载锶微纳米化涂层的构建及生物学活性评价

发布时间：2017-10-27 03:09

  本文关键词：载锶微纳米化涂层的构建及生物学活性评价

  更多相关文章： 锶 微米 纳米 微/纳米 酸蚀 磁控溅射 成骨细胞 骨髓间充质干细胞 骨结合 骨质疏松 种植体 表面处理 即刻种植

【摘要】：【背景】牙种植体由于其良好的功能及美学效果,是目前口腔临床上公认的缺失牙修复的最佳方案。但目前种植临床上仍存在以下难题:首先,对于一些患有骨代谢疾病的患者种植效果仍然不理想,比如骨质疏松症(Osteoporosis,OP);其次,常规种植治疗从拔牙到最终修复完成大约需要6~12个月的周期,这在很大程度上影响了患者对种植的接受程度。因此如何改善OP下种植效果,并且缩短种植治疗周期是口腔临床上亟待解决的难题。种植体表面处理是目前国内外公认的提高种植成功率的有效手段,种植体表面处理方法主要包括表面粗化和化学改性两大类。表面粗化是通过物理或化学的方法将种植体表面处理成微米、纳米等不同级别的粗糙度来提高种植体的骨结合率,目前纳米级表面由于其良好的生物学活性成为近年来学者们研究的热点。同时,一种新的观点认为从仿生学观点来看,将种植体表面处理成为微米、纳米分层叠加的结构,可以更有效的模拟骨组织微米纳米分层组装的的天然结构,从而更好地促进种植体周围骨生成。纳米化及微/纳米表面处理已成为目前种植体表面粗化的研究趋势。表面化学改性是通过在种植体表面增加新的化学成分来提高种植体骨结合效果。锶由于具有同时促进成骨和抑制破骨的双重作用,在骨质疏松的临床治疗中得到了广泛应用,在种植体表面载入促进骨生成的锶元素不仅可以提高种植体周围新生骨量,还可避免锶的全身应用带来的一系列并发症。因此,在种植体表面载入锶元素为种植体表面化学改性提供了一个新的选择思路。本研究尝试将载锶化学改性及纳米、微/纳米表面粗化处理两种方式结合起来,在种植体表面构建不同粗糙度及化学组成的的种植体表面,评估其对种植体骨结合的影响,同时对氧化钛纳米管(NT-Ti O2)和载锶纳米表面(NT-Sr)两种纳米化涂层进行比较,评估二者对于拔牙后即刻种植骨结合的影响。【目的】通过材料学性能检测、离体细胞生物学活性评估及在体动物实验观察,来分析粗糙度和表面化学成分各异的表面涂层在种植体骨结合形成过程中所起的作用,并评价MNT-Sr表面对正常骨质及OP条件下对种植体骨结合的影响。同时比较阳极氧化法制备的氧化钛纳米管表面与磁控溅射技术制备的载锶纳米化表面对拔牙后即刻种植骨结合的影响。【方法】1、采用HF酸蚀+磁控溅射的方法制备微/纳米化载锶表面(MNT-Sr),选择光滑表面钛(ST)、HF酸蚀制备的微米表面钛(MT)、磁控溅射法制备的纳米载锶表面钛(NT-Sr)作为对照组,扫描电镜(SEM)、原子力学显微镜(AFM)观察四种不同表面的微观形貌,SEM观察样品断层界面,X射线光电子分光镜检查(XPS)与X衍射物相分析(XRD)检测表面化学成分,环氧树脂对接拉伸试验接侧涂层界面结合强度,通过接触角测定评价其亲水性,离子释放试验检测锶离子在PBS溶液中的释放规律;2、将小鼠MC3T3-E1成骨细胞系接种于ST、MT、NT-Sr、MNT-Sr四种不同表面样品上,通过细胞粘附试验观察早期粘附,MTT方法检测细胞增殖能力,SEM及免疫荧光染色观察细胞形态,碱性磷酸酶(ALP)活性评价细胞成骨分化能力;3、在四种不同钛片表面进行大鼠原代骨髓间充质干细胞(BMSCs)体外培养,观察不同表面对BMSCs早期粘附、增殖、形态、分化等生物活性的影响;4、将四种不同表面的钛种植体植入正常大鼠股骨,3月后处死取材,通过Micro-CT观察种植体周围骨改建情况,四环素-钙黄绿素双荧光标记分析种植体周围骨矿化沉积率(Bone Mineralization Apposition Rate,MAR),亚甲基蓝酸性品红染色观察种植体周围骨结合率(Bone-to-implant,BIC),最大拔出力检测评估种植体周围骨结合力;5、采用切除大鼠双侧卵巢的方法建立OP动物模型,然后将四种不同表面种植体植入OP大鼠股骨,饲养3月后处死取材,通过Micro-CT扫描、组织学染色分析、生物力学检测评价种植体周围骨结合效果;6、比较阳极氧化处理制备的氧化钛纳米管表面(NT-Ti O2)与磁控溅射技术制备的载锶纳米颗粒表面(NT-Sr)的表面材料学性能,然后将其植入犬拔牙后新鲜牙槽窝内,术后3月处死取材评价两种不同纳米化表面对拔牙后即刻种植骨结合的影响。