抗菌鈦合金在口腔醫學中應用研究進展

范東陽， 王強， 周怡君， 李斯文， 馮旭， 劉春冉， 崔家森， 孫宏晨

1.中國醫科大學口腔醫學院·附屬口腔醫院綜合科，遼寧沈陽（110002）； 2.中國醫科大學口腔醫學院·附屬口腔醫院口腔病理科，遼寧 沈陽（110002）； 3. 遼寧省口腔疾病重點實驗室，遼寧 沈陽（110002）； 4. 中國醫科大學口腔醫學院·附屬口腔醫院口腔材料學教研室，遼寧 沈陽（110002）； 5. 中國醫科大學口腔醫學院·附屬口腔醫院正畸科，遼寧 沈陽（110002）

鈦是目前應用最廣的口腔醫用金屬材料之一。然而，傳統的鈦及鈦合金不具備抗菌性能，當置于微生物環境（如人體口腔）中時，易黏附細菌而引起感染，例如種植體周圍炎、正畸后牙釉質脫礦及牙齦炎、口腔頜面外科手術后感染等。世界衛生組織頒布的《院內感染防治實用手冊》的數據顯示，全世界每天有超過1 400 萬的院內感染患者，其中約60%與植入物感染有關［1］。因此，學者們制備出新型抗菌鈦合金，此類材料兼備金屬材料的理化性能與生物材料的抗菌性能，近年來在醫用材料領域備受關注。本文就抗菌鈦合金的種類、抗菌成分和機制及其在口腔醫學領域的研究進展進行綜述。

1 抗菌鈦合金概述

抗菌鈦合金是指通過表面改性或整體改性的方法，向傳統鈦合金中添加抗菌成分，從而具備了抗菌性能的鈦合金。

1.1 抗菌鈦合金的抗菌機制

抗菌鈦合金的抗菌功能主要來自于加入其中的抗菌劑，常用的抗菌劑分為有機抗菌劑和無機抗菌劑兩大類。有機抗菌劑一般包括抗生素類抗菌劑（慶大霉素、阿莫西林等）和非抗生素類抗菌劑（氯己定、抗菌肽、高分子聚合物等），此類抗菌劑需借助載體（羥基磷灰石涂層、殼聚糖等）涂覆到鈦合金表面，其相關抗菌機制明確，但也存在著不耐高溫、易誘導耐藥菌產生以及涂層的有效時間較短等缺陷。無機抗菌劑包括金屬元素抗菌劑（銀、鋅、銅等）、金屬化合物抗菌劑（TiO2、TiN 等）以及非金屬元素抗菌劑（氟等），此類抗菌劑可添加在鈦合金表面或合金內，具有廣譜抗菌性、良好的穩定性和耐熱性。以下主要對無機抗菌劑的抗菌機制做出介紹。

對于金屬元素抗菌劑的抗菌機制，目前主要有離子抗菌機制和接觸抗菌機制兩種觀點。離子抗菌機制的觀點認為，重金屬離子通過破壞細菌細胞膜的完整性使其內容物泄露、催化產生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）干擾DNA 和蛋白質功能、抑制細菌細胞呼吸過程這三種方式發揮抗菌作用［2］。以鈦銀合金為例，接觸殺菌機制的觀點認為合金中的Ti2Ag 相可直接作用于細菌細胞壁及細胞膜上的膜蛋白和糖蛋白，影響正常代謝和物質交換，嚴重時會直接破壞細菌的細胞壁和細胞膜，使細胞質外流，導致細菌活性下降，甚至死亡［3］。金屬化合物抗菌劑中的二氧化鈦是光催化型抗菌劑，經紫外線照射后，其價帶中的電子被激發到導帶中，同時價帶形成空穴，構成電子空穴對，價帶中的空穴與水發生反應產生羥基自由基（-OH），導帶中的電子可以還原氧氣產生超氧陰離子（O2-），這些具有強氧化能力的產物可分解細菌內的脂類和蛋白質等，進而殺滅細菌［4］。非金屬元素中的氟元素可通過抑制細菌代謝及菌斑形成、防止脫礦及促進再礦化兩種方式提高牙齒的抗齲能力［5-6］。

1.2 抗菌鈦合金的分類

根據抗菌劑在鈦合金材料中分布的位置，可將抗菌鈦合金分為涂層型和合金型兩類。涂層型抗菌鈦合金是以鈦合金為基底材料，通過物理法（等離子體浸沒離子注入法等）、化學法（溶膠凝膠法等）、電化學法（微弧氧化法等）等處理方式，將抗菌劑涂覆于鈦合金表面，為鈦合金制備一層具有抗菌作用的表面改性層。涂層型抗菌鈦合金的抗菌效果良好，但缺點是涂層大多不耐磨，難以進一步加工成型。合金型抗菌鈦合金是在鈦合金整體中直接加入抗菌劑而制備成的抗菌合金，其常用的處理方法是真空電弧熔煉法和粉末冶金法。合金型抗菌鈦合金的抗菌劑一般為金屬元素，如銅、銀等，這些元素的抗菌相可在合金中均勻分布，具有穩定持久的抗菌性能。

