（2浙江大学医学院附属口腔医院 浙江 杭州 310006）
【摘要】种植义齿日渐成为修复缺失牙的主要治疗方案，传统的种植义齿材料如纯钛，由于其优良的生物相容性和较高的抗腐蚀性能被广泛应用于临床。然而，由于其弹性模量和周围骨组织不匹配，常常不可避免的产生应力屏蔽、应力集中等问题，最后影响种植义齿的远期效果。功能阶梯材料（FGM）由于弹性模量在空间方向呈连续性变化，能较好的适应周围组织，实现传统纯钛种植材料所无法达到的性能和功能，被逐渐应用于口腔领域。本文将从功能阶梯材料的设计方案及相应的机械性能角度，对FGM进行综述。
【关键词】功能阶梯材料；种植体；三维有限元
【中图分类号】R743.34 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2019）21-0006-02
The development of functionally graded materials in dentistry
Shi Yang1,Xie Zhijian2(communications author)
School of Stomatology,Zhejiang University Hangzhou, Zhejiang 310053, China
【Abstract】Dental implants can be viewed as a main restoration option for missing teeth. Traditional implant materials like pure titanium and Ti-6Al-4V alloy are widely applied because of their favorable biocompatibility and high corrosion resistance. However, their drawbacks can not be ignored, which associated with the significant difference in Young's modulus between the adjacent bones and these materials. This may lead to many serious problems like stress shielding effect. Functionally graded material can exhibit a high performance to adapt to the surrounding bone tissues, and this characteristic mainly attributes to the unique Young's modulus. To be specific, FGM presents continuous changes in its micro-structure, and can achieve some specific and desirable properties and functions, which the traditional ones can not accomplish. Therefore, this novel and promising biomaterial has been introduced in dentistry these years. This review provides an overview of various FGM implant design criteria and the corresponding mechanical properties.
【Key words】Functionally graded materials;Dental implants;Three-dimensional finite element(TFE)
近些年，种植义齿已经逐渐成为牙体缺失的主要治疗方法，然而，由于失去了牙周膜的缓冲作用，咀嚼应力直接传递至种植体周围骨组织，造成不必要的损伤，也会因植入物的弹性模量与周围骨组织不匹配，使周围骨组织不能承受正常负荷，导致骨重建不能，最后造成骨质疏松，即应力屏蔽[1]。如今使用的纯钛种植体，由于无法模拟类似人体骨组织由内而外的连续性复杂变化，因此在植入体内后会产生应力屏蔽等问题，最后造成骨吸收，最常见的种植体失败就是种植体周围骨形成不足或骨的质量较差导致的。如何获得一种既能获得良好的生物相容性和机械性能，又能充分模拟人体骨在成分及性能上由内而外的连续性逐渐变化的材料，已经成为目前的研究方向。1984年，由日本学者新野正之、平景敏雄等首次提出功能阶梯材料（FGM）概念，并运用于航空领域。它是一种非均质的生物材料，由生物陶瓷和生物金属构成，由于其组成和结构在空间上连续变化，使得性能和功能如弹性模量等也得到连续变化[2]。正如很多天然组织器官也是非均一材料，它们的结构也展现出了一定的功能梯度性，如人的皮肤、骨骼、牙齿等，因此为了创造一个自然的功能性，牙种植体材料必须是FGM才能更好的发挥功能。正因为FGM的优良性能可适应复杂的口内环境，实现传统均质材料所不能达到的功能，近些年渐渐被引入口腔种植领域。如今所公认的，FGM的优势主要体现在：（1）减少对周围骨组织的应力屏蔽；
（2）提高和周围骨组织的生物相容性；（3）迎合不同区域骨组织生物相容性的需要。
如今，许多学者根据这类材料的构成原理，探索着多种功能梯度形式，目前主要集中在以下几方面：1.材料整体梯度设计； 2. 材料的梯度涂层设计；3. 材料表面的多孔化梯度处理。本篇综述将从这几方面讨论功能梯度种植体的最新研究进展。
1.种植体材料的整体梯度设计
1.1 轴向梯度设计
