含锶纳米管涂层种植体在正常及骨质疏松大鼠体内骨整合研究

发布时间：2017-07-29 10:02

  本文关键词：含锶纳米管涂层种植体在正常及骨质疏松大鼠体内骨整合研究

  更多相关文章： 纯钛 酸蚀 阳极氧化 锶 纳米管 含锶纳米管 水热处理 锶 纳米管 骨整合 体内 骨质疏松 大鼠 切除卵巢 骨质疏松 锶 纳米管 骨整合 体内

【摘要】：使钛种植体在正常骨环境下甚至异常骨环境下(如骨质疏松等)均能发挥出卓越的骨整合能力是目前临床的迫切需求。目前骨质疏松仍被视为种植牙植入的相对禁忌症。因此,研制一种适合于骨质疏松患者使用的种植体,使其能够调节种植体周围骨的代谢,形成长期有效的骨整合,从而提高临床植入成功率,延长种植体使用寿命,具有重要的临床意义。在纯钛表面形成微纳米形貌能够很好地模拟人体骨组织的细微结构,从仿生学角度考虑此形貌可能具有更加优良的细胞生物学效应;同时表面所形成的纳米管样结构还具有药物载体潜力。因此可以设想在Ti O2纳米管中载入合适的生物活性成分,通过纳米形貌因素与缓释活性成分的联合作用有望获得更为长期和强效的成骨诱导能力。锶是人体内含有的必需微量元素,与骨骼的形成密切相关,研究发现摄入合适剂量的锶制剂不仅促进骨新生还同时抑制骨吸收,从而从两个方面共同促进成骨。锶制剂(如雷尼酸锶)用于治疗骨质疏松时,显示出可有效增加骨量,提高骨抗力的良好疗效。学者们普遍认为,无论在正常还是骨质疏松条件下,锶促进骨形成的作用在于其促进成骨细胞功能和抑制破骨细胞功能的双向调节作用。一方面,锶可促进成骨细胞增殖、表型成熟、一型胶原(Col-1)合成和矿化,另一方面,锶通过多种机制抑制骨吸收。另有报道称锶具有剂量依赖性地诱导破骨细胞凋亡的作用。本课题组前期体外实验发现将纳米管与锶这二者优势结合起来形成的纯钛表面含锶纳米管涂层(NT-Sr)能够更有效促进新骨的生成与矿化。但将其应用于动物体内是否依然有效尚有待进一步验证。本次研究采用酸蚀法结合电化学阳极氧化法,首先在纯钛试件表面形成仿生微纳米形貌。再通过水热处理的方法得到不同管径和不同锶含量的含锶纳米管涂层种植体。在对该涂层的微观形貌、元素组成等进行初步观察的基础上,采用活体植入实验考察NT-Sr涂层钛种植体的在正常大鼠及骨质疏松大鼠体内骨整合过程,探讨纳米管和锶的复合效应对骨整合的影响规律与机制;比较不同锶浓度、不同管径纳米管涂层成骨活性、骨整合的差异,为临床筛选可应用于骨质疏松条件下的含锶纳米管涂层种植体提供实验依据。本研究结果为钛植入材料表面锶元素的修饰与加载提供了新的思路,在正常与骨质疏松大鼠体内的研究结果为载锶种植体的临床应用提供参考,尤其是针对临床骨质疏松患者,提供了有效提高种植体成功率的方法和思路。第一部分含锶纳米管涂层种植体的制备【目的】在有规则螺纹的纯钛种植体表面制备出不同管径的纳米管涂层和不同管径不同锶含量的含锶纳米管涂层,为进一步体内研究含锶纳米管涂层对骨形成的影响打下基础。【方法】首先采用氢氟酸溶液酸蚀种植体试件得到纯钛表面微米坑形貌,接着利用超声清洗仪彻底清除表面杂质,再采用稳压直流电源分别在10V和40V两个电压下对试件进行阳极氧化1小时和40分钟,分别形成试件NT10和NT40,采用场发射扫描电镜观察试件表面形貌。之后将具有纳米管表面形貌的试件NT10和NT40在Sr(OH)2溶液中分别水热处理1小时和3小时,形成试件NT10-Sr1、NT10-Sr3、NT40-Sr1和NT40-Sr3,得到含锶纳米管表面结构,采用场发射扫描电镜观察试件表面形貌;各组试件表面成分通过能量色散X射线光谱法分析检测锶元素含量。【结果】在纯钛试件表面形成了微米坑复合不同管径Ti O2纳米管的微纳米复合表面形貌。纳米管管径大小与阳极氧化电压成正相关,10V和40V两种电压下分别形成管径约为30nm和80nm的规则排列的纳米管阵列。