新型铈稳定氧化锆基复合陶瓷作为植入材料的综合评估研究

作者与发表信息

本研究由Brigitte Altmann（德国弗莱堡大学医学中心口腔修复科及口腔颌面外科G.E.R.N.组织替代、再生与新生部门）领衔，联合Lamprini Karygianni、Ali Al-Ahmad（弗莱堡大学牙周病学系）、Jérôme Chevalier（法国里昂国立应用科学学院材料工程与科学研究所）等14位来自德国、瑞士、瑞典、法国、意大利多所高校与企业（如瑞典Swerea IVF AB、法国Anthogyr R&D）的研究者共同完成。研究成果于2017年发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201702512），标题为《Assessment of Novel Long-Lasting Ceria-Stabilized Zirconia-Based Ceramics with Different Surface Topographies as Implant Materials》。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于生物医用材料领域，聚焦牙科植入物材料的开发。传统钇稳定氧化锆（3Y-TZP）虽具有优异的机械性能和生物相容性，但易发生水热老化（hydrothermal aging）——在潮湿环境中发生四方相（t）向单斜相（m）的相变，导致材料稳定性下降甚至断裂（如2001年髋关节假体批量失效事件）。为解决这一问题，欧盟”LONGLIFE”项目组开发了新型铈稳定氧化锆-氧化铝-铝酸盐复合陶瓷（ZA8Sr8-Ce11），其通过铈（Ce）替代钇（Y）作为稳定剂，结合纳米粉末工程路线，显著提升了抗老化性能。

科学目标

研究旨在通过三层次 preclinical 评估（体外细胞实验、动物模型、微生物学测试），验证ZA8Sr8-Ce11作为牙科植入材料的潜力，重点探究：
1. 不同表面形貌（致密vs多孔）对成骨细胞行为的影响
2. 材料在体内的骨整合（osseointegration）能力
3. 微生物粘附风险

研究方法与流程

1. 材料制备与表征

研究对象：
- 实验组：多孔ZA8Sr8-Ce11P（P=porous）与致密ZA8Sr8-Ce11
- 对照组：传统3Y-TZP、喷砂钛（Ti）

制备工艺：
- 采用专利纳米粉末涂层技术：将商业氧化锆粉末用第二相无机前驱体（Al、Sr、Ce硝酸盐）包覆，经1150℃热处理形成三相复合结构（84 vol% ZrO₂-8 vol% Al₂O₃-8 vol% SrAl₁₂O₁₉）。
- 表面处理：
- 致密表面：预烧结3Y-TZP基底上喷涂ZA8Sr8-Ce11悬浮液，共烧结
- 多孔表面：在已烧结基底上喷涂ZA8Sr8-Ce11，受限收缩形成连通孔隙

表征方法：
- 扫描电镜（SEM）：观察表面形貌（图1）
- 白光干涉仪（IFM）：量化粗糙度参数（Sa：算术平均高度；Sq：均方根高度；Sdr：表面展开率）

2. 体外细胞实验

研究对象：
- 原代人肺泡骨成骨细胞（取自42岁健康男性，伦理批准号411/08）
- 样本量：每组3个重复，独立实验3次

实验流程：
1. 形态学分析（1/7天）：
- SEM观察细胞铺展
- 荧光标记肌动蛋白（phalloidin）量化细胞形态指数（长轴/短轴比）
2. 增殖与代谢（1/3/7/14天）：
- DNA定量（Picogreen法）检测细胞数量
- AlamarBlue检测线粒体活性
3. 矿化能力（28天）：
- 茜素红S（Alizarin Red S, ARS）染色钙沉积
- 3D微型植入物培养验证表面粗糙度影响

3. 动物实验

模型：64只Sprague-Dawley大鼠（8周龄，雄性）股骨植入
分组：
- 128枚微型植入物（每组n=8，14/28天愈合期）
- 植入物类型：impl.3Y-TZP、impl.ZA8Sr8-Ce11、impl.ZA8Sr8-Ce11P、impl.Ti

评估方法：
1. 组织形态计量学：
- 骨-植入物接触率（Bone-to-Implant Contact, BIC）
- 皮质骨与松质骨分区分析
2. 生物力学测试：
- 推出试验（push-in test）测量界面结合强度

4. 微生物学评估

研究对象：
- 多孔ZA8Sr8-Ce11P vs 光滑ZA8Sr8-Ce11AB（AB=abutment，Ra=0.2 μm）
方法：
- 人唾液微生物粘附（2小时/3天）
- 菌落形成单位（CFU）计数
- 活/死细菌荧光染色（SYTO 9/PI）

主要结果

1. 表面特性

• 形貌差异：SEM显示ZA8Sr8-Ce11P具有高连通孔隙（图1），IFM测得其Sdr=43%（致密组仅3%），钛对照组Sdr=17.69%但表面尖锐不平（表1）。
  
• 粗糙度排序：Ti > ZA8Sr8-Ce11P > ZA8Sr8-Ce11 ≈ 3Y-TZP
  

2. 细胞响应

• 形态学：钛表面细胞伸长（形态指数1.8），而氧化锆表面细胞铺展更广（指数1.2）。多孔组细胞面积比致密组大30%（p<0.05）。
  
• 矿化沉积：ZA8Sr8-Ce11P和Ti表面ARS染色全覆盖，致密氧化锆表面仅零星钙沉积（图2d）。
  
• 代谢活性：钛组线粒体活性最低（AlamarBlue还原率较氧化锆低40%）。
  

3. 动物实验结果

• BIC值：
  
  • 皮质骨：ZA8Sr8-Ce11P在28天达93.5%，显著高于3Y-TZP（55.3%）和Ti（16.9%）（表2）
    
  • 松质骨：ZA8Sr8-Ce11P从46.2%（14天）增至81.1%（28天）
    
• 推出力：ZA8Sr8-Ce11P在14天即达63N，28天稳定在65.5N，是钛组的6.6倍（图3，表3）
  

4. 微生物粘附

• CFU计数：多孔与光滑表面无显著差异（p>0.05）
  
• 活/死比：2小时粘附时活菌占比＞60%，3天生物膜中降至10%，两组无统计学差异
  

结论与价值

科学意义

1. 抗老化机制：铈稳定氧化锆通过抑制OH⁻离子渗透，从根本上解决Y-TZP的水热老化问题。
   
2. 表面设计原则：多孔结构（Sdr>40%）通过促进骨长入（bone ingrowth）实现快速骨整合，14天BIC即超70%。
   
3. 微生物安全性：化学组成（而非粗糙度）是影响细菌粘附的主因，ZA8Sr8-Ce11P未增加感染风险。
   

应用价值

• 临床转化潜力：ZA8Sr8-Ce11P兼具高机械强度（弯曲强度1.1GPa）、抗老化性和优异骨整合能力，是理想的牙科植入体候选材料。
  
• 表面优化指导：提出”适度粗糙（Sa≈0.8μm）+高孔隙连通性”的表面设计范式。
  

研究亮点

1. 创新材料体系：首创铈稳定氧化锆-氧化铝-铝酸盐三相复合结构，通过专利纳米粉末涂层技术实现亚微米级微观结构调控。
   
2. 全链条评估：首次在单一研究中整合材料学、细胞学、动物实验与微生物学多维评价。
   
3. 颠覆性发现：推翻”粗糙度促进细菌粘附”的传统认知，证明化学组成对生物膜形成更具决定性作用。
   

（注：文中所有实验数据均通过ANOVA或线性混合模型验证，p<0.05视为显著，详细统计方法见原文Supplementary Information）