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?chē)烊还情g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(wèn)題。鑒于此，我們?cè)O(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(duì)其體外或/和體內(nèi)的生物學(xué)響應(yīng)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1．鈦材表面微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì) 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(cè)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(duì)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(cè)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(yáng)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(zhǎng)的性能。更重要地，動(dòng)物體內(nèi)評(píng)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?chē)律堑男纬伞?br>　　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?chē)男鹿巧伞?br>　　5.酶響應(yīng)性鈦納米管抗菌材料及其抗菌性能評(píng)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。基于此，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(cè)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(píng)價(jià)
　　盡管上文已利用CecB開(kāi)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(duì)低廉的強(qiáng)效抗菌性抗生素（慶大霉素和萬(wàn)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(duì)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