钛种植体表面多功能生物活性涂层的构建及其促进骨整合机制的研究

发布时间：2020-10-27 19:08

　　 医用钛(Ti)及其合金因具有良好的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性等优点,已作为牙科种植体材料在临床上得到广泛应用。然而,Ti种植体本身是一种生物惰性材料,直接植入人体后存在由骨整合不佳引起的松动和感染两大并发症,最终导致种植失败。诸多研究表明,通过对Ti种植体表面改性能够赋予其生物活性,因此已被广大科研和临床工作者公认为是解决上述问题的有效手段。截止目前,虽然有大量的生物活性涂层被研究者开发和报道,但真正用于临床且起到积极效果的却屈指可数。究其原因,可能是在种植体表面设计时没有统筹考虑其对骨整合各个阶段的影响。骨整合是一个随时间动态变化的复杂的生物学过程,主要涉及术后出血、血凝块形成、炎症反应、血管新生和新骨生成等。种植体植入后对每个阶段的调控均会影响后续的生物学事件,并最终决定种植的成败。本论文基于前期研究基础,采用物理/化学改性方法,制备出五种不同的Ti种植体表面,并系统地研究了其对骨整合中涉及的至少两个阶段的影响,以期对每个阶段产生正向调控,并最终促进种植体骨整合,提高种植成功率。结果表明,五种涂层结构均可正向调控骨整合过程的多个阶段,且体外实验结果得到了体内实验的验证,文中对相关机制也进行了深入探讨。综合本论文工作,所取得的主要研究结果如下:(1)通过磁控溅射镀膜工艺,在纯Ti基体上获得五种银(Ag)含量不同的Ti-Ag复合涂层。随着Ag含量的升高(1.2 at.%-21.6at.%),Ti-Ag涂层既能长期有效抗菌,又能促进成骨细胞的增殖和分化。此外,该研究表明通过简便经济的磁控溅射技术可以在Ti基体表面载入各种活性元素,且活性元素能通过缓释的过程影响细菌和细胞的长期行为。(2)在上述研究基础上,首先通过磁控溅射在Ti基体上制备五种硅(Si)含量不同的Ti-Si涂层,随后采用阳极氧化得到含Si的TiO_2纳米管。研究发现,随着Si含量的升高(1.2 wt.%-10.7wt.%),Ti-Si纳米管既能促进成骨细胞的增殖和分化,又能增强内皮细胞的功能。此外,该技术解决了纳米管阵列非金属Si元素的载入问题,并构建出可以长期缓释Si离子的纳米管阵列,将纳米管的形貌因素与Si的生物功能性有机结合起来,使Ti种植体兼具成骨和血管新生诱导能力。(3)通过微弧氧化在纯Ti基体上制备出微米多孔涂层,随后采用蒸汽水热处理制备出表面负载纳米级羟基磷灰石(HA)颗粒/柱的微纳复合结构。研究发现,负载纳米HA颗粒的微纳复合结构既能通过刺激巨噬细胞营造有利的骨免疫微环境,又能促进成骨/内皮细胞的增殖和分化。此外,上述骨免疫微环境协同表面理化性质的影响通过多重信号通路(TGF-β、OPG/RANKL和VEGF)进一步促进成骨/内皮细胞的功能,最终促进骨整合。相反的是,负载纳米HA柱的微纳复合结构则抑制上述细胞的功能,进而抑制骨整合。(4)在上述研究基础上,因此我们进一步探索纳米HA颗粒的尺寸对骨整合的影响。同样地,首先通过微弧氧化在纯Ti基体上得到微米多孔涂层,随后采用退火处理得到负载不同尺寸纳米级HA颗粒的微纳复合结构。研究发现,该微纳复合结构既能通过刺激巨噬细胞营造有利的骨免疫微环境,又能促进成骨/内皮细胞的增殖和分化,且这种影响与纳米HA颗粒的尺寸呈正相关。此外,上述骨免疫微环境协同表面理化性质的影响能够通过多重信号通路(TGF-β、OPG/RANKL和VEGF)进一步促进成骨/内皮细胞的功能,最终促进骨整合。(5)通过阳极氧化在纯Ti基体上制备出不同直径(15 nm、60nm和120 nm)的TiO_2纳米管涂层。研究发现,直径为15 nm的纳米管既能通过上调血小板活化水平来介导纤维蛋白原键合形成致密纤细的血凝块结构,又能促进对骨整合有正向作用的活性因子(PDGF-AB和TGF-β1)的释放;此外,直径15 nm的纳米管能协同上述血凝块结构,通过刺激巨噬细胞营造有利的骨免疫微环境,最终促进骨整合。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4;TG146.23;R318.08
【部分图文】：

Zarb 等人将骨整合重新定义为“一种随时间变化的愈合过程，即在负载过程中逐步实现材料与骨组织刚性结合并稳定保持在骨中”[15]。该地解释了骨整合是随时间动态变化的复杂过程（图 1-1），主要历经四个同影响的阶段：早期血凝块形成、免疫炎症反应、血管新生和新骨生成[

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本文编号：2858926