氧化锆种植体脱氧活化处理及其成骨性能研究

Zirconia implant with good aesthetic and biocompatibility is becoming a research hotspots in implant dentistry. However, due to its chemical inertness and high elastic modulus, there is poor tissue adaptability and osseointegration, the functionalization of zirconia surface and the regulation of its osteogenic performance are the core scientific problems. Therefore, how to treat the zirconia to obtain the bioactive surface and good tissue adaptability is the key for its successful used in clinic. The purpose of this project is establish the “de-oxygen” system of zirconia alumina compsite ceramic with molten magnesium, based on the attractive force differece of magnesium, zirconium, aluminum with oxygen. The micro-nano porous surface with positive charge will be made through regulate the de-oxygen degree of zirconia and alumina. This study focus on the de-oxygen mechanism of zirconia based ceramic, the regular relationship of treatment parameter and material properties, the osteogenic performance of multi-active surface. The inert zirconia based ceramic will no longer inert when meeting the de-oxygen system. This project will provide a new idea for the surface treatment of the implanted materials.

氧化锆陶瓷种植体由于良好生物相容性和美观性成为当今种植修复的研究热点，然而其本身缺乏生物活性，弹性模量高，组织适配性差，导致骨整合性能不足，临床修复效果不理想。如何使氧化锆材料具有稳定生物活性、良好组织适配性是促进骨整合、改善种植修复效果的关键，其中氧化锆表面结构功能化及其成骨性能调控是核心科学问题。本研究提出微纳多孔结构与电活性表面相结合的功能化设计理念，拟采用熔融金属镁为脱氧剂，利用镁、锆、铝元素与氧元素亲和性的差异，构建氧化锆/氧化铝复合陶瓷表面“脱氧”处理体系，通过调节脱氧程度，优化表面形貌及孔壁电荷，制备出具有微纳多孔结构、表面带电的氧化锆陶瓷多重活性表面。重点研究氧化锆基陶瓷的脱氧机理、工艺参数与材料性能的规律性关系，探讨多重活性表面的成骨性能调控机制。本项目建立的氧化锆基陶瓷脱氧处理体系，将使生物惰性陶瓷不再“惰”，为新型功能化陶瓷植入材料优化设计提供新思路。

本课题虽然受到新冠疫情的影响，实验进展速度受到一定的影响，但是本研究基本按照原计划全部执行完毕。. 研究目标完成情况：成功制备了一类表面脱氧的活性氧化锆陶瓷材料，并探讨了其脱氧机制。通过调控镁的熔融温度和时间可以调控脱氧的程度，并发现氧化锆脱氧存在不同成分的晶粒，同时伴随着晶粒的长大和晶相结构的改变。对于纳米氧化锆，氧化铝首先被脱氧掉，其次是氧化锆；通过该方法成功对氧化锆陶瓷材料表面进行了脱氧活化处理，该方法获得了国家发明专利，并已进行成果转化，获得转让经费20万元。. 对表面脱氧活化陶瓷进行了材料学相关理化性能的表征。使用扫描电子显微镜（SEM）观察处理得到的陶瓷表面形貌；运用EDS电子能谱分析，察看材料表面1μm深度范围内的元素分布情况；使用X射线衍射（XRD）进行样品成分及晶型分析；接触角测量仪，测量脱氧活化材料与未经处理的材料接触角。对表面脱氧活化陶瓷进行了体外成骨性能的表征。采用体外细胞实验研究了表面脱氧活化陶瓷对于MC3T3-E1细胞成骨分化功能的影响；对表面脱氧活化陶瓷进行了体内成骨性能的表征。采用大鼠股骨外侧髁植入模型，制作硬组织切片观察分析种植体与周围骨组织的结合程度。. 本项目构建了一种新型的、具有自主知识产权并已成功完成成果转化的氧化锆陶瓷材料表面脱氧活化的方法，获得了一类表面性能活化的生物活性陶瓷材料。对促进氧化锆牙科种植体以及氧化锆相关的植入材料的骨整合具有重大意义和应用前景。