钛基纳米材料和载药金纳米笼的制备及其生物学性能的研究

发布时间：2020-03-19 17:33

【摘要】：随着纳米技术的发展,纳米材料已经在生物医学领域得到了广泛的应用,主要包括疾病诊断,癌症治疗,药物传递,生物成像,组织工程等领域。本博士论文的研究内容主要集中在多功能钛基纳米材料的制备及其在骨组织工程方面的应用,以及载药金纳米笼在癌症治疗方面的应用。具体包含以下内容:(1)钛酸钙纳米片的制备及其成骨性能的研究骨植入材料表面纳米化改性是提高骨整合性能的有效方法。本研究通过简单的两步水热反应制备了钛酸钙纳米片。该材料具有较高的粗糙度和较好的亲水性,且Ca的含量可通过水热反应的温度来控制。我们通过体外和体内实验评价了所制备材料的生物相容性以及成骨性能。SEM的结果表明,与纯的TiO2纳米片相比,钛酸钙纳米片可以明显促进MC3T3-E1细胞的黏附和铺展行为。荧光显微镜的图像进一步说明了 Ca的存在可以促进MC3T3-E1细胞在材料表面的迁徙行为,这对于骨再生以及骨修复具有重要意义。此外,我们通过体内实验评价了该材料对于小鼠骨折部位的修复能力。X射线的结果以及HE/马松染色的结果都表明钛酸钙纳米片具有较好的骨诱导性能,可以促进新生骨的钙化和生长,加快骨愈合的过程。(2)含Zn的纳米阵列材料的制备及其抗菌性能与成骨性能的研究为了避免骨移植手术后的感染,新一代的骨植入材料应该同时具备一定的抗菌性能和成骨性能。本研究工作通过简单的水热生长法在Ti基底上制备了高度有序的TiO2纳米棒阵列,然后通过二次水热法在其表面修饰Zn元素。Zn的含量可以通过水热反应时前驱液的浓度来控制。我们通过SEM,MTT和ALP实验评价了所制备材料的生物相容性,结果表明,不同材料表面的细胞活性及铺展情况都随着培养时间的延长而改善,材料TiO2-Zn0.2对MC3T3-E1细胞的促进作用最明显。此外,抗菌实验的结果表明,所制备的材料对金黄色葡萄球菌(革兰仕阳性菌)和大肠杆菌(革兰氏阴性菌)的形态都有明显的影响,抗菌性能随着Zn含量的增加而增强。由于Zn修饰在材料的表面,所有的材料都表现出了爆发性的Zn离子释放特性。为了进一步提高Zn的负载量并防止其爆发性释放,本研究在后续的工作中,制备了含Zn的ZrO2纳米阵列。首先采用水热法在Ti基底上制备了均匀的ZnO纳米棒阵列,并通原位水解的办法在ZnO表面修饰了 ZrO2纳米涂层,使Zn离子通过ZrO2纳米棒的孔隙中间释放出来,从而避免其爆发性释放。我们使用稀盐酸溶液对ZnO进行刻蚀,Zn的含量可以通过盐酸溶液的pH来控制。所有含Zn的纳米材料都表现出较高的抑菌率,在材料周围可以观察到明显的抑菌环。生物相容性实验表明所制备的材料对MC3T3-E1细胞的黏附和铺展表现出不同程度的促进作用。上调的MTT和ALP活性,以及BMP-2基因的表达都证明了含Zn的ZrO2纳米管阵列可以实现抗菌性和成骨性的统一。这种同时具有抗菌功能和成骨功能的植入材料在骨移植领域具有较高的应用价值。(3)含Se的双层蜂窝状TiO2纳米网格的制备及其对骨肉瘤细胞和成骨细胞的影响骨肉瘤是临床上的一种常见疾病,具有高发病率,高转移率以及高死亡率等特点,因此有必要设计新型的具有抗癌功能的骨植入材料以提高骨肉瘤切除后植入手术的成功率。本研究通过两次阳极氧化法制备了双层TiO2纳米网格,该纳米网格的外层管径尺寸是100 nm,内层管径是35 nm。然后使用电沉积的方法在外层网格中镶嵌了Se纳米颗粒,Se的含量可以通过电沉积的时间来控制。生物学实验结果表明,此种镶嵌Se的双层蜂窝状结构可以有效的抑制MG63细胞(骨肉瘤细胞)的活性,扰乱其细胞周期,最终引起骨肉瘤细胞的凋亡。此外,与纯Ti片相比,当电沉积的时间不多于1 h时,所制备的材料可以促进健康的MC3T3-E1细胞的生长。这种同时具有成骨功能与抗癌功能的新型材料针对骨肉瘤具有较大的应用潜力。(4)负载亚硒酸的金纳米笼的制备及其抗肿瘤性能的研究金纳米笼因为具有较好的光热转换效率,近年来在光热治疗癌症领域有广泛的应用。在本项研究中,我们设计了一种基于亚硒酸和金纳米笼的新型抗癌药物,亚硒酸与月桂酸(一种熔点是43 ℃的相变材料)混合之后,共同负载到金纳米笼的内部。在细胞内吞的过程中,金纳米笼可以充当载体的作用,将亚硒酸运载到细胞内部,然后在近红外光的照射下,金纳米笼可作为光热剂致使月桂酸的熔化以及亚硒酸的释放。金纳米笼的光热效果和亚硒酸的化疗效果协同作用,共同导致癌细胞的死亡。在细胞内释放的亚硒酸可以引发细胞内产生大量的ROS,进一步导致线粒体功能的损伤以及细胞的死亡。该研究中所制备的材料在协同治疗癌症方面表现出极高的应用价值。
【图文】：

