肿瘤假体置换感染因素分析及钛表面功能化体外生物学研究

发布时间：2017-10-22 23:17

  本文关键词：肿瘤假体置换感染因素分析及钛表面功能化体外生物学研究

  更多相关文章： 假体感染 表面功能化 生物活性 抗菌活性 钛

【摘要】：研究背景 钛及其合金具有良好的生物相容性、综合力学性能和生物环境下的抗腐蚀性能,已被广泛和大量应用于人工关节假体等骨科植入医疗器械的制造。然而,钛基植入物仍面临一些挑战与不足,如松动和感染。松动和感染等并发症一旦发生可导致明显的肢体功能障碍、增加患者痛苦、降低患者生活质量以及大大增加医疗费用。 松动和感染等并发症的发生与人工关节材料、手术方式和患者个体因素等有关。随着手术方式的不断改进和患者围手术期个性化的综合治疗,这些并发症有所下降,但仍时有发生。人工关节假体等钛基植入物存在生物惰性高、生物活性较差、不具备抗菌性能等不足,易导致早期松动和感染等并发症。如何提高材料表面生物活性,使之既能促进骨整合而又可一定程度上抑制细菌粘附,从而降低松动与感染风险,成为了当前人工关节等钛基植入物研究的热点和难点。 由于人体骨骼细胞外基质是由丰富的纳米级羟基磷灰石和胶原蛋白纳米纤维组成,许多研究工作一直致力于具备生物启发功能的纳米化表面,使生物相容性良好的钛表面成为一种仿生生物活性界面,从而提高成骨细胞的黏附,促进骨整合。然而,当前大多数的研究都是关注哺乳动物细胞和纳米表面之间的相互作用,而细菌与纳米材料之间的相互作用的相关研究却很少,其相互作用仍不清楚。 广东工业大学轻工化工学院利用化学腐蚀技术在纯钛表面制备特定形貌和尺寸的纳米化结构,但其具体的生物学性能如何尚不清楚。另一方面,有研究发现钛经紫外线照射的光催化效应可增加钛植入物的生物活性,并因其显著的活性和独特的起效机制吸引了广泛的关注。但是,紫外线照射作为一种新型的表面处理技术,经其处理的钛表面对细胞的黏附、增殖、成骨分化和矿化以及对细菌的粘附等生物学行为的影响亦尚不清楚。 研究目的 统计广州军区广州总医院骨病关节科近年来行四肢骨肿瘤瘤段切除人工关节置换术的术后感染情况,并进一步分析感染发生的相关因素。体外条件下观察酸蚀处理纳米钛对小鼠前成骨细胞粘附、增殖、成骨分化和矿化等细胞生物学功能的影响；进一步观察紫外线照射酸蚀处理纳米钛对小鼠骨髓间充质干细胞粘附、增殖、成骨分化和矿化以及对细菌的粘附等细胞生物学功能的影响,为后期动物实验及临床应用提供参考依据。 研究方法 1.肿瘤假体置换术后感染的相关因素分析 通过统计广州军区广州总医院骨病关节科2011年4月至2013年10月期间收治的31例因四肢恶性或侵袭性骨肿瘤行瘤段切除人工关节置换术的术后感染情况,并进一步对感染发生的相关危险因素进行统计分析。 2.酸蚀处理纳米钛的表征及体外生物活性研究 应用化学腐蚀技术在纯钛表面制备纳米化结构,通过扫描电镜观察材料的表面形貌,并采用直接接触法进行细胞实验,实验分为纳米表面组(N Ti组)、粗糙钛表面组(R Ti组)和光滑钛表面(S Ti组)为对照组,扫描电镜观察3组试件的超微结构,以小鼠前成骨细胞系为研究对象,采用4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole, DAPI)染色法通过荧光显微镜观察细胞的早期黏附、扫描电镜下观察材料表面细胞黏附形态、CCK-8比色法检测细胞增殖活力、对硝基苯磷酸酯(p-nitrophenylphosphate, p-NPP)法检测细胞内碱性磷酸酶(ALP)活性、茜素红染色法观察矿化结节形成并进行定量分析观察细胞材料表面的矿化能力。 3.紫外线照射酸蚀处理纳米钛的体外生物活性研究 机械加工钛(Machined Ti)与酸蚀处理钛(Acid-etched Ti)接受或不接受紫外线(UV)照射。