具有生物安全性的新型载锌钛材料的制备及其抗菌性研究

发布时间：2019-04-27 12:42

【摘要】：传统金属植入材料(如不锈钢、钛、钛合金等)因其具有优异的生物相容性、优良的机械加工性能和耐腐蚀性能,以及其弹性模量与人骨相近等特性,已被广泛应用于骨科、齿科、矫形外科等生物医学领域。但是在应用过程中亦产生一些新的问题,比如应力遮挡,假体松动,植入物相关感染等,而其中植入物感染尤其突出且产生严重后果。由于感染后植入材料表面极易形成细菌生物膜,该细菌生物膜具有隔绝人体免疫系统攻击,以及抵抗抗生素的渗透作用,为患者带来了巨大的病痛及负担,增加临床治疗的难度。目前临床上治疗植入物相关感染常用再次手术清创翻修,局部注射高剂量抗生素等,而这些治疗均有其明显局限性,再次手术增加病人痛苦及负担,大剂量应用抗生素则会导致细菌耐药等问题。因此,怎样降低或者避免这类假体植入术后感染的发生已经成为医疗领域面临和亟待解决的重大难点问题。而金属离子具有广谱抗菌性,体内良好分散性,且几乎不产生耐药菌等优点,开发出具有抗菌特性的金属离子型植入假体材料,已经成为新型材料开发的一个热点。而金属离子主要为银、锌、铜离子应用于生物材料研究中最为广泛,本课题拟通过碱热反应将金属锌离子载入医用纯钛表面为研究对象,系统研究该新型载锌钛生物材料的生物安全性、抗菌性能及体内安全性,为新型载锌钛抗菌植入材料的研究与发展以及进一步的临床应用提供科学依据。研究目的:拟通过碱热法于纯钛表面形成多孔钛微纳米结构,同时于材料表面载入锌离子构建一种新型纯钛表面载锌材料,以该新型载锌钛材料作为实验组和纯钛材料为对照组为研究对象,以细胞与材料共培养的研究方法研究该新型载锌钛材料的血液相容性、细胞相容性。采用细菌与材料共培养方法研究其体外抗菌性能。构建植入物相关感染模型,研究该新型载锌钛材料在动物体内抗菌性及毒性,为抗菌植入材料新材料的研发与生物医学相关应用提供科学依据。研究材料与方法:以碱热法制备的新型载锌钛抗菌植入材料为研究对象,以目前临床广泛应用的植入纯钛为对照组。选用金黄色葡萄球菌标准株为抗菌实验研究细菌,利用材料与细菌共培养方法,通过共培养后予以琼脂板计数方法测定该材料的抗菌性,选用美国ATCC购买的人骨髓间充质干细胞(hBMSC)为实验研究细胞。利用材料与细胞共培养的方法,通过对人骨髓间充质干细胞(hbmsc)的增殖检测材料对细胞的毒性、材料表面细胞live/dead染色观察、材料的急性溶血实验、材料表面细胞扫描电镜观察等实验对新型载锌钛抗菌植入材料的血液相容性、细胞相容性做系统的研究;通过材料与金黄色葡萄球菌的共培养,测定该新型载锌钛抗菌生物材料的抗菌性能,并对材料与细菌共培养后的细菌进行电镜扫描观察其形态变化,从而对新型载锌钛抗菌植入材料的杀菌机制进行假想及推测。以新西兰大白兔为动物实验研究对象,予以激素行免疫抑制构建一种植入物感染易感动物模型,研究新型载锌钛抗菌植入材料在动物体内抗菌性及毒性作用。实验结果:(1)采用碱热法成功制备出钛表面多孔结构,同时使用化学法将锌附着于钛表面,而后再行模拟生物矿化达到使锌缓释的目的。(2)通过mtt实验、材料表面细胞死活染色实验、急性溶血实验及材料表面细胞形态电镜观察,证实该新型载锌钛生物材料具有良好的生物相容性;(3)材料与细菌共培养法测定载锌钛生物材料其具有良好的杀菌效果,杀菌率在90%以上,有统计学意义(p0.05)。(4)通过以新西兰大白兔植入物带入感染易感模型为应用模型,将涂有一定量细菌的纯钛组及新型载锌钛生物材料植入兔股骨髁,观察到动物体温均有升高,实验组体温增高幅度较对照组低,且有统计学意义,伤口感染情况实验组较轻,静脉血中白细胞数低于纯钛组,新型载锌钛生物材料周围骨组织单位重量的细菌含量较纯钛对照组细菌含量要低,有统计学差异(p0.05)。且静脉血中锌元素实验组和对照组无统计学差异,即新型载锌钛生物材料在体内亦具有一定的抗菌作用,且不影响血锌的含量。结论(1)通过载锌钛材料与金黄色葡萄球菌共培养后进行琼脂板细菌计数,结果发现新型载锌钛抗菌植入材料与纯钛组相比较其杀菌率为90%以上。该材料在体外抗菌实验中表现出优异的抗菌性,而通过检测该新型材料的锌离子溶出累积量而绘制曲线,可发现该材料的锌离子早期释放快,而后缓慢释放。通过锌离子与细菌共培养后进行透射电镜观察,发现细菌膜破裂,推测金属离子的杀菌机制为破坏细菌膜进行杀菌。(2)通过载锌钛材料与健康人血进行共培养,我们发现该新型载锌钛抗菌植入材料的溶血率为0.36%,远低于植入物溶血率最低要求5%,证明载锌钛生物材料具有良好的血液相容性。通过材料与hBMSC细胞的共培养,MTT法检测细胞增殖活性;通过SME扫描电镜从直观上观察细胞在材料表面的黏附、伸展,发现细胞伪足与材料表面接触良好;将材料与细胞共培养后进行死活细胞染色,结果证明活细胞数目远多于死细胞,证实人骨髓间充质干细胞在新型载锌钛抗菌植入材料表面生长良好。总体说明载锌钛抗菌植入材料具有良好的细胞相容性。(3)通过将涂布细菌的新型载锌钛抗菌植入材料植入激素免疫抑制的新西兰白兔股骨髁处,通过检测体温体重、伤口大体观察、检测血白细胞等感染指标,发现该材料的在体内的感染情况要低于对照组,证明该新型载锌钛抗菌植入材料在体内亦能发挥一定抗菌作用,且观察血液中锌离子浓度与正常新西兰白兔无明显差异。证明植入该材料后不影响血液中锌的代谢情况,证明体内生物相容性良好。综上所述,新型载锌钛抗菌植入材料具有良好的抗菌性和生物相容性,且锌离子的杀菌机制为破坏细菌膜的结构,达到杀菌效果,另一方面,由于该材料具有良好的生物相容性,故该材料与细胞适配性好可以减少细菌生存空间,达到进一步抑菌的效果。体内实验证明该材料在体内可以降低感染严重程度,展现出一定的体内抗菌性,且不影响血液中锌的浓度,证明该材料的锌离子释放毒性低甚至无毒。表现出良好的体内生物相容性。该材料具有良好的临床应用前景。
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【学位授予单位】：第二军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146;R318.08

【参考文献】

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本文编号：2466992