根據抗菌鈦合金能否釋放抗菌劑，可將其分為主動抗菌型和被動抗菌型兩類。主動抗菌型鈦合金可釋放負載的抗菌劑，如抗生素、氯己定、銅等，其抗菌效果比較明顯，但有些抗菌劑的釋放時間較短，僅可預防種植體相關的早期感染，對晚期感染的作用有限。被動抗菌型鈦合金不釋放抗菌劑，其通過接觸殺菌或抑制細菌黏附的方式產生抗菌作用，可采用改變材料表面的物理化學特性或改變氧化層的晶相結構等方式實現抗菌層的制作，如增加鈦合金氧化層中銳鈦礦相和金紅石相氧化鈦的比例［7］或制備超親水鈦合金［4］等，此類抗菌鈦合金可防止生物膜形成，從根源上抑制感染的發生，但相關研究較少。

2 抗菌鈦合金在口腔醫學中的應用

2.1 口腔種植領域

種植義齒是目前牙列缺損和牙列缺失的首選治療方案。種植體周圍炎癥是最常見的種植后并發癥，包括種植體周圍粘膜炎和種植體周圍炎，其發生與口腔中的菌斑生物膜關系密切。種植體周圍炎和牙周炎的致病菌類似，主要為牙齦卟啉單胞菌、具核梭桿菌和伴放線聚集桿菌等。種植用基臺和種植體大多由純鈦制成，無法抑制感染發生，為降低植入后感染的發生率，學者們開發出具有抗菌性能的種植用鈦合金材料。

2.1.1 載藥涂層抗菌鈦合金 面對種植治療后可能存在的感染問題，傳統的全身給藥方式存在著用藥量大、局部藥物濃度低等缺點，為此學者們研究開發了具有載藥涂層的抗菌鈦合金材料，其將藥物通過不同的載體負載到鈦合金表面，實現了局部給藥的目的。此類材料的載體有羥基磷灰石、二氧化鈦納米管、殼聚糖以及pH 敏感性載體（水凝膠、微球、脂質體）等，藥物加載方法有物理吸附法、仿生共沉積法以及層層自組裝法等。

有學者研發了具有pH 敏感系統的藥物控釋抗菌鈦合金，利用炎癥組織pH 值低于正常組織這一特點，在特定部位特定環境下，精準地控制藥物釋放［8］。Lan 等［9］研發了一種負載甲硝唑涂層的藥物緩釋抗菌鈦合金，該抗菌鈦合金以聚己內酯/藻酸鹽復合環為藥物載體，可使藥物持續釋放4 周，克服了傳統載藥抗菌鈦合金藥物釋放時間短的缺點。同時，由于甲硝唑對牙齦卟啉單胞菌抗菌效果顯著，該抗菌鈦合金對植入后的早期感染問題可起到一定的預防作用。研究表明，負載了抗菌肽的純鈦材料具有很強的抗牙齦卟啉單胞菌能力，同時對成骨細胞和人牙齦成纖維細胞表現出良好的細胞相容性［10］。

隨著研究的深入，載藥涂層抗菌鈦合金在控制藥物釋放方面取得了諸多進展，但仍存在有機抗菌劑抗菌譜有限、不耐高溫以及易誘導產生耐藥菌的問題，有待研究解決。

2.1.2 載無機抗菌劑涂層的抗菌鈦合金 載無機抗菌劑涂層的抗菌鈦合金是通過不同載體將無機抗菌劑負載到鈦合金的表面而制備成的。研究表明，負載納米銀顆粒涂層的純鈦材料，其體外抗菌效果可持續30 d，對牙齦卟啉單胞菌、伴放線聚集桿菌、中間普氏菌等均表現出優異的抗菌效果，可有效預防種植術后早期感染［11］。Aranya 等［12］研發的載鋅/磷酸鈣復合涂層的純鈦材料可有效抑制牙齦卟啉單胞菌的活性及生物膜的形成，同時促進成骨細胞黏附，增強骨組織結合。Zhang 等［13］的研究顯示，經鉭表面修飾的純鈦材料可下調與細菌黏附、侵襲相關的基因表達，從而殺滅牙齦卟啉單胞菌和具核梭桿菌。雖然載無機抗菌劑涂層的抗菌鈦合金研究廣泛，但是大部分無機抗菌劑的抗菌機制還有待進一步闡明。

2.1.3 合金型抗菌鈦合金 合金型抗菌鈦合金是在鈦合金整體中直接加入金屬抗菌劑，使材料本身具有抗菌性能的鈦合金，目前此類材料在種植義齒方面的研究較少，加入的抗菌劑以銅為主。

