论文部分内容阅读
生物材料表面特性是影响与细胞相互作用的关键。由于氧化物的氧原子始终处在最外层,氧化物材料表面特性本质上是由其表面氧原子状态所决定的。本研究通过TiO2微纳米结构来构建不同氧原子排列表面,借玻璃态和单晶SiO2产生不同氧原子排列的宏观表面,以氧化物表面氧原子状态为材料学的主要考量,从表面磷酸钙（CaP）矿化、蛋白质吸附状态、与细胞[间充质干细胞（MSCs）和巨噬细胞（RAW 264.7）]相互作用等方面,系统地开展了表面不同氧原子状态对成骨性能及免疫响应的作用规律和机制的研究。主要取得以下方面的研究成果:1.微纳米结构TiO2表面对成骨性能的影响采用水热法制备表面暴露{001}和{101}晶面的锐钛矿相TiO2微米多面体。当模拟环境中不含胎牛血清（FBS）时,CaP沉积物在多面体的各个表面均匀覆盖,表面矿化行为无差异性出现。加入FBS后多面体表面出现差异性矿化行为,CaP均匀覆盖{101}晶面,而{001}晶面上仅有少量出现。这主要是不同晶面上FBS吸附行为不同,导致了后续矿化差异性的出现。MSCs培养的结果显示,多面体堆积的宏观表面上具有良好的成骨响应性。由水热法形成金红石相TiO2纳米棒,其棒侧面为{110}晶面,顶部为{001}晶面,有微量锐钛矿相掺杂其中。经过900℃热处理后,锐钛矿相消失,O1s电子结合能升高,表面氧原子极化程度增强。在模拟体液中浸泡发现,氧原子极化弱的表面更易发生CaP矿化。细胞培养结果显示有利于MSCs增殖和早期成骨分化能力提高。采用温度500℃和900℃进行热处理钛片,产生具有不同表面氧化状态的TiO2宏观表面。钛片被氧化产生的氧化层为金红石相TiO2,随着温度的增加,O1s电子结合能升高,原子极化程度增强。在模拟体液中浸泡发现,氧原子极化弱的表面更易发生CaP矿化行为。细胞培养结果则显示,500℃热处理的表面能够促进MSCs增殖和早期成骨分化。经三者研究显示,氧原子极化弱表面更易发生CaP矿化行为。由于热处理钛片上TiO2宏观表面没有拓扑结构因素影响,氧原子极化程度弱表面更有利于促进MSCs的成骨分化。2.SiO2表面对成骨性能的影响与SiO2单晶{110}晶面相比,玻璃态SiO2表面O1s结合能较小,氧原子极化程度弱,其表面水接触角较大,在溶液环境下表面的ζ电位较大。同时与TiO2相比,SiO2氧原子极化程度强,单晶及玻璃态表面在模拟体液环境中不易发生CaP的矿化沉积。纤连蛋白（FN）在表面吸附的实验结果显示,表面氧原子极化程度弱的玻璃态SiO2表面FN的RGD和PHSRN活性位点暴露程度高。在细胞培养中显示,MSCs在玻璃态SiO2表面呈现出更大的铺展面积、较为完整的肌动蛋白丝和较多的黏着斑蛋白分泌,这是由于FN活性位点与细胞膜整合素的结合更为紧密,使得整合素β1和β3激活程度较高。同时,提升了其调控的ILK信号通路激活程度,并上调了细胞内p-Akt和β-catenin信号通路的表达,显著增强了MSCs的成骨分化能力。同时对比显示,玻璃态SiO2表面对MSCs成骨分化的促进能力与热处理钛片所获得的与TiO2氧化层相接近。本研究结果意味着材料表面磷酸钙矿化能力可能不是衡量氧化物生物材料表面成骨响应的本征指标,而其表面氧原子状态（极化程度）是一个关键因素。较弱的氧原子极化程度,通过对吸附蛋白活性位点的激活,促进了MSCs在其表面的黏附、增殖和成骨分化等行为。3.TiO2和SiO2表面对免疫响应的影响鉴于机体免疫反应在骨整合形成过程中起着重要的作用,开展了TiO2和SiO2表面对RAW 264.7极化分型作用的研究。TiO2表面状态的结果显示,氧原子极化较强或较弱的表面对RAW 264.7向M2型极化具有促进作用,提升了M2型基因的表达和抗炎因子的分泌,并能够显著促进后续MSCs的成骨分化。而氧原子极化处于中等程度的表面则促进RAW264.7的M1型极化,使其M1型基因表达较高和炎症因子分泌较多,对后续MSCs的成骨分化起到一定程度上抑制作用。玻璃态和单晶SiO2不同氧原子排列的宏观表面表明,表面氧原子极化较强的{110}晶面或较弱的玻璃态表面,对RAW 264.7的M2型基因表达具有上调的作用,促进了抗炎因子的分泌,能够显著诱导后续MSCs的成骨分化,但对其增殖有一定的抑制作用。与此同时,表面氧原子极化处于中等程度的{001}晶面对RAW 264.7的M1型基因表达有着上调的作用,促进了炎症因子的分泌,MSCs的成骨分化受到明显抑制。同时显示,玻璃态SiO2表面与TiO2纳米棒薄膜在促进RAW 264.7向M2型极化的作用能力基本相近。本文研究可为未来医用氧化物生物材料的表面设计提供理论指导,对提升植入体的骨整合有着十分重要的意义。