在骨科，氮化硅植入物已应用于脊柱修复和关节植入术。作为牙科种植体材料，氮化硅断裂韧性高，抗压强度与人体骨相似，可以满足种植体的基本力学要求，氮化硅具有良好的生物相容性，氮化硅表面的微米/纳米级形貌赋予其良好的成骨和抗菌性能，有助于降低种植体周围炎的发生率，因此，氮化硅在牙科种植体方面具有很好的应用潜力。

图 氮化硅牙科植入物，来源：SINTX

一、氮化硅在牙科种植体应用优势

①氮化硅独特的表面特性

影响种植体生物活性的表面特性包括表面形貌、化学成分和生物物理特性（亲水性）。

氮化硅的表面通常显示出由突出的棒状 β⁃氮化硅晶粒（直径1～2 μm）组成的微粗糙表面，其具有六边形横截面，并相互交织形成独特的微米/纳米级形貌。抛光后，氮化硅表面棒状晶粒基本消除，表面光滑，具有微米级/纳米级的气孔。具有微粗糙表面形貌的植入物可以与细胞和组织相互作用，从而对骨整合产生积极的影响。

由于氮化硅在氧化或含水环境中热力学不稳定，其表面通常覆盖一层厚度约为 3～5 nm 的氧化层，由氮氧化硅组成，存在硅氮、硅氮氧和硅氧键。由于这种氧化，氮化硅的组成从原本的纯硅氮键到氧化层内部区域的硅氧氮，再到表面的硅氧，若是氧化层足够厚，其组成相当于二氧化硅。当暴露于水介质时，Si-N键会反应形成Si-OH和NH3。

在恒定 pH 值（7.4）的水介质中，氮化硅表面的主要官能团为 Si-O、Si-NH3和 Si-NH2。这些亲水性基团使氮化硅表面表现出良好的润湿性，有利于成骨细胞的黏附，促进早期成骨。

②氮化硅具有良好成骨性

氮化硅材料的优秀成骨性能依赖于以下诸多机制。首先是氮化硅的微粗糙表面以及亲水性，可以增加成骨细胞黏附，这是后期成骨分化、基质矿化和骨再生的基础。其次，氮化硅表面特有的生化反应提供了硅酸根离子（SiO4）4⁃、氨以及一氧化氮，氮化硅表面硅酸和含氮化合物的释放增强了细胞的代谢、增殖、以及成骨向分化活性。硅酸和含氮化合物可以通过上调骨保护素和骨形态发生蛋白 2 的表达来影响成骨细胞的形态发生活性，在强烈刺激成骨细胞分化的同时，它们也抑制破骨细胞的形成。并且，Si 和 N 元素可以刺激骨髓间充质干细胞的成骨向分化，加速骨生长。同时，（SiO4）4⁃和 N 离子在骨磷灰石形成中为成骨细胞的活动提供了有利的化学环境，例如表面电荷对蛋白质折叠、细胞迁移运动和增殖的促进作用，以及对相关生物学信号的调控。还有，硅酸根的析出可营造出弱碱性环境。弱碱性微环境可对成骨细胞增殖和随后的成骨细胞分化产生积极影响。在体内这些因素和周围组织和细胞的综合作用有助于氮化硅种植体与周围骨组织的结合。

③氮化硅具有抗菌活性

与氧化锆（ZrO2）、聚醚醚酮（PEEK）、钛（Ti）和钛合金相比，氮化硅可以有效抑制表皮葡萄球菌和大肠杆菌的生长。与钛和氧化锆相比，氮化硅对牙龈卟啉单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的菌落形成均有抑制作用。且氮化硅在活菌/死菌染色中表现出强的红色荧光，说明氮化硅导致了大量的牙龈卟啉单胞菌死亡。说明氮化硅不仅抑制细菌的黏附，还有一定的抗菌性能。

图源网络

氮化硅表面的微米/纳米级形貌有效减少细菌定植是其主要的抗菌机制之一。氮化硅表面的Si⁃O、Si⁃NH3+ 和 Si⁃NH2等主要官能团为其创造一个亲水表面。而这种亲水的氮化硅表面通过蛋白质吸附和细胞粘附阻碍了细菌生物膜的形成。在生理 pH 的水溶液条件下，氮化硅能将氢原子从 Si⁃OH 基团中解离出来，使其表面带负电荷。通过静电作用阻碍细菌附着。同时氮化硅表面⁃NH2基团的反应自发释放的氨增加了介质的 pH，导致建立了不利于细菌粘附的弱碱性环境（pH 值约为 8.5），也影响了细菌的代谢。另一方面，释放出的氨（NH3）会形成过氧亚硝酸盐（ONOO⁃），这会影响细菌的正常新陈代谢，导致它们死亡。

④氮化硅具有阻射性

氮化硅具有部分阻射性。通过影像学检查清楚地看到种植体与周围骨组织的结合情况，而且不会像钛种植体一样在牙科锥体束CT扫描中出现放射伪影的问题。并且，氮化硅陶瓷种植体的射线密度与牙釉质相当。因此，可以准确评价氮化硅种植体与周围组织，特别是骨组织接触的密合性。

图 氮化硅种植体成像，网络

二、氮化硅在牙科种植体应用难题

目前，氮化硅材料应用于牙科种植体还存在以下问题：

①氮化硅材料的传统加工方法成本高，由于氮化硅具有很高的硬度，传统的氮化硅植入物通常需要制造后经金刚石加工和抛光才能生产出所需的形状、尺寸和结构，所需成本可能较高；

②关于氮化硅生物活性的临床研究尚不充分，氮化硅的抗菌性能，虽然已在动物实验中得到证明，但还缺乏进一步的临床研究来评估；

③关于氮化硅材料口腔致病菌抗菌性研究不足，已有研究表明氮化硅对于牙龈卟啉单胞菌等细菌具有抗菌性，但当其作为牙科种植体时，它还可能会面对伴放线放线杆菌、中间普氏菌等口腔细菌的侵袭，目前相关研究尚存空白，难以针对临床问题形成较好的指导意见；

④氮化硅目前的动物实验研究主要集中在长骨、颅骨等，对于颌骨植入氮化硅后的成骨活性和抗菌性能方面研究还不充分。

来源：氮化硅陶瓷在牙科种植体方向的应用前景，邹蓉芳，等.

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原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：极具前景的牙科种植体材料——氮化硅陶瓷