常规钛种植体多为锥柱状螺纹表面，存在与牙槽窝形态不匹配和弹性模量远高于天然骨组织等问题，容易引起应力集中和应力屏蔽现象，进而导致种植体周围骨吸收，是种植体骨结合失败的主要因素
[1]。多孔钛种植体是在钛种植体致密表面通过多孔化处理或涂层形成多孔层，孔隙深度有限，仅限于表面骨长入范围较小。而仿生多孔钛种植体通过表面模拟天然骨的多孔、层状和梯度结构设计，调控孔径、孔隙率、孔形等参数，有着良好生物力学适配性，提供允许骨向内生长的表面三维连通多孔结构，为骨细胞长入提供了足够的黏附表面积，诱导骨长入使种植体-骨之间形成稳定的机械锁合
[2-4]。钛种植体植入人体后，被体内的免疫系统识别为外来异物，在骨-种植体界面诱发免疫反应。具有功能性和可塑性的巨噬细胞是驱动该反应的主要因素
[5]，其功能状态对后期的炎症转归和骨结合具有重要调节作用。仿生多孔钛种植体表面形貌会影响巨噬细胞的黏附、增殖、极化等生物学行为，其多孔结构参数会改变种植体表面理化性质影响巨噬细胞的分化及功能，以调控骨免疫反应影响骨结合能力
[6]，但表面形貌对巨噬细胞生物学行为及极化促成骨效果和影响机制目前仍不明确。优化设计不同表面多孔结构形貌的钛种植体加速骨结合再生的过程，缩短愈合周期是当前口腔种植学的研究热点之一。
本文从钛种植体植入后引发的骨免疫反应角度出发，总结仿生多孔钛种植体不同表面的物理、化学处理对巨噬细胞生物学行为影响；其表面结构设计改变对促成骨变化，为临床制备具有免疫调节功能的仿生多孔钛种植体提供结构设计依据。
1 钛种植体植入后巨噬细胞生物学行为
骨结合过程是巨噬细胞介导的免疫和炎症驱动的复杂愈合过程。巨噬细胞在骨结合等方面发挥重要作用，其功能表达会影响成骨细胞系的进一步生物学行为
[7]。在整个免疫炎症反应过程中，巨噬细胞具有高度可塑性主要被激发为不同功能的表型：经典激活的M1型及替代激活的M2型。
1.1 M1型巨噬细胞
钛种植体植入后，在炎症和伤口愈合的早期阶段（1~3 d），辅助性T细胞1（T helper cells 1，Th1）分泌的γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）激活未成熟巨噬细胞产生经典的M1型极化，主要分泌促炎因子和趋化因子。它有助于控制炎症早期，在启动血管生成和骨结合中起重要作用。然而，M1型巨噬细胞介导的持续炎症反应会破坏宿主正常组织，过度释放的白细胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6等炎症因子激活破骨细胞促进骨吸收，进而导致骨再生减缓
[8]。早期M1型巨噬细胞的存在可产生必要的炎症反应，而长时间或不受控制的巨噬细胞M1型极化会导致过度炎症和严重的异物反应，最终可能导致种植失败。
1.2 M2型巨噬细胞
随着钛种植体植入后的组织损伤修复，由IL-4或IL-13诱导替代途径激活的M2型巨噬细胞占主导地位，主要分泌精氨酸酶1（arginase-1，Arg-1）和其他抗炎因子有助于抑制炎症和血管生成，并通过释放IL-4、IL-10等来阻碍破骨细胞的激活，参与骨组织修复
[9]。在炎症后期，M2型巨噬细胞逐步激活，在组织重塑反应发挥十分重要的作用，有利于种植体材料表面的血管化并抑制纤维结缔组织包围及促进骨结合。
2种巨噬细胞表型在骨结合过程中不是单独存在，在不同刺激下可相互转换，主要通过M1/M2不同方向极化实现的。发挥早期炎症反应中M1型巨噬细胞的积极作用可促进早期血管形成和骨再生，保证M2型巨噬细胞主导的后期可控炎症反应可加速骨结合过程。诱导募集在种植体表面的巨噬细胞对粗糙度、亲水性等理化性能敏感。因此改善钛种植体周围成骨微环境、加快骨组织修复再生的组织工程新策略，强调平衡M1和M2型巨噬细胞以及调控M1至M2型巨噬细胞的顺序极化的必要性。
2 仿生多孔钛种植体表面形貌调控巨噬细胞生物学性能影响因素分析
近年来的研究
[10]发现，种植体材料的多孔表面结构通过机械生物学的方式直接影响细胞黏附，使其发生功能性改变，调控宿主的炎症反应，尤其是巨噬细胞的功能。巨噬细胞的极化是细胞响应局部微环境的信号，在生物材料-组织结合界面的早期形成和长期稳定中起着至关重要的作用
[6]。
2.1 表面多孔结构处理方式对巨噬细胞生物学行为的影响