很多学者研究了轴向变化的FGM种植体，即种植体的弹性模量从颈部向尖端逐渐整体降低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆Daniel Lin等设计了5种呈幂次定律梯度变化的Ti-HAP/Col FGM种植体与纯钛种植体比较，发现FGM种植体周围应力分布更为均匀，周围骨组织生长更快，骨重建更多，对皮质骨的应力更低，且有更多应力传递至松质骨，降低了应力屏蔽，从而促进骨结合，尤以高HAP/Col者更为显著，但是当HAP/Col含量太高时，降低了材料的整体强度，对周围骨的应力明显增加，并产生了一定程度的垂直向移位，更多咀嚼力传递至周围骨组织，使其在植入初期过负荷，产生微骨折，所以在获得最有利于骨重建的HAP/Col比例时，并非同时获得最有利于长期稳定的最佳强度。因此他们探索并提出了一个最佳参数及设计方案，兼顾机械强度和骨结合，调节参数m，他们认为临床上应根据患者的需要，权衡兼顾两者，充分考虑各因素，获得个性化最佳设计方案。Hedia等也设计了Ti-HAP/Col FGM种植体，从头部的纯钛渐变为底部的纯HAP/Col，同样的方法进行力学分析，发现Ti-HAP/Col FGM种植体在皮质骨和松质骨上的最大应力较纯钛种植体分别降低了40% 和19%，有效减少甚至防止骨组织发生微断裂和疲劳失败，进一步防止后期骨吸收。
孙健等也设计了按长轴方向分为8层的Ti-HAP FGM种植体，从头部到底部的弹性模量分别按线性、指数函数、对数函数变化，分析发现FGM种植体表面应力及骨界面应力均明显下降，且以指数函数变化组最为显著，提示在设计FGM种植体时，上半部分应注重受力，保证钛含量，下半部分可适当增加HAP含量以降低弹性模量，减少应力，促进早期骨愈合与长期稳定性。
1.2 半径向及轴向半径向梯度设计
H.Asgharzadeh Shirazi等设计了2种半径向Ti-HAFGM种植体，从中心的钛核心至最外层HA可被分为20层渐变层，渐变方式分别为抛物线型和指数型，从而构建半径向变化的弹性模量，以纯钛种植体和HA涂层的钛种植体为对照组，建立三维有限元模型并分析应力分布，结果表明2种FGM种植体均能有效降低界面最大应力（抛物线型稍优于指数型），减少周围骨组织的微断裂；同时增加了周围骨组织的应力，避免了因应力屏蔽导致的骨质疏松。此外，这种功能梯度的渐变方式也避免了传统HA涂层种植体的涂层断裂、脱落问题。
2.种植体材料的梯度涂层设计
如今较多种植体采用HA涂层，以提高生物相容性，促进骨结合，从而增加机械性能。但Ti-HA界面存在较大的内应力，结合强度差，易开裂，最后导致生物相容性及生物力学问题。而Ti-HA梯度涂层的出现可以有效解决该问题，通过将缓冲薄层加入到在Ti基体与HA涂层之间，实现其成分、结构及性能的逐渐过渡，有效减轻因Ti和HA热膨胀系数差异过大而造成的内应力。
Hassan S. Hedia等人通过使用TI-Col涂层（即外层为钛，内层为胶原），设计了2种方式的轴向梯度变化涂层，通过有限元分析应力发现，和传统的Col、HA涂层相比最大应力分别减少16%、13%；使用TI-HA涂层，（即外层为钛，内层为HA），和传统的Col、HA涂层相比最大应力分别减少8%、5%，同时该涂层方式弹性模量和周围骨相近，避免了应力屏蔽。此外，他们还发现随着涂层厚度增加，对皮质骨的应力逐渐减少，150μm为最佳厚度。万澎波等应用低温烧结技术在钛种植体表面形成厚度约 120μm梯度涂层 ，其底层为生物活性玻璃，中间层是以一定比例混合HA与生物活性玻璃的复合物，表层是HA。和无涂层的种植体相比，新生骨生长与成熟的速度明显加快，新生骨组织更加规则致密。将生物玻璃和HA梯度混合，制成的梯度涂层与钛合金之间的界面能显著降低，膨胀系数与钛基底相近，结合强度高，表面的HA也与机体组织也有较强的亲和力。
3.种植体表面的多孔化梯度设计
种植体表面的多孔形态能促进早期骨细胞的附着，有利于新骨形成，故许多学者致力于研究小孔的最佳大小、分布、密度等，此外也可通过小孔调节过高的弹性模量，既能满足机械性能的需要，又能促进骨结合。Y. Torres等通过粉末冶金技术、space-holder 技术和新型压缩设备，利用钛粉末和NaCl制成半径向多孔梯度牙种植体，由内而外共三层，每层孔率与孔径逐渐增大，分布均匀，从而获得良好的机械性能的牙种植体，弹性模量（约26GPa）接近骨组织，有效减少应力屏蔽，且外层大小合适的孔径能有效引导骨组织的长入，提高骨结合。Paul I.Ichim等设计制造出以锆-HA混合物为核心，弹性模量（约110GPa）和纯钛种植体相近，并设计了不同弹性模量的内外锆-HA多孔涂层，发现当内、外层弹性模量分别为110GPa、45 GPa，每层100μm厚时，最大应力、平均应力达到最小，从而提出控制外层的弹性模量最关键，最佳值为45GPa，此时界面的缓冲能力最强。孙健等人将钛粉末和HA粉末通过3D打印技术和烧结技术打印成种植体，上半部分为纯钛，下半部分为80%钛粉和20%HA，经过烧结后在表面形成50～150μm小孔，形成的强度约为184.3MPa，该表面结构和强度有利于骨细胞的长入、增值分化。LinWeiShao等人通过直接金属激光烧结技术（DMLS）制备多孔梯度Ti-6Al-4V种植体，发现通过170W激光强度烧结形成0.35mm表面层，43W激光强度烧结核心，形成的种植体弹性模量最低（约35GPa），最接近骨组织，有效减小了应力屏蔽。
4.总结
FGM种植体相较于钛种植体的优势是明确的，不仅能降低最大应力，还能使应力均匀分布，避免应力屏蔽，此外，具体的FGM设计方案需根据具体梯度材料种类和患者实际情况来决定，然而对FGM种植体的研究尚停留于实验室阶段，昂贵的价格是限制这一潜力材料发展的主要原因，所以制作工艺的深入研究及成本的降低将会是接下来的研究重点，只要克服这一点，FGM种植体将会很快广泛应用于临床。
【参考文献】
[1] Sadollah A,Bahreininejad A.Optimum gradient material for a functionally graded dental implant using metaheuristic algorithms.J Mech Behav Biomed Mater 2011;4:1384-1395.
[2] Mehrali M,Shirazi FS.Dental implants from functionally graded materials.Journal Of Biomedical Materials Research.Part A,2013 Oct;Vol.101(10),pp.3046-57.
本研究得到浙江省医药卫生科技计划（省部培育计划）项目资助，项目编号为2015PYA006
论文作者:史洋1,谢志坚2（通讯作者）
论文发表刊物:《医药前沿》2019年21期
论文发表时间:2019/9/11
标签：应力论文; 梯度论文; 弹性模量论文; 涂层论文; 材料论文; 组织论文; 功能论文; 《医药前沿》2019年21期论文;