【摘 要】
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临床常用的承重骨替换修复体钛是一种生物惰性材料,需改性赋予其生物活性。植入体内后,钛的生物性能已固定,其与宿主的相互作用无法根据体内微环境的动态变化主动调整。因此,通过体外刺激调控钛的生物活性以适配修复过程具有重要的实际意义。研究表明,材料表面特性,如形貌和电势等,是影响细胞行为的重要因素之一。然而,表面形貌和动态电势结合对细胞行为的影响尚不清楚,因此,本文对此问题进行了研究,具体内容如下:（1）
【基金项目】
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国家重点研发计划课题（2016YFB0700802）; 广东省自然科学基金（B161190）
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临床常用的承重骨替换修复体钛是一种生物惰性材料,需改性赋予其生物活性。植入体内后,钛的生物性能已固定,其与宿主的相互作用无法根据体内微环境的动态变化主动调整。因此,通过体外刺激调控钛的生物活性以适配修复过程具有重要的实际意义。研究表明,材料表面特性,如形貌和电势等,是影响细胞行为的重要因素之一。然而,表面形貌和动态电势结合对细胞行为的影响尚不清楚,因此,本文对此问题进行了研究,具体内容如下:（1）表面生物活性可控的钛材料设计。考虑到二氧化钛具有生物活性,拟采用阳极氧化的方法,在钛片表面一侧构建纳米级的二氧化钛管状形貌。通过调控二氧化钛纳米管（TNT）的直径与晶型,研究TNT对细胞行为的影响。考虑到磁场穿透力强,易于体外实施,拟采用具有磁致伸缩效应的铽镝铁合金（Terfenol-D）颗粒与具有压电效应的聚偏氟乙烯三氟乙烯（P（VDF-TrFe））复合,制备磁电复合薄膜（MEC）。将MEC浇铸在钛片表面另一侧,以免覆盖TNT。在磁场作用下,Terfenol-D颗粒发生形变,挤压P（VDFTrFe）基体,产生表面电势,并通过钛片传导至TNT。在TNT表面培养细胞,调节磁场的大小,比较细胞的粘附、增殖和分化行为。（2）二氧化钛纳米管及Terfenol-D/P（VDF-TrFe）磁电复合薄膜的制备与理化结构表征与性能测试。以0.3 M氟化铵和75%的丙三醇混合物为电解液,30 V电压下电解2 h至10 h,在钛片一侧制备TNT并在500℃下热处理3 h。表征测试结果分析表明,优化后的材料制备参数为电解时间6 h,得到直径为50～60 nm、晶型为锐钛矿结构的亲水性TNT表面。采用熔融浇铸法,在钛片另一侧制备Terfenol-D/P（VDF-TrFe）磁电复合薄膜,加热到210℃保温1 h,再降到145℃至95℃之间保温4 h。经过1 KV至5 KV的高压极化测试,极化时间为1 min至1 h不等。综合考虑材料的生物活性,压电性以及极化成功率,磁电薄膜在135℃保温4 h,使用4 KV电压极化5 min。表征测试结果分析表明,Terfenol-D颗粒球磨后的直径为10μm左右,均匀分散在P（VDF-TrFe）基体中;球磨消除了Terfenol-D颗粒的磁滞效应;Terfenol-D颗粒提高了P（VDF-TrFe）的居里转变点温度约10℃、促进了铁电相β的结晶;材料的压电性在模拟体液中浸泡一个月,压电性仍保持稳定;磁场频率为750 Hz时,磁电耦合系数稳定在约7.45 m V/oe左右。（3）利用磁场调控二氧化钛纳米管表面电势影响细胞行为的研究。通过钕铁硼磁铁在培养孔板上构建强度为0～2200 oe的静态磁场,研究小鼠骨髓间充质干细胞（m BMSCs）在二氧化钛纳米管表面的黏附、增殖、成骨分化行为。以牛血清蛋白作为模型蛋白,分析了磁场对蛋白在二氧化钛纳米管表面吸附行为的影响。结果表明,磁场、Terfenol-D和P（VDF-TrFe）不具有细胞毒性;随着磁场的增强,表面电势的存在促进了m BMSCs在二氧化钛纳米管表面的铺展、增殖和成骨分化能力;吸附实验表明,磁场诱导产生的二氧化钛纳米管表面正电势,提高了表面对带负电荷的蛋白质的吸附,是钛片表面生物活性提高的可能原因。本研究通过磁场在钛片表面产生动态电势,调控细胞的黏附、增殖、分化行为,对体外调控材料表面生物活性,精确个性化治疗骨修复具有参考价值。
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