背景:钛及钛合金以其优异的生物相容性,良好的耐腐蚀性成为金属材料中应用最为广泛的材料。然而钛金属材料本身没有生物活性、没有细胞识别位点的问题仍需要通过其他手段进行修饰。目前常用的修饰手段主要存在修饰手段复杂,耗时长,稳定性欠佳等缺点。本课题组前期的曾使用明胶混合磁性纳米颗粒灌注到多孔钛合金支架内部,然后通过冷冻干燥技术制作成杂合的磁性钛合金支架,通过体内及体外实验证实磁性杂合支架具有明显的促进成骨细胞黏附、增殖和成骨分化的作用。然而冷冻干燥技术制备的磁性杂合支架稳定性欠佳,明胶到体内后很快就会降解吸收,里面的磁性纳米颗粒也会随之脱落。为了进一步完善磁性杂合支架的制备,我们设想采用聚多巴胺涂层技术在支架上制备磁性纳米颗粒涂层。既往无任何有关聚多巴胺辅助磁性纳米颗粒修饰钛金属的研究,因此,我们先行设计采用实体钛片进行实验验证,然后结合材料学和医学的理论和方法,利用快速成型技术精确控制材料的结构特征、改善材料微观水平的力学性能;利用聚多巴胺辅助技术制备纳米磁性颗粒涂层,使得钛合金支架具有一定的磁性,增强材料的骨诱导性;并在材料外部施加一定强度的静磁场,使得与磁化的钛合金支架产生协同作用,促进材料的成骨效应;最终提高多孔钛骨修复材料的生物适配性。进一步深入探讨并阐明多孔钛支架的结构设计、界面功能化修饰与植入物的生物适配性之间的相关性,为发展新型人工骨修复材料提供重要的基础。这对于提升骨组织生物医学材料的研发水平,实现骨缺损更理想的修复具有重大意义。目的:利用聚多巴胺辅助涂层技术在3D打印多孔钛支架表面及内部构建具有顺磁响应性的均匀稳定涂层,赋予钛合金支架具有调控细胞增殖和分化的能力,制备出具有功能响应性的钛合金植入材料。方法:运用CAD软件构建数字模型,采用选择性激光烧结技术制备多孔钛合金支架。将多孔钛合金支架和20mg磁性纳米颗粒(MNPs)浸泡在100mL浓度2mg/mmL盐酸多巴胺溶液并在37℃环境中震荡反应24h。采用扫电子显微镜、能谱仪、能谱仪mapping对支架进行表征。行扫电子显微镜(SEM)检测,观察细胞在支架上的附着状态;在第1、3、7日,采用CCK-8试剂盒来检测细胞的增殖状态;用LIVE-DEAD试剂盒在荧光显微镜下观察不同组3D打印多孔钛支架上hHBMSCs细胞的黏附和增殖状态;使用鬼笔环肽和DAPI染色在共聚焦显微镜下观察细胞F-actin分泌情况。更换成骨诱导培养基后第14日行RT-PCR检测,检测指标包括ALP,OCN,RUNX-2,OPN,COL-1;在培养14天时,将细胞支架共培养的培养皿底部使用茜素红和碱性磷酸酶染色。18只新西兰兔随机分为3组:空白pTi组,PDA@pTi和Fe304/PDA@pTi组,每只兔子双侧后腿制作股骨髁骨缺损模型并将各组支架分别植入;观察术后动物的一般情况,并于术后6周、12周进行micro-CT检测,了解支架内骨长入情况;同时标本行硬组织切片VG染检测成骨效果。与之前结果进行对照,单独设一组Fe304/PDA@pTi+SMF组,该组细胞培养的孔板底部放置钕铁硼永磁铁,在动物实验中,将兔笼两侧放置钕铁硼永磁铁,调整磁铁的数量使得兔笼两端磁场强度在5-25mT,兔笼中间磁场强度在0.05-0.2mT。其余实验方法同前。结果:在3D打印多孔钛支架表面及内部成功制备了具有顺磁响应性的均匀稳定涂层。聚多巴胺涂层可降低细胞毒性,相对于空白组(pTi)表现出更好的生物相容性,在各个检测时间点,Fe304/PDA@pTi组对hHBMSCs的粘附和增殖能力较空白组和单纯聚多巴胺图层组更佳,细胞的迁移更加明显。LIVE-DEAD试剂盒染色发现Fe304/PDA@pTi组细胞数量更多,细胞之间的连接更加丰富,鬼笔环肽和DAPI染色发现Fe304/PDA@pTi组F-actin更加丰富。在各组支架中,Fe304/PDA@pTi组的成骨分化指标较其它组有明显升高。PDA@pTi组较空白组升高但无统计学意义,对不同组培养皿底部进行茜素红染色发现Fe304/PDA@pTi组较另外两组红色钙结节更多,碱性磷酸酶活性染色显示结果与茜素红一致。术后6周结果显示Fe304/PDA@pTi组支架内部有少量骨长入,空白pTi组和PDA@pTi组无明显骨长入,术后12周结果显示Fe304/PDA@pTi组支架内部有着大量骨长入,且新生骨紧贴支架生长,骨与支架结合紧密,并能观察到有更多的血管组织生成。空白pTi组仅有少量骨长入,且骨与支架结合不紧密,血管组织生成较少。Fe304/PDA@pTi+SMF组与不加静磁场相比对hHBMSCs的粘附和增殖能力更佳,细胞的迁移更加明显,LIVE-DEAD试剂盒染色发现Fe304/PDA@pTi+SMF组细胞数量更多,细胞之间的连接更加丰富,鬼笔环肽和DAPI染色发现Fe304/PDA@pTi+SMF组F-actin更加丰富,两者协同促进作用明显。Fe304/PDA@pTi+SMF组OCN,OPN,COL-1 三项指标较Fe304/PDA@pTi组有明显升高,ALP,RUNX-2也有所升高,但无统计学意义。对培养皿底部进行茜素红染色发现Fe304/PDA@pTi+SMF组较不加静磁场组红色钙结节更多,碱性磷酸酶活性染色显示结果与茜素红一致。动物实验中,术后6周结果显示Fe304/PDA@pTi+SMF组支架内部骨长入量较不加磁场更多,术后12周结果更加明显,骨与支架结合紧密,具有明显的协同促进作用。结论:通过聚多巴胺辅助涂层技术可成功在多孔钛合金支架表面及内部构建具有顺磁响应性的涂层,顺磁响应性的涂层可明显促进骨髓间充质干细胞在其上的粘附和增殖,同时表现出了明显的骨诱导活性。顺磁响应性的3D打印多孔钛合金支架联合静磁场对细胞黏附、增殖和分化具有协同促进作用。在外加静磁场的干预下,磁性纳米颗粒修饰的钛合金支架在兔股骨髁骨缺损模型中显示出更佳的促进成骨性能,两者具有协同促进作用。