概述
骨内牙种植体是通过口腔黏膜植入到上颌骨或下颌骨内。最早用作牙种植体的材料可以追溯到两千年前，古埃及人将黄金植入到颌骨内，20世纪30年代出现了一批高强度、耐腐蚀、容易加工的金属材料如钴铬合金等，为牙科医生进行牙种植提供了材料基础。20世纪50年代中期钛和钛合金材料被用作植入材料，20世纪60年代随着生物陶瓷的发展，人们开始强调种植体的惰性与相关组织反应之间的关系。20世纪80年代，为了改善组织界面处的生物学反应，研究的热点在于牙种植材料的组成、设计、机械性能、化学性能、力学性能以及界面区骨和种植体材料之间的骨整合方面。进入20世纪90年代后，人们对骨整合的概念有了更进一步的认识，骨整合应理解为负荷种植体材料与活性骨组织之间的直接结合。骨的生物学反应不仅仅要求对外来物质的惰性反应，更应该要求能形成骨和材料的有机结合，能够产生骨整合成为评价牙种植材料的一项重要标准。
由于牙种植材料处于口腔的特殊环境中，种植材料必须具备一些基本条件：①口腔组织对材料有良好的耐受性，材料对组织没有化学刺激，不引起支持骨的吸收；②对体液有抗腐蚀性，能长期保持所需的机械性能；③具有良好的生物相容性；④材料对骨组织具有良好的生物力学适应性。
一、骨内牙种植符合骨组织的特性
骨是伴随有细胞和组织的细胞外基质（ECM），含有23%左右的有机物质和77%左右的羟基磷灰石。与牙本质相似，大多数的有机基质（86%）是I型胶原，它赋予了骨的弹性和黏弹性。骨的羟基磷灰石晶体比牙本质的小，也没有牙本质形成的好。由于骨的循环系统，其矿物相是人体代谢过程中主要的钙和磷贮库。
骨的ECM是通过成骨细胞来合成，成骨细胞构成骨膜和骨内膜的最内层。成骨细胞也引发该ECM的矿化。随着骨的形成，成骨细胞被包埋在ECM中，成为位于骨陷窝中的骨细胞，并通过小管与其他骨陷窝中的细胞联系，保持骨的活性。如果外科手术破坏血管供应，或将骨持续加热至45℃以上超过数分钟，这些细胞就会死亡。另一个骨细胞类型，即破骨细胞，能使ECM脱钙，并吸收骨的有机部分。该细胞也会对生理刺激和损伤做出反应。几乎在人的一生中，成骨活动和破骨活动联合作用不断地重塑着骨组织。
牙槽骨具有杰出的自我修复能力。在拔牙后或骨折后造成的骨缺损中，骨折处最初充满血液。随后，间叶细胞和内皮细胞从周围牙槽骨的结缔组织长入血块中，形成新生的血管肉芽组织。在随后的数周和数月，从肉芽组织内分化出新的成骨细胞并精细形成ECM，之后ECM逐渐矿化。通过成骨细胞和破骨细胞的影响，随后新骨自我改建以达到周围骨的外形结构。然而，由于缺少牙齿和牙周韧带的功能性拉力，牙槽骨的体积和高度会逐渐失去。
骨整合和生物整合：牙科医生，特别是种植医生，面临的一个问题是用作种植体的材料的发展，这种种植体需在物理上及生物上与牙槽骨相容。理想的情况是，骨组织并未识别该材料为外来物质，也没有在其周围形成纤维组织包裹，而是与该材料、物质或器械融合，形成改建的骨结构。在最佳环境下，与材料直接接触处出现骨的分化（骨整合）。骨整合提供了理想的稳定的骨-种植体间的结合，从而支持牙修复体。
骨整合是指骨对种植材料的紧密接触。为在种植体与骨组织间形成骨整合，许多因素必须加以考虑，骨预备时不能造成骨坏死或炎症。为了取得骨整合，骨组织必须是活体，骨与种植体间的间隙无纤维组织，而且骨与种植体的界面必须能够承受牙科修复体的载荷而保持下来。在目前的应用中，骨整合是成功种植体支持牙科修复体的绝对要求。
二、种植体材料的性能
（一）物理机械性能
