纯钛或钛合金具有良好生物相容性和生物力学性能,目前已成为人工种植牙的主要材料,在口腔临床广泛应用。然而,钛材料高弹性模量、有限的骨整合能力及耐腐蚀不理想等缺点日益显现,影响临床人工种植牙远期效果。近年来,随着生物医学材料学的飞速发展和人工种植技术研究的不断深入,如何改进钛基种植体材料及其表面特性,提高其生物活性,降低其材料弹性模量,促进种植体骨整合,提高人工种植牙的成功率和远期效果成为材料学和医学领域共同关注的焦点。金属钽因其极佳的生物相容性、优异的抗腐蚀性能、良好的生物力学特性及极为稳定的化学特性近年来在医学领域广受关注。钽金属熔点高、耐腐蚀、塑性好,已广泛应用于电子、化工、原子能、军工以及航空等行业。采用多孔钽制备的人工关节、脊柱、骨缺损修复体等业已广泛应用于骨科领域,部分已取得了理想的临床效果。近期有国外学者将多孔钽用于人工牙种植体研发,并正走向临床应用。但钽金属为稀有金属,来源困难且较为昂贵,如果将钽稳定优异的生物性能与已成熟的钛种植体制备技术结合起来,在钛基材料表面制备钽涂层,将其用于钛-钽人工种植牙的研究,则不仅实现两种材料的优势互补,而且可大大降低钽人工种植牙的成本。而有关钛基人工种植牙表面钽涂层的研发,国内外尚未见报道。因此,本研究拟通过对钛基材料表面钽、钛等离子喷涂改性,对比研究钛基表面喷涂不同材料及表面不同处理方法对其体外细胞相容性及犬体内组织相容性的影响,为最佳制备参数、制备工艺的确定及钛钽人工种植牙的临床应用提供理论及实验依据。研究的材料方法和主要结果如下:1、钛基钽涂层的制备及其表征制备纯钛片,以钛涂层和喷砂钛为对照,采用等离子喷涂技术,对钛片进行钽涂层、钛涂层及喷砂钛制备,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱扫描(EDX)分析对三组材料的表面形貌、涂层厚度和材料表面化学组成进行分析;采用HV-120维氏硬度仪、WS-2005涂层附着力自动划痕仪分别对涂层表面硬度及其与基体结合强度进行评价,用接触角测量仪(CAM)对材料表面亲水性进行检测。结果SEM下可见:喷砂钛组低倍镜下表面粗糙,呈颗粒状,孔隙大小不均,高倍镜下见多孔状结构,裂隙大小不等间隔宽窄不同;钛涂层组材料表面低倍镜下见结构较为致密,呈熔融状或细颗粒状,表面呈不规则熔岩样突起,高倍镜下突起大小形状不等,长短不一,裂隙状孔隙交错无规则排列;钽涂层组低倍镜下呈致密熔融状,纹理更为细密、均匀,高倍镜下见表面呈不规则层状或片状或球状突起,表面有大小不等微孔或裂隙状小孔。钛、钽两种涂层厚度均为80～100um,钽涂层纯度Wt%为99.29士0.43,At%为99.32士0.38;钛涂层纯度:Wt%为97.83士 1.99, At%为92.79士6.89;喷砂处理钛表面纯度Wt%为98.47士0.79, At%为97.77士0.92。划痕试验结果显示:临界载荷钽涂层:53.16士 1.68N/mPa,钛涂层:为40.75士0.96N/mPa;维氏硬度计测量:钽涂层为358士 17hv,钛涂层为316士 12hv,喷砂处理钛表面为335士 15hv;钽涂层组亲水性最佳,钛涂层其次,喷砂钛组最差。结论钽涂层与钛涂层、喷砂钛表面结构明显不同,涂层厚度无显著性差异,三组材料表面硬度、强度以钽涂层组最高,亲水性有差异,接触角钽涂层<钛涂层<喷砂钛,本部分为钛及钽涂层制备参数设定提供参考,也为后续实验奠定了基础。2、钛基钽涂层材料表面改性对人牙周膜细胞相容性研究实验一、人牙周膜干细胞原代培养与鉴定收集临床因正畸拔除的健康人前磨牙,采用组织块法原代培养人牙周膜细胞,通过克隆化培养方法分离牙周膜干细胞(PDLSCs),经流式细胞仪检测细胞表型CD29、CD34、CD44、CD45、CD73、CD90、CD105、CD146及CD166进行检测。