王 勝，梁 瀟，惠光艷

(1.海軍青島特勤療養(yǎng)中心，山東 青島 266071；2.陸軍后勤部信息保障室，北京 100072)

0 前 言

種植牙因具有不傷鄰牙、美觀、耐用、可防止牙槽骨萎縮等優(yōu)點而成為國際口腔醫(yī)學(xué)界公認的牙齒缺失的首選修復(fù)方式。種植牙由種植體、基臺和牙冠組成(圖1)，種植體植入牙槽骨中、充當人工牙根，為整個種植系統(tǒng)提供支撐、固定作用，并通過基臺與上部的牙冠連接。種植體是種植牙的核心，直接影響牙齒種植的質(zhì)量，其費用約占整體醫(yī)療費用的40%。鈦由于具有生物相容性好、耐蝕性高、強度高、彈性模量相對低、成型性能好、機械加工性能優(yōu)等特點，使其成為最常用的制作種植體的材料。鈦是一種過渡金屬元素，當溫度低于其相變溫度時，鈦的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方相(α相)；當溫度高于其相變溫度時，則轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方相(β相)。商業(yè)純鈦有1～4共4個等級，隨著等級的增加，雜質(zhì)鐵的含量依次增大，屈服強度和抗拉強度也增加。因此，出于強度考慮，大部分由純鈦制作的種植體選用4級鈦。純鈦種植體最早可追溯至20世紀60年代Albrektsson等[1]的工作。加入合金元素會影響鈦α相和β相的穩(wěn)定性，導(dǎo)致β相和α+β雙相鈦合金的出現(xiàn)，如最常用的Ti6Al4V鈦合金由于β相穩(wěn)定元素V的存在而呈現(xiàn)出α+β的雙相結(jié)構(gòu)，該合金比商業(yè)純鈦具有更高的屈服強度和抗拉強度，也是種植體的常用材料。

由于鈦對氧具有很高的親和性，在氧存在的環(huán)境中鈦表面可形成一層薄而穩(wěn)定的致密鈍化膜，其厚度一般為幾納米。該鈍化膜由一系列的鈦氧化物組成，包括TiO2、TiO、Ti2O3等[2]。這層鈍化膜可抑制基底鈦金屬的活性溶解，使得鈦及其合金具有優(yōu)良的耐蝕性。盡管鈦具有優(yōu)良的耐蝕性，但Olmedo等[3]發(fā)現(xiàn)，在鈦種植體周圍黏膜的上皮細胞的內(nèi)部和外部、巨噬細胞中均可檢測到鈦金屬顆粒，且牙髓炎患者的種植體周圍組織中的鈦離子含量高于未患病者，這表明鈦種植體在人的口腔中亦不能免于腐蝕。鈦腐蝕引起的鈦離子濃度升高可引起過敏反應(yīng)，引發(fā)種植體周圍黏膜炎和牙髓炎，進而增加鈦種植體在短期內(nèi)失效等風險[4]。因此，有必要對鈦種植體的腐蝕進行研究。本文依據(jù)腐蝕影響因子的類型，從無機物與有機物作用下的腐蝕、微生物作用下的腐蝕和摩擦腐蝕3個方面對鈦種植體的腐蝕研究進展進行綜述，以期為開發(fā)科學(xué)合理有效的種植體腐蝕防護技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，為種植體的長期安全應(yīng)用保駕護航。

1 無機物與有機物作用下的腐蝕

鈦種植體在根據(jù)ISO/TR10271配制的人工唾液(成分：1 L蒸餾水中加入0.400 g NaCl、0.400 g KCl、0.780 g NaH2PO4·2H2O、0.795 g CaCl2·2H2O、0.005 g Na2S·2H2O、1.000 g尿素，使用乳酸調(diào)整pH值至5.8)中發(fā)生的腐蝕較為微弱，但當由含氟牙膏或漱口水引入氟離子、炎癥細胞(如巨噬細胞、中性粒細胞)代謝產(chǎn)生過氧化氫等無機物時，其腐蝕會加速。