材料的生物力学和化学性能对种植体-组织界面的形成和稳定有很大关系。种植材料应有良好的生物力学相容性。种植体应有足够的强度，以承担咀嚼应力和功能载荷，不发生变形、破坏；种植材料的弹性模量应与骨接近，才能在受力时对周围骨组织产生足够的应力传递，而不在界面产生应力屏障而致骨发生废用性萎缩。同时种植体在行使功能时对周围骨产生的应力传递也不能超过生理限度，以免创伤造成骨吸收或骨折。种植体和所处部位的生物组织的弹性形变特性相匹配，在负荷情况下，材料和与其接触的组织所发生的形变应彼此协调，这样才能有效地通过植入体——组织界面传递修复体所承受的应力，从而避免因力学性能不匹配而致的口腔组织损伤，导致种植失败。种植体的生物力学相容性除了与种植体材料本身的物理机械性能如强度、弹性、刚性、密度等及化学性能有关外，还与种植体的形态及表面设计密切相关。
（二）生物相容性
种植材料应具有稳定的化学性能，在体内不腐蚀、降解或老化。根据化学性质可将种植材料分为生物惰性、生物活性和生物降解性材料。生物惰性材料化学性质稳定，如钛，在组织中可长期稳定存在。生物活性材料如羟基磷灰石等，植入骨中具有引导骨组织再生的作用。生物降解性材料植入组织内可发生吸收和降解，如磷酸三钙。
（三）加工成型性和临床操作性
种植材料应具有良好的加工成型性能，以能较方便地进行铸造、烧结、锻压，并且操作简便，以适应不同的临床需要。
（四）耐消毒灭菌性能
切削成的材料应能耐受消毒（如高压煮沸、液体浸泡、环氧乙烷气体、核辐射等）灭菌而不产生变性。
三、牙种植体材料性能与生物学特性的关系
正确理解宿主组织对牙种植体的整个反应过程十分重要，这个过程通常分为两个既不相同、又相互联系的阶段，第一阶段是发生在种植体植入后的临床愈合期，此阶段中，开始是蛋白质分子沉淀于种植体表面，随之发生细胞黏附、游走及分化等生物学反应过程，而种植材料的特性会影响这些生物学反应的类型和程度。第一阶段最初的一些组织反应会导致细胞外基质的细胞表达和成熟，最终形成骨与种植体之间的界面。这一阶段通常经历3～6个月，接着进入第二阶段即功能期，此期在力的作用下，骨界面开始塑形，整个生物反应过程受界面处所承受的应力大小和分布的影响，成熟界面骨塑形的能力在很大程度上取决于最初组织与种植体表面相互作用的程度。
口腔种植材料的分类
按材料的性质，可将口腔种植材料分为金属、陶瓷、碳素类及高分子材料。
一、金属
金属是最早的牙种植材料。许多研究报道了一些金属种植体表面与宿主骨组织具有整合能力。采用透射电镜进行超微结构观察可以进一步了解界面的情况，有研究发现：当骨组织在钛表面生长时，一部分钙化的无定形物质会马上沉淀在紧靠种植体的表面，随后形成成骨细胞和高度钙化的基质，这一层距离种植体表面约20～30nm。其他一些金属材料因与骨组织的力学特性相差较大，能出现应力遮挡现象，而且由于抗腐蚀能力较差，存在形成潜在的毒性腐蚀产物的倾向。超微结构显示，骨和不锈钢材料之间的界面由多层细胞分隔，细胞中以炎性细胞为主，并可见蛋白多糖非胶原结构，该反应类似于典型的异物反应，体外实验也进一步证实，实验中宿主组织不能附着到金属表面，与金属离子释放后的毒性作用有关。
金属的机械性能好，可保证种植体的精度和强度，但与骨组织的弹性模量差异较大，易在界面上形成应力集中。
钛和钛合金是目前应用最多的金属种植材料。钛本身具有化学活性，但其表面极易氧化形成惰性稳定的钝化膜，该氧化膜与机体的生物相容性良好而稳定。纯钛（pure tatanium）能与骨形成骨性结合和半桥粒附着。钛合金（如Ti—6Al—4V， Ti—Zr、T1—Ti—Ni）与纯钛相比强度和弹性模量得到改善。
虽然钴基合金曾经用于牙科种植，但临床使用的金属牙科种植体几乎全是纯钛或钛基合金。
二、陶瓷与陶瓷表面
