钛合金生物相容性优势显著,牙科植入物应用持续创新
钛合金生物相容性优势显著,牙科植入物应用持续创新
钛合金被认为是生物医学应用最具吸引力的金属材料。Ti-6Al-4V 长期以来一直受到生物医学应用的青睐。然而,对于永久性植入物应用,该合金可能因释放的钒和铝而产生毒性作用。因此,无钒和无铝合金已被引入用于植入应用。
一、简介
用于生物医学应用的材料范围广泛,必须具有特定的性能。用于制造植入物的材料最重要的特性是生物相容性,其次是耐腐蚀性。主要的金属生物材料是不锈钢、钴合金、钛和钛合金。
不锈钢是第一种成功用作植入物的金属生物材料。1932 年,钴基合金 Vitallium 被开发用于医疗应用。钛是最新的金属生物材料。在医学和牙科领域,钛及其合金已证明作为生物医学设备取得成功。
二、医疗应用和生物相容性
钛合金现在是生物医学应用领域最具吸引力的金属材料。在医学领域,它们用于替代失效的硬组织的植入装置。例如人工髋关节、人工膝关节、骨板、骨折固定螺钉、贲门瓣膜假体、起搏器和人工心脏。Ti-6Al-4V 长期以来一直是主要的医用钛合金。然而,对于永久性植入应用,该合金可能因释放的钒和铝而产生毒性作用。因此,在 Ti-6Al-4V 植入物的基础上,引入了用于植入应用的无钒和无铝合金。这些新合金包括 Ti6Al-7Nb (ASTM F1295)、Ti-13Nb13Zr (ASTM F1713) 和 Ti-12Mo6Zr (ASTM F1813)。
过去 50 年来,世界各地的大学和工业界进行了大量的体内和体外钛实验。这些实验发现,钛的优异生物相容性与其氧化物有关。C.B. Johansson1 在体内动物模型研究中证明,钛氧化物可能与 Ti-6Al-4V、CoCr 合金和不锈钢 316 LVM 等金属生物材料不同。钛植入物与骨骼之间的界面是一层薄薄的蛋白聚糖层。
商业纯钛 (Cp Ti) 被认为是生物相容性最好的金属材料,因为其表面特性导致自发形成稳定且惰性的氧化层。钛的主要物理特性决定了其生物相容性:电子电导率低、耐腐蚀性高、生理 pH 值下的热力学状态、水环境中离子形成趋势低以及氧化物的等电点为 5-6。此外,在生理 pH 下,钝化膜覆盖的表面仅带少量负电荷,钛的介电常数与水相当,因此带电物质的库仑相互作用与水中的库仑相互作用相似。
三、牙科应用
钛及其合金还用于牙科设备,如植入物、牙冠、牙桥、覆盖义齿和牙科植入物假体组件(螺丝和基台)。商业纯钛优先用于骨内牙科植入物应用。目前有四种 cp Ti 等级和一种专门为牙科植入物应用而制造的钛合金。根据 ASTM,这些金属被指定为 1 至 5 级。1 至 4 级为非合金,而 5 级(含 6% 铝和 4% 钒)是最坚固的。根据 ASTM F67 和 F136,表 I 总结了 1 至 5 级钛棒的机械性能。
表 I. 植入物钛棒的选定机械要求特性
在四种 ASTM 纯钛等级中,1 级钛具有最高的纯度、最低的强度和最佳的室温延展性。2 级钛是工业牙科植入物应用的主要 cp Ti。2 级保证的最低屈服强度为 275 MPa,与退火奥氏体不锈钢相当。
3 级钛的最大铁含量为 0.30,低于 4 级(最大 0.50)。4 级在 ASTM 纯钛等级中具有最高的强度。5 级是 ASTM 钛合金(Ti-6Al-4V),是医疗植入物中使用最广泛的钛合金,但在牙科植入物中并不常见。该合金最常用于退火状态。
钛和 Ti-6Al-4V 用于矫形假体时,剪切强度和耐磨性较低。钛植入物(103-120 GPa)和骨骼(10-30 GPa)之间的杨氏模量不匹配也是一大问题,这不利于骨骼愈合和重塑。已经进行了一些研究来解决这些问题,并且已经开发出许多用于生物医学应用的新型钛合金。然而,弹性模量与其他机械性能之间存在矛盾。当弹性模量降低时,钛合金的强度也会降低。相反,当强度提高时,弹性模量也会增加。
有几项研究比较了插入兔骨的 cp Ti 和 Ti-6Al-4V 植入物。研究表明,在扭转时,cp Ti 种植体具有比 Ti-6Al-4V 螺钉更高的移除扭矩值,并且骨接触明显更高。
四、牙种植体
牙种植体有三种类型:骨整合型、用于正畸锚固的微型种植体和颧骨型。每组都需要不同的机械性能,并且必须由 cp Ti 或钛合金制成。
4.1. 骨整合型种植体
牙种植体的骨整合最初由 P.-I.研究人员定义为骨与种植体的直接接触,后来在更具功能性的基础上定义为在负载下的骨与种植体的直接接触。
过去,骨整合型骨内牙种植体有多种形状,包括空心篮、刀片、三脚架、针、圆盘、截锥形、圆柱体和螺钉。目前最常用的牙种植体呈螺丝形状,由 cp Ti 或 Ti-6Al-4V 制成,如图 1 所示。牙种植体的直径为 3.3 mm 至 6.0 mm,长度为 6 mm 至 16 mm。
图 1. 商业牙科植入物设计示例。(由巴西 Conexão Sistemae Prótese 提供。)