由于具有優(yōu)良的防齲效果，含氟牙膏、漱口水的使用量不斷增長，氟離子對鈦種植體的安全服役存在很大威脅。氟離子可滲透至種植體與牙槽骨的狹小縫隙中，且難以完全清理，使得氟離子對種植體的威脅可能長期存在。氟離子對鈦種植體的腐蝕作用主要通過破壞鈦鈍化膜進行，其往往通過氫氟酸起作用，且氟離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞岬倪^程與介質(zhì)的pH值密切相關(guān)。氫氟酸通過與鈍化膜中的鈦氧化物反應(yīng)生成鈦氟化合物[反應(yīng)式見式(1)～(3)]，導(dǎo)致鈍化膜的溶解破壞[5]。為了確定能夠引起鈦鈍化膜破壞的氟離子濃度，人們研究了鈦種植體在含不同濃度氟離子介質(zhì)中的腐蝕行為。如Alves Rezende等[6]研究了商業(yè)純鈦和Ti-10%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Mo在含0.05%氟化鈉介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)這一濃度的氟化鈉對鈍化膜的穩(wěn)定性的影響可忽略。Huang等[7，8]研究發(fā)現(xiàn)，在口腔酸性環(huán)境下，當氟離子濃度高于0.10%時，Ti6Al4V的陽極溶解氧電流迅速增大、阻抗迅速減小(圖2)，且在0.10%～0.50%的氟離子濃度范圍內(nèi)腐蝕速率隨濃度增加而增大。楊西榮等[9]研究了純鈦在不同氟離子濃度(0.1，0.3，0.5，1.0 g/L)、不同pH值(5.6，6.2，6.8，7.6)下人工模擬唾液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)與pH值相比，氟離子濃度對腐蝕行為的影響更大，氟離子濃度越高，材料耐蝕性越差。趙煉等[10]也發(fā)現(xiàn)純鈦在氟濃度為0、0.02%、0.10%和0.20%的人工唾液中的腐蝕隨著氟離子濃度的提高而愈發(fā)嚴重。因此，使用鈦種植體的患者應(yīng)盡量避免使用高濃度的含氟口腔清潔用品。

Ti2O3+ 6HF → 2TiF3+ H2O

(1)

TiO2+ 4HF → TiF4+ 2H2O

(2)

TiO2+ 2HF → TiOF2+ H2O

(3)

除氟離子外，過氧化氫也被認為是引起鈦種植體腐蝕的重要無機物，過氧化氫作為活性氧物質(zhì)主要與人體的炎癥響應(yīng)有關(guān)。過氧化氫對鈦種植體的腐蝕作用主要是通過與鈦氧化物形成可溶解相(如TiO2-nH2O)來改變鈍化膜的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，鈍化膜的結(jié)構(gòu)變化可能有多種，Pan等[11]認為過氧化氫可使得鈦鈍化膜的多孔外層變厚，Al-Mobarak等[12]認為過氧化氫不僅使鈦鈍化膜的外層變得更厚與多孔，而且使得內(nèi)層缺陷增加，F(xiàn)onseca等[13]認為過氧化氫使鈍化膜更加粗糙，且具有更高的離子導(dǎo)電性。過氧化氫對鈦腐蝕的促進影響與其濃度密切相關(guān)，Yu等[14]研究了Ti6Al4V在含不同濃度(0、0.1%、0.5%和1.0%，質(zhì)量分數(shù))過氧化氫的介質(zhì)中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)溶出鈦離子濃度隨過氧化氫濃度的增大而增大，且β相優(yōu)于α相發(fā)生腐蝕。因此，當鈦種植體植入口腔后，應(yīng)盡量避免炎癥的發(fā)生，從而減弱過氧化氫對鈦種植體的不利影響。

