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ジルコニアバイオセラミックコーティングを用いたジルコニアインプラントの生体反応の調整。システマティックレビュー
Tailoring the biological response of zirconium implants using zirconia bioceramic coatings: A systematic review.
PMID: 33831798 DOI: 10.1016/j.jtemb.2021.126756.
抄録
背景:
ジルコニウム製インプラントは、腐食やバクテリアの活動に対して生体不活性で脆弱であることから、人体における生物学的性能が低いため、代替や表面改質についてさらなる研究が必要である。表面改質にジルコニア（ZrO）バイオセラミックコーティングを採用するという提案は有益であると思われる。
BACKGROUND: The poor biological performance of zirconium implants in the human body resulting from their bio-inertness and vulnerability to corrosion and bacterial activity reflects the need for further studies on substitution or performing the surface modification. The suggestion of employing zirconia (ZrO) bioceramic coatings for surface modification seems beneficial.
目的:
このシステマティックレビューの目的は、ジルコニウム製インプラントにPEO法で製造されたZrOコーティングを施した場合の生物学的反応を報告する既存の文献を特定し、要約することである。
OBJECTIVES: This systematic review aims to identify and summarize existing documents reporting the biological responses for ZrO coatings produced by the PEO process on zirconium implants.
方法:
PubMed，Scopus，およびWeb of Scienceの国際データベースを検索し，2000年から2021年の間に発表された英語の研究を対象とした。すべての出版物は，ZrO-PEOコーティングされたジルコニウムインプラントのin-vitro（細胞および浸漬試験），in-vivo（動物試験），および抗菌トピックに関する少なくとも1つの研究を報告していた。
METHODS: PubMed, Scopus, and Web of Science international databases were searched for the original and English-language studies published between 2000 and 2021. All publications reported at least one study about in-vitro (cellular and immersion studies), in-vivo (animal studies), and antibacterial topics for ZrO-PEO coated zirconium implants.
結果:
最初の検索では496件の論文が見つかり、重複を排除した結果296件の論文が残りました。最終的に、複数のスクリーニングと適格性評価を経て、25件の論文がレビューに含まれました。そのうち，25件のin-vitro試験（細胞試験，SBFおよびハンクス液への浸漬試験），1件のin-vivo試験（動物試験），8件の抗菌試験が見つかった。
RESULTS: Throughout the initial search, 496 publications were found, and 296 papers remained following the elimination of duplicates. Finally, after multiple screening and eligibility assessments, 25 publications were qualified and included in the review. Among them, 25 in-vitro (cellular and immersion in SBF and Hanks' solutions studies), one in-vivo (animal studies), and eight antibacterial studies were found.
結論:
ZrOコーティングを施したサンプルは，細胞毒性がなく，高い細胞生存率と優れた生体適合性を示した。しかし，PEO処理中に溶液組成や電気的パラメータを変更すると，in-vitroの反応に大きな変化が生じる。例えば、ZrOコーティングの表面は、UV照射後に高い生体適合性を示し、細胞の成長に適した表面になります。ジルコニウムのサンプルはアパタイト形成能力が弱いため、SBFでは低い生物活性を示しました。しかし、ほとんどのケース（16件中13件）では、ZrOコーティングの特定のモルフォロジーと化学組成が、SBFにおける良好な生物活性を持つアパタイト形成能力を促進することが示されている。それにもかかわらず、少数の論文（16件中3件）は、SBFに浸漬したZrOコーティングにはアパタイトの析出物がなく、従って生物活性もないことを示している。これらのケースは、ZrOコーティングのUV光照射、水熱・化学処理、熱蒸発、カソード分極後処理による処理に生物活性向上を限定している。ジルコニウムとZrOコーティングの両サンプルは，ハンクス溶液中でアパタイト形成能を示さない。ZrOコーティングを施したインプラントは，骨と一体化しているため，Ca-P化合物を含み，多孔質構造であることから，12週間で大きなせん断強度と迅速な新生骨形成能を示した。UV処理を施したZrOコーティングは、未処理のZrOコーティングに比べて、より早い新生骨の形成と骨との強固な結合を誘発した。選ばれた論文の半分（8件中4件）では、ジルコニウム素地のサンプルと比較して、ZrOコーティングのより強い抗菌性が確認されています。ZrOコーティングの抗菌性は、PEO処理の変数、すなわち、溶液組成、電気的パラメータ、処理時間に影響される。3つのケースでは，ZrOコーティングの抗菌性は，サーマルエバポレーションによる後処理でZn，Ag，Cuの抗菌層を蒸着することで向上する。
CONCLUSION: The ZrO coated samples demonstrate no cytotoxicity, high cell viability rate, and excellent biocompatibility. However, changing the solution composition and electrical parameters during the PEO procedures result in significant changes to in-vitro responses. As an instance, the ZrO coating surface demonstrates greater biocompatibility after irradiated by UV, which makes the surface more suitable for cell growth. Due to weak apatite-forming ability, the zirconium sample shows low bioactivity in SBF. However, most cases (13 out of 16) show that the specific morphology and chemical composition of the ZrO coating promote apatite-forming ability with good bioactivity in SBF. Nevertheless, few papers (three out of 16) showed that the ZrO coatings immersed in SBF had no apatite precipitates and so no bioactivity. These cases limit the bioactivity enhancement to treatment by UV-light irradiation, hydrothermal and chemical treatment, thermal evaporation, and cathodic polarization post-treatment on ZrO coatings. Both zirconium and ZrO coated samples do not show apatite-forming ability in Hanks' solution. The ZrO coated implant with the bone together indicates a greater shear strength and rapid new bone formation ability during 12 weeks because of containing Ca-P compounds and porous structure. The UV post-treated ZrO coating induces faster new bone formation and firmer connection of bond with bone than those of untreated ZrO coatings. A stronger antibacterial activity of ZrO coatings is confirmed in half of the selected papers (four out of eight studies) compared to the bare zirconium samples. The antibacterial protection of ZrO coatings can be influenced by the PEO procedure variables, i.e., solution composition, electrical parameters, and treatment time. In three cases, the antibacterial activity of ZrO coatings is enhanced by deposition of Zn, Ag, or Cu antibacterial layers through thermal evaporation post-treatment.
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