要了解骨整合牙种植体的材料特性和功能的重要性,首先必须了解种植体的各个部分,如图 2 所示。虽然每种可用的种植系统形状不同,但各个部分是相同的。种植体是与骨实际接触的主要部件。为了改善对钛的生物反应,引入了不同的种植体表面改性。植入后的组织反应受种植体表面的物理化学性质影响。图 3 显示了手术过程中具有良好润湿性表面的种植体。第二个部件是基台,它连接种植体和假体并与软组织接触。通常基台用螺钉连接到种植体,也可以用水泥固定。种植体结构的第三部分是假体,可以用螺钉或水泥将其固定在基台上。种植体由 cp Ti 或钛合金制成,基台由钛合金制成,基台螺钉由钛或金合金制成。
图 2. 牙科植入物组件。
图 3. 具有良好润湿性的牙科植入物。
某些设计的钛牙科种植体及其假体组件直径小、壁厚大,尤其是内部基台固定(见图 1 中的最后五个种植体)。在这些情况下,种植体必须由 Ti-6Al-4V 制成以防止断裂。然而,当植入钛合金时,可以在局部和全身组织中检测到更高水平的成分元素。
研究人员分析了种植体愈合过程中钒离子的释放。将钛合金种植体插入兔子的胫骨中。1、4 和 12 周后,对它们进行移除扭矩测试。取出肾脏、肝脏和肺并用原子吸收光谱法进行分析。与对照值相比,钒含量在 1 周后略有增加,在 4 周后显著增加,在 12 周后略有下降,但未达到 1 周的值。
为了避免离子释放,有必要开发新的钛合金加工工艺或提高 cp Ti 的机械性能。一种解决方案是纳米晶体材料,它可以提供非常高的强度、韧性和抗疲劳性。纳米材料的加工以提高强度和延展性对于疲劳强度和断裂韧性至关重要。研究人员使用严重的塑性变形细化了块状坯料的微观结构,并提高了 2 级钛的机械性能。
4.2. 牙种植体中的超细晶粒钛
如上所述,一些用 Ti-6Al-4V 制成的牙种植体可以局部和全身释放离子到组织中。然而,对于更坚固的种植体,合金钛比非合金钛更受欢迎。然而,从生物力学的角度来看,cp Ti 种植体的移除扭矩明显高于合金种植体。
研究人员的研究表明,超细晶粒 cp Ti 的极限抗拉强度高达 1,240 MPa,同时保持 11% 的延展性。
本研究分析了在牙科中使用超细晶粒钛的可能性。用钛棒车制成螺距高度为 0.5 mm、外径为 3.3 mm、长度为 8.0 mm、方头和内螺纹孔为 2.0 mm 的螺丝形牙种植体。使用了两种类型的牙种植体螺丝:cp Ti ASTM 2 级和超细晶粒钛 2 级。将种植体插入新西兰白兔的胫骨中。通过 8 周后进行的移除扭矩测试来评估骨组织反应。表 II 显示了移除扭矩结果。计算了描述性统计参数,并使用 Tukey 检验的单因素方差分析来评估移除扭矩。cp Ti和超细晶粒钛之间没有统计学差异。
表 II. 植入兔胫骨 8 周后牙科植入物移除扭矩(N·cm)。
4.3. 用于正畸锚固的微型植入物
另一种牙科植入物是临时正畸微型植入物,通常用于在当代正畸治疗中固定锚固(图 4)。这种植入物的直径较小(1.2 毫米至 2.0 毫米),正畸负荷会使微型植入物变形。因此,由于 Ti-6Al-4V 合金的强度较高,因此正畸植入物采用 Ti-6Al-4V 代替 cp Ti 制成。然而,Ti-6Al-4V 的耐腐蚀性低于 cp Ti,允许金属离子释放。这种植入物不会导致骨整合。
图 4. 用于锚固应用的正畸微型植入物示例。(由 Flavia Rabello 提供。)
研究人员在两组兔子中植入微型植入物正畸物。一组在手术后立即负重,第二组在愈合期间不负重。在对微型种植体进行应力分析时,计算了 cp Ti 和 Ti-6Al-4V 塑性变形时的扭矩以及微型种植体-骨界面的剪切强度。无论负载如何,在愈合 1 至 4 周之间均未观察到移除扭矩值的增加。然而,12 周后,两组均观察到显着改善,其中未负载组的移除扭矩值最高。应力分析表明,cp Ti 的移除扭矩危险地接近其屈服应力。这项兔子模型研究的结果表明,钛合金微型种植体可以立即加载而不会影响其稳定性。检测到的钒浓度在动物模型中未达到毒性水平。因此,为了改善微型种植体正畸锚固行为,重要的是提高钛合金的机械性能或使用具有超细晶粒的 cp Ti。
4.4. 颧骨固定装置
第三种牙科植入物组是颧骨植入物,由 cp Ti 制成(图 5)。有一些治疗萎缩上颌的技术方法涉及一系列临床考虑并产生不同的结果。颧骨植入物(Nobel Biocare,瑞典哥德堡)的开发代表了这些情况的绝佳替代方案。自 1990 年以来,P.-I. Brånemark7 开发的颧骨植入物一直被用作萎缩上颌患者的种植体支持假体的后锚固。它最初被认为是一种治疗方法,用于治疗上颌结构严重受损的创伤或肿瘤切除患者。上颌切除术后,许多患者仅在颧骨体或颧骨前部延伸处保留锚固区域。因此,有必要对植入物的形状进行修改,使植入物比传统的牙科植入物更长。通常,颧骨植入物的直径为 4-5 毫米,长度为 30-53 毫米。它在第二前磨牙区域尽可能靠近牙槽嵴穿透上颌骨。
图 5. 颧骨植入物。(由 P. Saad 提供。)