歯科インプラントにはどのような表面処理が利用できますか?
Dec 14, 2023
インプラント修復は、歯を失った患者の審美性と咀嚼機能を回復するための現在最適な方法となっています。 安定したオッセオインテグレーションを形成するインプラントの能力は極めて重要であり、口腔インプラント学の分野における現在の研究では表面処理が重要な焦点となっています。 物理的、化学的、生物学的修飾を受けたチタンインプラントの表面形態、化学組成、生物学的活性は変化し、オッセオインテグレーションの安定した形成に成功します。
以下は、物理的、化学的、生物学的という 3 つの側面からインプラントの表面改質方法を包括的にレビューします。
物理的改造とは何ですか?
物理的修正には、オッセオインテグレーションのためのより良い基盤を提供するために、プラズマ スプレー、サンドブラスト、レーザー処理などの物理的方法によってインプラントの表面形態と粗さを変更することが含まれます。
1. プラズマ処理
プラズマ溶射技術は、直流電流で駆動されるプラズマ アークを熱源として利用し、セラミック、合金、金属などの材料を溶融または半溶融状態まで加熱します。 これらの材料は、インプラントの前処理された表面に急速にスプレーされ、しっかりと付着した表面層を形成します。 現在、ヒドロキシアパタイトコーティングは臨床用途で一般的に使用されています。 ハイドロキシアパタイト粒子が高温でインプラント表面に噴霧され、急速に冷却された後、クラックコーティングされた層が形成されます。 研究によると、大気プラズマ溶射された多孔質チタンコーティングは、純チタンインプラントのオッセオインテグレーション能力を強化できることが示されています。
2. イオン注入
イオン注入技術の基本原理には、イオン ビームをインプラント内に誘導することが含まれ、そこでイオンはインプラント内の原子または分子と一連の物理的および化学的相互作用を受けます。 入射イオンは徐々にエネルギーを失い、最終的にはインプラント内に留まり、インプラントの表面組成、構造、および特性に変化を引き起こします。 イオン注入技術を利用すると、マグネシウム、亜鉛、カルシウム、銀などの元素をインプラントの表面に注入して、その表面特性を最適化できます。 酸エッチングされたチタンインプラントに銀イオンを注入すると、銀ナノ粒子の移動度が低下し、優れた抗菌活性と哺乳動物細胞との良好な適合性が得られます。
インプラントの表面にマグネシウムイオンを注入すると、表面の細胞接着が強化され、インプラントのオッセオインテグレーション能力の向上に役立ちます。 プラズマ浸漬イオン注入および蒸着技術を使用して純チタンの滑らかな表面に亜鉛イオンを注入すると、その生体適合性を高めることができます。 イオン注入技術は多用途で堅牢であり、優れた制御性と再現性を示します。 しかし、注入層は薄く、イオンは直進性しかなく、装置コストも高い。 応用の可能性は広いものの、広く普及するには課題が生じます。
3. サンドブラスト処理
サンドブラストでは、圧縮空気を動力として高速ジェットを生成し、研磨材をインプラントの表面に吹き付け、ある程度の清浄度と粗さを与えます。 サンドブラストにより表面積が増加し、細胞の接着と増殖が改善され、オッセオインテグレーションが強化されます。
4. 吸収性研磨媒体による処理
吸収性研磨媒体による表面処理には、リン酸カルシウムセラミックをインプラントの表面にスプレーすることが含まれます。 吸収性研磨媒体で処理されたチタンインプラントは、塩素消毒後の吸収効果を高めることができ、より高い抗菌活性を示します。 研究では、吸収性研磨媒体で処理されたインプラントは、歯槽骨の重大な損失がなく、移植の全体的な成功率が高いことがわかっています。 この方法により一定の表面粗さを得ることで、表面に残留したリン酸カルシウム粒子を弱酸で除去することができ、異物の滞留を低減します。 これは有利であると考えられる。
5. 物理蒸着
物理蒸着 (PVD) は、真空条件下で動作し、材料ソース (固体または液体) をガス状の原子、分子、または部分的にイオン化したイオンに変換する技術です。 これは低圧ガスによって実現され、インプラントの表面に堆積して機能的な薄膜を作成できます。 近年、大規模なマグネトロンスパッタリングコーティングが開発されています。 高い堆積速度、優れたプロセス再現性を示し、自動化が容易です。 インプラント表面の改質に適用すると、骨とインプラントの接触が強化され、開発の大きな可能性が示されます。
