氧化钛纳米管涂层的构建、改性、抗菌及骨整合性能研究

发布时间：2018-10-04 20:54

【摘要】：背景钛及钛合金因其良好的物理性能和生物相容性已被广泛应用于内植物中,但仍有一部分病例因骨整合不良、感染等而导致内植物松动失败,因此钛表面改性一直是国内外内固定材料领域研究的热点。材料的表面特性如材料表面形貌对其骨整合能力有很大影响,学者们采用多种方法改变骨植入材料的表面形貌以提高其生物性能。天然骨是羟基磷灰石、胶原以及其它生物分子组成的复合纳米结构,因而相对于宏观和微观尺度的内植物表面,骨细胞更适应于具有纳米级粗糙植入体表面。钛植入材料表面纳米结构化是改进其生物活性和增强其骨整合能力的重要途径。其中,氧化钛纳米管(TiO2-NT)涂层成为近来该领域研究中的热点。通过改变阳极氧化电压的高低能有效调节TiO2-NT直径大小。不同直径TiO2-NT对间充质干细胞和成骨细胞的成骨性能研究有一些,但是直径大小和成骨能力强弱关系还存在争论。内植物的整合关系骨形成和骨吸收两方面,TiO2-NT直径大小和破骨细胞形成及活性的研究则很少。锌(Zn)是骨形成过程中的一重要的微量元素并且对成骨细胞活性,碱性磷酸酶活性和胶原合成非常重要。Zn的抗菌活性在含zn的材料中被观察到。zn陶瓷和磷酸锌因为能缓慢释放出抑制细菌增值的zn离子而被广泛应用到临床中。因此通过Zn在TiO2-NT中的加载及缓释有可能提高内植物的骨整合和抗感染能力。锶(Sr)是目前已应用于临床的唯一能促进骨形成和抑制骨吸收的抗骨松药物。口服Sr剂会引起恶心、腹泻、头痛等不良反应。将Sr加载到TiO2-NT中,通过局部缓释作用,可能形成一种能有效促进骨质疏松患者骨整合的内植物材料。目的制备不同直径TiO2-NT涂层并研究直径大小对成骨细胞活性的作用及对破骨细胞形成和活性的影响。将Zn加载到TiO2-NT中,研究其骨形成和抗菌活性。将Sr加载到TiO2-NT中,探讨对破骨细胞形成和活性的作用及在骨质疏松大鼠模型体内植入后内植物的骨整合情况。方法用阳极氧化方法制备TiO2-NT,场发射扫描电镜观察制备的TiO2纳米管的管径大小、管的完整性和膜的均匀程度等。在10、40和60v电压下阳极氧化生成不同直径的TiO2-NT。体外实验中,骨髓单核细胞(BMMs)培养到样品表面行破骨细胞诱导分化培养,观察不同直径纳米管样品表面破骨细胞形成,TRAP活性和染色,破骨细胞活性相关基因表达。间充质干细胞(MSCs)接种到样品表面观察细胞外基质矿化情况。通过在醋酸锌溶液中水热的方法将Zn加载到TiO2-NT中,不同水热时间下以获取不同的加载量。体外实验行蛋白粘附检测,DAPI计数细胞粘附,LDH试剂盒测细胞毒性,CCK-8法测细胞增殖,电镜观察细胞形态,试剂盒检测细胞碱性磷酸酶(ALP)活性,实时定量PCR检测成骨相关基因的表达,茜素红染色观察细胞外基质矿化,对培养液中浮游及粘附细菌抗菌活性检测和细菌培养皿中抗菌情况进行观察。体内实验中内植物植入大鼠胫骨中微CT检测骨参数,生物力学仪检测最大拔出力。通过在Sr(OH)2溶液中水热的方法将Sr加载到TiO2-NT中,不同水热时间下以获取不同的加载量。体外实验中细胞骨架荧光染色加DAPI染色观察材料表面破骨细胞形成,TRAP染色观察样品周围破骨细胞形成。TRAP活性检测和骨吸收实验检测破骨细胞活性。建立骨质疏松大鼠模型并将材料植入胫骨上端,行微CT和骨切片观察内植物周围骨整合并行骨参数检测。结果直径约为30nm、80nm和120nm的TiO2-NT通过分别在10v、40v和60v电压条件下通过阳极氧化的方法制备而成。在Ti基底的表面引入TiO2-NT显著地减少了破骨细胞形成数目和活性,明显增强了MSCs的成骨活性。随着纳米管直径的增加,破骨细胞的数目、TRAP染色和TRAP活性、破骨细胞活性相关基因表达进一步受到抑制,而MSCs矿化活性逐渐增强。 Zn通过水热的方法加载到TiO2-NT内壁上,加载的Zn的量可以通过调节水热处理的时间来调节。MC3T3-E1的矿化随着Zn的加载而增强。植入大鼠体内四周后,钛纳米管材料内植物的周围有更多的骨小梁形成并且骨整合的参数得到了增强,特别是在zn加载后效应更加明显。培养液中浮游细菌,样品表面粘附细菌及和样品接触的细菌固体培养基表面的细菌生长被NT-Zn显著抑制。在含Sr的溶液中水热处理后,Sr加载到TiO2-NT中形成NT-Sr。SEM图像显示Sr分布于纳米管的外侧和内壁中。在PBS溶液中浸泡的方法显示了Sr的缓慢释放过程。在体外实验中,NT-Sr样品表面和样品周围的破骨细胞形成及活性受到了明显地抑制。通过双侧卵巢切除的方法建立了大鼠骨质疏松模型并将内植物植入大鼠胫骨中。微CT和骨切片检测到NT-Sr内植物周围骨小梁、骨量和骨整合明显加强。结论 TiO2-NT能够抑制破骨细胞形成和活性。另外,我们可以通过调整纳米管直径的大小改变破骨细胞的形成和活性。随着纳米管直径的增加,MSCs成骨分化活性增强。总的来说,大直径的纳米管内植物材料如NT60可以更好地抑制骨吸收和加强骨形成,从而能够更好预防内植物的松动和失败。 Zn通过在醋酸锌溶液中水热的方法加载到TiO2-NT中形成NT-Zn。NT-Zn不仅在体外和体内实验中促进骨形成进而加强骨和内植物的整合,而且有效抑制细菌的增殖从而预防内植物感染的发生。 NT-Sr通过TiO2-NT于Sr溶液中水热处理的方法形成并能缓慢释放出Sr。体外实验中NT-Sr表面及周围破骨细胞形成和活性受到抑制。体内实验中,NT-Sr表面骨量明显增多,骨小梁参数增强,拥有更好的骨整合。NT-Sr的效应随着加载的Sr量增多而加强。NT-Sr涂层形成简单且经济有效,可能成为骨质疏松症患者一种较为理想的内植物材料。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08

【参考文献】