미량 원소에 의한 티타늄 임플란트의 표면 개질 연구 진행

   치과 임플란트는 치아 손실 복구 분야에서 중요한 위치를 차지합니다. 그러나 치과 임플란트에는 여전히 임플란트 감염 및 불완전한 골 유착과 같은 위험 요소가 있습니다. 임플란트의 골 유착 및 항균 특성을 높이기 위해 연구자들은 임플란트 재료의 변형에 대한 많은 연구를 수행했으며 미량 원소의 변형이 핫스팟 중 하나입니다. 연구에 따르면은, 아연, 불소, 스트론튬 및 망간과 같은 미량 원소는 구강 건강과 밀접한 관련이 있으며 항균 및 골 형성에 탁월한 성능을 보입니다. 미량 원소 변형 임플란트는 임플란트의 성공률을 높이고 치료 효과를 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다.

  1. 미량 원소를 이용한 티타늄 임플란트의 표면 개질 응용 기술

  1.1 플라즈마 침지 이온 주입 방법

  전통적인 이온 주입 방법은 재료 표면에 하전 된 이온을 수직으로 가속화하여 특별한 특성을 가진 코팅을 형성하는 것입니다. 플라즈마 침지 이온 주입 (PIII)은 이온 주입 방법을 개선 한 것입니다. 이 방법은 물질을 플라즈마에 담그고 여러 각도에서 이온 주입을 수행하여 이온 주입 기술이 주입 각도에 대한 까다로운 요구 사항을 가지고 있으며,이 기술이 재료의 표면 구조에 영향을주지 않는 문제를 해결합니다. 임플란트와 같은 복잡한 구조를 가진 재료.

"주입 후 표면 필름의 조성은 개질 요소와 매트릭스의 재료 구성에 따라 개질 요소의 단순 물질, 개질 요소의 산화물 또는 개질 요소와 매트릭스 요소의 화합물이 될 수 있습니다. 예를 들어 티타늄 임플란트가 비금속 원소로 변형되면 TiN 및 TiF4와 같은 화합물이 형성 될 수 있습니다. 티타늄 임플란트가 금속 원소로 변형되면 ZnO, MgO 또는 순수 금속 아연 또는 마그네슘 침착 물이 형성된다.

  1.2 마이크로 아크 산화법

   마이크로 아크 산화 (MAO)는 전해액에서 아크 방전으로 발생하는 순간적인 고온에 의존하여 금속 표면에 두껍고 안정된 산화막을 형성하는 것입니다. 필름의 구성과 성능은 주로 전해질의 화학적 구성에 의해 영향을받습니다. 이 방법으로 생성되는 산화물의 두께, 기공 크기 및 거칠기는 다른 방법보다 제어하기 쉽습니다. PIII 방법과 마찬가지로 MAO 방법은 복잡한 표면 구조를 가진 재료에 대해 균일 한 특성, 밀착성 및 내마모성을 가진 산화막을 형성 할 수 있습니다.

  1.3 기타

마그네트론 스퍼터링 방법은 입자를 사용하여 진공 상태에서 타겟 표면에 충격을 가하고 타겟 표면에 입자를 스퍼터링하여 냉각하고 재료 표면에 증착하여 나노 코팅 구조를 형성합니다. 코팅은 상대적으로 얇지 만 접착력은 더 단단합니다. 마그네트론 스퍼터링의 기술적 특성은 기판의 온도가 낮고 박막의 공정 매개 변수가 상대적으로 제어하기 쉽고 대 면적 코팅에 적합하다는 것입니다. 전기 화학적 증착 방법은 해당 미량 원소 용액 또는 용융 염에 재료를 넣고 음극 재료의 표면을 금속 필름으로 도금하는 것입니다. 이 방법을 PIII 방법과 결합하는 것을 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착 (PIII & D)이라고합니다. 생물 의학 분야에서 널리 사용됩니다. 수정 방법의 선택을 위해 재료의 특성, 수정 된 요소의 특성, 효율성, 에너지 소비 등을 고려해야하며 동일한 요소에 대해 다른 수정 방법이 다른 생물학적 효과를 생성 할 수 있는지 여부를 고려해야합니다. 연구를 비교했습니다.

  2. 티타늄 임플란트의 표면 개질에 사용되는 미량 원소

  티타늄은 생물학적으로 불활성 인 물질이며 골유 도성 및 항균성 등의 생물학적 활성이 없으며 금속 임플란트는 구강 내에서 전기 화학적 부식의 영향을받습니다. 단순한 표면 형상 수정은 티타늄 임플란트의 생물학적 성능에 제한적인 영향을 미치는 반면, 미량 원소 수정은 기존 티타늄 임플란트가 갖지 못한 성능을 제공 할 수 있습니다.