6. 放電加工
放電加工 (EDM) は、作動液に浸された 2 つの電極間のパルス放電の侵食効果を利用して、導電性材料を除去する特殊な加工方法です。 インプラントの処理された表面には、微細で粗い生物学的に活性な二酸化チタンの層が形成され、骨とインプラントの界面の強度が向上し、応力遮蔽に対する周囲の骨の感受性が低下します。 実験では、EDM 処理したインプラント スクリューを大型の白いウサギの大腿骨に挿入すると、1 週間後に新しい骨の体積が大幅に増加することが示されました。 したがって、放電加工は、オッセオインテグレーションの強化をサポートする表面改質方法である可能性があります。
7. 熱処理
熱処理は、インプラントを加熱し、特定の温度に維持した後、特定の媒体で冷却し、表面または内部の構造を変化させることでその性能を制御する包括的なプロセスです。 温度が上昇するにつれて、インプラントの表面特性と生体適合性も増加します。 大気中または過酸化物中でチタンを加熱すると、その表面に緻密な酸化膜が形成され、生体適合性が高まります。 実験によると、窒素ガスを使用してインプラント表面に窒化チタンコーティングを形成し、その後塩化カルシウム溶液で熱処理すると、水熱処理の臨界温度は 120 度に決定されます。 120度以下の熱処理により、窒化チタンの表面にカルシウムを結合させ、その形態と硬度を維持し、濡れ性を向上させることができます。
熱処理後、表面上の線維芽細胞の接着と増殖が大幅に改善され、水熱処理が良好な耐摩耗性と軟組織生体適合性を備えたチタンコーティングを提供する可能性があることを示唆しています。 さらに、水熱処理を通じてマグネシウムをチタン表面に固定することができ、表面タンパク質の吸収が増加し、細胞の接着と拡散が促進されます。これは、熱処理に塩化マグネシウム溶液を使用することがチタンインプラント表面の生体適合性を高める効果的な方法であることを示しています。
8. レーザー治療
レーザー治療では、大気や真空などの環境でレーザービームを使用してインプラントを急速に加熱します。 このプロセスは、局所的な急速加熱または冷却を実現し、組織構造の変化を誘発したり、表面性能を向上させるために他の材料を導入したりします。 研究により、レーザー表面融解によって表面処理されたインプラントは細胞の接着と増殖を促進できることが示されています。 実験によれば、ヒドロキシアパタイトコーティングはパルスレーザー蒸着によってチタン表面に蒸着され、その結果、より高い機械的接着力が得られることが示されています。 しかし、レーザーアブレーション治療後には、表面の形態と粗さに大きな変化が起こり、治療された表面上の骨芽細胞様細胞の接着と増殖はあまり目立たなくなります。
9. 紫外線治療
短波紫外線 (UV) 照射は、チタン インプラントのオッセオインテグレーション能力を高めることができます。 酸エッチングされたスパイラル形状の純チタンインプラントを、48 時間 UV 光にさらした後にウサギの大腿骨幹に埋め込み、UV 処理を受けなかったインプラントと比較しました。 この結果は、UV 治療により、骨密度を低下させることなく、チタン インプラントの冠状位置の皮質骨の体積を増加できることを示しています。 さらに、UV 処理されたインプラント表面は、治療 24 時間後に接着、増殖、コラーゲン放出などのヒト歯肉線維芽細胞の挙動にプラスの効果を示します。
10. ナノスケール表面粗化処理
ナノテクノロジーにより、インプラントは表面微細構造を強化し、オッセオインテグレーションを促進し、治癒時間を短縮することができます。 マイクロ/サブマイクロスケールの粗さは、ナノスケールの特徴とともに、骨形成細胞の分化と局所因子の産生を増加させ、体内でのインプラントのオッセオインテグレーションの可能性が向上することを示唆しています。 修飾されたインプラント表面の多様な寸法と分布により、独特のナノスケール構造が決定され、体内の関連する骨反応の調節が可能になります。 現在の技術開発に伴う不確実性により、さらなる研究の焦点となっています。
化学修飾とは何ですか?
