具有高断裂韧性和抗低温降解性能的牙龈软组织一体化氧化锆基台的研发及性能提升机制探究

本文聚焦氧化锆陶瓷基台应用难题，通过向氧化锆基质中引入 SrAl12O19和 Al2O3制备复合基台。研究发现其能提升断裂韧性、抗低温降解（LTD）能力，还可经 Sr2+促进软组织整合，为全瓷材料发展提供新思路。

　　### 引言
牙科植入物的广泛应用引发了对种植体周围炎的关注，种植体周围软组织的稳固整合对维持组织健康至关重要。基台作为种植体的关键穿黏膜部分，影响着软组织附着。钛基台存在潜在细胞毒性和牙龈变色问题，氧化锆基台虽有诸多优势，但因其低温降解（LTD）敏感性和软组织整合不足，限制了临床应用。

LTD 会导致氧化锆自发的 t - m 相转变，伴随体积膨胀，引发一系列问题，缩短材料寿命。尽管有方法改进其 LTD 敏感性，但存在强度下降等问题。同时，氧化锆基台周围软组织中成纤维细胞和血管较少，影响软组织整合。巨噬细胞在软组织愈合中起重要作用，其 M2 极化可促进愈合，通过生物材料优化巨噬细胞表型有望增强软组织整合。此前通过表面涂层和改性改善氧化锆基台生物活性的方法存在缺陷，开发氧化锆复合材料成为趋势。本研究旨在开发兼具高 “内部” 结构稳定性和 “表面” 生物活性的氧化锆复合基台，并探究其性能提升机制。

材料和方法

采用改进的 Pechini 一锅法合成氧化锆复合材料。以 Zr (NO₃)₄·5H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O 等为原料，按不同比例添加 SrAl₁₂O₁₉和 Al₂O₃，制备多组样品，包括对照组。通过多种方法对样品进行表征，如用 Archimedes 法测密度、XRD 进行相分析、SEM 观察微观结构等。还测试了样品的机械性能，如断裂韧性、硬度、弹性模量和弯曲强度，以及进行 LTD 分析。

使用多种细胞进行实验，包括巨噬细胞 RAW 264.7、L929 细胞、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人牙龈成纤维细胞（HGFs）。进行细胞活力和增殖测试、细胞免疫细胞化学、定量逆转录聚合酶链反应等多种实验，研究细胞与材料的相互作用。此外，进行了体内实验，将基台植入大鼠上颌骨，用 HRP 测试评估软组织密封强度，进行组织学分析和免疫组化。实验数据采用 Student t 检验、单因素方差分析和事后 Tukey 检验进行统计分析。