  2.1 불소

  불소는 구강에서 다양한 용도로 사용됩니다. Lee et al. 샌드 블라스팅 후 티타늄 디스크를 에칭하기 위해 불산 (HF)을 사용했습니다. 티타늄 디스크 표면의 불소는 주로 TiOF2 형태로 나타났습니다. 티타늄 디스크 표면에있는 조골 세포 유사 세포 MG-63의 배양 실험을 통해 발견되었습니다. 대조군에 비해 HF에 의해 에칭 된 티타늄 디스크에서 더 많은 세포와 더 많은 골 형성 관련 유전자 Cbfα1 (Runx2) 발현이 관찰 될 수 있습니다. 티타늄 디스크의 표면 젖음성도 개선되어 세포의 분화 활동을 향상시킵니다.

Wang et al. 티타늄 임플란트 표면에 불소를 주입하기 위해 PIII 방법을 사용했습니다. 임플란트의 수정 된 표면은 주로 TiF4로 구성된 새로운 표면층을 추가했습니다. fluorine-modified (F-Ti) 임플란트는 Porphyromonas gingivalis에 효과적이었습니다. (Porphyromonas gingivalis, Pg)는 용해 효과가있어 골아 세포 유사 세포 MG-63의 증식을 약화시키고 알칼리성 포스파타제 (ALP) 활성에 부정적인 영향을 미칩니다. 파골 세포의 중요한 경로 인 OPG / RANKL의 간섭은 어느 정도 관련이 있습니다. 생체 내 실험은 F-Ti 임플란트가 칼슘 이온을 킬레이트 화하는 능력이 더 강하여 대조군의 순수 티타늄 임플란트에 비해 더 많은 뼈 침착을 초래 함을 보여줍니다. 신체는 임플란트 골 유착 정도가 높습니다.

Collaert et al. 25 명의 무치악 하악 환자의 하악에 125 개의 불소 변형 티타늄 임플란트를 이식했습니다. 2 년의 추적 조사 결과, 125 개의 불소 변형 임플란트 주변의 평균 골 손실이 0.11mm에 불과하고 임플란트가 없다는 것을 발견했습니다. 말초 염증이 발생하고 성공률은 100 %로 간주 할 수 있습니다. 이 실험 (2011) 이전에는 동일한 수술로 임상 실험에 사용 된 TiOblast 임플란트의 평균 골 손실이 2 년 만에 1.29mm에 이르렀고 1 년 성공률은 78 %였습니다.

  2.2 스트론튬

  스트론튬은 일종의 골 형성 미량 원소이며 관련 약물 인 스트론튬 라넬 레이트는 임플란트 주변의 골 유착을 촉진하는 데 사용됩니다. 스트론튬은 조골 세포의 증식을 자극하고, 파골 세포의 분화를 억제 할 수 있으며, 중간 엽 줄기 세포의 지방 및 연골 분화를 억제 할 수 있습니다. 스트론튬은 또한 임플란트 주변의 면역 염증 세포의 반응을 억제 할 수 있습니다. Okuzu et al. 스트론튬을 사용하여 알칼리 가열 방식으로 임플란트 표면을 수정했습니다. 세포 실험은 대조군에 비해 스트론튬으로 변형 된 티타늄 임플란트가 골아 세포 β- 아테 닌의 발현을 효과적으로 증가 시켰고 골 형성 분화 유전자 (Runx2, ALP, OCN, OPN의 발현)도 현저하게 개선되었음을 보여주었습니다. 생체 내 실험은 대조군과 비교했을 때

Zhang et al.에 의해 획득 된 스트론튬 변형 임플란트의 빠른 골 유착 성능. MAO 방법을 통해 6 주 이내에 시판되는 Straumann 임플란트와 동일하며 Straumann 임플란트 "임플란트 표면에서 성장"의 새로운 뼈 형성 방향과는 다릅니다. 스트론튬 변형 임플란트의 골 형성 방향은 임플란트 표면을 따라 확장되어 골 유착 정도가 더욱 증가 할 것입니다. Offermanns et al. 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 나노 크기의 티타늄-스트론튬-산소 (Ti-Sr-O) 코팅을 얻어 티타늄 임플란트 표면에 적용하여 지속적이고 제어 가능한 스트론튬 이온 방출 환경을 만듭니다. 골다공증 마우스 모델에서 임플란트 주변의 골 형성과 골 유착은 대조군보다 유의하게 높았다. 새로운 뼈 형성의 양은 방출 된 스트론튬 이온의 양과 양의 상관 관계가있었습니다. 코팅은 또한 임플란트가 골 유착을 미리 최대로 만들 수 있습니다. 후속 연구에 따르면 정상 유기체에서 Ti-Sr-O 코팅은 임상 적으로 널리 사용되는 SLActive 티타늄 임플란트 및 불소 변형 임플란트보다 임플란트의 골유 도성 및 조기 골 유착을 촉진 할 수 있습니다.

