醫(yī)用鈦-鈦合金表面生物功能化及生物響應(yīng).pdf

1、醫(yī)用鈦及鈦合金被廣泛用作牙植入體及骨修復(fù)植入體。然而，眾多研究表明：鈦植入體表面的惰性二氧化鈦層在一定程度上阻礙了其與周圍天然骨間的骨整合，增加了植入體松動(dòng)、移位的風(fēng)險(xiǎn)。該缺陷在骨質(zhì)疏松及細(xì)菌感染等骨折手術(shù)并發(fā)癥條件下尤其明顯。因此，鈦植入體表面工程的研究已成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。如何表面改性鈦植入體以維持良好的骨-植入體界面性能，是亟待解決的關(guān)鍵問題。鑒于此，我們設(shè)計(jì)并利用溶膠-凝膠及層層組裝（LBL）等技術(shù)制備了系列具有促成骨、

2、抗骨質(zhì)疏松或抗菌的表面生物功能化鈦植入材料，并對其體外或/和體內(nèi)的生物學(xué)響應(yīng)進(jìn)行初步評價(jià)，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1．鈦材表面微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）生物學(xué)行為的影響
　　利用溶膠-凝膠技術(shù)在酸蝕鈦材微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建了系列具有不同尺度納米顆粒的微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)，并探究其對 MSCs成骨分化的影響。掃描電子顯微鏡(SEM)、表面分析儀、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)和接觸角測試等結(jié)果表明

3、：鈦材呈現(xiàn)“脊-谷”特征的微結(jié)構(gòu)，并有尺寸為20、40或80 nm的二氧化鈦（TiO2）納米顆粒。文中還揭示了微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)形成機(jī)理。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)：與小尺寸納米顆粒（20和40 nm）相比，微結(jié)構(gòu)表面80 nm的TiO2納米顆?？捎行Т龠M(jìn)MSCs的粘附、增殖及成骨分化。
　　2．鈦材表面含鋅微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)對成骨細(xì)胞功能及新骨生成的調(diào)控
　　利用溶膠-凝膠和旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)在鈦材微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建了系列含鋅的ZnO/TiO2涂層。

4、SEM、表面分析儀、XRD、XPS和接觸角測試等結(jié)果表明：含鋅涂層已被成功構(gòu)建，主要以氧化鋅形式存在。體外抗菌實(shí)驗(yàn)證明，含鋅涂層樣本（Ti-Zn0.08、Ti-Zn0.16和Ti-Zn0.24）可有效地抑制金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）及銅綠假單胞菌（革蘭氏陰性）在鈦材表面的早期粘附。此外，成骨細(xì)胞活性、堿性磷酸酶（ALP）、礦化、成骨基因表達(dá)（Runx2、ALP、OPG、Col I、OPN和OC）及抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）活性等體

5、外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)： Ti-Zn0.16具有優(yōu)越的促成骨細(xì)胞增殖/分化和抑制破骨細(xì)胞生長的性能。更重要地，動(dòng)物體內(nèi)評價(jià)（Micro-CT分析、推出力及組織學(xué)觀察）進(jìn)一步證實(shí)了Ti-Zn0.16植入體可促進(jìn)新骨形成。
　　3.鈦材表面TiO2納米管吸附阿侖膦酸鈉用于抗骨質(zhì)疏松植入
　　骨質(zhì)疏松病患骨植入體植入是臨床面臨的普遍挑戰(zhàn)。植入體自身若具有較強(qiáng)的抗骨質(zhì)疏松性能，則可提高骨質(zhì)疏松病患植入手術(shù)的成功率。利用羥基磷灰石（HA）沉積

6、的TiO2納米管吸附抗骨質(zhì)疏松藥物阿侖膦酸鈉（Aln），制備出具有局部抗骨質(zhì)疏松特性的鈦植入體（TNT-HA-Aln）。Aln/鈣離子釋放曲線表明：隨著破骨細(xì)胞分化成熟，材料中Aln的釋放速率逐漸增加。此外，CCK-8、ALP、礦化、基因/蛋白表達(dá)及 TRAP活性等體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)：TNT-HA-Aln基材不僅可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，而且可有效地抑制破骨細(xì)胞分化。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（Micro-CT分析、推出力及組織學(xué)觀察）進(jìn)一步證實(shí)，TNT

7、-HA-Aln可在骨質(zhì)疏松模型中促進(jìn)植入體周圍新生骨的形成。
　　4.鈦合金表面插層多層結(jié)構(gòu)用于抗骨質(zhì)疏松植入
　　利用層層組裝技術(shù)在鈦合金植入體表面構(gòu)建了含透明質(zhì)酸鈉-阿侖膦酸鈉/骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（SH-Aln/BMP-2）復(fù)合顆粒的插層多層結(jié)構(gòu)（Ti6Al7Nb/LBL/NP）。釋放結(jié)果表明，鈦基材表面加載的納米顆粒隨多層結(jié)構(gòu)降解而緩慢釋放。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)（CCK-8、ALP、礦化及TRAP活性等）證明：Ti6Al7Nb

8、/LBL/NP可在促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化的同時(shí)抑制破骨細(xì)胞成熟。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（Micro-CT分析、推出力及組織學(xué)觀察）證實(shí)了Ti6Al7Nb/LBL/NP可在骨質(zhì)疏松條件下促進(jìn)植入體周圍的新骨生成。
　　5.酶響應(yīng)性鈦納米管抗菌材料及其抗菌性能評價(jià)
　　細(xì)菌感染是移植失敗的第二大因素。研究表明，粘附的細(xì)菌可在其感染部位分泌大量透明質(zhì)酸酶?；诖?，我們利用TiO2納米管裝載天蠶肽B（CecB）并以殼聚糖/透明質(zhì)酸鈉-CecB多層

9、結(jié)構(gòu)封蓋，制備了透明質(zhì)酸酶響應(yīng)性的鈦基抗菌材料（TNT-CecB-LBLc）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和核磁共振（H-NMR）表征表明SH-CecB被成功合成。SEM、AFM、熒光標(biāo)記及接觸角測試等結(jié)果證明了鈦基抗菌材料成功構(gòu)建。釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金黃色葡萄球菌和/或外源性透明質(zhì)酸酶均可加速材料表面多層膜的降解，進(jìn)而促進(jìn)加載CecB的釋放。另外，體外細(xì)菌和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，TNT-CecB-LBLc在金黃色葡萄球菌感染早期（4 h）及

10、中后期（72 h）均具有較強(qiáng)的抗菌潛能，且具有良好的細(xì)胞相容性。
　　6.鈦基多層結(jié)構(gòu)抗菌材料及其抗菌性能評價(jià)
　　盡管上文已利用CecB開發(fā)了透明質(zhì)酸酶響應(yīng)性的鈦納米管抗菌材料，然而CecB的昂貴價(jià)格及溫和抗菌性能在一定程度阻礙其臨床應(yīng)用。基于此，我們進(jìn)而利用價(jià)格相對低廉的強(qiáng)效抗菌性抗生素（慶大霉素和萬古霉素）修飾透明質(zhì)酸鈉。體外細(xì)菌和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SH-Gen對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌及成骨細(xì)胞的綜合生物性能明顯優(yōu)越