陶瓷材料早在20世纪六七十年代就被应用于口腔种植中。陶瓷在口腔内的溶解度相当低，而且熔化温度较低，制造比较简单，具有良好的生物活性，能增强成骨细胞的黏附、繁殖和矿化，加速骨整合的形成。
1.生物惰性陶瓷
商业纯钛因其良好的生物相容性和易于加工成型的特点作为牙种植体的材料已经成功应用40多年，大量的文献表明钛种植体具有很高的成功率，即使现阶段仍是牙种植体的主要材料。钛在临床上最大的缺点是在口腔的美观区域（例如上颌前牙区）透过牙龈可以显现出灰黑色，如果种植体周围的软组织出现退缩，种植体头部可能暴露，露出金属，尤其是牙龈较薄、对美观要求较高的患者，这种结果是不能接受的。尽管钛具有很高的耐腐蚀性，但也有研究发现在种植体周围的骨组织附近和局部淋巴结内发现了钛的聚集，这种现象有何临床意义尚不清楚。最好解决办法的是选用牙齿颜色的材料制作种植体比如陶瓷。单晶氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性。氧化铝植入动物体内后软组织的反应主要是纤维组织包膜的形成，在体内可见成纤维细胞增生。氧化铝陶瓷在动物骨组织中与骨组织紧密接触，能够形成骨结合。典型的种植体是Tübingen种植体，但因为缺乏足够的机械强度难以承受长期的咀嚼负荷而退出了市场，目前的种植系统很少采用氧化铝材料作为种植体材料。
氧化锆是一种生物惰性陶瓷，具有良好的耐腐蚀性能，其生物相容性以及与骨组织的结合状况与氧化铝相似。部分稳定氧化锆在常温下的机械强度是所有陶瓷材料中最高的，其断裂韧性和挠曲强度约是氧化铝陶瓷的两倍，远高于其他结构的陶瓷。氧化锆材料由于其优异的机械性能，已经成为口腔修复领域重要的应用材料之一。动物实验证明氧化锆具有良好的生物相容性，体外模拟口内环境加负荷实验证明氧化锆能够长期承受负荷。氧化锆除了本身优良的生物机械性能外，颜色为白色，不会透过牙龈显露金属色；不容易附着菌斑，使种植体周围炎的几率降低，因此从美观和生物学角度氧化锆优于钛金属，作为种植体材料也越来越受到人们的重视，最近已经有种植体生产商将成品投入市场，远期应用效果还有待市场检验。
2.生物活性陶瓷
日本的青木秀希和美国的Jaroho分别在1974年研制除了羟磷灰石（HA），从而开创了生物材料学对其进行了30年的研究和应用。HA是一种生物活性陶瓷，钙磷比为1.67：1，其组成与天然骨和牙的无机成分相同。HA的来源有三种：动物骨烧制，珊瑚经热化学液处理转化和人工化学合成。HA由于分子结构和钙磷比与正常骨的无机成分非常近似，其生物相容性十分优良，对生物体组织无刺激性和毒性。大量的体外和体内实验表明，HA与成骨细胞共同培养时，HA表面有成骨细胞聚集，植入骨缺损时，骨组织与HA表面之间无纤维组织界面。HA的骨传导能力较强，材料植入动物骨内4周，就可以观察到材料细孔中有新骨长入，种植体与骨之间无纤维组织存在，两者形成紧密的化学性结合。HA致密体的机械性能与制作工艺有很大关系，缺点是脆性大，耐冲击强度低，因此一般不单独作为种植体材料应用，通常HA与钛金属进行复合工艺制作，内芯使用钛金属，表面通过等离子喷涂等方式进行HA涂层，充分发挥HA生物相容性好、钛金属机械强度高的优势。
三、碳素和高分子材料
碳素是一种生物惰性材料，在生理环境中具有较高的化学稳定性，不发生溶解，生物相容性良好，无毒，材料表面的多孔粗糙结构有利于组织的附着生长。1972年Hodosh等曾将碳素材料用于牙科种植体，但是碳素材料在磨耗后会使牙龈发黑，到20世纪80年代钛金属广泛应用于种植体后，碳素已经不再作为种植体材料。
高分子材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯，由于机械强度低，弹性模量太小，体内能够发生降解，目前牙科种植体也不再使用该材料。