形貌,抗菌功能,细胞黏附,表面修饰

逦ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ邋（０－３邋ｄａｙｓ）逦ｂｏｎｅ邋ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ邋（邋＞２１邋ｄａｙｓ）逡逑图１．２纳米材料的仿生优势。（ａ）天然骨的纳米结构。（ｂ）纳米钛（顶部，原子力显微镜图像）和纳逡逑米晶ＨＡ／ＨＲＮ水凝胶支架（底部，ＳＥＭ图像）。（ｃ）纳米材料可能优于传统骨再生材料的机理示意逡逑图。纳米材料的生物活性表面与天然骨相似，能促进蛋白质的大量吸附，以及成骨细胞在材料逡逑表面的黏附和分化ｔ３５］。逡逑在钛基种植体领域，研究者们通过钛基表面微纳米图案化改性，来调控细胞的黏附、增殖、逡逑迁移以及分化等行为，如采用化学处理法在钛基表面制备得到二氧化钛（Ｔｉ０２）纳米棒［％３７］，纳米逡逑花［３８］，纳米线ｆ３９＂４１１，阳极氧化法制备Ｔｉ０２纳米管阵列Ｈ２４４］，微弧氧化法制备Ｔｉ０２多孔薄膜［４５＇４６］，逡逑溶胶－凝胶法制备具有纳米孔和微米孔的Ｔｉ０２涂层［４７’４８］，等离子体喷涂得到Ｔｉ０２纳米薄膜［４９），逡逑表面力学摩擦处理得到丁丨0２微／纳薄膜Ｍｌ等等。研宄表明，合理的设计丁丨0２纳米材料的形貌，，逡逑可以影响细胞与材料的相互作用

示意图,骨形态发生蛋白,固定硫,肝素

博士学位论文逡逑ＩＸ）ＣＩ＇ＯＲ．－＼ｌ．邋Ｄ１ＳＳ）邋；Ｒ１邋ＡＴＫ邋）Ｎ逡逑效果。其中，使用较多的是聚乙二烯（ＰＥＧ）。ＰＥＧ可以在植入材料表面形成链状聚合物层，产逡逑生排斥渗透力，抑制细菌靠近，阻止蛋白质吸附和细胞的附着，减少细菌和微生物的黏附｜Ｗ７（＞１。逡逑具有类似功能的聚合物还有聚甲基丙烯酸（ＰＭＡＡ），右旋糖酐，透明质酸等｜７１１。在不使用其它逡逑抗生素类药品的情况下，这类材料也可以简单有效的抑制微生物的黏附，且不易引起细菌抗药逡逑性。但是如果在植入材料表面修饰该涂层材料也存在明显的缺点，它们的存在会抑制正常骨细逡逑胞的黏附和铺展。因此，防污聚合物一般需要与促进细胞黏附的小分子（例如ＲＧＤ）结合使用。逡逑ＲＧＤ是正常细胞外基质中广泛存在的一种氨基酸序列，将ＲＧＤ修饰在生物材料表面，能有效逡逑地促进细胞的黏附功能，提高手术的成功率典型的工作是Ｈａｒｒｉｓ等人在２００４年以聚赖氨逡逑酸（ｐｏｌｙ－Ｌ－ｌｙｓｉｎｅ，邋ＰＬＬ）为媒介，通过静电吸附的方法将ＰＥＧ－ＰＬＬ吸附在Ｔｉ基底表面，并用ＲＧＤ逡逑对所制备的材料进行功能化修饰。研究表明，ＰＥＧ涂层显著减少了金黄色葡萄球菌的附着，而逡逑ＲＧＤ肽的存在并不影响材料的抗菌性能后续研宄表明，ＲＧＤ可以促进成骨细胞｜７ｆｃｌ，成纤逡逑维细胞的黏附和铺展［７７］。逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;R318.08

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