实验分为Acid-etched Ti+UV组、Machined Ti+UV组、Acid-etched Ti组和Machined Ti组4组,通过接触角测量仪测定4组材料的接触角,观察其表面亲疏水性；通过直接接触法进行细胞及细菌实验,以小鼠骨髓间充质干细胞为研究对象,采用DAPI染色法通过荧光显微镜观察细胞的早期黏附、扫描电镜下观察材料表面细胞黏附形态、CCK-8比色法检测细胞增殖活力、p-NPP法检测细胞内碱性磷酸酶(ALP)活性、茜素红染色法观察矿化结节形成并进行定量分析观察细胞材料表面的矿化能力；以金黄色葡萄球菌及表皮葡萄球菌为研究对象,采用共培养后超声分离培养定量计数法观察4组试件对细菌粘附的影响。 结果 1.术后随访时间6-36个月,平均20.13个月。瘤段切除+肿瘤假体置换术后假体深部感染的总体感染率为16.13%(5/31)。与非感染组相比较,感染组的术前血红蛋白水平及术后使用抗生素的时间大致相同,而感染组的术前白细胞计数较低(少34.46%)、术中出血量较低(少322.61m1)、手术时间较短(短0.33h)。 2.通过HF/HNO3混合溶液预处理获得微米级台阶表面,然后以H2SO4/H2O2混合溶液继续酸蚀构建了纳米化的纯钛表面(N Ti组,又称Acid-etched Ti组),该材料在扫描电镜下观察见微米级的台阶上形成了网状纳米结构。接触角测定实验结果显示Acid-etched Ti组的的亲水性优于Machined Ti组,其表面接触角分别为20.4。和75.2。。经紫外照射处理后,两组材料的接触角均有下降,结果显示Machined Ti+UV组接触角降为28.2。,而Acid-etched+UV Ti组降为4.0。。其中,Acid-etched+UV Ti组显示超亲水性。 3.以小鼠前成骨细胞系为研究对象,观察不同表面粗糙度的材料对细胞黏附、增殖、成骨分化及矿化能力等细胞生物学功能的影响。黏附能力实验结果表明孵育30、60和120min后N Ti组材料表面黏附的细胞数均显著多于R Ti组和STi组,差异均有统计学意义(P0.01)。扫描电镜观察显示,与R Ti组和S Ti组相比,细胞在N Ti组材料表面粘附更多且铺展面积更大。增殖能力实验显示3和5d后细胞在N Ti组材料表面的增殖高于R Ti组和S Ti组,差异均有统计学意义(P0.05)。复合培养7d后,N Ti组材料表面成骨细胞的碱性磷酸酶表达显著高于R Ti组和S Ti组,差异均有统计学意义(P0.01)。复合培养14d后,茜素红染色结果显示,N Ti组材料表面钙结节的形成明显多于R Ti组和S Ti组,差异均有统计学意义(P0.01)。 4.以小鼠骨髓间充质干细胞为研究对象,观察机械加工钛与酸蚀处理钛接受或不接受紫外线照射4组材料对细胞黏附、增殖、成骨分化及矿化能力等细胞生物学功能的影响。黏附能力实验结果表明孵育30、60和120min后Acid-etched Ti组表面黏附的细胞数均显著多于Machined Ti组,差异有统计学意义(P0.01)；经紫外照射处理后,两组材料表面早期粘附的细胞数量均显著增多,差异均有统计学意义(P0.05)。扫描电镜观察显示,与Machined Ti组相比,Acid-etchedTi组表面细胞的粘附状态更佳且粘附数量更多；经紫外照射处理后,两组材料表面细胞的粘附状态及细胞数量均进一步获得改进和提高。增殖能力实验显示第1、3和5d Acid-etched组OD值均高于Machined Ti组,其中第1和5d差异均有显著性(P0.05)；经紫外照射处理后,两组材料表面细胞的增殖能力均有不同程度的提高,差异均有统计学意义(P0.05)。