【结果】1、通过HF酸蚀方法成功制备了直径2~5μm微米坑窝状结构,磁控溅射法在钛表面构建均匀分布的直径20~40nm的纳米颗粒表面,HF酸蚀+磁控溅射方法制备微米坑复合纳米颗粒的微/纳米涂层表面;两组载锶样品表面涂层厚度未20~40nm,经XPS分析NT-Sr及MNT-Sr表面载入了非结晶态的锶元素;而且载锶涂层具有良好的界面结合强度;接触角测定发现MT亲水性最佳,其次是MNT-Sr、NT-Sr、ST;在MNT-Sr及NT-Sr浸泡后的PBS溶液中检测到了锶离子的释放,并且随着时间的推移,锶离子释放速度逐渐减慢,而同期MNT-Sr表面锶离子释放量大于NT-Sr表面;2、与其他三组相比,MT组粘附了更多的小鼠MC3T3-E1成骨细胞;MTT试验提示4d时MT与MNT-Sr表现出较强的细胞增殖能力,第7d时,MNT-Sr增殖能力更强;ST与NT-Sr组细胞表现为较强的伸展性,但NT-Sr组细胞伸出较多伪足,且细胞之间接触更广泛,MT与MNT-Sr表面细胞多表现为长梭形或多角形,与MT相比,MNT-Sr表面细胞间连接更多,且细胞伪足更加粗壮;MNT-Sr的ALP活性最佳,其次是NT-Sr、ST、MT;3、细胞粘附试验发现在四组表面粘附的BMSCs数目随着时间推移不断增加;与其他三种表面相比,MT在30min、60min、120min粘附了更多的BMSCs,具有统计学意义;同时,在30min时,MNT-Sr表面比ST及NT-Sr表面粘附了更多BMSCs;细胞增殖能力检测发现,与ST和MNT-Sr相比,MT在4和7d时更有利于细胞增殖。细胞培养7d后,MT组细胞增殖能力高于NT-Sr;同时4d时,NT-Sr表面细胞活性高于MNT-Sr表面。细胞形态观察发现,ST与NT-Sr表面细胞主要以伸展性较好的扁平状细胞为主,但区别在于NT-Sr表面BMSCs细胞间接触交流明显多于ST表面;而MT与MNT-Sr表面主要以长梭形或伪足较多的多角形细胞为主,但与MT表面BMSCs相比,MNT-Sr表面BMSCs伸出的突触更为宽大粗壮。与NT-Sr和MNT-Sr表面相比,MT表面的ALP活性显著下降,具有统计学意义,且MNT-Sr组具有最高的成骨矿化能力;4、种植体植入后3月,Micro-CT扫描结果提示MNT-Sr组骨体积分数(BV/TV)、骨小梁数目(Tb.N)、骨小梁厚度(Tb.Th)均显著高于其他三组,而骨小梁间隙(Tb.Sp)低于MT组;BV/TV方面MT组高于NT-Sr组,NT-Sr高于ST组;ST、MT、NT-Sr、MNT-Sr骨矿化沉积率(MAR)分别是1.6±0.45μm/d、2.32±0.59μm/d、2.92±0.58μm/d、3.66±0.62μm/d;骨结合率(BIC)分别为39.70±6.00%、57.60±7.79%、46.10±5.51%、70.38±8.61%;最大拔出力分别为108.9±46.50N、176.4±47.85N、136.9±21.65N、231.4±67.66N;5、大鼠切除卵巢后3月,Micro-CT扫描发现,去势大鼠骨小梁明显变细,骨髓腔变大,骨质变得疏松,BV/TV、Tb.N、Tb.Th等骨小梁参数均显著下降,Tb.Sp显著升高。种植体植入OP建模成功的大鼠股骨3月后取材观察发现,MNT-Sr组种植体周围新生骨量、BIC、MAR、最大拔出力均优于其他三组;虽然NT-Sr组MAR高于MT组,但是在种植体周围新生骨量、BIC、最大拔出力方面,MT组均高于NT-Sr组;6、SEM扫描结果提示,通过阳极氧化方法在光滑钛片表面制备了直径为15~80nm管径的氧化钛纳米管表面(NT-Ti O2),通过磁控溅射法制备了载锶直径20~40nm纳米颗粒化表面(NT-Sr)。通过环氧树脂对接拉伸试验发现,NT-Sr表面的纳米颗粒表面具有更好的界面结合强度。即刻种植后3月Micro-CT结果、亚甲基蓝酸性品红染色及轴向拔出试验提示与NT-Ti O2表面种植体相比,NT-Sr组更有利于促进拔牙后即刻种植的骨结合效果。【结论】1、HF酸蚀方法可以在钛表面制备微米凹坑状结构,磁控溅射法可以在钛表面构建纳米化表面,同时载入锶元素,通过HF酸蚀+磁控溅射的方法可以在钛表面成功构建载锶微/纳米化的仿生涂层,MT和MNT-Sr表面具有更好的亲水性,而磁控溅射制备的载锶表面可以实现锶的持续缓慢释放;2、HF酸蚀的微米级表面更有利于成骨细胞的早期粘附,而载锶的纳米级表面更有利于提高成骨分化活性,并有助于加强细胞间连接,载锶的微/纳米表面综合了微米、纳米及锶的生物学作用,进而更有助于提高成骨细胞体外生物活性;3、与其他三种表面相比,MT表面更有利于大鼠BMSCs的早期粘附及增殖,NT-Sr和MNT-Sr两种表面对BMSCs早期粘附和增殖的影响无显著差别;在四组样品中,NT-Sr与MNT-Sr表面更有利于BMSCs成骨分化;4、载锶纳米化表面更有利于种植体周围骨矿化,但与载锶纳米化表面相比,微米级表面更有利于种植体骨结合效果,与其他三组相比,MNT-Sr表面对骨结合促进效果最为明显;5、由于MNT-Sr表面在提高种植体表面粗糙度的同时,载入了具有抗OP作用的锶元素,使其可以有效提高骨质疏松下种植体骨结合效果;6、与NT-Ti O2表面相比,具有良好的涂层界面结合强度的NT-Sr表面更有利于拔牙后即刻种植。
【关键词】：锶 微米 纳米 微/纳米 酸蚀 磁控溅射 成骨细胞 骨髓间充质干细胞 骨结合 骨质疏松 种植体 表面处理 即刻种植
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R783.1
【目录】：