目前，有關(guān)有機物對鈦種植體腐蝕的影響的研究主要集中于蛋白方面，這是因為在鈦種植體植入口腔的過程中和植入后，血漿、唾液、食物殘渣中的蛋白可與其接觸、并在其表面吸附形成吸附層，進而可能對其腐蝕產(chǎn)生影響。蛋白在鈦種植體表面的吸附與種植體表面的羥基數(shù)量、表面能的極性分量密切相關(guān)，蛋白吸附層的形成會覆蓋活性位點、抑制氧向鈦表面的傳輸，因而蛋白一般被認為是陰極反應(yīng)抑制劑，會降低鈦種植體的陰極電流。另一方面，蛋白又可以螯合金屬離子，有促進鈦種植體腐蝕的傾向。因此，鈦種植體在含蛋白的溶液中的腐蝕是鈍化膜生長與蛋白吸附共同作用的結(jié)果，蛋白與金屬離子的螯合可促進鈦的氧化與鈍化膜的生長，鈍化膜的生長又可提高鈦種植體的表面疏水性進而促進蛋白的吸附，吸附的蛋白又可作為陰極反應(yīng)抑制劑。這些過程使得蛋白對鈦種植體的腐蝕的影響比較復(fù)雜，蛋白濃度的差異可導(dǎo)致不同的結(jié)果。Huang等[8]發(fā)現(xiàn)向人工唾液中加入0.01%～0.50%的白蛋白對Ti6Al4V的電化學(xué)阻抗沒有影響，因而不影響腐蝕；而Dragus等[15]發(fā)現(xiàn)向人工唾液中加入1.6 g/L的白蛋白后，Ti6Al4V的陰陽極電流減小、極化電阻增大，腐蝕被抑制；Karimi等[16]系統(tǒng)研究了血清蛋白含量對Ti6Al4V腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)當血清蛋白的含量為0.2～4.0 g/L時，鈍化電流密度隨蛋白含量的增加而減小，且當?shù)鞍缀繛?.0 g/L時的鈍化電流密度小于不添加蛋白的(圖3)，亦即當?shù)鞍缀扛哂?.0 g/L時才能抑制腐蝕。在實際人體環(huán)境中，總是無機物與有機物并存，因而有許多報道關(guān)注白蛋白與氟離子或過氧化氫共同作用下對鈦種植體的腐蝕。研究發(fā)現(xiàn)白蛋白的添加可抑制氟離子、過氧化氫對鈦種植體的腐蝕促進作用，這與白蛋白在鈦表面形成的吸附層密切相關(guān)[14,17]。

2 微生物作用下的腐蝕

口腔是人體非常重要的微生物寄居系統(tǒng)，微生物種類繁多、數(shù)量龐大，鈦種植體在使用過程中面臨微生物腐蝕的挑戰(zhàn)。目前全球最大的口腔微生物組數(shù)據(jù)庫HOMD(human oral microbiome database)已收錄775種口腔微生物，其中70%的微生物可在實驗室培養(yǎng)。目前，已有少量有關(guān)口腔微生物對鈦種植體腐蝕的影響的研究，這些研究大多集中于單菌株的作用。

在口腔微生物腐蝕研究中，受到最多關(guān)注的是鏈球菌屬的細菌，包括變形鏈球菌、輕型鏈球菌、血鏈球菌等。鏈球菌可以消耗糖類產(chǎn)生乳酸，且其耐酸性強。Souza等[18]研究了在富含蔗糖的人工唾液中變形鏈球菌對純鈦腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)變形鏈球菌可在鈦表面形成生物膜，盡管沒有發(fā)生局部腐蝕，但其可使得腐蝕電位負移、鈍化膜極化電阻減小、耐蝕性降低(圖4)。變形鏈球菌對鈦腐蝕的促進作用被認為與其代謝產(chǎn)生的有機酸所致pH值降低密切相關(guān)，而唾液中蔗糖濃度對變形鏈球菌的腐蝕性有重要影響。當蔗糖濃度高時，變形鏈球菌生長旺盛，其利用蔗糖代謝產(chǎn)生的胞外多糖增加，進而有利于其在鈦種植體表面形成生物膜，生物膜中有機酸的積累會促進鈦的腐蝕[19]。與變形鏈球菌相似，輕型鏈球菌亦可促進鈦的腐蝕，其代謝產(chǎn)生乳酸被認為對鈦的腐蝕起重要作用[20]。血鏈球菌對鈦腐蝕的促進作用除與代謝產(chǎn)生乳酸有關(guān)外，還與代謝產(chǎn)生的過氧化氫有關(guān)[21]。