影响种植体材料性能的因素
在分析种植体/组织系统中，三个方面是重要的：①个体组成，即种植材料和组织；②种植体及其分解产物对局部和全身组织的影响；③种植体和组织间的界面区域。关于种植体/组织界面的超微结构，虽然界面区域相对很薄（为埃数量级），但这一区域的组成，即不均匀的金属氧化物、蛋白质层和结缔组织，对维持界面完整有重要的影响，了解这一点是十分重要的。而且，界面完整性取决于材料、力学、化学、表面、生物及局部环境因素，所有这些在个体情况下均随时间而变化。因此，种植成功与外科技术、组织愈合、患者的全身状况以及生物材料和生物力学方面的因素有密切的关系。
影响种植的物理和材料方面的因素可概括如下：①材料和材料的加工；②种植体/组织结合机制；③力学性能；④种植体设计；⑤受力类型；⑥组织性能；⑦应力分布；⑧最初的稳定性和增强骨融合的机制；⑨种植材料的生物相容性；⑩表面化学、力学及种植体与骨结合的能力。
一、种植材料和材料的加工
一般用于种植的有两种基本材料——金属和陶瓷，或单独使用，或结合使用。金属类种植材料主要是钛基材料——纯钛或Tl-6Al-4V。然而，必须注意，加工、组成、结构与金属本体性能及其表面氧化物性能之间的协同关系不仅仅是两种金属的问题。通过铸造、锻造和机械加工来形成成型的最终产品，会改变金属体的微结构、表面化学性能。因此，许多生产最终使用的牙科种植体的材料加工过程，对种植体的性能及功效有强烈的影响，这主要是通过温度和压力效应化的材料，因而化学性能稳定。因此，陶瓷不大可能产生比金属更不利的生物学反应，金属只是表面被氧化。最近，人们更为关注生物活性和生物可吸收陶瓷材料，这些材料不但促使形成正常组织，而且还可与骨组织形成紧密结合，甚至可被骨组织所替代。
二、种植体/组织结合机制
已经提出各种表面形态作为改进种植体/组织界面内聚性，使载荷传递最大化，使种植体与组织间的相对运动最小化，使纤维性溶合和松动最小化的方法，并延长种植体的寿命。螺纹种植体周围形成骨整合的概念表示有骨的表面生长情况。一种种植体固定的替代方法是基于骨组织向粗糙的或具有三维孔隙的表面层内生长。已经表明，这样的复合体系具有比其他类型固位更高的骨/金属剪切强度。提高界面剪切强度会使种植体向周围骨组织更好地传递应力，也使种植体和骨组织间的应力分布更均匀，种植体内的应力也较小。原则上，更强的界面结合能使种植体松动的倾向减少。从最小的种植体/组织剪切强度到最高的种植体/组织剪切强度的表面等级如下：光滑的、粗糙的、螺纹的、等离子喷涂的及多孔涂层的。
由于在承受外力之前必须形成稳定的界面，因此，研究集中在可以加速组织向牙科种植体表面附着的材料和方法。已经应用于临床实践的材料方面的最新进展包括使用表面粗化的种植体和陶瓷涂层。其他更为实验性的技术包括电刺激、骨移植和使用生长因子。
生物活性材料的重要例子是生物活性陶瓷、玻璃陶瓷和磷酸钙陶瓷。生物活性玻璃和玻璃陶瓷的产品有Bioglass、Ceravitd和玻璃陶瓷A—W。Bioglass是数种含有二氧化硅、磷酸盐、氧化钙和苏打的混合物的凝结体，而Ceravitd含有与Bioglass不同的碱性氧化物浓度。玻璃陶瓷含有结晶的羟基磷灰石和氟磷灰石等。磷酸钙陶瓷是具有各种钙/磷比例的陶瓷材料，这取决于加工诱导的物理和化学变化。在它们当中，磷灰石陶瓷中是一种羟基磷灰石（HA），它已被最广泛地进行了研究。
