造は、マグネシウムイオンの放出を促進することができます。同時に、銀は陰極として機能し、銀の放出を減らし、さらに自由銀の量を減らします。

  2.4亜鉛

  歯科インプラントの分野では、オッセオインテグレーションの促進における亜鉛に関する研究が増えています。朱らによって注入された亜鉛。PIII法により、チタンインプラントの表面にZnOとして、深部に元素亜鉛の形で存在し、亜鉛修飾チタンインプラントの生物学的効果は、亜鉛注入中の電圧に関連しています。注入電圧が15kVの場合30kVに上昇すると、インプラントが細胞増殖と抗菌を促進する能力が向上します。亜鉛は、単独で注入するだけでなく、他の元素と組み合わせて注入することもできます。

   Yu etal。PIII法によりチタンインプラントの表面に亜鉛イオンとマグネシウムイオンを注入し、さまざまな口腔嫌気性菌の増殖が抑制されることを観察しました。亜鉛またはマグネシウムイオンを単独で注入した場合と比較して、亜鉛およびマグネシウムイオンを同時注入したインプラントは、血管新生を促進する活性もあり、骨間葉系幹細胞(BMMSC)の骨形成遺伝子の発現を改善し、細胞接着および成長活性を改善し、促進します。迅速な骨形成、長期の骨形成の維持、および骨統合の強度の向上。これは、骨形成の過程における亜鉛イオンとマグネシウムイオンの相乗効果に関連している可能性があります。

  2.5タンタル

   タンタルは、インプラントの骨形成を促進し、細菌の増殖を抑制することができます。Shi etal。タンタルによる骨形成の促進は、Wnt /β-アテニンおよびTGF-β/ Smadシグナル伝達経路の活性化に関連している可能性があり、タンタルは破骨細胞に対しても抑制効果があることを発見しました。タンタル修飾インプラントの性能は、タンタルの粒子サイズと密接に関連しています。ナノタンタルは、微孔性タンタルよりも優れた骨誘導特性を持っています。Leeらによるinvivo研究。多孔質タンタル小柱骨修飾チタンインプラント(小柱金属?歯科インプラント、TM)は、TSV(テーパースクリューベント?)よりも優れた骨促進性能と性能を備えていることを示しています。新しい骨形成の量が多いため、小柱骨の微細構造従来のチタンインプラントと比較して、

Zhu etal。タンタルを含むマイクロ/ナノコーティングでチタンインプラントの表面を覆うためにマグネトロンスパッタリング法を使用し、それが口腔内の主要な病原菌の付着に一定の抑制効果があることを観察しました。このメカニズムは、タンタルに対するBMMSCの影響が原因である可能性があります。高接着効果は特異的であり、すなわち細菌の影響を受けず、この高細胞接着インプラントの表面は細菌接着の可能性を低減し、したがって静菌効果を示します。

  2.6コバルト

   コバルトは、低酸素誘導因子(低酸素誘導因子、HIF)に特異的なプロリルヒドロキシラーゼを不活性化し、それによってHIF-1を安定化し、下流の遺伝子を活性化し、骨形成を活性化する効果を達成します。周ら。MAO法を使用して、コバルトをドープした二酸化チタン/リン酸カルシウムコーティングでチタンインプラントの表面を覆い、コバルトを組み込むと、インプラント周囲の細胞が血管や骨の形成、および血液に関連する高レベルのサイトカインを発現することを発見しました。血管と骨形成効果は、組み込まれたコバルトの量と正の関係があります。

この研究では、ストロンチウム、コバルト、およびフッ素がMAO法によってインプラントの表面に同時注入された場合、in vitro抗菌実験により、同時注入されたインプラントの抗菌率が95%に達する可能性があることが示されました。血管新生と骨形成を促進するという点では、同時注射インプラント体は、別々にまたはペアで注射されるストロンチウム、コバルト、およびフッ素の3つの要素よりも優れています。ただし、過剰なコバルト元素は細胞毒性を引き起こしやすく、その最適濃度と長期的な生物学的毒性を決定するには、繰り返し実験が必要です。

  2.7マンガン

  マンガンは骨形成の過程で重要な役割を果たすことが証明されています。マンガンが不足すると、骨の形成が遅くなったり、骨が変形したりするなどの問題が発生する可能性があります。Yu etal。PIII&DおよびMAO法を使用して、チタンインプラントの表面をマンガン含有コーティングで覆い、マンガンイオンを長期間放出できる環境を構築しました。マンガンコーティングは、大腸菌と緑膿菌に対して一定の抑制効果があります。骨形成に関して、マンガンは骨芽細胞の分化を促進し、全体的な骨形成を増加させることができます。その理由は、マンガンが副甲状腺ホルモンのシグナル伝達経路に影響を及ぼし、それによって骨塩密度を調節しているためかもしれません。ただし、過剰なマンガンは骨芽細胞に毒性を及ぼします。PIII&によって調製されたマンガン含有コーティング

  2.8その他

Heo etal。シラン処理されたチタンインプラントの表面に金ナノ粒子を注入しました。金で修飾されたインプラントは、骨芽細胞の分化を促進し、ヒト脂肪幹細胞における骨形成分化特異的遺伝子(COL1、Runx2、OCN、BSPなど)の発現を増加させ、ALPの活性を改善し、カルシウム塩の沈着を増加させます。インプラントのオッセオインテグレーションインターフェースの形成を促進します。研究によると、金ナノ粒子は、p38 / MAPKやERK / MAPKなどのシグナル経路に関与して、骨形成を促進することができます。Li etal。セリウム(Ce)を使用してチタンインプラントの表面を修正し、マグネトロンスパッタリングによってチタンインプラントの表面に異なるCe3 + / Ce4 +比のナノ酸化セリウムコーティングを取得しました。Ce4 +含有量の増加に伴い、

  3.まとめ

「要約すると、さまざまな微量元素には独自の利点があります。たとえば、ストロンチウム、タンタル、その他の元素は骨形成を促進する明らかな効果があり、銀や亜鉛などの元素はより優れた抗菌効果があります。2つ以上の要素を併用すると、1つの要素を単独で使用するよりも良い結果が得られます。現在、一部の元素修飾インプラント(フッ素、タンタルなど)が診療所で使用されており、一部のインプラントは、市販のインプラントよりも優れた抗菌効果と骨形成効果を持っています。微量元素の修正されたインプラントが直面する主な問題の1つは、微量元素が役割を果たす低濃度範囲で適切な値を見つける方法です。