关于钛基和氧化锆基材料表面粗糙度对人类牙龈角质形成细胞再生行为影响的新见解

《Journal of Oral Biosciences》：New insights into the influence of surface roughness of titanium and zirconia-based materials in the regenerative behavior of human gingival keratinocytes

该研究系统评估了钛和氧化锆基陶瓷材料表面形貌对人类牙龈角质形成细胞生物学行为的影响。通过比较不同粗糙度（0.04-1.18μm）和处理工艺（抛光、酸蚀等）的钛合金和3Y-TZP陶瓷表面，发现光滑表面（尤其是陶瓷）能促进细胞粘附（显著增加焦点粘附数量）、迁移能力（减少表面凹槽的细胞受限现象）及增殖（7天时陶瓷光滑表面细胞密度比钛高约2.3倍）。分子层面显示，陶瓷光滑表面（C-MP）显著上调上皮连接部特异性标志物KRT19（3.8倍）和ODAM（2.1倍），同时维持KRT14表达（与天然牙本质粘附相关）。研究结果为优化种植体表面处理工艺提供了理论依据，指出陶瓷材料在实现骨整合的同时，通过表面微结构调控可促进健康龈上皮形成。

　　
该研究聚焦于牙科植入物表面特性对牙龈基底细胞行为的影响，旨在通过体外实验揭示钛合金与氧化锆陶瓷材料表面微观结构对软组织修复的关键作用。研究团队来自西班牙巴斯克大学医学院，通过系统分析材料表面粗糙度、润湿性等物理特性与细胞生物行为之间的关联，为优化植入物表面设计提供了科学依据。

研究首先建立了体外模型，采用人牙龈角蛋白细胞系OKG4/bmi/TERT进行长期观察。材料选用市场上常见的钛合金（Ti-6Al-4V）和氧化锆陶瓷（3Y-TZP），通过机械加工、喷砂酸蚀等工艺制备出五种表面处理组态：钛合金光滑面（Ti-M）、酸蚀处理面（Ti-MA）、喷砂酸蚀面（Ti-SLA）以及氧化锆抛光面（C-MP）、机械加工面（C-M）和喷砂酸蚀面（C-ZLA）。表面特性检测显示，氧化锆抛光面粗糙度最低（0.04μm Sa），钛合金光滑面次之（0.08μm Sa），而喷砂酸蚀面粗糙度可达1.18μm Sa，同时接触角测试表明材料润湿性随粗糙度增加显著降低（钛合金73°-108°，氧化锆85°-146°）。

在细胞行为分析方面，研究发现表面粗糙度对细胞形态和功能具有双重调控作用。光镜与电镜观察显示，粗糙表面（如Ti-SLA和C-ZLA）导致细胞机械性受限，形成大量 vinculin（肌动蛋白结合蛋白）富集的应力纤维，细胞质面积较光滑面减少约40%。这种受限环境显著抑制了细胞迁移能力，在72小时迁移实验中，粗糙表面组的迁移细胞占比仅为光滑组的1/3。特别值得注意的是，氧化锆抛光面（C-MP）在24小时培养期即实现98%的细胞贴附率，较钛合金光滑面（Ti-M）高出22个百分点。

细胞周期动态监测揭示材料表面特性对增殖活性的关键调控。流式细胞术数据显示，在7天培养周期中，氧化锆光滑面（C-MP）的Ki67+细胞比例稳定在68%-72%，而钛合金光滑面（Ti-M）仅为54%-58%。这种差异在喷砂酸蚀面（C-ZLA和Ti-SLA）更为显著，细胞周期停滞率分别达到89%和82%。电镜观察进一步证实，粗糙表面组的细胞存在明显的核质比异常（平均1.8:1 vs 光滑面的1.2:1），可能与DNA损伤修复机制激活有关。

在分化表型方面，材料表面特性与分化标记的时空表达呈现显著相关性。激光共聚焦显微成像显示，氧化锆抛光面（C-MP）在培养第3天即检测到ODAM（桥粒相关蛋白）特异性表达，而钛合金组（Ti-M）该蛋白表达量仅为前者的1/5。免疫荧光分析证实，氧化锆材料组在7天培养期呈现典型桥粒基底膜结构，其 laminin-332沉积密度较钛合金组高3.2倍。值得注意的是，钛合金酸蚀面（Ti-MA）虽然也表达了KRT19和ODAM，但KRT13表达量异常升高，提示可能分化方向异常。

该研究创新性地构建了"材料-细胞-组织"三级响应模型：表面粗糙度通过调控细胞骨架重构影响粘附强度，润湿性改变影响ECM蛋白沉积模式，材料成分通过离子交换影响基因表达谱。例如，氧化锆表面在培养24小时后即可形成厚度达3μm的 laminin-332沉积层，而钛合金组同期沉积量不足1μm。这种差异可能源于氧化锆表面更优的离子交换能力，使其能更高效地介导细胞外基质的生物合成。

临床转化方面，研究团队发现氧化锆抛光面（C-MP）在细胞功能重塑方面具有独特优势。其表面微结构（粗糙度0.04μm Sa）与天然牙釉质（粗糙度0.02-0.05μm）高度匹配，使细胞应力纤维（focal adhesions）密度达到5.2个/mm2，较钛合金组高1.8倍。这种结构适配性可能通过激活机械转导通路（如TGF-β/Smad信号）促进细胞分化。特别是在7天培养周期中，氧化锆光滑面组的细胞增殖速率达到4.7×103 cells/cm2/h，显著优于钛合金组的3.2×103 cells/cm2/h。

研究还揭示了材料表面润湿性的双重作用机制。虽然表面润湿性（接触角）与细胞粘附强度呈负相关（r=-0.78，p<0.001），但高润湿性表面（氧化锆组接触角>130°）反而能促进蛋白聚集体形成。这种看似矛盾的现象可能与表面电荷特性有关：氧化锆表面在去离子水中呈现负电荷（-15mV），有利于带正电的 laminin-332等蛋白的吸附固定，而钛合金表面在相同条件下电荷值仅-5mV。

在应用建议方面，研究提出"表面梯度设计"新理念：在植入物-软组织界面采用"粗-中-细"三阶段表面结构，使细胞在初始接触阶段（粗面）获得足够的机械支撑，在迁移过程中（中面）保持定向运动能力，最终在附着界面（细面）完成特异性分化。这种设计可望解决传统喷砂酸蚀处理存在的表面过于粗糙导致细胞迁移受阻的问题，同时避免抛光表面（如C-MP组）存在的润湿性不足隐患。

该研究的重要启示在于材料表面特性不仅影响细胞粘附强度，更通过调控细胞命运决定最终的软组织修复效果。特别是氧化锆材料在促进KRT19和ODAM表达方面展现出独特优势，这为解释临床中氧化锆种植体较钛合金组软组织愈合更快的现象提供了分子机制支持。后续研究可结合活细胞成像技术，实时追踪细胞在复杂表面结构中的迁移轨迹与分化时序，进一步优化植入物表面设计参数。

该成果为口腔生物材料领域提供了重要理论框架，其揭示的"表面粗糙度-润湿性-细胞分化"协同调控机制，对制定新型植入物表面处理工艺具有重要指导价值。特别是在应对术后软组织收缩、改善牙龈附着力的临床需求方面，研究提出的表面微纳结构设计原则，有望显著提升种植体与软组织的生物相容性。