除鏈球菌外，經(jīng)常會出現(xiàn)在口腔深處的厭氧微生物硫酸鹽還原菌也會對鈦種植體的腐蝕產(chǎn)生影響。硫酸鹽還原菌不是生物學(xué)分類上的概念，而是指一類能夠把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物及元素硫還原成硫化物的細菌的統(tǒng)稱，硫酸鹽還原菌造成的微生物腐蝕損失約占整個微生物腐蝕損失的一半。硫酸鹽還原菌對碳鋼、低合金鋼、銅合金等的腐蝕性強，對鈦的腐蝕促進作用相對較弱。Mystkowska[22]研究了致黑脫硫腸狀菌對Ti6Al4V鈦合金腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)在含菌介質(zhì)中暴露28 d和56 d后，鈦合金腐蝕坑的面積比分別為1.8%和3.1%。但有關(guān)硫酸鹽還原菌對鈦腐蝕的影響機制目前還不清晰，Harada等[23]認為在中性介質(zhì)中添加13.0，50.5，100.0 mmol/L硫化鈉對鈦的腐蝕沒有影響。硫酸鹽還原菌主要通過胞外電子傳遞機制促進碳鋼、低合金鋼、不銹鋼的腐蝕，而其對鈦的腐蝕促進作用是否也通過這種機制實現(xiàn)，還未有報道。

除上述2類微生物外，牙齦卟啉單胞菌、內(nèi)氏放線菌等對鈦腐蝕的促進也有文獻[24,25]報道。同時，基于鈦種植體在人體口腔中所遭受的微生物腐蝕是多種微生物共同作用的結(jié)果這一事實，有文獻開始關(guān)注混合菌作用下鈦的腐蝕。Souza等[26]研究了變形鏈球菌與白色念球菌共同作用下鈦的腐蝕，發(fā)現(xiàn)2菌株共存下在鈦表面未觀察到局部腐蝕坑，但電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)開路電位負移、極化電阻減小，表明耐蝕性降低，酸性代謝產(chǎn)物所致pH值降低被認為是主要的腐蝕促進機制。

總的來看，目前微生物對鈦種植體腐蝕的影響研究還處于起步階段，大多數(shù)研究使用電化學(xué)方法對腐蝕進行評價，而缺少點蝕行為等表征，同時腐蝕影響機制除了代謝有機酸促進機制外，其他機制還不清晰。

3 摩擦腐蝕

摩擦腐蝕是電化學(xué)腐蝕與磨損的共同作用，其在腐蝕性介質(zhì)中以不同的磨損模式進行，如滑動、滾動、微動、沖擊等。摩擦腐蝕體系復(fù)雜，影響因素眾多，為了更好地理解這一腐蝕形式，提出了多種摩擦腐蝕模型。1954年，Uhlig[27]首次提出了兩體微動模式下的摩擦腐蝕模型，將金屬總損失量劃分為化學(xué)磨損與機械磨損，化學(xué)磨損被認為符合對數(shù)氧化速率關(guān)系，且與粗糙凸起的數(shù)量、尺寸、摩擦速率等密切相關(guān)；機械磨損與粗糙接觸總面積、行程成正比，而粗糙接觸總面積又可由法向力與屈服壓力的商求得。該模型計算的總損失量與循環(huán)次數(shù)成正比、與法向力成拋物線關(guān)系、與頻率成雙曲線關(guān)系。在Uhlig模型的基礎(chǔ)上，對化學(xué)磨損與機械磨損的計算公式進行修正，得到了多種模型，包括水溶液中的磨損促進腐蝕模型、磨損促進腐蝕的電偶耦合模型、基于Archard理論的機械磨損模型、基于疲勞的機械磨損模型等[28]。近期，Cao等[29]又將潤滑這一因素融入到兩相接觸的模型中。與兩體模型中只考慮單一磨損形式(塑性變形或疲勞)不同，當存在較厚的產(chǎn)物膜、脫落的顆粒等第三體時，化學(xué)磨損與機械磨損之間的相互作用將會更復(fù)雜，代表性模型如Quinn[30]提出的氧化磨損理論。此外，還有考慮循環(huán)載荷、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂等因素的多參量退化模式[31]。目前，兩體模型是被研究與發(fā)展最多的，但其依然存在一些局限性、需進一步研究。對于鈦種植體，滑動和微動模式下的摩擦腐蝕較為常見。