• 缩略语表5-7
• 中文摘要7-12
• 英文摘要12-20
• 前言20-22
• 文献回顾22-37
• 第一部分 载锶微纳米化涂层的构建及材料学性能检测37-48
• 1 材料37-38
• 2 方法38-39
• 3 结果39-45
• 4 讨论45-48
• 第二部分 载锶微纳米化涂层对成骨细胞生物学功能的影响48-58
• 1 材料48-49
• 2 方法49-50
• 3 结果50-56
• 4 讨论56-58
• 第三部分 载锶微纳米化涂层对骨髓间充质干细胞生物活性的影响58-69
• 1 材料58-59
• 2 方法59-60
• 3 结果60-67
• 4 讨论67-69
• 第四部分 载锶微纳米化涂层对正常骨质种植体骨结合的影响69-78
• 1 材料70
• 2 方法70-72
• 3 结果72-76
• 4 讨论76-78
• 第五部分 载锶微纳米化涂层对OP下种植体骨结合的影响78-89
• 1 材料79-80
• 2 方法80-83
• 3 结果83-87
• 4 讨论87-89
• 第六部分 两种不同纳米化涂层对拔牙后即刻种植骨结合的影响89-100
• 1 材料89-90
• 2 方法90-93
• 3 结果93-99
• 4 讨论99-100
• 小结100-102
• 参考文献102-114
• 个人简历和研究成果114-116
• 致谢116

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 房思思;张丽萍;刘璐;;氟的生物学作用——氟对骨的作用[J];微量元素与健康研究;2011年04期

2 凌云华;裘雁冰;陆益;吴洪斌;;雷洛昔芬的安全性评介[J];药物不良反应杂志;2007年02期

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本文编号：1101639