表面化学修飾とは、インプラント表面と表面修飾剤との間の化学吸着または反応による表面構造および状態の変化を指します。 現在最も一般的に使用されている表面改質方法であり、陽極酸化、酸塩基処理、ゾルゲル法などが含まれます。
1. 陽極酸化処理
陽極酸化は、電解液の存在下、特定のプロセス条件下で電流を流して金属陽極表面に酸化膜を形成するプロセスです。 チタンインプラントの陽極酸化によって作成された多孔質表面は、骨形成細胞の応答を強化し、骨形成遺伝子の発現を強化し、石灰化組織のナノメカニカル特性を改善します。 研究によると、DL- -グリセロリン酸と酢酸カルシウムを含む電解液中でチタンとチタン - ジルコニウム合金を陽極酸化すると、インプラント表面の酸素、カルシウム、リンの含有量が増加することが示されています。 平均粗さが増加し、接触角が大幅に減少し、インプラント周囲の細胞増殖、アルカリホスファターゼ活性、およびカルシウム沈着が大幅に増加し、オッセオインテグレーションの強化に貢献します。 チタン - ジルコニウム合金の開発により、陽極酸化の新たな機会も提供されました。
2. マイクロアーク酸化
マイクロアーク酸化は、電解液および特定の電気パラメータと組み合わせて、チタンおよびその合金の表面にアーク放電によって生成される一時的な高温および高圧の効果を利用して、金属酸化物をベースとしたセラミック フィルム層を形成します。 マイクロアーク酸化は、ナノ生物活性酸化チタン層を生成し、インプラントの接着性を高め、細胞接着強度を高めることができます。 マイクロアーク酸化を使用すると、多孔質ヒドロキシアパタイトコーティングをチタン合金表面に作成でき、骨とインプラントの接触と接触界面の機械的特性が大幅に改善され、骨の成長が促進されます。
3. プラズマ電解酸化
プラズマ電解酸化は、高電圧、大電流を利用して電解液に浸した電極表面に瞬間的にプラズママイクロアーク放電を発生させ、不動態層を突き破って焼結してセラミック酸化膜を形成する技術です。 実験結果は、プラズマ処理されたコーティングが親水性の向上、顕著な細胞吸着挙動、およびコラーゲン合成の増加を示すことを示しています。 プラズマ電解酸化によって調製された二層ハイドロキシアパタイト/二酸化チタンコーティングは、ハイドロキシアパタイトの生物活性と二酸化チタンの改善された形態を備えており、オッセオインテグレーションを効果的に促進します。 この方法は生物医学への応用において大きな期待を持っています。
4. 電着塗装
電気化学堆積技術を使用してインプラント表面にストロンチウムドープリン酸カルシウムコーティングを堆積すると、骨芽細胞の増殖が促進され、ストロンチウムドープリン酸カルシウムコーティングがインプラント周囲の骨形成の増加に寄与する可能性があることが示唆されています。 最初に、チタン表面が陽極酸化されて二酸化チタンナノチューブが形成され、次にカーボンナノチューブが二酸化チタンナノチューブ上に電気泳動的に堆積されます。 この結果は、二酸化チタンナノチューブ上にカーボンナノチューブをコーティングすると、その生物活性が向上し、この種の表面修飾が生物医学用途に適したものになることを示している。
5. 酸塩基処理
酸塩基処理には、化学プロセスを使用して安定な化合物を生成したり、酸性媒体との化学的または電気化学的相互作用を通じてインプラントの表面形態を変更したりすることが含まれます。 酸エッチングは、酸性媒体との化学的または電気化学的相互作用によりインプラント表面の形態が変化し、骨とインプラントの接触に大きな影響を与える現象です。 信頼性の高い表面改質方法です。 アルカリ熱処理で処理された表面は、多数の規則正しいナノスパイクやスポンジ状の均一な多孔質内部ネットワークなどの特徴を示します。 これにより、歯肉線維芽細胞におけるコラーゲン合成が促進され、歯周様結合組織の付着に対する良好な耐性が得られます。 アルカリ熱処理は骨とインプラントの接触を高めることができ、溶射されたチタン金属に効果的に適用されてオッセオインテグレーションの強度を高めます。
6. ゾルゲル法
ゾルゲル法では、高い化学活性を持つ化合物を前駆体として使用して、液体条件下で均一で透明なゾル系を作成します。 これらの材料は均一に混合され、加水分解と縮合反応を経て安定した透明なゾル系を形成し、最終的には熟成によりゲルに成長します。 乾燥後、焼結によりゲルが固化し、分子材料、さらにはナノ構造材料が得られます。 ゾルゲル法によって有機ポリマーを塗布し、二酸化チタンの表面に生物学的活性を与えることができます。 例えば、ポリ（エチレングリコールテレフタレート）を使用した表面改質は、骨とインプラントの接触面の機械的安定性、生体適合性、優れたオッセオインテグレーション能力、および骨伝導能力を強化します。 ソフトリソグラフィーとゾルゲルを組み合わせることで、インプラント表面に生物学的に活性なナノ粒子の微細パターンを作成し、組織の再生を誘導する方法です。 この方法を使用して、マイクロサイズのシリコンを含む酸化ジルコニウムの薄膜を製造したところ、生体適合性があり、骨芽細胞の接着、増殖、拡散を誘導できることが判明しました。 歯周組織の再生を誘導するために使用でき、それによって緻密な組織の沈着を促進し、歯肉退縮やインプラント周囲炎を予防します。
生物学的修飾とは何ですか?