  2.3 실버

   은 이온 개질 임플란트는 우수한 항균 및 항염 기능을 가지고 있습니다. 실험에 따르면은 나노 입자 (Ag-NP)는 다양한 구강 병원체에 대한 억제 효과가 있습니다. Qiao et al. PIII 방법을 사용하여 표면이 거친 티타늄 임플란트에 AgNP를 삽입했습니다. 변형 된 임플란트는 좋은 항균 활성을 얻을뿐만 아니라 조골 세포 유사 세포 MG-63의 증식을 촉진했습니다. 그리고 PIII 방법은 유리은을 덜 방출하여 AgNP의 독성 효과를 줄입니다. 은과 기타 원소를 임플란트 표면에 동시 주입하는 것도 현재 연구 방향입니다.

Zhao et al. 티타늄 임플란트 표면에 마그네슘과은을 동시 주입하기 위해 PIII 방법을 사용했으며 마그네슘과은 동시 주입 임플란트의 항균 및 골 유도 효과가 마그네슘 또는은 단독으로 변형 된 것보다 더 강하여 골 형성 세포가 ALP가 더 강함을 보여줍니다. 골 형성 관련 유전자의 활성 및 더 높은 발현 수준. 생체 내 실험은 동시 주입 된 임플란트의 양이 더 많고 임플란트 골 유착이 더 강하다는 것을 보여줍니다. 공동 주입 임플란트의 골 유도 효과는 마그네슘-은 마이크로 배터리의 형성과 관련이있을 수 있습니다. 마그네슘은 마이크로 배터리에서 양극 역할을합니다. 이 구조는 마그네슘 이온의 방출을 촉진 할 수 있습니다. 동시에 은은 음극으로 작용하여 은의 방출을 줄이고 유리 은의 양을 더욱 감소시킵니다.

  2.4 아연

  치과 임플란트 분야에서는 골 유착을 촉진하는 아연에 대한 더 많은 연구가 있습니다. Zhu et al.에 의해 주입 된 아연. PIII 방법을 통해 티타늄 임플란트 표면에는 ZnO로, 깊은 부분에는 아연 원소 형태로 존재하며, 아연 개질 티타늄 임플란트의 생물학적 효과는 아연 주입시 전압과 관련이 있습니다. 주입 전압이 15kV 일 때 30kV까지 상승하면 임플란트의 세포 증식 및 항균력이 향상됩니다. 아연은 단독으로 주입 할 수있을뿐만 아니라 다른 원소와 함께 주입 할 수도 있습니다.

   Yu et al. 티타늄 임플란트 표면에 아연 이온과 마그네슘 이온을 PIII 방법으로 주입 한 결과 다양한 구강 혐기성 세균의 성장이 억제되는 것을 관찰했습니다. 아연 또는 마그네슘 이온 단독 주입과 비교하여 아연 및 마그네슘 이온을 공동 주입 한 임플란트는 혈관 신생을 촉진하는 활성을 가지며 뼈 중간 엽 줄기 세포 (BMMSC) 골 형성 유전자의 발현을 개선 할 수 있으며, 세포 부착 및 성장 활성을 향상시키고, 빠른 골 형성, 장기 골 형성 유지, 골 유착의 강도 향상. 이것은 골 형성 과정에서 아연과 마그네슘 이온의 시너지 효과와 관련이있을 수 있습니다.

  2.5 탄탈륨

   탄탈륨은 임플란트 뼈 형성을 촉진하고 박테리아 증식을 억제 할 수 있습니다. Shi et al. 탄탈에 의한 골 형성 촉진은 Wnt / β-atenin 및 TGF-β / Smad 신호 전달 경로의 활성화와 관련이있을 수 있으며, 탄탈은 파골 세포에도 억제 효과가 있음을 발견했습니다. 탄탈 수정 임플란트의 성능은 탄탈 입자 크기와 밀접한 관련이 있습니다. 나노 탄탈은 미세 다공성 탄탈보다 골 유도 특성이 더 좋습니다. Lee 등의 생체 내 연구. 다공성 탄탈 소주 골 변형 티타늄 임플란트 (Trabecular metal? Dental Implants, TM)는 TSV (Tapered Screw-Vent? 새로운 골 형성의 양이 더 많기 때문에 소주 골 미세 구조 기존의 티타늄 임플란트에 비해

Zhu et al. 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 티타늄 임플란트 표면을 탄탈륨을 함유 한 마이크로 / 나노 코팅으로 덮고 구강 내 주요 병원성 박테리아의 부착에 특정 억제 효과가 있음을 관찰했습니다. 메커니즘은 탄탈륨에 대한 BMMSC의 영향 때문일 수 있습니다. 높은 접착 효과는 특이한 데, 즉 세균의 영향을받지 않으며,이 고 세포 접착 성 임플란트의 표면은 세균의 접착 가능성을 줄여 정균 효과를 나타냅니다.