鈦在滑動模式下的摩擦腐蝕行為受到環(huán)境介質(zhì)性質(zhì)和材料性質(zhì)的影響。環(huán)境介質(zhì)中對摩擦腐蝕影響較大且研究較多的物質(zhì)主要有氟離子、氫離子、蛋白等。氟離子對摩擦腐蝕具有促進作用，但不同研究中的對摩擦腐蝕起促進作用的氟離子濃度存在差異。Licausi等[32]研究了Ti6Al4V鈦合金在含有不同濃度氟離子(0、100、1 000 mg/L)人工唾液中的摩擦腐蝕，發(fā)現(xiàn)未摩擦?xí)r，陽極電流密度非常小，摩擦后陽極電流密度迅速增大，且高濃度氟離子存在時的陽極電流密度大于低濃度氟離子存在時的(圖5)，即高濃度的氟離子加劇了磨損，磨損加劇使磨損量增大；進一步研究發(fā)現(xiàn)，向酸性(pH=3)的人工唾液中加入1 000 mg/L的氟離子后，失效機制由塑性變形+鈍性溶解轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚匀芙鈁33]。Souza等[34]發(fā)現(xiàn)純鈦在氟離子濃度低于227 mg/L的人工唾液中能夠形成致密的鈍化膜，隨氟離子濃度變化磨損系數(shù)不變，但電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)表明鈦的耐蝕性隨氟離子濃度增大而降低；而當氟離子濃度為12 300 mg/L時，磨損系數(shù)減小、但腐蝕量增大。與氟離子對摩擦腐蝕的促進作用不同，氫離子(反映為pH值)對鈦的摩擦腐蝕的影響仍有爭議。Licausi[33]等研究了Ti6Al4V鈦合金在不同pH值(3，6，9)的人工唾液中的摩擦腐蝕，發(fā)現(xiàn)失效機制在不同pH值的介質(zhì)中不變；而Mathew等[35]則發(fā)現(xiàn)相較于pH值為3和9的人工唾液，pH值為6時純鈦的腐蝕失重最大、腐蝕最嚴重，這些差異可能與材料種類、載荷施加量、加載速度等的差異有關(guān)。蛋白可在鈦表面吸附成膜，進而可能影響摩擦腐蝕。Dimah等[36]研究發(fā)現(xiàn)在連續(xù)滑動測試條件下，白蛋白的添加對鈦合金的腐蝕與顆粒的機械脫附影響微弱；但在周期滑動測試條件下，白蛋白可以抑制摩擦腐蝕，這主要是因為在靜止期蛋白的吸附可以降低鈍化膜生長速率、增大機械作用空間、降低摩擦損耗。人們往往采用加入合金元素的方式來提高鈦的耐摩擦腐蝕性能。如相較于純鈦，Ti6Al4V鈦合金具有更好的耐摩擦腐蝕性能，這可能與合金元素的添加可使鈍化膜的力學(xué)性能提高有關(guān)[36]；向Ti6Al4V鈦合金中添加銅元素可進一步提高其耐腐蝕磨損性能，因為銅元素的添加可引入α相Ti/Ti2Cu共析物從而提高其耐磨損性能[37]。

