论文部分内容阅读
医用钛及钛合金被广泛用作牙植入体及骨修复植入体。然而,众多研究表明:钛植入体表面的惰性二氧化钛层在一定程度上阻碍了其与周围天然骨间的骨整合,增加了植入体松动、移位的风险。该缺陷在骨质疏松及细菌感染等骨折手术并发症条件下尤其明显。因此,钛植入体表面工程的研究已成为相关领域的研究热点之一。如何表面改性钛植入体以维持良好的骨-植入体界面性能,是亟待解决的关键问题。鉴于此,我们设计并利用溶胶-凝胶及层层组装（LBL）等技术制备了系列具有促成骨、抗骨质疏松或抗菌的表面生物功能化钛植入材料,并对其体外或/和体内的生物学响应进行初步评价,主要研究内容和结论如下:1.钛材表面微/纳复合结构对骨髓间充质干细胞（MSCs）生物学行为的影响利用溶胶-凝胶技术在酸蚀钛材微结构表面构建了系列具有不同尺度纳米颗粒的微/纳复合结构,并探究其对MSCs成骨分化的影响。扫描电子显微镜（SEM）、表面分析仪、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和接触角测试等结果表明:钛材呈现“脊-谷”特征的微结构,并有尺寸为20、40或80 nm的二氧化钛（TiO2）纳米颗粒。文中还揭示了微/纳复合结构形成机理。体外细胞实验证实:与小尺寸纳米颗粒（20和40 nm）相比,微结构表面80 nm的TiO2纳米颗粒可有效促进MSCs的粘附、增殖及成骨分化。2.钛材表面含锌微/纳复合结构对成骨细胞功能及新骨生成的调控利用溶胶-凝胶和旋转涂布技术在钛材微结构表面构建了系列含锌的ZnO/TiO2涂层。SEM、表面分析仪、XRD、XPS和接触角测试等结果表明:含锌涂层已被成功构建,主要以氧化锌形式存在。体外抗菌实验证明,含锌涂层样本（Ti-Zn0.08、Ti-Zn0.16和Ti-Zn0.24）可有效地抑制金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性）及铜绿假单胞菌（革兰氏阴性）在钛材表面的早期粘附。此外,成骨细胞活性、碱性磷酸酶（ALP）、矿化、成骨基因表达（Runx2、ALP、OPG、ColI、OPN和OC）及抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）活性等体外细胞实验证实:Ti-Zn0.16具有优越的促成骨细胞增殖/分化和抑制破骨细胞生长的性能。更重要地,动物体内评价（Micro-CT分析、推出力及组织学观察）进一步证实了Ti-Zn0.16植入体可促进新骨形成。3.钛材表面TiO2纳米管吸附阿仑膦酸钠用于抗骨质疏松植入骨质疏松病患骨植入体植入是临床面临的普遍挑战。植入体自身若具有较强的抗骨质疏松性能,则可提高骨质疏松病患植入手术的成功率。利用羟基磷灰石（HA）沉积的TiO2纳米管吸附抗骨质疏松药物阿仑膦酸钠（Aln）,制备出具有局部抗骨质疏松特性的钛植入体（TNT-HA-Aln）。Aln/钙离子释放曲线表明:随着破骨细胞分化成熟,材料中Aln的释放速率逐渐增加。此外,CCK-8、ALP、矿化、基因/蛋白表达及TRAP活性等体外细胞实验证实:TNT-HA-Aln基材不仅可促进成骨细胞的增殖和分化,而且可有效地抑制破骨细胞分化。体内实验（Micro-CT分析、推出力及组织学观察）进一步证实,TNT-HA-Aln可在骨质疏松模型中促进植入体周围新生骨的形成。4.钛合金表面插层多层结构用于抗骨质疏松植入利用层层组装技术在钛合金植入体表面构建了含透明质酸钠-阿仑膦酸钠/骨形态发生蛋白-2（SH-Aln/BMP-2）复合颗粒的插层多层结构（Ti6Al7Nb/LBL/NP）。释放结果表明,钛基材表面加载的纳米颗粒随多层结构降解而缓慢释放。体外细胞实验（CCK-8、ALP、矿化及TRAP活性等）证明:Ti6Al7Nb/LBL/NP可在促进成骨细胞增殖和分化的同时抑制破骨细胞成熟。体内实验（Micro-CT分析、推出力及组织学观察）证实了Ti6Al7Nb/LBL/NP可在骨质疏松条件下促进植入体周围的新骨生成。5.酶响应性钛纳米管抗菌材料及其抗菌性能评价细菌感染是移植失败的第二大因素。研究表明,粘附的细菌可在其感染部位分泌大量透明质酸酶。基于此,我们利用TiO2纳米管装载天蚕肽B（CecB）并以壳聚糖/透明质酸钠-CecB多层结构封盖,制备了透明质酸酶响应性的钛基抗菌材料（TNT-CecB-LBLc）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（H-NMR）表征表明SH-CecB被成功合成。SEM、AFM、荧光标记及接触角测试等结果证明了钛基抗菌材料成功构建。释放实验结果表明,金黄色葡萄球菌和/或外源性透明质酸酶均可加速材料表面多层膜的降解,进而促进加载CecB的释放。另外,体外细菌和细胞实验证明,TNT-CecB-LBLc在金黄色葡萄球菌感染早期（4 h）及中后期（72 h）均具有较强的抗菌潜能,且具有良好的细胞相容性。6.钛基多层结构抗菌材料及其抗菌性能评价尽管上文已利用CecB开发了透明质酸酶响应性的钛纳米管抗菌材料,然而CecB的昂贵价格及温和抗菌性能在一定程度阻碍其临床应用。基于此,我们进而利用价格相对低廉的强效抗菌性抗生素（庆大霉素和万古霉素）修饰透明质酸钠。体外细菌和细胞实验结果表明,SH-Gen对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及成骨细胞的综合生物性能明显优越于SH和SH-Van。