结果和讨论

1. 复合微观结构特征：通过 HR - TEM 和 EDS 分析，确定了复合氧化锆中不同形态颗粒的成分，如氧化铝、SrAl₁₂O₁₉和氧化锆。XRD 分析表明，随着增强剂浓度增加，m 相衍射峰变化，8 vol.% 时 m 相几乎消失，之后又随浓度增加而增加。SEM 观察发现，增强剂浓度影响晶粒尺寸和分布，8 vol.% 时 ZrO₂晶粒尺寸最小，15 vol.% 时出现晶粒团聚。材料密度也随增强剂浓度变化，8 - 10 vol.% 时达到最大。这表明适量的 SrAl₁₂O₁₉和 Al₂O₃有利于形成致密的复合氧化锆，过多则会阻碍致密化。
2. 机械性能：硬度和弹性模量随增强剂增加而增加，15 vol.% 时达到最大值。断裂韧性在 8 vol.% 时最大，之后下降；断裂强度在 10 vol.% 时最大，随后降低。增强机械性能的机制包括裂纹桥接、偏转和血小板拔出等，但高增强剂添加导致的孔隙会降低断裂韧性和弯曲强度。虽然增加机械性能会牺牲透明度，但基台对透明度要求不高，能满足美观需求。
3. LTD 分析：LTD 测试显示，添加 SrAl₁₂O₁₉和 Al₂O₃的氧化锆复合材料的 m 相转变率低于未增强的氧化锆，且转变层深度更浅，表面粗糙度更低。这表明增强剂抑制了 t - m 转变的传播，提高了氧化锆对 LTD 的抗性，机制包括减小晶粒尺寸、增加晶界结合强度和改变弹性应变能等。综合考虑，8 vol.% SrAl₁₂O₁₉和 8 vol.% Al₂O₃的复合氧化锆具有较好的综合性能，用于后续实验。
4. 氧化锆复合陶瓷在体液环境中的结构稳定性：测量发现，8 vol.% SrAl₁₂O₁₉和 8 vol.% Al₂O₃的氧化锆复合材料在 DMEM 中释放的 Sr²⁺浓度在第 7 天达到饱和，且远低于有毒浓度，对细胞增殖无显著影响，也不影响材料的结构稳定性。这表明该复合材料能安全释放少量 Sr²⁺。
5. 氧化锆复合陶瓷对巨噬细胞极化的影响：实验表明，复合陶瓷能促进巨噬细胞向 M2 极化，增加 M2 极化相关基因（如 CD163、CD206）、血管生成基因（如 ARG1、VEGF）和成纤维细胞相关基因（如 FGF）的表达，且这种作用是由 Sr²⁺通过 CaSR 介导的。M2 极化的巨噬细胞能激活成纤维细胞和血管内皮细胞的功能，促进其趋化和相关基因表达，以及血管内皮细胞的管状结构形成。而 CaSR 抑制剂 NPS 会抑制这些作用。
6. 氧化锆复合陶瓷基台周围的软组织密封：体内实验显示，植入复合基台的大鼠，其软组织密封性能优于商业 3Y - TZP 基台，HRP 渗透深度更浅。复合基台周围表达 M2 极化相关基因 CD206 的细胞数量更多，且能促进血管生成和胶原蛋白产生，这与体外细胞实验结果一致，表明 M2 巨噬细胞有助于改善软组织密封。
7. 复合氧化锆释放的 Sr²⁺诱导巨噬细胞 M2 极化的机制：RNA 测序确定了巨噬细胞在不同复合陶瓷浸泡液处理后的差异表达基因（DEGs），通过与公共数据集交叉分析，聚焦于 SH3BP5 基因。SH3BP5 基因的下调可能与 Sr²⁺诱导的 M2 极化有关，实验证实 Sr²⁺通过 CaSR 抑制 SH3BP5 基因表达，促进巨噬细胞 M2 极化。
8. 先进的 “抗 LTD - 高韧性 - 软组织整合” 氧化锆材料的意义：本研究通过复合陶瓷策略改善了氧化锆材料的性能，但仍需深入研究其内外功能改善的机制。Sr²⁺诱导巨噬细胞 M2 极化的机制还需进一步探索，这对其在生物材料中的应用至关重要。该复合陶瓷在骨组织整合方面可能有积极作用，适用于多种需要软硬组织整合的材料，但还需研究其骨整合能力和摩擦磨损性能。此外，其他生物活性元素如 La³⁺等也可用于类似策略，但需平衡材料的机械和生物学性能。本研究仅聚焦巨噬细胞，其他免疫细胞在这一过程中的作用也需进一步研究，同时不同增强剂浓度对材料生物学性能的影响以及 Sr²⁺长期释放的影响也值得探索。

结论

向氧化锆基质中引入含生物功能元素的增强剂，可改善陶瓷基台的 “表面” 软组织整合和 “内部” 结构稳定性。Al₂O₃和 SrAl₁₂O₁₉通过促进致密化、减小晶粒尺寸和增加相稳定性，提升了氧化锆的 LTD 抗性和断裂韧性。释放的 Sr²⁺通过 CaSR 下调巨噬细胞中 SH3BP5 的表达，诱导巨噬细胞 M2 极化，促进成纤维细胞的胶原蛋白合成和血管内皮细胞的血管生成，实现氧化锆稳定的软组织整合，为临床应用中具有内部机械性能和生物界面 - 软组织整合能力的全瓷材料开发提供了新视角。