基于双功能微电池效应的牙种植体生物密封调控

A good sealing is vital to prevent bacterial colonization, which leads to peri-implantitis, one of the main causes of long-term dental implant failure. Here we propose using ion implantation techniques to simultaneously introduce passive metal (such as silver) and reactive metals (such as manganese) onto titanium surface and construct a bifunctional galvanic antibacterial surface that consumes hydrogen by cathodic reactions and releases ions by the anodic reactions, which up or down regulate the adhesion or migration associated integrins in gingival cells to manipulate their biological sealing associated functions while inhibiting adhesion of bacterial cells. The formation kinetics and thermodynamics of those galvanic surface structures will be characterized and optimized to obtain controllable and steady property. The biological effects of the galvanic structures on biological sealing and disinfection associated properties of titanium will be studied at the molecular, cellular and animal levels. According to the pathogenesis and clinical features of peri-implantitis, this project proposes to prevent peri-implantitis by surface modification of titanium implant and improving its integration to gingival tissue by targeting the integrins and proton motive force associated functions in gingival cells. The results obtained in the present study may become important references in the fabrication of a new brand of dental implants with both excellent biological sealing properties against peri-implantitis.

改善生物密封是预防钛基牙种植体周围炎的重要途径。项目拟采用二元离子注入技术将惰性金属(如银)和活性金属(如锰)同时引入钛表面,构建具阴极“析氢反应”和阳极“离子释放”特征(谓之“双功能微电池效应”)的抗菌表面,以特异性激活或抑制牙龈细胞迁移/附着相关整合素表达,增强生物密封同时抑制细菌粘附。全面表征材料表/界面结构,优化制备技术,阐述调控表层结构电学和电化学特性的材料学原理；从分子、细胞及动物水平探查“微电池效应”影响牙龈细胞生物密封相关功能并抑制细菌粘附、增殖的规律和机制；阐明调控钛表面“双功能微电池效应”,获得“兼具生物密封和抗菌功能”的可行性和可靠性。项目基于牙种植体周围炎发生规律,针对生物系统“质子浓度梯度”相关生理过程进行材料学设计,从细胞整合素功能调控角度出发,探讨预防种植体周围炎的新途径,有望获得具有原始创新性和自主知识产权的牙种植体产品设计方案,具有显著科学和临床意义。

针对种植体周围炎及软组织生物密封问题，依据材料表面科学和工程原理，设计、制备多种涂层材料和表面工程技术，采用体内和体外生物学方法，表征材料抑制细菌粘附、增殖的性能和促进细胞功能的规律，获得了多种赋予植入材料兼具抗菌和细胞相容性的材料和方法，为种植体周围炎预防、改善生物密封性能提供了多种可行方案。. 主要研究结果有: (1) 控制真空室内电子束蒸发和热蒸发系统的启动时机和持续时间制得钙掺杂钛, 利用钛表面钙释放引导纤维蛋白原吸附呈抗菌构象，可抑制种植体周围炎相关细菌粘附，但促进人牙龈成纤维细胞粘附和增殖; (2) 采用微弧氧化技术先在纯钛表面制备多孔氧化钛涂层，再采用等离子体浸没离子注入掺杂铪, 结合紫外辐照预处理可赋予氧化钛涂层细胞选择性; (3) 采用阳极氧化技术，以不同电压在抛光钛表面制备出排列有序的纳米坑结构氧化钛, 可抑制细菌微管表达和细菌粘附，显著促进人牙龈成纤维细胞的黏附、铺展; (4) 对比研究钛和钽表面自然氧化物影响细胞(细菌)粘附的规律，发现细菌在紫外辐照预处理的钛和钽表面形态干瘪、破损，粘附数量少，而人牙龈成纤维细胞在紫外辐照预处理钛和钽表面铺展面积增加，呈现细胞选择性。(5) 依据微电偶扩散原理，采用复合技术成功在纯钛材料表面原位制备了氧化锌@硫化锌纳米棒阵列。发现核壳纳米棒阵列可促进人牙龈成纤维细胞粘附、增殖和迁移，且具有显著抗菌效果；(6) 采用两步水热法在钛表面构建表面聚多巴胺包覆的ZnO纳米棒阵列，并在氩气氛围下退火形成被碳外壳包覆的ZnO@C纳米棒阵列。发现ZnO@C纳米棒阵列对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌一天抗菌率接近100%, 但对牙龈成纤维细胞相容性较好；(7) 采用溶胶凝胶法在医用钛表面制备ZnO涂层，再采用等离子体浸没离子注入将铁掺入涂层，最后退火处理。发现铁掺杂ZnO涂层具有优异抗菌性，且对人牙龈成纤维细胞相容性较好。(8) 采用3D打印技术构建微孔道结构牙种植体，无需外源性生长因子的添加，间充质干细胞可持续感受机械刺激，通过肌动蛋白重塑、机械转导，维持牙槽骨高度。. 相关研究在Materials Horizons等领域重要期刊发表论文10篇, 申请专利3项(已授权2项), 培养研究生2名, 培养创新本科生8名。项目负责人曹辉亮入选德国“洪堡”高级员计划、上海市高层次人才计划、获上海市自然科学一等奖(2/5)。