多孔化鈦合金骨修復(fù)材料的構(gòu)建及其成骨功效的研究.pdf

1、鈦及其合金材料，因其良好的機(jī)械性能，抗腐蝕性和生物相容性，在臨床上被廣泛應(yīng)用于人體各個部位骨缺損的修復(fù)。然而，由于鈦的彈性模量與天然骨組織相差較大，實(shí)心鈦種植體在行使一段時間功能后容易引起周圍骨組織因?yàn)閼?yīng)力屏蔽導(dǎo)致吸收，最終引起種植體的松動或脫落。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以構(gòu)建多孔樣的骨修復(fù)材料，這樣一方面降低了材料整體的彈性模量，另一方面形成的孔洞結(jié)構(gòu)還可以引導(dǎo)骨組織長入形成更牢固的嵌合結(jié)構(gòu)。本課題擬從這一角度出發(fā)，結(jié)合3D打印

2、技術(shù)，探索構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的三維多孔樣Ti6Al4V植體，并通過表面改性的方式試圖優(yōu)化其成骨功效。
　　第一部分多孔化鈦合金骨修復(fù)材料的構(gòu)建及表面改性
　?。勰康模?br>　　制備多孔Ti6Al4V骨修復(fù)材料并評價(jià)其機(jī)械學(xué)性能；在材料表面構(gòu)建納米管樣，載鍶納米管樣涂層。
　?。鄯椒ǎ?br>　　采用EBM制作多孔鈦合金支架；采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢測支架的機(jī)械強(qiáng)度；采用Micro-CT掃描分析支架的幾何學(xué)參數(shù)；采用陽極氧化在材

3、料表面形成納米管樣結(jié)構(gòu)；采用陽極氧化結(jié)合水熱載鍶處理在材料表面形成載鍶納米管樣結(jié)構(gòu)；采用 FE-SEM觀察材料表面的形態(tài)；采用EDS檢測材料表面的元素分布；采用ICP-AES檢測載鍶納米管樣鈦合金支架的鍶元素釋放曲線；采用接觸角測量裝置檢測多孔支架的親水性。
　　［結(jié)果］
　　通過EBM成功制備出600μm，800μm兩種不同孔徑的多孔Ti6Al4V支架，其壓縮強(qiáng)度分別為205.06 MPa和114.98 MPa，楊氏模量為

4、4.51 GPa和3.11 GPa；Micro-CT顯示其實(shí)際幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)接近；FE-SEM顯示未處理材料表面無特殊結(jié)構(gòu)，粗糙平坦，陽極氧化處理后形成均勻的納米級管陣列樣結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的水熱處理使得納米管壁明顯增厚； EDS顯示未處理表面元素為Ti,O,Al,V,納米管樣表面為Ti,O,Al,V,F,載鍶納米管表面為Ti,O,Al,V,F,Sr;ICP-AES顯示Sr可維持長達(dá)30天的釋放，且600μm試樣Sr釋放量略高于800μm

5、組；親水性實(shí)驗(yàn)顯示未處理組疏水，液滴停留在材料表面，而納米管組和載鍶納米管組親水，液滴瞬間滲透進(jìn)入多孔支架內(nèi)部。
　　［結(jié)論］
　　EBM可以制備出特定的多孔Ti6Al4V支架，具有良好的制作精度；兩種不同孔徑的Ti6Al4V支架材料均有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且其彈性模量也與正常人體骨組織接近；通過陽極氧化的方式可以在多孔支架的表面形成均勻納米管陣列樣結(jié)構(gòu)，通過水熱處理方式可以進(jìn)一步形成載鍶納米管樣結(jié)構(gòu)；表面改性極大的提高了多孔材

6、料的親水性。
　　第二部分多孔鈦合金材料的體外生物學(xué)功效的研究
　　［目的］
　　研究多孔Ti6Al4V支架的細(xì)胞活性，促成骨分化能力。
　?。鄯椒ǎ?br>　　采用全骨髓貼壁法分離培養(yǎng)SD大鼠的BMMSCs用于體外評價(jià)，包括采用CCK-8檢測細(xì)胞增殖曲線，F(xiàn)E-SEM檢測材料表面細(xì)胞形態(tài)，試劑盒檢測ALP活性，qRT-PCR檢測成骨相關(guān)基因表達(dá)水平；采用綠色熒光蛋白標(biāo)記的rBMMSCs檢測細(xì)胞分布，材料表面細(xì)胞