與滑動模式相似，微動模式下的摩擦腐蝕也受到環(huán)境介質(zhì)性質(zhì)和材料性質(zhì)的影響。Diomidis等[38]研究了具有β相結(jié)構(gòu)的Ti12.5Mo、Ti13Nb13Zr、Ti29Nb13Ta4.6Zr和具有α+β相結(jié)構(gòu)的Ti6Al4Fe在滾動模式下的摩擦腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)Ti13Nb13Zr和Ti29Nb13Ta4.6Zr在微動磨損過程中能夠修復(fù)自身的鈍化態(tài)，而微動磨損使Ti6Al4Fe被活化、導(dǎo)致形成大的溶解腐蝕坑；當向介質(zhì)中添加白蛋白、透明質(zhì)酸、二棕櫚酰磷脂酰膽堿后，Ti12.5Mo的磨損系數(shù)減小、磨損速率降低。與滑動模式相似，氟離子的添加會對微動模式下的摩擦腐蝕起到促進作用。在不含氟離子的人工唾液中，當微動停止后，Ti6Al4V鈦合金能立即鈍化；引入氟離子后，鈦合金不能立即修復(fù)微動區(qū)的破壞。且Ti6Al4V鈦合金體系的磨損量隨氟離子濃度的增加先增大后減小，這是由于高濃度的氟離子會使摩擦副由氧化鋁-鈦合金轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w有鈦的氧化鋁-鈦，降低了磨屑的碾壓磨損作用，進而降低了磨損速率[39]。除氟離子外，不同緩蝕劑對摩擦腐蝕的影響不同，陽極型緩蝕劑可提高純鈦的耐摩擦腐蝕性能，而陰極型與有機緩蝕劑則使得其磨損量與腐蝕速率增大、摩擦腐蝕性能劣化[40]。與滑動模式相似，相較于純鈦，Ti6Al7Nb鈦合金具有更好的耐微動磨損性能，且隨著傾斜角度的增加與加載力的減小，磨損程度降低；但兩者在切向與徑向微動力作用下的磨蝕機制均為脫層、磨料和氧化磨損[41]。

值得注意的是，目前有關(guān)鈦種植體摩擦腐蝕的研究在裝置類型、摩擦副材料與結(jié)構(gòu)、載荷的加載細節(jié)等方面存在差異，使得不同研究的結(jié)果難以直接比較，這降低了對摩擦腐蝕的認知效率。

4 總結(jié)與展望

腐蝕是影響鈦種植體長期有效使用的重要因素，由于口腔環(huán)境的復(fù)雜性，鈦種植體的腐蝕是無機與有機粒子、微生物、摩擦腐蝕等因子單獨或共同作用的結(jié)果。關(guān)于無機物與有機物作用下鈦種植體的腐蝕研究大多專注于氟離子、過氧化氫、白蛋白等，氟離子與過氧化氫可加劇鈦種植體的腐蝕，白蛋白可抑制腐蝕。關(guān)于微生物作用下鈦種植體的腐蝕研究還處于起步階段，鏈球菌屬等產(chǎn)酸菌促進腐蝕的研究報道較多，而硫酸鹽還原菌等其他類型微生物的腐蝕影響機制還不明朗。關(guān)于摩擦力作用下的腐蝕研究大多關(guān)注環(huán)境介質(zhì)性質(zhì)和材料性質(zhì)的影響，但由于不同研究在摩擦腐蝕性能表征方面的差異使得結(jié)果難以直接比較。在后續(xù)的工作中，可進一步突出微生物對鈦種植體腐蝕的影響作用，建立標準化鈦種植體摩擦腐蝕研究的體系，以推動鈦種植體腐蝕研究的豐富化與體系化。此外，目前有關(guān)鈦種植體的腐蝕研究基本都在體外模擬環(huán)境下進行，而實際服役環(huán)境遠比模擬環(huán)境復(fù)雜，模擬環(huán)境下的腐蝕壽命預(yù)測適用于服役環(huán)境的準確度需要驗證。同時，服役環(huán)境下鈦種植體腐蝕的快速評價與監(jiān)、檢測也是鈦種植體腐蝕研究的難點，需要投入更多的精力。