生物功能化胶原涂层的可控制备及其评价

发布时间：2020-03-23 10:11

【摘要】：生物功能化涂层是活化金属植入体表面,调控其与细胞/组织之间相互作用,加快骨性键合的骨整合的最佳方式。然而,涂层生物学功能的合理设计,涂层可控制备的有效实现,则是新一代生物功能化涂层研究的挑战。本工作从影响细胞生长的关键因素出发,根据骨整合过程中植入体所需具备的生物学功能对涂层进行设计,以细胞外基质主元胶原为涂层主要成分,通过电化学沉积技术,分别形成具有蛋白缓释性、高细胞亲和性、磁助力学刺激性等生物功能化胶原涂层。为此,开展了相应的涂层制备、表征、细胞生物学评价和调控作用机制分析等研究,主要取得了以下4方面的研究成果:1.胶原涂层的电化学可控制备技术在恒压原位共沉积技术中,通过控制电解液中BSA的含量、电解液组元添加顺序和沉积电压,原位共沉积出矿化程度不同、BSA含量可控(17-173 ng/cm2)的BSA/胶原复合涂层。在变压沉积技术中,通过对沉积电压的程序化设定(沉积段数1-7段),正负电压交替沉积的方式,可形成强弱矿化层(1-4)交替变化的胶原涂层、以及纳米四氧化三铁磁性颗粒(IOPs)嵌入位置(里层分布、外层分布、均匀分布)变化的磁化胶原涂层。与恒压沉积法相比,变压沉积所得涂层整体矿化程度减弱,涂层的结合强度有所提高(1.25倍)。同时得到了磁化程度(Ms=0-7.303 emu/g)可控的磁性胶原涂层。在磁助沉积技术中,通过磁化胶原纤维沉积过程、涂层干燥过程中施加外磁场,可形成胶原纤维取向度可控(傅里叶转换后长径比1.1-8.3)和纤维直径为300 nm-2 μm的胶原涂层。因此,选择合适电化学沉积方式,可实现所需胶原涂层组成、微结构和组元空间分布等方面的可控制备。2.蛋白缓释性胶原涂层承载物在胶原涂层中的分布会影响其释放行为,延长承载物在涂层中的扩散路径可有效抑制其爆释现象。利用BSA等电点比胶原小的特点,采用恒压原位共沉积法,可控地将BSA处于底层分布,在形成的BSA/胶原复合涂层中延长了BSA释放时的扩散距离,调整其释放行为呈先慢后快的两段式缓慢释放特性。在无血清培养下,复合涂层相比于胶原涂层能够表现出更好的促进细胞增殖效能,主要是BSA的释放为细胞提供了大量营养,促进了细胞的增殖。3.高细胞亲和性胶原涂层胶原涂层表面的胶原暴露出更多与细胞结合的位点以及胶原纤维取向化,则可有效提高涂层与细胞的亲和性。依据胶原在电化学沉积时其带电特性的变化,采用沉积过程电压极性的控制,获得了合理厚度、结合强度的表面低矿化胶原层,增加了与细胞粘附相关位点的暴露,增强引导细胞在涂层表面更好地铺展,有效提高了涂层细胞亲和性(1.6倍)。利用磁化胶原纤维在溶液中可被外磁场作用呈拉伸状态,采用磁助法可控地获得了表面低矿化并取向排列的胶原涂层,接触引导效应使细胞在其表面也呈高度定向列,骨架发育更加丰满,具有更好的铺展状态,表现出更高的粘附和增殖量,进一步提高细胞和胶原涂层的亲和性(1.7倍)。4.磁助力学刺激性胶原涂层胶原涂层具有水凝胶的可变形特性,如细胞能感受到这种变形趋势,就会对细胞产生力学刺激作用,可有效促进细胞成骨分化和骨组织形成效能。采用纳米磁性颗粒磁化胶原纤维,通过变压法控制磁性颗粒在涂层中的量和空间分布,调控磁致力学刺激的程度;通过磁助沉积法控制涂层中胶原纤维的取向,调控外磁场方向作用程度。当磁场作用于磁化胶原涂层时,生长的细胞的成骨分化能力明显增强,说明细胞可以感知到磁致涂层形变产生的力学刺激并作出响应。力学刺激的程度与涂层中的磁性颗粒含量有关,当沉积液中磁性颗粒和胶原的比为0.67时,涂层显示出最佳的磁致力学刺激细胞促成骨分化能力。磁性颗粒处于涂层表层,则可进一步增强其力学刺激,显著促进细胞的成骨分化。在磁化取向胶原涂层上,细胞沿着胶原纤维呈取向生长,当磁场方向与胶原取向一致(0°)时,磁致力学刺激产生促进细胞成骨分化作用最强,若磁场方向与胶原取向垂直(90°)时,磁致力学刺激则会产生一定程度抑制细胞成骨分化的作用。
【图文】：

领域,骨整合,合金,髓内钉

和髓内钉等［１４］。纯Ｔｉ和Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ合金属于第一代医用Ｔｉ合金，目前Ｔｉ及其合逡逑金材料已全面覆盖骨科、颅骨修复、心脏、血管植入体、口腔以及手术器械等各逡逑个医用领域（图１．１）邋［１５＿１７］。逡逑Ｄｅｎｔａｌ邋ｉｍｐｌａｎｔ逦Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ邋ｈｉｐ邋Ｊｏｉｎｔ逡逑小：逦Ａ－逦■■邋ｆ逡逑Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ邋ｋｎｅｅ邋ｊｏｉｎｔ逦Ｂｏｎｅ邋ｓｃｒｅｗ邋ａｎｄ邋ｂｏｎｅ邋ｐｌａｔｅ逡逑图１．１医用Ｔｉ及其合金的应用领域［１５－１７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｔｉ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ａｌｌｏｙｓ＾１５＇１逡逑１．２．２医用钛及钛合金的表面改性现状逡逑医用钛及其合金的植入质量和修复效能主要有两个方面的评价标准，一是植逡逑入体的早期成骨效果，骨整合速率及质量，，二是植入体在体内长期稳定性，包括逡逑２逡逑

比例尺,纳米图案,纳米,图片

体和骨姐织之间的结合强度。另外还有部分化学加工方法也可以改变表面粗糙度，逡逑比如酸碱处理，电化学腐蚀等［３３＿３６１。逡逑＿逡逑图１．３喷砂处理的钛基板的ＳＥＭ图片逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｔｉ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ邋ａｆｔｅｒ邋ｓａｎｄ－ｂｌａｓｔｉｎｇ．逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;R318.08

【参考文献】