  2.6 코발트

   코발트는 저산소증 유도 인자 (hypoxia inducible factor, HIF) 특정 프 롤릴 하이드 록 실라 제를 비활성화시켜 HIF-1을 안정화시키고, 하류 유전자를 활성화하며, 골 형성을 활성화시키는 효과를 얻을 수 있습니다. Zhou et al. MAO 방법을 사용하여 코발트 도핑 된 이산화 티타늄 / 인산 칼슘 코팅으로 티타늄 임플란트의 표면을 덮고, 코발트의 혼입으로 인해 임플란트 주변의 세포가 혈관 및 뼈 형성 및 혈액과 관련된 더 높은 수준의 사이토 카인을 발현하는 것을 발견했습니다 골 형성 효과는 코발트의 양과 관련이 있습니다.

이 연구는 또한 스트론튬, 코발트, 불소를 MAO 방법을 통해 임플란트 표면에 동시 주입했을 때 체외 항균 실험을 통해 동시 주입 된 임플란트의 항균 율이 95 %에이를 수 있음을 발견했습니다. 그리고 혈관 신생과 골 형성을 촉진하는 측면에서 공동 주입 임플란트 몸은 스트론튬, 코발트, 불소의 세 가지 요소를 따로 또는 쌍으로 주입하는 것보다 낫습니다. 그러나 과도한 코발트 원소는 쉽게 세포 독성을 유발할 수 있으며, 최적의 농도와 장기적인 생물학적 독성을 결정하기 위해서는 반복적 인 실험이 필요합니다.

  2.7 망간

  망간은 골 형성 과정에서 중요한 역할을하는 것으로 입증되었습니다. 망간이 부족하면 느린 뼈 형성 및 뼈 변형과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. Yu et al. PIII & D 및 MAO 방법을 사용하여 티타늄 임플란트 표면을 망간 함유 코팅으로 덮어 망간 이온을 장기간 방출 할 수있는 환경을 구축했습니다. 망간 코팅은 E. coli 및 Pseudomonas aeruginosa에 대한 특정 억제 효과가 있습니다. 골 형성 측면에서 망간은 골아 세포의 분화를 강화하고 전반적인 골 형성을 증가시킬 수 있습니다. 그 이유는 망간이 부갑상선 호르몬 신호 전달 경로에 영향을 주어 골밀도를 조절하기 때문일 수 있습니다. 그러나 과도한 망간은 조골 세포에 독성 영향을 미칩니다. PIII &에 의해 준비된 망간 함유 코팅

  2.8 기타

Heo et al. 실란 화 티타늄 임플란트의 표면에 금 나노 입자를 이식했습니다. 금 변형 임플란트는 인간 지방 줄기 세포에서 조골 세포 분화를 향상시키고 골 형성 분화 특이 적 유전자 (COL1, Runx2, OCN, BSP 등)의 발현을 증가시킬 수 있습니다. 임플란트 골 유착 인터페이스의 형성을 촉진합니다. 연구에 따르면 금 나노 입자는 p38 / MAPK 및 ERK / MAPK와 같은 신호 경로에 참여하여 골 형성을 촉진 할 수 있습니다. Li et al. 티타늄 임플란트 표면을 수정하기 위해 세륨 (Ce)을 사용하고 마그네트론 스퍼터링을 통해 티타늄 임플란트 표면에 Ce3 + / Ce4 + 비율이 다른 나노-세륨 산화물 코팅을 얻었습니다. Ce4 + 함량이 증가함에 따라

  3. 요약

``요약하면 다양한 미량 원소에는 고유 한 장점이 있습니다. 예를 들어, 스트론튬, 탄탈륨 및 기타 요소는 뼈 형성에 명백한 촉진 효과가 있으며은 및 아연과 같은 요소는 더 나은 항균 효과가 있습니다. 두 개 이상의 요소를 함께 사용하면 한 요소 만 사용하는 것보다 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 현재 클리닉 (불소, 탄탈 등)에서 일부 원소 변형 임플란트가 사용되고 있으며, 일부 임플란트는 시판되는 임플란트보다 항균 및 골 형성 효과가 더 우수합니다. 미량 원소의 수정 된 임플란트가 직면 한 주요 문제 중 하나는 미량 원소가 역할을하는 저농도 범위에서 적절한 값을 찾는 방법입니다.