表面形貌处理方式是目前广泛研究并具有较高认可度调控巨噬细胞行为和功能的策略
[5]。一是改变种植体表面的物理特性；二是改变种植体表面的化学特性。第一种方式，包括优化钛种植体表面多孔形貌结构、粗糙度和润湿性等物理特性；第二种方式，包括调节钛种植体改变材料化学成分、添加聚合物或生物活性涂层释放生物活性因子或可溶性小分子。钛种植体多孔表面理化特性影响巨噬细胞黏附、增殖和极化状态详见
表1[11-19]。
免疫调节生物材料具有刺激免疫反应的潜力，能够促进建设性和功能性组织重塑反应，而不是持续性炎症形成
[4]。目前，仿生多孔钛种植体表面修饰作为调节宿主细胞对材料免疫反应的工具已广泛应用，改变材料表面物理特性对巨噬细胞生物学行为的影响机制研究较少。通过优化钛种植体表面物理性能，可知多孔形貌影响巨噬细胞形态及其黏附能力，进而改变其极化状态。因此，调节钛种植体表面多孔结构参数，有效改善材料的物理性质，从而调节骨免疫微环境，已成为关键的治疗策略。
2.2 表面多孔结构设计对巨噬细胞生物学行为的影响
骨组织在多孔结构中生长是骨结合成功的先决条件。三维多孔结构使细胞伸展包裹三维空间，形成良好的机械锁，同时迁入细胞快速迁移，有利于细胞间信息传导
[20]。多孔结构也可以改善钛种植体与周围天然骨之间的机械联锁，提高植入物的长期稳定性。人自然骨由2种骨组织构成：皮质骨和松质骨，它们在孔隙结构和分布上互异。拓扑优化与增材制造3D打印技术结合可以为仿生多孔钛种植体提供高效个性化的解决方案，达到减小植入物质量或削减由机械性能不匹配引起应力屏蔽的目的，并判断重新设计的多孔植入物是否具有骨细胞生长空间
[21]。探索可控多孔结构设计参数，调节孔隙率、孔径、孔形等仿生骨结构特征，是未来的研究趋势。
2.2.1 孔隙率
孔隙率是指在自然状态下材料中孔隙体积与材料总体积的比值，其影响多孔钛种植体的强度及弹性模量。Liang等
[22]基于Voronoi Tessellation利用SLM技术制造骨小梁样Ti6Al4V支架，可产生与松质骨相同的刚度水平，与皮质骨相仿的疲劳载荷能力，同时具有较高孔隙率的骨小梁样支架在促进细胞增殖和分化方面效果良好。随着支架的孔隙率增加，其力学性能整体呈下降趋势。渗透性和养分转运能力提高。推荐多孔钛种植体的孔径大于300 μm以最大限度地促进血管化，同时控制孔隙率为60%~90%，使其具有匹配天然骨的力学性能，实现骨长入并达到显著促成骨效果
[23-24]。Liu等
[25]发现：降低支架的孔隙率为细胞附着提供了更多的接触区域，逐渐增强巨噬细胞新陈代谢活动和增殖。综上所述，适宜的孔隙率可以在模仿天然骨组织的孔隙结构和机械强度的同时为细胞提供繁殖空间。过高或过低的孔隙率均会引起支架力学性能和生物学性能的改变，仍需考虑孔径与之产生的协同作用。
2.2.2 孔径
影响骨结合速率的重要因素包括钛种植体表面形貌的孔径参数，孔径增大能为细胞提供更大的附着生长面积、促进细胞增殖，同时帮助细胞长入多孔结构，达到骨长入效果。与普通多孔支架相比，新研究发明的宏观-微-中孔支架结构调控巨噬细胞从炎症向抗炎反应转变
[26]。该复杂层次多孔支架考虑了细胞在微观层面上的相互作用以及在宏观层面上组织结构的重建，被赋予高效的免疫反应模式，更利于骨修复和再生。孔径的大小改变还可使巨噬细胞的行为呈趋势变化，其中Wang等
[27]发现：钛合金多孔支架孔径逐级增大，巨噬细胞的增殖和整合素β1的分泌在600 μm孔径支架上呈最大趋势，随后下降。大孔径有利于巨噬细胞的渗透和迁移，养分供给和代谢废物排出，从而加快组织的愈合过程；小孔径提供更适宜的微环境，促进细胞生长和分化。
2.2.3 孔形
大多数研究聚焦于固定孔形条件下适合骨长入的孔隙率和孔径，忽略了多孔支架的孔形也会影响支架内细胞的有效空间分布，及支架的力学性能。孔形的设计初衷是为了模仿自然骨内的微孔形状。支架的孔形可分为规则结构、不规则结构以及三重周期性最小曲面（triply pe-riodic minimal surface，TPMS）结构。不同的孔形会影响巨噬细胞的极化状态。Wu等
[28]制造了3种不同规则孔形高度可控的3D打印钛合金支架，结果显示：其中六边形支架组通过抑制巨噬细胞中的Toll样受体信号通路，使巨噬细胞显著向M2表型极化，这可能与其较高的圆度有关。Deng等
