含硼硅酸钙基陶瓷涂层的生物学性能及其促成骨分化机制研究

发布时间：2020-03-31 09:00

【摘要】：目前临床上常用的骨植入体多为钛合金等金属植入体。为赋予金属骨植入体优异的生物性能,增强其与骨组织间的结合,需要在其表面制备生物活性涂层。采用等离子喷涂技术在钛合金等表面制备的硅酸钙基陶瓷涂层兼具良好生物活性和优良力学性能,有望弥补目前生物医用羟基磷灰石(HA)涂层和钛(Ti)涂层的不足。但由于涂层降解过快,导致成骨不匹配,影响植入体的长效稳定性,因而应用受限。目前对Ca-Si基陶瓷涂层的改性,多采用网络改性体替换,即采用金属阳离子替换Ca。考虑到此点,本文拟通过网络形成体的改变,采用非金属元素B替换部分Si,以形成结构更复杂稳定的化合物。B是人体必需的微量元素,生物安全性好,在降低骨质疏松和关节炎风险、诱导血管生成方面有着重要作用。特别是近年来,骨免疫学的兴起,使得具有促成骨和抑炎性的B元素成为潜在的新兴营养元素。基于以上背景,本文通过高温固相法制备含硼硅酸钙粉体(Ca_(11)Si_4B_2O_(22),B-CS),以等离子喷涂工艺制备含硼硅酸钙涂层,并对粉体和涂层的理化性能进行系统研究。然后考察了含硼硅酸钙涂层对成骨分化、免疫响应、成血管方面的影响,并探讨其相关作用机制。此外,骨具有天然的微纳多级结构,从仿生的角度出发,可以通过在材料表面构建不同尺度的微观结构以提高其生物活性。因此,如何将纳米结构、B元素结合于硅酸钙涂层中,开发出新型骨植入材料,亦是本课题的研究重点。本研究取得的主要结果如下:1.采用高温固相法,通过温度优化制备出含硼硅酸钙粉体,其主要物相为?-Ca_(11)Si_4B_2O_(22),其中B含量为2.36 wt%,接近计量比中数值。通过等离子喷涂技术成功制备了含硼硅酸钙涂层,该涂层表面粗糙、水润湿性好,与Ti基体结合良好,结合强度高于HA涂层,能够快速诱导HA生成,具有较好的化学稳定性。喷涂过程中,材料发生由低温?相到高温?相的晶型转变,涂层中以?-Ca_(11)Si_4B_2O_(22)相为主。涂层中存在非晶相成分,其中分散众多粒径小于500 nm的颗粒,还存在大量由厚度约为100 nm的薄层堆积而成的层状结构。热处理之后,涂层内部非晶区晶化,产生大量尺度在10~50?m的结晶区,取向各异。晶区内存在众多宽度小于1?m、长度约为10~50?m的细枝状物。枝状物是由与其延伸方向相垂直的、厚度约为100 nm的层状物堆积而成。热处理涂层断口的表面为丛簇状结构,该结构由直径约为100 nm的柱状物排列而成。2.B-CS涂层表现出良好的细胞相容性,能够显著促进成骨类细胞粘附、铺展、增殖;此外,该涂层还能够显著促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)中Col I和ALP活性分泌、ECM矿化以及成骨基因(Runx2、Osterix、BSP、OPN、OCN、BMP2、VEGF)表达,具有优异的促成骨分化性能,能够通过BMP2信号通路调节成骨分化作用。该涂层还能够通过抑制TLR通路调控免疫细胞炎性响应,限制巨噬细胞向M1型极化,促使其向M2型转化,促进抗炎性因子(IL-10、IL-1ra)及成骨基因(BMP2、VEGF)表达,抑制炎性因子(TNF-?、IL-1?、IL-6、OSM)、破骨因子(TRAP、RANK、MCSF、MMP9)表达,表现出抗炎性功能,能够营造有利于成骨的微环境。另外,B-CS涂层浸提液具有明显的成血管功能,能够促进HUVECs迁移和诱导微管形成,有利于人脐静脉内皮细胞(HUVECs)表达更多的成血管基因(VEGF、KDR、bFGF、eNOS),能够通过Akt通路调节eNOS表达,促进NO的产生,促进血管生成。B-CS涂层具有优异的促成骨分化、免疫调节以及血管生成作用,是一种极具应用前景的骨植入材料。3.结合等离子喷涂技术和水热工艺,成功制备了具有纳米结构表面的含硼硅酸钙涂层,纳米结构可为纳米片、纳米叶、板条状等形态,且B含量可调。喷涂涂层经过水热处理后,非晶相减少,涂层的抗降解性能得以提高。纳米结构表面B-CS涂层均具有较高的表面亲水性以及可控的B离子释放。其中,纳米叶结构B-CS涂层(S1)表现出良好的生物相容性,能够增加总蛋白吸附量,促进BMSCs骨架伸展及粘着斑的形成,增加Col I和ALP活性分泌、ECM矿化以及成骨基因表达,可通过BMP2和粘着斑路径调节成骨分化。此外,它还抑制巨噬细胞向M1极化,促进抗炎因子表达,阻碍炎性因子的表达,能通过抑制TLR路径呈现抗炎性功能。其涂层浸提液具有明显的成血管功能,能够促进HUVECs迁移和诱导微管形成,上调HUVECs成血管基因(VEGF、bFGF、bFGFR、eNOS)表达。等离子喷涂技术和水热工艺的结合,能够设计制备出具有纳米结构和特定功能元素的材料,是一种有效的生物材料设计及改性的方法。
【图文】：

多级结构,组成成分,抗拉,抗压

图 1. 1 骨的组成成分及其多级结构[1, 5]Figure 1.1 (a) Composition and (b) hierarchical structure of human bone表 1. 1 骨的力学性能[1]Table 1.1 Mechanical properties of human bone纵向（MPa）横向（MPa）弹性模量（GPa）质骨抗压 131-224 106-133抗拉 78.8-151 51-5613.7剪切 53.1-70质骨抗压 3-30 < 5抗拉 3-20 < 51.5剪切 < 5 < 5

全髋关节置换,腕关节,椎弓根螺钉,脊柱

临床上应用的骨植入材料：腕关节固定；全髋关节置换；脊柱中的椎弓 1.2 Bone repair materials currently used in the clinical applications. (a) wrispparatus; (b) total hip joint replacements and (c) screws and rods in spine fus内复杂的生理环境对骨植入材料的性能提出了更高的要求[11]：需要具有生物相容性，，对细胞、人体组织的毒副作用低。其次硬组织，其具有特定形状，在人体内需承载一定的机械载荷，料具有良好的机械性能。另外，为实现骨植入材料与骨组织的良入体表面具有良好的骨传导性，以便新生骨组织能够在其生长。上述要求，骨植入材料的研究与开发取得新的进展（图 1.3）。料类别划分金属、玻璃、陶瓷与聚合物。从功能上，骨植入材阶段[12, 13]。第一阶段为生物惰性材料研究。这类材料植入体内
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;R318.08

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