推动使用合成HA作为生物材料源于这种材料具有类似于被替代的骨和牙齿的矿物相。由于这种相似性，可期待更好的组织结合。生物陶瓷其他可觉察的优点包括低的热及电传导性、类似于骨的弹性性能、通过控制材料性能而获得的可控的体内降解速率及当它涂附于金属基底之上作为金属腐蚀产物。通过将种植体拔出体外的试验结果表明，瓷/金属间的结合先于瓷/组织间结合而破坏，前者是体系中薄弱环节。因此，弱的瓷/金属间结合和经过一段时间功能性负载后界面的完整性值得关注。
三、表面状态和生物相容性
种植材料可被腐蚀或磨损，产生粒子状的碎片，碎片反过来导致局部和全身生物反应。金属比陶瓷更易发生电化学降解。因此，选择金属种植材料的基本标准是它能产生最小的生物反应。由于钛基材料钝态的氧化层，所以人体能很好地耐受这种材料。人体能耐受这种合金微量的主要元素成分及次要的合金化成分。然而，人体通常不能耐受大量的金属。因此，使种植材料的力学和化学降解最小是主要目的。
钛及其他种植金属在典型的生理环境中是处于钝态的，且不会发生钝态的降解。纯钛及Ti—6A1—4V在全程氧化状态及pH水平下具有杰出的耐腐蚀性能。极致密的氧化膜和钛表面能通过表面控制氧化动力学几乎瞬时可重新钝化这两项特点使钛具有这样好的耐腐蚀性能。钛分解产物的低溶解率和几近化学惰性使骨组织能充分生长并与钛形成骨整合。然而，即使在其纯化状态，钛也不是惰性的。二氧化钛的化学溶解会导致钛离子的释放。
为确保双重要求，有必要对种植体表面进行分析。首先，种植材料不能对局部组织、器官功能产生不利影响。其次，体内环境不能使种植体降解并使其长期功能下降。因而在解释组织对种植体的生物反应和种植体对人体的反应时，种植体和周围组织的界面区域是最重要的部分。
任何种植体的成功取决于种植体本身和其表面性能、种植部位、手术过程中的组织创伤及种植修复后的维护。
四、种植材料对种植义齿生物力学的影响
动物实验研究表明，种植体周围骨内的应力分布与种植材料的性质、材料的弹性模量关系不大，而是更多的与种植体的形态、颌骨的形态及结构有关。用三维有限元法分析，也得出相类似的结果。但从生物力学的观点来看，不同材料和不同弹性模量的种植体对应力在种植体骨界面的分布是有影响的。邹敬才等用有限元法在5种不同弹性模量、相同的负荷条件下，对单个螺旋形种植体骨界面的应力分布规律作比较，结果表明种植体的弹性模量越高，种植体颈周骨内应力越小，而根端骨内应力越大；种植体弹性模量越低，种植体与骨界面的相对位移运动就越大。
目前，由于金属及金属合金材料具有优良的生物力学性能而被广泛应用于种植体的制作，其中钛与钛合金等被认为是最合适的种植材料。近年来许多学者研究了用生物陶瓷作为种植材料，认为生物陶瓷种植体在植入后的始阶段可以获得较钛基合金更好的生物相容性，但在行使功能后终因生物陶瓷本身力学上的易碎性导致生物陶瓷种植体生物力学的相容性较差，陶瓷种植体和陶瓷涂层的种植体因生物力学上有较差的相容性导致种植后较高的失败率。
五、种植体的形态对种植义齿生物力学的影响
Victor用三维有限元法对3种不同种植体系统（Branemark系统、Bud系统、IMZ系统）的不同形态的种植体，在不同的加载条件下，种植体周围骨内的应力分布情况进行了研究。结果表明3种不同种植体周围骨内最大应力均位于种植体颈部周围和种植体翼的下方，且越近种植体根尖部，骨内应力越小。种植体的翼可以减少应力在种植体及其周围骨内的分布，去掉翼不但增大种植体颈部骨的应力，而且将改变整个应力分布的情况。在其他因素不变的情况下，增大种植体颈部直径，种植体周围皮质骨内应力大大降低，故认为种植体颈部的直径对种植体周围的应力分布水平影响最大，两者呈负相关。岑远坤等对叶状与柱状种植体支持的全下颌种植覆盖义齿在不同牙位下应力分布的情况进行了研究，结果表明叶状种植体与柱状种植体应力分布的基本规律相似，种植体颈部以及其周围的骨皮质界面均为应力集中区。但叶状种植体在其颊舌面与近远中面交界的尖锐线角处，应力集中更明显，其骨界面的应力峰值均大于柱状种植体。黄辉等研究认为螺旋形种植体螺旋顶角的改变可以导致种植体在支持组织内应力分布水平的变化，并指出螺旋顶角为60°的种植体应力分布最合理。