复合培养7d后,Acid-etchedTi组的ALP活性高于Machined Ti组,差异有统计学意义(P0.01)。经紫外照射处理后,两组材料表面细胞的增殖能力均有不同程度的提高,差异有统计学意义(P0.01)。复合培养14d后,茜素红染色结果显示,Acid-etched组OD值高于Machined Ti组,Acid-etched+UV Ti组OD值高于Acid-etched组,Machined Ti+UV组OD值高于Machined Ti组,差异均有显著性(P0.01)。 5.以金黄色葡萄球菌及表皮葡萄球菌为对象,观察机械加工钛与酸蚀处理钛接受与不接受紫外线照射4组材料对细菌黏附的影响,结果表明Acid-etched Ti组表面粘附的细菌数量显著多于Machined Ti组。经紫外照射处理后,两组材料表面粘附的细菌数量均显著减少,差异均有统计学意义(P0.05),其中Acid-etched Ti+UV组,与Acid-etched Ti组相比,降低了3-4倍。 结论 1.感染难以杜绝,本病例组的感染率与国外文献比较并不高。由于手术前后经历化疗,患者抵抗力下降,白细胞数量少,更容易出现感染。在目前的医疗环境和社会环境中,抗菌素使用面临困境。 2.我们利用化学腐蚀技术,通过HF/HNO3混合溶液预处理获得微米级台阶表面,然后以H2SO4/H2O2混合溶液继续酸蚀构建了纳米化的纯钛表面。该表面为一种类似网状的表面超微结构,其表面网状突起为纳米级。 3.体外实验结果显示,纯钛纳米网具有良好的促进成骨细胞粘附、增殖、成骨分化和矿化的生物活性,可能有利于促进植入物与周围组织的骨整合。 4.酸蚀处理纳米化钛结合紫外线照射处理对细胞粘附、增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性和成骨矿化也表现出显著的促进作用,可能更有利于促进植入物与周围组织的骨整合。 5.未经紫外线照射处理,酸蚀处理钛表面既可促进骨髓间充质干细胞(BMSC)的粘附,又可增加细菌粘附；紫外线照射处理的酸蚀处理纳米化表面不仅显著促进的细胞粘附,而且也能抑制细菌粘附。纳米化表面改性结合紫外线照射处理组合改性的纯钛,既有利于促进植入物与周围组织的整合,又可抑制表面细菌粘附,在骨科植入材料方面可能具有良好的应用前景。
【关键词】：假体感染 表面功能化 生物活性 抗菌活性 钛
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 前言16-20
• 第一章 肿瘤假体置换术后感染的相关因素分析20-25
• 1 引言20
• 2 材料与方法20-21
• 3 结果21-22
• 4 讨论22-24
• 5 小结24
• 参考文献24-25
• 第二章 酸蚀处理纳米钛的表征及体外生物活性研究25-38
• 1 引言25
• 2 材料与方法25-28
• 3 结果28-33
• 4 讨论33-34
• 5 小结34-35
• 参考文献35-38
• 第三章 紫外线照射酸蚀处理纳米钛的体外生物活性研究38-57
• 1 引言38-39
• 2 材料与方法39-43
• 3 结果43-50
• 4 讨论50-52
• 5 小结52
• 参考文献52-57
• 全文总结57-58
• 综述58-69
• 参考文献64-69
• 攻读硕士学位期间发表论文69-70
• 致谢70-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

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本文编号：1080543