结果采用克隆化培养的人PDLSCs,高表达间充质干细胞表面相对特异性标记STRO-1、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105、CD146分子。结论本实验成功培养分离了人PDLSCs,为进一步研究细胞材料相容性奠定了基础。实验二、人PDLSCs与钛基钽涂层材料的细胞相容性研究将人PDLSCs分别接种在钽涂层、钛涂层及喷砂钛材料表面,进行PDLSCs-材料共培养,通过SEM观察材料表面培养的细胞生长状态,细胞在材料表面被覆面积占比分析,采用CCK-8检测对比分析各组材料表面的细胞增殖。结果 hPDLSCs接种于材料表面12天,SEM观察显示:各组材料表面均有细胞粘附、伸展,随着培养时间延长,细胞在材料表面的增殖逐渐增高,Image J图形软件分析结果显示:涂层材料表面细胞量:钽涂层>钛涂层>喷砂钛,两两间有统计性差异(P<0.05),与喷砂钛组比较,钽涂层组表面细胞量显著大(P<0.01);细胞增殖检测结果表明:钽涂层表面细胞粘附增殖显著高于喷砂钛组(P<0.01)。各接种细胞试验组材料表面均有细胞粘附、伸展,细胞在材料表面的增殖均高,Image J图形软件分析显示钛涂层试件组与另两组试件的组间有差异(P<0.05),喷砂钛与钽涂层试件组间具有显著性差异(P<0.01);试验组材料细胞毒性均低且组间两两比较无统计学差异(P>0.05),但与阳性对照组相比较差异皆具显著性(P<0.01)。结论三组材料表面均有hPDLSCs生长,以钽涂层组生长状态最好,材料表面等离子喷涂改性促进了钛基材料表面细胞粘附生长活性,钽涂层较钛涂层具有更好的细胞相容性。3、钛基钽涂层人工种植体犬体内组织相容性及骨结合能力研究首先模拟临床牙缺失状况,拔除比格犬双侧下颌磨牙,观察3月,通过口腔临床检查及CBCT影像学测量确诊犬缺牙模型成功建立。其次,参照Ta涂层、Ti涂层、喷砂钛制备的参数,制备出钛基钽涂层、钛基钛涂层及喷砂处理钛人工种植体,以临床应用的ITI人工种植体为阳性对照,将不同组别人工种植体植入建立的犬牙缺失模型中,对比研究钽涂层改性对其与犬体内组织相容性的影响,组织学、X-线、CBCT及Micro-CT评价植入不同时间点各种植体-骨结合能力。结果组织切片分析显示植入初期种植体周围新成骨量随着植入时间的延长而不断增加,同种材料试件组纵向比较第3m与1m、6m组间有差异(P < 0.05),第1m与6m间差异显著(P < 0.01);术后第1m、3m和6m同期内种植体周围成骨量以钽涂层和ITI人工种植体最好,均与钛涂层组具差异性(P< 0.05),与喷砂钛具显著差异(P< 0.01)。术后X线片、CBCT及Micro-CT扫描检查提示实验期内各组种植体周围骨密度随着植入时间的延长而不断增强,同期以钽涂层组骨密度最高,钛涂层与ITI人工种植体居中,喷砂钛组最低。结论四组种植体植入体内,无载荷条件下初期均具有良好的骨组织相容性和周围成骨效果,种植体-骨组织界面结合实验期内均稳定,无涂层脱落或涂层与基体分离现象,皆具初期稳定性;组织学及影像学检查见种植体钽涂层与骨结合最佳,钛涂层和ITI人工种植体较佳;种植体涂层-骨结合的远期效果尚需进一步观察研究。综上所述钛基材料表面等离子喷涂改性能改善了料表面的生物活性,而钽涂层较钛涂层具有更好的组织相容性和成骨活性,与临床广泛应用的ITI植体比较,钛基钽涂层植体与ITI植体具有相似的生物活性和骨结合能力。种植体植入动物体内结果显示各组在实验期种植体-骨整合效果良好,以钽涂层等离子喷涂改性的初期稳定最佳,远期效果均有待进一步研究观察。