水热处理载锶后,电镜下观察可见规则的纳米管阵列,伴随着纳米管化学成分由Ti O2转化成Sr Ti O3,纳米管口发生卷曲膨胀导致管壁增厚管径缩小,随着水热处理时间的延长这种趋势更加明显。试件表面的Ti O2不断地溶解并与溶液中的Sr(OH)2发生化学反应在表面沉积生成Sr Ti O3,不断的溶解-沉积过程使得试件表面变得更加光滑。通过能量色散X射线光谱法分析检测可知,水热处理3小时比1小时组含锶量高,80nm管径的纳米管涂层比30nm管径的载锶量高。【结论】通过酸蚀和阳极氧化相结合的方法能够在纯钛试件表面形成微米坑复合纳米级别的Ti O2纳米管的微纳米形貌;继续应用水热处理的方法可以将锶载入纳米管,得到不同管径不同锶含量的表面含锶纳米管涂层。第二部分含锶纳米管涂层种植体在正常大鼠体内的骨整合研究【目的】将不同管径的纳米管涂层和不同管径不同锶含量的含锶纳米管涂层种植体植入动物体内,评价各种涂层在正常大鼠体内的骨整合效果,筛选出具有最佳骨整合效果的表面涂层设计,为下一步的临床应用提供实验依据。【方法】将7组具有不同表面结构的种植体(Ti:光滑对照组;NT10:阳极氧化电压10V组;NT10-Sr1:阳极氧化电压10V并水热处理1h组;NT10-Sr3:阳极氧化电压10V并水热处理3h组;NT40:阳极氧化电压40V组;NT40-Sr1:阳极氧化电压40V并水热处理1h组;NT40-Sr3:阳极氧化电压40V并水热处理3h组)分别植入3月龄雌性SD大鼠的股骨和胫骨内,分别于植入手术4周和12周后,采集含有种植体的骨标本。首先采用Micro-CT扫描分析,通过图形重建观察种植体周围ROI的促成骨效果,通过测量骨量和骨小梁参数对比研究各组涂层材料的骨整合能力;接着将标本进行硬组织切片,通过序列免疫荧光染色和VG染色的方法进行组织形态学检测,利用计算机软件进行组织形态测量学分析,观察涂层材料对骨代谢的影响,并计算骨-种植体结合率(BIC)和骨矿化沉积率(MAR);将含有种植体的胫骨标本进行生物力学检测(Pull-out test),检测各组涂层材料的骨整合质量。【结果】Micro-CT扫描分析和序列免疫荧光染色的结果显示NT10-Sr3组含锶纳米管涂层种植体显著提高了其周围ROI新生骨量,VG染色和生物力学检测的结果显示NT10-Sr3组含锶纳米管涂层种植体显著提高了种植体与骨的结合质量,并且长期有效。【结论】在正常大鼠体内,NT10-Sr3组含锶纳米管涂层具有良好的组织相容性和骨整合能力。作为一种药物缓释系统,纳米管可有效载锶并在局部长期缓释锶,起到快速成骨和增强种植体与周围骨连接的作用,这为将含锶纳米管涂层种植体应用于骨质疏松患者提供了可能。第三部分含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松大鼠体内的骨整合研究实验一骨质疏松动物模型的建立【目的】为研究含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松条件下的骨整合作用提供合适的动物模型。【方法】切除3月龄雌性SD大鼠双侧卵巢,术后给予致骨质疏松饮食饲养12周;而假手术组不切除卵巢而是切除与卵巢同等体积的脂肪,术后给予常规饮食饲养12周。然后处死动物收集股骨标本,应用Micro-CT扫描分析和HE染色组织学观察对结果进行评估。【结果】Micro-CT扫描结果可见切除双侧卵巢12周后的大鼠股骨,无论是骨皮质还是骨松质均比假手术组更加菲薄,骨小梁更加稀疏;量化分析显示感兴趣区的骨体积分数(BV/TV)和骨小梁厚度(Tb.Th)减小,说明去卵巢后造成骨量减少,骨小梁厚度变得菲薄;而骨体积与的骨表面积比值(BS/BV),骨小梁数目(Tb.N)和骨小梁间隙(Tb.Sp)则变大,说明骨结构变得空心化,骨质疏松。