六、种植体的表面结构对种植义齿生物力学的影响
有学者从生物力学角度研究认为表面有微孔的种植体会形成更好的种植体——骨界面结合，当孔径为50～200μm时可获得最佳的结合强度。陈安玉研究表明由于表面微孔的存在，可在种植体骨界面形成机械的锁结作用，从而改变微界面应力的作用方式，使得在大界面上每一个区域均有小界面的压应力存在，使拉应力和剪应力转变为压应力；另一方面微孔增加了界面的接触面积，降低了平均应力水平，从而更有利于应力的合理分布。
近年来许多学者提出种植体表面的生物活性涂层可以诱导骨性结合。Michael等经临床观察报告HA涂层种植体成功率（7～8年）达97.5%，Adell认为HA涂层种植体有利于早期愈合。有学者研究表明BTG钛基复合种植体植入颌骨内后，早期固位优于钛种植体，具有较高的界面结合强度，并且在界面上可产生生物化学结合、金属结合、机械结合三种方式。但也有资料提示随着种植体接受功能负荷时间的延长，成功率下降，临床上亦出现涂层与钛芯结合强度不足导致涂层剥落者。
目前临床用HA涂层存在的问题是涂层和基体的界面结合不牢固和涂层内的残余应力，随着植入时间延长，在口腔特殊环境下，涂层溶解脱落造成种植体失败。其主要原因是：①涂层结合强度低，而涂层内应力高或应力分布不均匀；②涂层结构设计不合理；③涂层气孔率过大，不能有效阻止组织液的渗透。因此如何提高涂基结合是决定HA
/Ti种植体性能的关键因素。
（一）梯度功能材料
梯度功能材料，简称FGM，是指构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。FGM具有均质材料和涂层材料无法比拟的优点，克服了不同材料结合的性能不匹配因素，使两种材料的优势都得到充分发挥。HA/Ti梯度功能种植体能够减少及优化应力分布，减少植入材料与骨组织弹性模量不匹配造成的应力集中，并保持复合后材料的整体力学性能。在成分中引入连续逐级的梯度来提高不同基体之间的界面结合强度，避免植入材料使用过程中涂层脱落。同时通过控制梯度层的几何形状和成分分布来缓和层间热应力，抑制界面的应力集中。
目前针对HA/Ti梯度功能种植体的研究主要集中在FGM的设计和制备方面。由于HA
与Ti的热膨胀系数差别，合理的设计是通过涂层的成分梯度和结构梯度设计，从而极大限度地减小材料界面的残余应力，增强界面的结合强度。目前研究较多的过渡层是生物玻璃和惰性氧化物陶瓷。Lwasaki等研究发现，通过加入Al2O3的颗粒到HA和Ti之间制作FGM涂层，可以增强各层之间的结合力，有效地减小了剥脱的可能性。在复合涂层方面，王迎军等采用等离子喷涂法将复合梯度喷涂粉料（HA、生物玻璃、P2O5、ZrO2）于钛合金基体上制备生物活性梯度涂层，从涂层横截面SEM可见，涂层底部与金属基体表面紧密结合。对该区域能谱成分分析表明，界面区既有涂层中的Ca、P、Zr，也有基体中的Ti。因此，说明该区域内存在涂层与基体组分的相互扩散和化学反应。
经过20多年发展，在钛及钛合金表面制备梯度HA涂层的方法很多，目前主要使用的有粉末冶金法、等离子喷涂法、电沉积法、离心铸造法等，除了上述技术外，还有仿生技术、爆炸喷涂、电脉冲法、分子自组装技术等，但这些方法都存在各自的优缺点，因此选择适合的方法应根据确定的材料体系、梯度分布的类型及密度来进行。随着计算机技术的发展，为了更精确控制梯度组成，计算机辅助设计加工已成为必然发展趋势。
