基于微球的拓扑结构构建、修饰及其生物学评价

发布时间：2020-10-18 03:40

　　 金属植入体表面修饰以增强其骨整合能力是骨修复研究的重要领域之一。植入体表面拓扑结构构建和组成修饰以营造适合细胞生长的表面微环境,是促进植入体表面形成快速有效骨整合的有效途径。如何设计并构建合适的表面拓扑结构及表面组分,让细胞产生最佳的生物学效应,仍然是一个有待深入研究的课题。本工作以微球作为拓扑结构构建的基本单元,构建了不同尺度、不同密度、不同表面组分及表面纳米结构化的拓扑结构,并对成骨细胞在这些拓扑结构表面的粘附、增殖以及成骨分化能力进行了评价,探讨了基于微球的拓扑结构对细胞调控的作用机制。本文主要取得了以下3方面的研究成果:1.基于SiO2微球的拓扑结构构建、修饰及评价。以亚细胞尺度(140 nm～500 nm)的SiO2微球作为基本结构单元,采用旋涂法构建了相应表面拓扑结构。通过改变分散体系、旋涂转速等参数,形成均匀分散、密度可调的SiO2微球拓扑结构。选取其中生物相容性最佳的拓扑结构并在其表面进行了 TiO2、Al2O3及Au的组分修饰。不同组分修饰在前成骨细胞的不同生长阶段体现了不同的促进作用。TiO2修饰能够促进细胞的粘附,Al2O3修饰则在细胞增殖阶段发挥促进作用,Au修饰的拓扑结构在细胞的粘附与增殖阶段都有较为明显的促进作用。这种不同阶段产生的促进作用很可能与组分修饰改变了材料表面的蛋白质吸附能力及吸附取向有关。2.基于Ti微球的拓扑结构构建、修饰及评价。以超细胞尺度(10μm～53μn)的Ti微球及表面纳米结构化的Ti微球作为基本结构单元,采用旋涂法构建相应表面拓扑结构。通过改变分散体系、固含量以及旋涂转速等制备参数,分别构建了低密度(～120个/mm2),中密度(～720个/mm2)和高密度(～2400个/mm2)的表面拓扑结构,并对其生物学性能进行了评价。Ti微球表面纳米结构化能很好地促进蛋白质吸附和单细胞在微球上的粘附与铺展,而由Ti微球形成的中密度表面拓扑结构对细胞整体的粘附、增殖与分化却表现出最为显著的促进能力。针对这现象提出了可能的作用机理为:超细胞尺度的中密度表面拓扑结构对细胞分布起到了一定的限域作用,促进了细胞团簇的形成,团簇形成后能够促进细胞-细胞间的生物信号的有效传递,从而显著促进细胞的增殖及成骨分化;纳米结构化的微球构成的表面拓扑结构,虽对单细胞的粘附有明显的促进作用,却抑制了限域效应,细胞团簇无法形成,因而其生物效应不如中密度表面拓扑结构。3.基于TC4微球的拓扑结构构建及评价。以超细胞尺度(10 μm～53 μm)的TC4(Ti6Al4V)微球作为基本结构单元,结合3D打印技术构建相应表面拓扑结构。通过增材和激光等参数的改变得到了3种典型的表面拓扑结构:条纹状结构型3D-S、分散微球型3D-D和两者组合型3D-SD。3D打印工艺参数对条纹结构的宽度和深度有着明显的影响,而对分散微球型结构影响不显著。对3种拓扑结构表面再进一步进行了纳米结构化修饰和相应的生物学评价。细胞实验显示,微球分散型结构能全面地对细胞行为起到调节与促进作用,这可能与微球分散拓扑结构的限域效应促使细胞团簇形成有关。条纹结构的宽度及深度变化对成骨分化能力也有一定的调控作用,但仅具有条纹结构的3D-S组并没有表现出明显的促成骨分化作用。同时具有条纹结构和微球分散结构的3D-SD表面表现出了最佳的促成骨分化能力。说明条纹结构具有一定的促成骨分化的调控能力,但需要基于微球分散结构才能表现出来,这可能与微球结构化表面促进细胞团簇,而条纹结构使得细胞团簇具有一定的取向性有关。纳米结构修饰同样需要依托于合适的拓扑结构才能表现出良好的细胞响应性。3D-S型经纳米结构修饰并没有对细胞响应行为有显著的促进作用,而3D-SD型进行纳米结构修饰后,其细胞响应能力显著提升。一方面与纳米结构促进蛋白吸附从而提供了更多的细胞识别位点;另一方面,3D-SD的整体纳米结构化,并不会抑制细胞团簇形成,因而纳米结构修饰能发挥积极作用。本文对以微球为基本结构单元所构建的表面拓扑结构及其生物学效应的研究,并对产生良好生物学效应的作用机理进行了分析与验证,为未来金属植入体表面修饰的拓扑结构设计、成型工艺选择等提供了新的思路,对获得具有表面高成骨响应的植入体有着重要的意义。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;R318.08
【部分图文】：