銅是人體必需微量元素，可催化血紅蛋白的合成，參與心血管系統的發育等，具有良好的生物相容性。含銅抗菌鈦合金由楊柯團隊于2013 年率先研發成功。隨后，學者們通過體內外實驗證明，含銅抗菌鈦合金中銅含量高于5%時即可對牙齦卟啉單胞菌表現出強而穩定的抗菌效果，含量低于25%時無細胞毒性［14］，且每日Cu2+釋放量遠低于成人每日建議攝入量2.0～3.0 mg，同時銅的加入還提高了鈦合金的硬度、致密度和耐腐蝕性等［15-16］。目前，銅是合金型抗菌鈦合金的一個研究熱點，但是其長期的生物安全性還有待觀察，抗菌機制有待研究。

2.2 口腔正畸領域

鎳鈦合金和金屬純鈦常被用于制作托槽、弓絲、保持器、微種植體等，然而鎳鈦合金中析出的鎳離子易導致過敏，同時矯治裝置的存在妨礙了口腔自潔，增加了患者口腔衛生維護的難度，菌斑在矯治器周圍堆積可造成牙釉質脫礦、齲病和牙齦炎。此外，細菌產酸會致使弓絲強度降低、與托槽之間的摩擦力增大，甚至影響矯治效率。

抗菌鈦合金在正畸矯治材料方面的抗菌改性，多是在合金表面或合金內添加無機抗菌劑，以適應其所處的口腔環境。研究表明，含銀涂層的鎳鈦固定保持器對3 種致齲菌（變形鏈球菌、嗜酸乳桿菌、遠緣鏈球菌）以及3 種牙周致病菌（牙齦卟啉單胞菌、中間普氏菌、具核梭桿菌）均具有良好的抗菌性和抗黏附性［17-18］。學者們在鎳鈦弓絲表面制備TiO2薄膜，通過1 個月體內試驗證明，該材料對變形鏈球菌的抗菌性明顯高于對照組，但出現了涂層分解的情況［19］。Yoshinar 等［20］發現，在鎳鈦弓絲表面制備含氟涂層可有效降低材料的腐蝕速率，從而降低鎳離子的致敏機率，同時氟離子的存在抑制了牙齦卟啉單胞菌的黏附和活性。Li等［21-22］開發了新型鎳鈦銀和鎳鈦銅合金，體外實驗表明，該合金對牙齦卟啉單胞菌具有明顯的抗菌性，同時不影響其形態記憶性和耐腐蝕性。

目前關于正畸用抗菌鈦合金的研究仍處于起步階段，現有的文獻報道多為體外研究，其臨床研究較少且缺乏長期隨訪觀察。

2.3 口腔頜面外科領域

鈦合金在口腔頜面外科廣泛應用于鈦板、牽張成骨裝置、人工關節假體等植入材料中。在口腔頜面外科圍術期，一般會預防性應用抗生素，而抗生素的使用如同一把雙刃劍，在有效殺菌的同時，也易導致菌群失調。一旦出現菌群失調，患者抵抗力較低時，很容易造成術后感染，此類感染的病原菌以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為主。

殼聚糖是一種具有廣譜抗菌性的天然高分子聚合物，可作為載體或抗菌劑對鈦合金進行表面改性，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的黏附增殖有明顯的抑制作用，具有優異的生物相容性，并可促進骨祖細胞分化和成骨細胞黏附，還具備止血功能和抗腫瘤作用，很適合在口腔頜面外科領域應用［23］。Li 等［24］采用等離子浸沒離子注入的方法在Ti6Al4V 合金表面制備了銅/鋅-TiN 復合涂層，對大腸桿菌表現出優異的抗菌性能，同時提高了材料的耐腐蝕性，并促進了蛋白質和細胞的黏附。鈦銀合金和鈦銅合金是近年來新研發的抗菌金屬材料，體內外研究證明，這兩種合金均具有持續抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌黏附增殖的能力和良好的促成骨能力，適用于預防口腔頜面外科術后感染［25］。

抗菌鈦合金在口腔頜面外科的研究較多，但是多為普適性的體外及動物研究，缺乏針對特定應用環境的分析，且相關的臨床試驗觀察較少，其長期生物安全性和組織相容性仍有待深入研究探討。

3 結 語

除了可在前述種植義齒、正畸矯治以及口腔頜面外科植入材料中應用，頜面贗復體的固位材料、可摘局部義齒基托及卡環、金屬基底冠等均可嘗試采用抗菌鈦合金制作，以抑制細菌的黏附增殖，從根本上降低微生物感染性疾病的發生幾率。但是目前關于抗菌鈦合金的動物實驗較少，一些抗菌劑的抗菌機制不夠明確，且對抗菌劑釋放濃度和時間進行控制的方法并不完善。期待隨著研究的不斷深入，這些問題會逐步得到解決，并進一步推動抗菌鈦合金在口腔醫學領域的臨床應用。

【Author contributions】Fan DY collected the references and wrote the article, Wang Q, Zhou YJ, Li SW, Feng X, Liu CR, Cui JS revised the article. Sun HC selected the topic and guided the writing. All authors read and approved the final manuscript as submitted.