7、的增殖行為。
　?。劢Y(jié)果］
　　全骨髓貼壁法可成功分離培養(yǎng)SD大鼠BMMSCs并用于體外實(shí)驗(yàn)。對照組BMMSCs增殖能力最強(qiáng)，納米管組次之，載鍶納米管組增殖能力最低，同樣表面形貌下600μm試樣比800μm試樣增殖能力強(qiáng)；對照組表面BMMSCs形態(tài)呈鋪展?fàn)睿{米管組表面BMMSCs呈長梭形，并伸出較長的板狀偽足，載鍶納米管組表面BMMSCs呈圓餅樣，高倍鏡下見細(xì)胞發(fā)出大量的絲狀偽足；ALP定量試劑盒顯示載鍶納米管組具有更高的

8、ALP活性，且600μm試樣比800μm試樣活性更強(qiáng)；成骨相關(guān)基因的表達(dá)水平檢測顯示載鍶納米管組活性較高，且600μm試樣比800μm試樣更高；細(xì)胞分布實(shí)驗(yàn)，對照組細(xì)胞主要分布在材料表面，隨著深度的增加細(xì)胞數(shù)量遞減明顯，而納米管組和載鍶納米管組表層細(xì)胞數(shù)量低于對照組，但深層細(xì)胞遞減趨勢不明顯，與其他組底層相比，載鍶納米管組最底層細(xì)胞數(shù)量最多，且800μm試樣比600μm試樣細(xì)胞數(shù)量略多；材料表面的細(xì)胞增殖行為與增殖曲線的檢測結(jié)果類似，隨

9、著時間的推移，細(xì)胞均可不斷增殖并覆蓋表層的孔洞。
　?。劢Y(jié)論］
　　各組多孔Ti6Al4V支架均無明顯的細(xì)胞毒性；納米管組和載鍶納米管組抑制了細(xì)胞的增殖，但促進(jìn)了細(xì)胞向成骨方向分化，尤其是載鍶納米管組；600μm試樣的細(xì)胞增殖，分化能力均高于800μm試樣，但試樣內(nèi)部細(xì)胞定植深度要遜于800μm試樣。納米管組和載鍶納米管組提高了支架內(nèi)部的細(xì)胞定植能力。
　　第三部分多孔鈦合金材料的體內(nèi)生物學(xué)功效的研究
　　［目的

10、］
　　研究不同孔徑，表面處理方式對多孔Ti6Al4V支架植入動物體內(nèi)后促骨組織再生能力的影響。
　?。鄯椒ǎ?br>　　選取成年新西蘭兔為研究對象，在其股骨外髁部植入多孔Ti6Al4V支架，術(shù)后4周和12周取材，分別采用Micro-CT分析骨再生情況，序列熒光標(biāo)記和組織學(xué)切片VG染色分析骨長入情況。
　?。劢Y(jié)果］
　　載鍶納米管組在4周和12周都表現(xiàn)出最高的促骨組織再生能力，納米管組次之，對照組新生骨量最少，在

11、同樣表面處理?xiàng)l件下，600μm試樣新生骨量大于800μm試樣；序列熒光標(biāo)記顯示載鍶納米管組新生的骨組織形成時間要早于另兩組；組織學(xué)切片VG染色顯示載鍶納米管組新生骨組織分布更深入多孔材料中心，而800μm試樣中心的新生骨組織要高于600μm試樣。
　?。劢Y(jié)論］
　　載鍶納米管涂層多孔Ti6Al4V支架具有更好的促骨組織長入和再生能力，對不同孔徑而言，600μm骨組織再生能力更強(qiáng)，800μm骨組織長入能力更強(qiáng)。
　　第四

12、部分載鍶納米管涂層影響細(xì)胞功能的機(jī)制初探
　?。勰康模?br>　　探索材料表面理化形貌與細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)系。
　　［方法］
　　在鈦片上接種BMMSCs，采用FE-SEM觀察細(xì)胞形態(tài)，透射電鏡觀察細(xì)胞器形態(tài)，共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞肌動蛋白微絲形態(tài)，采用Western Blot法檢測內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)水平。
　　［結(jié)果］
　　與對照組相比，納米管組和載鍶納米管組細(xì)胞厚度明顯增加，載鍶納米管組的細(xì)胞骨架染色