？二??图１．１阳极氧化法获得的不同管径的Ｔｉ０２纳米管阵列［１８１??Ｆｉｇ．?１．１?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｔｉ０２?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｃａｌｅｓ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ｂｙ?ａｎｏｄｉｚｉｎｇ?ｔｉｔａｎｉｕｍ??ｓｈｅｅｔｓ．??

?利用化学方法对纳米管底部的钛进行腐蚀，最后去除表面的摸板，从而在钬基板??表面构建出了纳米点结构，如图１．３ａ，通过调节模板的孔径可以调控纳米点的大??小及密度。Ｌｕｏ［２ｌ］等则通过分相自姐装的方法，同祥在钛材表面制备了纳米点薄??膜，通过控制分相剂的浓度与旋涂转速同样可以调控纳米点的尺寸与密度，如图??１．３ｂ。??國??图１．３不同方法制备的Ｔｉ０２纳米点：（ａ）模板法［２Ｄ］；?（ｂ）分相自组装法［２｜］??Ｆｉｇ．?１．３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｔｉ〇２?ｎａｎｏｄｏｔｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍｅｔｈｏｄ：?（ａ）?ｔｅｍｐｌａｔｅ?ｍｅｔｈｏｄ；?（ｂ）??ｐｈａｓｅ－ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ?ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ．??￣Ｔｌ??二ｚｙ??—??图１．４ＮＩＨ３Ｔ３细胞伪足在纳米点上的选择性吸附［２２］??Ｆｉｇ．?１．４?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ?３Ｔ３－ｆｉｂｒｏｂｌａｓｔ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ?ａｄｈｅｒｉｎｇ?ｔｏ?ｎａｎｏｄｏｔ?ｐａｔｔｅｒｎｓ．??Ｇｋａｒｄｌ２２］等在基板表面构建了岛状的纳米点结构（图１．４），实验发现，细胞??４??

重要的意义。??三种被广泛研究的典型微米级图案化结构，微米槽、微米柱阵列和微米丼阵??列如图１．７所示。图案化结构作用相当广泛，几乎影响到所有类型的细胞行为。??不同基板、不同的图案化结构对不同的细胞系有不同的诱导能力。而细胞与图案??化结构间的相互作用方式也会随着所使用的的细胞系种类、图案化结构尺寸等因??素改变而产生变化［３３＿３６］。??ａ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｂ）?ＳＥＭ??ｒ識關??＿＿??＜?醒墨矗編??？ＳＬＵＬｌｉＵｉＦ?Ｘ５）??图１．７典型微米图案化结构的示意图（ａ）和ＳＥＭ图片（ｂ）：微米沟槽（比例尺为５ｍｍ）、??微米柱阵列（比例尺为５ｍｍ）和微米井阵列（比例尺为１?ｍｍ）?１２８１??Ｆｉｇ．?１．７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｅｐｉｃｔｉｏｎｓ?（ａ）?ａｎｄ?ＳＢＭ?ｉｍａｇｅｓ?（ｂ）?ｏｆ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ?ｍｉｃｒｏ－ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ??ｐａｔｔｅｒｎｓ．?Ｔｈｒｅｅ?ｂａｓｉｃ?ｎａｎｏｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ?ｉｎｃｌｕｄｅ?ｍｉｃｒｏ－ｇｒｏｏｖｅｓ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?５?ｍｍ），??ｍｉｃｒｏ－ｐｉｌｌａｒｓ?ａｒｒａｙ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?５?ｍｍ），?ａｎｄ?ｍｉｃｒｏ－ｗｅｌｌｓ?ａｒｒａｙ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?１?ｍｍ）．??１．２．２．１微米沟槽??由于细胞尺寸的影响，细胞与微米沟槽的相互作用于纳米沟槽截然不同。在??纳米沟槽表面，通常能够跨越多级多组条纹结构，如图１．８Ａ所示［３７］。细胞在纳??米结构上黏附迁移，当纳米沟槽足够狭窄时，细胞伪足也无法进入沟槽底部。但??在微米沟槽表面
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本文编号：2845746