近年、インプラントの表面生体修飾は、高い機械的安定性を備えた生体活性機能をインプラントのコーティングに付与することを目的として、研究のホットスポットとなっている。 同時に、目標は、自然の骨の構造と組成特性を模倣して、骨の成長をより促進することです。 ここでは、さまざまな方法をいくつか紹介します。
1. 自己組織化技術
自己組織化とは、基本的な構造単位が自発的に秩序構造を形成する手法を指します。 チタン表面の自己組織化単層技術は、いくつかの異なる官能基を利用して生化学物質をよりよく固定化し、一定の制御性を備えた表面化学設計を提供します。 層ごとの自己組織化には、逆に帯電した高分子電解質を含む溶液中で、帯電した基板上に高分子電解質多層を交互に堆積することが含まれます。 チタン表面を機能化するキトサン/siRNA によるレイヤーバイレイヤー法を使用すると、膜形成プロセス中に表面の濡れ性、形態、粗さが交互に変化し、骨形成細胞の分化が大幅に促進されます。 銀ナノ粒子、キトサン、ヒアルロン酸を原料として使用したリゾチーム多層コーティングの確立は、長期持続する抗菌性多層コーティングを調製し、早期のインプラント感染を効果的に防止するための戦略です。 自己組織化技術は簡単で特別な装置を必要とせず、膜構造を分子レベルで制御できるため、近年広く注目を集めています。
2. 生体分子の吸着
吸着とは、周囲の媒体中の分子またはイオンがインプラントの表面に引き付けられる現象を指します。 物理吸着は主に分子間力によって支配されますが、化学吸着は分子間の化学結合に依存します。 アンカーペプチドを利用してインプラント表面に生物学的機能を追加すると、細胞培養培地中の特定の表面結合ペプチドが安定した吸着を示し、インプラントの生体適合性が向上します。 キトサン、キトサンと架橋されたアルギン酸ナトリウム、およびチタン表面に共有結合したキトサンと架橋されたペクチンは、湿潤性を改善し、キトサンでコーティングされた表面に膨潤性と薬物放出特性を与えることができます。 ポリドーパミンコーティングをコラーゲンタンパク質で共有結合的に固定することも、表面性能を高める方法となり得る。 物理吸着と比較して、化学結合の力を利用する化学吸着は、より大きな吸着エネルギーと安定性を提供します。
3. 生物活性材料コーティング
生物活性材料とは一般に、生体組織と接触してその生物活性機能を実現することを目的として、医療目的で使用される非生物材料を指します。 生体活性ガラスは、体内の組織を修復、交換、再生し、組織と材料の間に結合を形成できる材料です。 その分解産物は、成長因子の生成と細胞増殖を促進し、骨芽細胞の遺伝子発現を強化し、骨組織の成長を促進します。 インプラントにコーティングすることで、安全かつ効果的にオッセオインテグレーションを実現することができ、歯科用インプラントコーティング材料の開発の方向性を示しています。
さらに、多数の生理活性薬剤をインプラントの表面改質に使用できます。 たとえば、エレクトロスピニング技術を使用してチタンインプラントをポリエチレンテレフタレート/1,{1}}ジヒドロキシビタミンD3溶液でコーティングすると、骨形成を刺激するサブミクロンサイズの粒子を生成できます。 インプラントの表面改質またはコーティングのために抗炎症分子であるレスベラトロールを適用すると、骨形成が促進される可能性があります。 ストレプトマイシンなどの広域抗生物質をインプラントの表面に組み合わせると、骨形成が改善され、インプラント周囲の感染のリスクが軽減されます。
4. バイオミメティック堆積
生体模倣堆積は、体内のハイドロキシアパタイトの石灰化メカニズムを模倣します。 ヒドロキシアパタイト コーティングは、人体環境と同様の条件下で水溶液中で基材表面に自然に堆積します。 生体模倣的に修飾されたチタン合金表面に in vitro で誘導された骨髄間葉系幹細胞を使用すると、その接着能力が向上し、増殖速度が増加します。 混酸処理後のチタン表面へのヒドロキシアパタイトの生体模倣堆積は、チタンの生物活性を誘導することができます。 陽極酸化チタンナノチューブの骨形成細胞活性に対する模擬体液浸漬時間の影響を研究したところ、3-時間の浸漬が最適であることが判明しました。 10 倍の模擬体液に浸漬することは、陽極チタン インプラントのオッセオインテグレーションを改善するための迅速かつ経済的な技術です。 ただし、インプラントの生物活性の可能性は、過剰で制御されていないヒドロキシアパタイト コーティングによって制限される可能性があります。
インプラントの上記の表面改質は、近年研究のホットスポットとなっています。 その方法は多様であり、骨形成、オッセオインテグレーション、感染耐性の促進において大きな進歩が見られます。 アプリケーションを組み合わせることで、より包括的なパフォーマンスが得られる可能性があり、将来の研究開発のトレンドになる可能性があります。
