载银高透氧化锆种植基台材料的制备及其性能和机理研究

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研究目的:高透氧化锆具有优良的机械性能、生物相容性及良好的半透光性成为前牙美学种植基台的理想材料,但并不具有抗菌能力。在口腔环境中,基台材料表面易受微生物粘附形成生物膜,进而引发感染或种植体周围炎,甚至导致种植失败。本研究旨在通过对高透氧化锆表面进行改性,利用铝硅酸盐多孔结构的承载能力及银纳米粒子的广谱抗菌作用和良好的抗炎能力,构建具有良好抗菌、抗炎和生物相容性的载银高透氧化锆种植基台材料,促进种植体-软组织结合界面生物封闭形成,防止种植体周围细菌感染和炎症发生,提髙种植成功率和延长种植体使用时间。首先在高透氧化锆表面分别构建光滑和多孔载银涂层,比较两种材料的抗菌性能,进一步对抗菌性能较好的载银材料的生物相容性和抗炎能力及机制进行研究,并探讨氧化锆表面改性对其半透性能的影响,为种植美学基台材料选择提供理论和数据支持。研究方法:(1)采用铝硅酸盐真空及非真空烧结的方法,分别在高透氧化锆表面构建光滑和多孔涂层形貌,然后浸渍于不同浓度的硝酸银溶液并二次烧结,将硝酸银溶液中的银离子在铝硅酸盐涂层原位还原。利用扫描电镜(SEM)、X射线能量色散谱仪(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)对制备的载银高透氧化锆材料表面涂层的微观形貌特征及结构进行表征分析。(2)利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)比较光滑和多孔载银高透氧化锆材料表面涂层的银离子释放能力;并通过抑菌圈、平板活菌计数、活/死菌荧光染色及SEM等技术观察不同改性涂层对大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)的体外抑菌能力。(3)分别将成骨细胞(MC3T3-E1)和牙龈成纤维细胞(HGFs)与载银高透氧化锆材料共培养后,利用CCK-8、细胞粘附、ALP染色、RT-q PCR和Western blot技术检测改性涂层对细胞增殖、粘附和成骨分化的影响及细胞毒性;并将人单核巨噬细胞(TPH-1)与载银高透氧化锆材料共培养,分别在加入和不加脂多糖(LPS)情况下,用RT-q PCR实验检测各组细胞中炎症因子IL-4、IL-10、TGF-β、IL-1β、IL-6、TNF-αm RNA表达,用Western blot检测各组细胞中TLR4/NF-κB通路关键蛋白表达,以分析改性涂层的抗炎作用及作用机制。(4)以超透和传统氧化锆材料作为对照,对三种氧化锆材料表面制备改性涂层并比较不同氧化锆材料改性前后的半透明度及抗弯强度等性能变化,通过FE-SEM、EDS对三种材料性能差异的原因进行微观结构分析。研究结果:(1)FE-SEM、EDS、XPS结果显示硝酸银溶液的浸渍浓度影响铝硅酸盐辅助沉积银粒子涂层的制备,高浓度硝酸银环境(5 mol/l)相对于低浓度(1mol/l)更利于银纳米粒子的沉积,获得的银纳米颗粒数量更多、尺寸更小,但其分布并不均匀。铝硅酸盐非真空烧结后在高透氧化锆表面能形成开放型微纳米多孔结构,与光滑铝硅酸盐涂层相比,多孔铝硅酸盐涂层获得数目更多、尺寸更小,形状更均匀的纳米银粒子,且能在涂层深部沉积。(2)ICP-AES结果显示光滑载银涂层与多孔载银涂层初期银离子释放均较明显,往后逐渐趋于平缓,且多孔载银涂层释放的银离子浓度高于光滑载银涂层的银离子释放浓度。光滑和多孔载银涂层对E.coli、S.aureus和L.acidophilus均有抗菌效果,且多孔载银涂层抗菌性能更显著。(3)生物相容性实验表明,表面多孔结构的载银高透氧化锆能促进MC3T3-E1细胞增殖、ALP活性提高,并上调成骨分化基因Coll A1、BSP、OC和OPN的表达,也能促进HGFs增殖和粘附,表面载银对涂层的生物相容性无显著影响;载银涂层中的纳米银粒子能够通过抑制TLR4/NF-κB信号通路的激活,从而分别抑制和促进促炎因子和抗炎因子释放,发挥抗炎作用。(4)三种氧化锆材料改性前后的性能比较显示,经载银涂层改性后三种氧化锆的半透明度和强度不同程度下降,载银高透氧化锆与载银传统氧化锆材料的抗折裂强度与半透明度无差异,能满足临床需要。研究结论:本研究通过铝硅酸盐烧结和硝酸银溶液浸渍法,在高透氧化锆种植基台材料表面成功构建银粒子涂层,发现非真空烧结多孔涂层能够获得数目更多、尺寸更小的纳米银粒子;表面多孔的高透氧化锆载银涂层具有更好的抗菌性能,也具有良好的生物相容性,有利于种植体周围软组织界面封闭形成,并能通过调控TLR4/NF-κB信号通路发挥抗炎作用,且改性材料半透明度和强度性能良好。提示载银高透氧化锆种植基台材料不仅能够提高种植基台的成功率,也具有良好的美学性能。
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