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骨缺损是临床常见病例。通常,小范围的骨缺损可以通过机体的自我修复机制愈合,但是当骨缺损达到或超过临界缺损时,则需要植入生物材料辅助治疗。钛是目前临床应用最广泛的生物金属材料,具有良好的生物相容性、高机械强度和耐腐蚀等优点,经常用于骨缺损修复、骨折固定和硬组织替换等领域。但是,由于钛是生物惰性材料以及力学性能与机体高度不匹配,临床上会出现钛植入材料难以与骨组织形成紧密结合或者进行性骨流失等现象,最终导致钛材料植入修复失败。有大量研究报道,多种表面修饰策略能显著改善钛的骨结合性能,如增加粗糙度、改善亲水性等。因此,本文,从仿生学的角度出发,模拟体内亲水环境、骨力学性能和骨多级结构特性,设计了三个方面的研究:(1)不同亲疏水性钛表面观测其细菌生物膜形成和免疫反应的调控作用,(2)低弹性模量和不同表面形貌的钛合金材料对间充质干细胞成骨分化和骨整合作用的综合调控,(3)微/纳米有序多级仿生结构钛表面对骨修复过程中免疫反应的调控作用。金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S.aureus)是临床常见条件致病菌,也是植入材料表面生物膜的主要菌群。本研究首先采用甘草素与金葡菌共培养,评价了金葡菌毒力。然后通过双氧水处理获得具有亲水性的钛表面(Ti-H2O2)。扫描电镜观察和原子力学显微镜检测结果显示,亲水性钛表面(Ti-H2O2)和相对疏水表面(Ti-polished)具有相近的粗糙度和表面形貌。XPS能谱分析结果证实了亲水性基团的存在。金葡菌溶血活性和细胞损伤实验结果表明,金葡菌溶血活性和细胞毒性能被甘草素以剂量依赖性方式抑制,实验所用金葡菌具有一定毒力。细菌Live/dead染色和结晶紫染色结果表明,亲水性钛表面(Ti-H2O2)能有效抑制金葡菌粘附和生物膜形成。巨噬细胞增殖活性结果显示,两组均具有良好的生物相容性,Ti-H2O2组较Ti-polished组其细胞增殖活性提高,但细胞伪足较少,细胞形貌呈典型的M2型细长形状态,且未观察到异物巨噬细胞形成。另外,ELISA检测结果显示,亲水性钛表面还能抑制促炎症细胞因子(TNF-)表达和促进抑炎症细胞因子(IL-10)表达,更有利于作为潜在的骨诱导修复材料表面。此外,Western-blot分析结果表明,亲水性钛表面细胞具有较低的NF-κB表达水平,说明该亲水性表面可能是通过抑制NF-κB信号通路减弱巨噬细胞介导的炎症反应。材料与组织的早期骨整合是决定骨植入材料修复效果的关键因素。材料的力学性能和表面形貌被认为是影响骨整合效果的重要因素。本研究通过微弧氧化(MAO)处理获得不同表面形貌的纯钛Ti(Ti、Ti-MAO)和低弹性模量钛合金TNZS(TNZS、TNZS-MAO),比较研究材料弹性模量和表面形貌对间充质干细胞成骨分化和骨整合的综合调控作用。材料扫描电镜观察结果表明,MAO处理后,材料表面形成一层微米级疏松多孔氧化层。白光衍射、水接触角和力学性能检测结果发现,Ti-MAO和TNZS-MAO的粗糙度显著增加、亲水性明显提高以及弹性模量显著下降。蛋白吸附和细胞粘附实验结果显示,MAOs层能促进蛋白吸附和细胞粘附,而TNZS-MAO表面具有最高的蛋白吸附量和细胞粘附数目。大鼠骨髓间充质干细胞(r BMSCs)细胞形貌观察结果显示,Ti和TNZS组表面细胞呈伸长的形状且伪足较少,而Ti-MAO和TNZS-MAO两组表面细胞呈多角成骨样形状且伪足较多,同时,TNZS-MAO组具有最大的细胞铺展面积。黏着斑形成检测结果表明,MAOs处理后,其细胞黏着斑形成数量也是显著高于未处理组,而且低弹性模量TNZS-MAO组比Ti-MAO具有更多的黏着斑。成骨指标检测结果显示,TNZS-MAO组具有最高的ALP活性、胶原分泌、成骨基因表达和矿化结节形成。大鼠股骨缺损修复结果显示,TNZS-MAO组周围新骨形成数量最多且骨结合最紧密。以上结果表明,钛合金材料的弹性模量和表面微米多孔结构能够协同促进其成骨活性及早期骨整合,有效改善骨修复效果。基于上述研究结果,本研究进一步构建了具有微米/亚微米/纳米不同尺度的多级结构钛表面,分别有光滑表面的P组、微米/亚微米/纳米线多级表面结构的AO组和微米/亚微米/纳米管多级表面结构的AOF组等五组材料。巨噬细胞形貌观察和异物巨噬细胞形成检测结果表明,P组巨噬细胞具有很多纤细伪足,处于较活化状态且有异物巨噬细胞形成;但是其他具有表面结构的四组表面巨噬细胞伪足较少,处于相对静止状态且几乎无异物巨噬细胞形成。细胞因子分泌和巨噬表型标记基因表达结果显示,各组材料的免疫反应主要是由促炎M1型巨噬细胞介导,EE-CE组具有最低的炎症反应和最低的M1型巨噬细胞分化趋势。另外,与与r BMSCs细胞共培养,EE-CE组呈现出最高的的ALP沉积。骨质疏松大鼠股骨缺损实验结果表明,EE-CE组可见有最多的新骨形成,该研究结果表明,钛表面微米/亚微米多级结构有效促进骨质疏松条件下钛合金植入材料的骨修复,为骨质疏松患者钛植入材料的表面设计提供一定的理论基础。以上研究结果表明,通过改善钛材料表面亲疏水性,增加材料表面粗糙度,降低材料力学强度,构建不同尺度多级表面结构等策略,可以有效调节材料在其骨修复过程中的免疫反应,改善材料植入修复效果,提高骨修复质量,这将为今后骨修复研究及骨缺损的临床治疗提供切实的理论指导。