论文部分内容阅读
目前,植入体存在骨缺损部位的功能恢复周期长,植入后期会诱发炎症、感染、松动等症状,严重可导致植入体失效,需二次手术。为了更好满足骨科临床对植入体的要求,最直接有效的方式是在现有植入体表面进行微纳米级功能化薄膜修饰。本文利用氟、镁元素对植入体表面的羟基磷灰石薄膜进行改性,采用脉冲激光沉积技术（PLD）制备的氟掺杂羟基磷灰石（F-HA）薄膜、镁掺杂羟基磷灰石（Mg-HA）薄膜以及氟镁共掺杂羟基磷灰石（F-HA/Mg-HA）双层薄膜在模拟体液（SBF）中通过离子交换原位生成微纳米孔结构,考察了薄膜的微观形貌、结构、组成、生物矿化行为、细胞相容性及成骨效果。此外,充分利用Mg-HA薄膜的成孔特性,利用脉冲激光沉积-电子束蒸发沉积联用技术（PLD-EBD）制备了药物缓释系统,对盐酸环丙沙星（CIP）和生物素（Biotin）进行缓释,拓展了多孔Mg-HA薄膜在药物缓释方面的应用潜力。主要研究内容如下:（1）采用PLD技术制备了F-HA薄膜,考察了薄膜的微观形貌、结构、组成、水接触角、生物矿化行为、电化学腐蚀行为和细胞相容性。分析结果表明:F-HA薄膜最佳沉积时间是60 min,其表面粗糙度（Rq）达到259±21 nm,Ca/P比达到1.73±0.05,厚度达到187 nm,水接触角达到77.3±1.4°。F-HA薄膜在SBF中浸泡1天可以实现快速原位成孔,孔的尺寸约100 nm,这些孔隙在SBF中至少可以保持9天。浸泡14天后,F-HA薄膜表面的微孔被新磷灰石层完全覆盖,而且F可以加速类磷灰石沉积并诱导其向HA转变。同时发现,F-HA薄膜存在氟羟基磷灰石（FHA）和氟磷灰石（FA）,并伴有F-Ti键的形成。因此,F-HA薄膜的原位成孔机制可解释为:薄膜中由低活性组分和高活性组分组成。低活性组分视为“骨架”,高活性组分快速溶解迁移到SBF中,从而在薄膜表面形成了孔结构。此外,F-HA薄膜的耐腐蚀性能、生物矿化行为、细胞相容性以及诱导前成骨细胞向成熟的成骨细胞分化的效果均优于HA薄膜。与热处理的F-HA薄膜相比,未热处理的F-HA薄膜形成的疏松的孔结构,表现出更好的细胞相容性（p＜0.05）。（2）采用PLD技术制备了F-HA薄膜、Mg-HA薄膜以及F-HA/Mg-HA双层薄膜,考察了薄膜的微观形貌、结构、组成、生物矿化行为和生物相容性。分析结果表明:薄膜在SBF中浸泡14天,大致分为薄膜溶解和再矿化两个阶段。第一阶段是薄膜中氟磷灰石、羟基磷灰石等低活性组分构成“骨架”,而镁、磷酸三钙等高活性组分不断迁移到溶液中,从而在薄膜表面形成孔结构;第二阶段是薄膜中释放的离子(Ca2+,Mg2+等)严重破坏SBF的平衡,加速钙磷物质沉积,在薄膜表面形成新的磷灰石,完全覆盖原有薄膜表面。体外细胞活性测试表明,三种薄膜均表现处良好的细胞相容性,且与SD大鼠骨髓间充质干细胞（r BMSCs）共培养3周后,F-HA/Mg-HA薄膜与空白细胞组的细胞存活率保持相当水平,表现出更高的细胞相容性。同时发现,Mg-HA薄膜的生物矿化能力优于F-HA薄膜,能更好的诱导HA形成,并且形成了微米级网状孔结构,推断可以作为药物运输通道。（3）采用PLD-EBD联用技术制备了Mg-HA/CIP/Mg-HA/CIP缓释系统。首先考察了Mg-HA薄膜的微观形貌、组成、结构、生物矿化行为和细胞相容性,然后进一步分析了Mg-HA/CIP/Mg-HA/CIP缓释系统的表面形貌、结构、水接触角以及药物缓释行为。分析结果表明:Mg-HA薄膜中存在单质镁,其在SBF中会发生快速腐蚀,从而在薄膜的表面形成了微孔结构,可作为药物扩散通道,这些通道的孔径尺寸决定了药物起效时间和释放速率。因此,设计了Mg-HA/CIP/Mg-HA/CIP缓释系统,延长了CIP的释放周期（＞14 d）。此外,Mg-HA薄膜拓展了Mg在骨缺损修复领域的应用,为骨缺损患者修复过程中持续用药提供了新的策略,尤其是术后感染治疗,可以提高手术成功率。（4）为了探索Biotin这类与骨骼健康相关的维生素直接用于骨缺损治疗的效果。首先,采用EBD技术制备了Biotin薄膜,考察了其结构、形貌、成骨活性、体内降解行为;然后,采用PLD-EBD联用技术制备了Mg-HA/Biotin/Mg-HA/Biotin缓释系统,进一步考察了缓释系统的微观形貌、结构、组成、水接触角、药物体内缓释行为和成骨活性等性质。分析结果表明:Western Blot测试证实生物素薄膜对骨形成蛋白2（BMP2）、骨涎蛋白（BSP）和骨保护素（OPG）的相对蛋白表达显著,尤其是BMP2。Biotin薄膜植入动物体内发生快速降解,能够最大化的发挥生物素的医学价值。同时发现,Mg-HA/Biotin双层薄膜对镁的释放几乎无干扰,且可以提高相对细胞存活率。基于此,以Sprague-Dawley（SD）大鼠为动物模型进行体内生物学评价,将Mg-HA/Biotin/Mg-HA/Biotin缓释系统负载于钛棒表面植入股骨髓腔中,三周后取出观察缓释薄膜的成骨效果,以纯Biotin薄膜为参照组。结果表明,Mg-HA/Biotin/Mg-HA/Biotin薄膜组的骨髓腔内可见大量的小梁骨结构,且在组织切片整个观察区域形成了松质骨结构和完整的骨髓结构,在植入体周围形成丰富的骨样组织和编织骨,表现出了显著的成骨效应。然而,由于研究的动物样本数量太少,无法得出Mg-HA/Biotin/Mg-HA/Biotin缓释系统治疗骨缺损的效果的结论。