[29]通过体内实验验证金刚石晶格单元（diamond lattice unit，DIA）支架中骨生长最佳，且具有最长流体流动轨迹及最小内部流体学，利于血管长入、养分运输和骨结合。基于Voronoi图结构的多孔支架优化方法，Zhao等
[30]推动参数化设计多孔支架进一步模拟天然骨结构，发现梯度不规则多孔支架在稳定性和抗冲击性方面与规则多孔支架相比具有优势，延长支架的使用寿命，促进骨的生长和愈合，为设计拟合天然骨弹性模量的可控梯度支架设计提供理论依据。同时，三周期极小曲面TPMS结构因其表面光滑全连通及高渗透性，易于促进骨再生，近年来受多孔植入物研究者广泛关注。TPMS增材制造多孔支架具有参数的精确可控性和机械性能的高度可修改性，其三维贯通多孔结构是营养物质运输的优良通道
[31]。尽管TPMS结构具有上述优点，TPMS多孔结构迄今尚未用于牙种植体的制造，其骨免疫调节性能及成骨性能有待研究。综上，多孔钛种植体的孔形改变在宏观尺度上可降低种植体-宿主之间的应力屏蔽效应，实现最佳生物固定界面；在微观尺度上，为巨噬细胞极化提供适当的力学刺激，另外，整体多孔互相贯通结构，具有良好的高渗透性，有助于血管长入、营养物质运输和骨结合。
根据以上结论，得出孔径为300~600 μm、孔隙率为70%~90%的多孔钛种植体具有较好的骨再生效果。同时，维诺结构和TPMS结构等晶格结构更接近理想球体可为巨噬细胞提供更大的黏附表面积，具有更好的力学性能和骨再生效果，为临床利用增材制造技术制备多孔钛种植体提供了结构设计参数范围。目前三维结构对于巨噬细胞在骨修复和再生中的功能和作用机制还不甚了解，需要进一步探索。
3 仿生多孔钛种植体表面形貌调控的免疫微环境对骨再生的影响
骨免疫调节指调控免疫反应中巨噬细胞向促炎症M1型和抑炎症M2型方向极化，以产生作用不同的免疫微环境，进一步影响骨再生和血管生成。因此，骨替代材料的免疫调控功能对新骨形成尤为关键。来自植入物表面不同的信号可能触发与免疫反应相关的巨噬细胞表型的转换，分泌不同的炎症因子，进而影响骨修复信号。研究
[32]表明，纳米多孔形貌可激活黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）介导的丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号影响巨噬细胞极化，并阻断整合素β1介导的信号通路显著抑制破骨细胞分化，改变破骨/巨噬细胞细胞因子的分泌谱，使其更有利于成骨。同时，Dai等
[33]的研究发现：微/亚微分层表面结构通过抑制Toll样受体2（toll-like receptor 2，TLR2）/核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路显著抑制M1型巨噬细胞介导的炎症反应，在植入体周围创造有利的免疫微环境，抑制破骨细胞生成，促进骨再生。最佳的骨免疫调节特性应该能诱导炎症反应，平衡成骨细胞和破骨细胞，创造有利于骨再生的免疫微环境
[34]（
图1）。钛种植体的骨免疫调节机制为如何提高种植体的骨结合速率提供了重要理论基础。
4 总结与展望
综上研究表明，巨噬细胞对钛种植体表面的理化特性十分敏感，通过调节和设计仿生多孔钛种植体表面形貌可调控巨噬细胞在免疫反应中的动态极化表型，并为骨组织再生创造理想的免疫微环境。探明仿生多孔钛种植体表面的理化特性对巨噬细胞生物学行为及极化的影响对于研制新型种植体具有重要作用。
设计、制备具有免疫调节功能的仿生多孔钛种植体，通过调节巨噬细胞极化调控免疫微环境，充分发挥免疫成骨在骨结合中的作用是一个新思路及未来趋势。但仍需从以下5个方面探索新型增材制造仿生多孔钛种植体：引入根形种植体（root analogue implant，RAI）宏观外形增强牙槽骨适配性和初期稳定性；最佳的多孔结构设计参数；免疫调节最佳干预时机；M1和M2型巨噬细胞协同连续推进骨修复再生的最优配比；种植体表面形貌骨免疫调节功能的具体作用机制。
江西省教育厅科学技术研究重点项目(GJJ2203401)
江西省自然科学基金资助项目(20252BAC240567)
抚州科技计划项目重点研发计划(2021DB005)
京公网安备11010202008535号
PDF
(1363KB)