HE染色组织学观察可见切除卵巢组大鼠股骨髓腔感兴趣区的骨小梁分布比较稀疏,骨量明显减少,微结构退化。【结论】通过切除大鼠双侧卵巢的方法可以建立骨质疏松动物模型。实验二含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松大鼠体内的骨整合研究【目的】评价含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松大鼠体内的骨整合效果,筛选出具有最佳骨整合效果的设计,为下一步的临床应用提供实验依据。【方法】将5组具有不同表面结构的种植体(Ti、NT10、NT10-Sr3、NT40和NT40-Sr3)分别植入切除卵巢3个月后的雌性SD大鼠的股骨和胫骨内,分别于植入手术4周和12周后,采集含有种植体的骨标本。首先采用Micro-CT扫描分析,通过图形重建观察种植体周围ROI的促成骨效果,通过测量骨量和骨小梁参数对比研究各组涂层材料的骨整合能力。接着将标本进行硬组织切片,通过序列免疫荧光染色和VG染色的方法进行组织形态学检测,并利用计算机软件进行组织形态测量学分析,观察涂层材料对骨代谢的影响,并计算骨-种植体结合率(BIC)和骨矿化沉积率(MAR)。将含有种植体的胫骨标本进行生物力学检测(Pull-out test),检测各组涂层材料的骨整合质量。【结果】骨质疏松条件下,Micro-CT扫描分析和序列免疫荧光染色的结果显示NT10-Sr3组含锶纳米管涂层种植体显著提高了其周围ROI新生骨量,改善了骨质量;VG染色和生物力学检测的结果显示NT10-Sr3组含锶纳米管涂层种植体显著提高了种植体与骨的结合质量。【结论】在骨质疏松大鼠体内,NT10-Sr3组含锶纳米管涂层具有良好的组织相容性和骨整合能力。含锶纳米管涂层作为一种药物缓释系统能起到长效增强骨质的作用。
【关键词】：纯钛 酸蚀 阳极氧化 锶 纳米管 含锶纳米管 水热处理 锶 纳米管 骨整合 体内 骨质疏松 大鼠 切除卵巢 骨质疏松 锶 纳米管 骨整合 体内
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R580;R783.6
【目录】：

• 缩略语表5-7
• 中文摘要7-13
• 英文摘要13-18
• 前言18-21
• 文献回顾21-42
• 第一部分 含锶纳米管涂层种植体的制备42-48
• 引言42-43
• 1 材料与方法43-44
• 2 结果44-45
• 3 讨论45-47
• 4 结论47-48
• 第二部分 含锶纳米管涂层种植体在正常大鼠体内骨整合研究48-68
• 引言48
• 1 材料与仪器48-49
• 2 实验方法49-53
• 3 结果53-62
• 4 讨论62-67
• 5 结论67-68
• 第三部分 含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松大鼠体内骨整合研究68-89
• 引言68-69
• 实验一 建立骨质疏松动物模型69-72
• 1 实验动物69
• 2 手术方法69
• 3 骨质疏松情况评估69-71
• 4 讨论71-72
• 实验二 含锶纳米管涂层种植体在骨质疏松大鼠体内骨整合研究72-89
• 1 实验材料72
• 2 实验方法72-73
• 3 结果73-84
• 4 讨论84-88
• 5 结论88-89
• 小结89-91
• 参考文献91-98
• 个人简历和研究成果98-99
• 致谢99

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本文编号：588570