（二）纳米生物活性涂层种植体
纳米材料指材料微粒的尺寸为纳米量级（1～100nm）。纳米材料和一般材料的性能差异来源于其微粒的表面效应和体积效应。由于纳米离子表面原子数多，表面原子配位数不足和高的表面能，使原子易于与其他原子结合而稳定下来。同时纳米粒子细化，晶界数量大幅增加，可使材料强度、韧性等明显提高。用纳米级HA微粒代替微米颗粒制成的种植体涂层，由于材料获得高的表面积和黏结性能，从而为种植体与骨界面间提供了尽可能大的黏结面积，同时涂层与钛基的界面达到分子水平的均匀交混，在界面生成牢固的化学过渡层，使涂基结合强度大为提高，有学者实验证明其明显高于等离子喷涂的30MPa的经典结合强度。纳米级HA涂层除了良好的机械性能外，还能显著促进成骨细胞碱性磷酸酶的合成和含钙矿物质沉积。在同种材料下，材料涂层表面的物理特性如颗粒直径、颗粒之间的孔径，是影响成骨细胞活力增殖等生理功能的主要决定因素。Webster等通过体外细胞学实验证实，直径为67nm的HA涂层可以特异性地促进成骨细胞贴附，其贴附能力大于成纤维细胞，且成骨细胞的增殖明显高于普通级HA涂层材料，增殖3天为普通组的1.7倍，碱性磷酸酶的合成为1.37倍，同时钙沉积也明显高于普通组。HA纳米晶体与胶原成分组成的复合材料，是最接近天然骨结构的组织工程材料。Kikuchi等将纳米级HA和胶原按比例混合后电镜观察为直径50～100nm，长度20μm的条索状结构，与胶原结构平行。弹性模量与自体移植松质骨相当。动物实验证实该材料可以修复狗胫骨上15mm×20mm的骨缺损，8周后被新生骨组织覆盖，材料降解出现陷窝样结构，成骨细胞成骨和破骨细胞吞噬同时存在，具有很好的生物活性。纳米HA种植体还能通过对HA晶粒和孔隙大小性能剪裁，控制细胞的一系列性能，提高种植效应。
（三）生物活性物质涂层
将生物活性物质键合在HA/Ti种植体表面，可以引发所需的特异的组织和细胞反应，抑制非特异性反应，赋予材料新的生物活性。主要的活性物质有活性基团和生物活性大分子两大类。活性基团可以诱导磷灰石晶体的成核。而生物活性大分子也大致分为两种：一是细胞黏附分子多肽序列；二是骨形成效应分子，如BMPs， TGF。IGF-I等。目前众多生物活性物质仍处于基础研究阶段，投入临床使用还需更进一步深入研究。近年来研究表明，在众多影响骨愈合的生长因子中，BMPs是一种起关键作用的调控因子，在骨形成包括异位骨形成起重要作用。因为体内BMP能被水解，目前很多学者致力于将BMP与胶原复合。通过此方法，可减慢BMP的降解，维持局部较高的BMP浓度。牙本质基质蛋白的成骨作用也是当前研究热点之一，学者们推测DMP-1参与了组织矿化过程且在骨形成及发育中起重要作用。DMP-1是晚期成骨细胞向骨细胞转化及生物矿化的标志基因，主要在成体动物骨骼的骨细胞前体细胞、骨细胞及其细胞突中表达。研究发现，机械负载可以使细胞中DMP-1表达增加2～3.7倍，且表达水平与骨细胞承受的机械负荷相适应，揭示骨细胞分泌表达的DMP-1蛋白与新骨、动态骨改建及机械应力传导都密切相关。
目前针对提高HA/Ti种植体表面生物活性的方法很多，但也正说明了尚未有一种理想的方法出现。单一的涂层和简单的制备工艺已不能满足不断提高的临床要求，能够结合上述方法及材料优点的复合涂层技术是今后提高种植体表面活性的必然趋势。而且现在的实验大多仍以组织学评价为主，缺少长期、系统的临床随访及组织病理学观察。可以预期，随着系统研究的不断深入，各种生物改性的HA/Ti种植体将会越来越多的投入临床应用。
（刘党利；彭林红；程涛）
