钛基骨修复材料设计及其生物学评价

发布时间：2020-06-08 19:12

【摘要】：钛基骨科材料植入体内后,面临两大临床挑战:无菌性松动及细菌感染,直接决定了植入成败及长期使用寿命。无菌性松动源于多种因素,包括生理载荷下植入体相对于骨的微移动、植入体生成的磨损颗粒诱发炎症反应和骨吸收、钛基材料与骨组织之间力学性能不适配而引发的“应力遮挡”,以及植入体和患者骨组织之间的骨整合性不足。此外,细菌感染是导致植入失败和翻修手术的另一主要因素。基于此,优异的骨整合性和预防细菌感染是植入体植入成功所必需。因而,优化植入体设计,赋予钛及钛合金多重生物功能至关重要。本论文从骨组织生长和重塑过程中骨形成与血管形成耦合的角度出发,采用阳极氧化和层层自组装(LBL)技术构建了兼具抗菌性能的促成骨/成血管分化的药械结合体系,提高骨生成能力。进而,我们从仿生自然骨微纳结构角度出发,采用3D打印技术制造了匹配自然骨组织力学性能的多孔Ti6Al4V支架,并采用冷冻干燥法制备了兼具抗菌、抗肿瘤和促骨生成能力的三相仿生复合支架。本论文主要研究内容和结论如下:1.层层自组装修饰载药钛纳米管促骨/血管生成研究利用阳极氧化制备二氧化钛纳米管(TNT)阵列作为药物储池,装载去铁胺(DFO)药物,然后采用LBL技术在载药纳米管表面构筑壳聚糖(Chi)和明胶(Gel)仿生多层膜结构,命名为TNT-DFO-LBL。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量等手段对基材的物理化学性质进行了表征,证实在TNT阵列上已成功构建多层膜结构。检测显示DFO以持续缓慢的方式释放。该药械结合基材能显著改善骨髓间充质干细胞(MSCs)的粘附、增殖和成骨分化,并促进人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的生长。此外,TNT-DFO-LBL通过激活MSCs细胞HIF-1α信号通路,上调成骨和成血管相关基因表达,促进体内成骨生成能力。2.兼具促成骨和成血管化的酶响应性抗菌钛基植入体研究首先将庆大霉素(Gen)共价接枝到透明质酸(HA)分子上获得透明质酸酶(HAase)敏感的HA-Gen偶合物。然后,采用LBL技术在装载DFO药物的TNT表面构筑Chi/HA-Gen多层膜结构,称为TNT/DFO/HA-Gen。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(~1H NMR)对HA-Gen进行表征。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量对基材的物理化学性质进行表征。在外源性HAase存在时,DFO快速释放,这与HAase触发的多层膜降解有关。TNT/DFO/HA-Gen基材对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)有良好的抗细菌粘附和抗菌性能,但利于MSCs细胞粘附,而且能同时促进MSCs成骨/成血管分化。3.3D打印不同孔径的多孔Ti6Al4V植入体促骨生成研究为考察多孔Ti6Al4V支架孔径尺寸大小对生物学性能的影响,我们设计并采用选区激光熔融(SLM)技术制造了不同孔径的(500、700和900μm)多孔Ti6Al4V植入物,分别命名为p500、p700和p900。通过表征多孔Ti6Al4V支架形态特征,其实际孔径分别为401±26μm、607±24μm和801±33μm。静态力学性能结果显示,多孔Ti6Al4V支架的力学性质与骨组织相匹配。结果表明,3D打印技术能够制备类似于人骨力学性能的多孔Ti6Al4V植入物。体外实验结果表明,适当的孔径尺寸利于细胞粘附、增殖和早期分化。此外,将多孔Ti6Al4V支架植入兔股骨评价体内促成骨能力,实验结果表明p700样品利于骨组织长入孔内和骨-植入体的稳固性。综上所述,p700组样品(实际孔径约为600μm)的生物学性能优于其他两组。以上结果为设计和制造具有特定几何形状的多孔Ti6Al4V支架材料提供科学依据。4.具有抗菌、抗肿瘤性能的骨修复仿生复合支架研究临床治疗由创伤、肿瘤切除及其他骨疾病导致的骨缺损仍是一个重大挑战,尤其是承重部位的骨缺损。为预防骨肉瘤手术切除后肿瘤复发和细菌感染,我们设计了仿生三相复合材料,由多孔Ti6Al4V支架、壳聚糖(Chi)和硒掺杂羟基磷灰石纳米颗粒(HA-Se)组成,称之为pTi/CS/HAP-Se。利用透射电子显微镜(TEM)对纳米羟基磷灰石颗粒形貌特征进行表征。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分别对复合支架的形貌、化学和相组成进行表征。细胞水平上,复合支架可促进成骨细胞的增殖,抑制肿瘤细胞(MDA-MB-231)的生长和细菌活性。仿生三相复合支架有类似于天然骨组织的多层级孔隙结构,在治疗骨肉瘤切除手术后的骨缺损具有潜在应用价值。
【图文】：

1 绪 论级都有不同的力学、化学和生物学性能。从宏观层面上讲，骨可分为密质骨（cortical bone）和松质骨（cancellous bone）[34]。密质骨也称皮质骨，质地致密而坚硬，由整齐排列的内、外环骨板构成。内环骨板围绕骨髓腔排列在内部，外环骨板则排列在骨表面，在内、外骨板之间有很多纵行的圆筒状结构，它们以同心圆的方式整齐排列，称为哈弗斯系统（haversiansystem），其中心管叫哈弗斯管（haversian canal）。组成密质骨的结构单元是骨单位（osteon），尺寸从 10-500 μm 不等，密质骨占骨量的 80%，仅有约 3-5%的空间用于骨细胞、微管及血管生长。松质骨呈海绵状，由骨小梁（trabecula）相互交织排列而成，配布于骨的内部，大约占骨量的 20%[35]。松质骨有大量呈蜂窝状的孔隙结构，其中充满骨髓、神经和血管成分，孔隙率在 50-90%[36]。密质骨耐压性强，弹性模量较高，约为 14-20 GPa，为生理负荷提供足够的力学支撑；而松质骨弹性较大，弹性模量约为 1.5-4 GPa[37]。

（mesenchymal stem cells，MSCs）或其他类型的间质细胞（mesenchymal stromalcells）等构成[40]。当骨内部组织改建或骨折愈合以及其他形式损伤修复，骨原细胞活化、增殖并调整为成骨前体细胞、成骨细胞等[41]。MSCs 是多潜能性干细胞，在不同外界环境刺激下能成骨、成血管和成心肌等多向分化[42]。成骨细胞又称为骨母细胞，由 MSCs 分化而来，具有合成和分泌骨基质、参与骨钙化、调节骨中钙磷进出量等多重生理作用，是形成骨组织的细胞[43]。成骨细胞常以单层排列方式分布于新生骨表面，可产生类骨质填充于成骨细胞之间，逐渐将其包埋并转化为骨细胞[44]。骨细胞位于骨质内，是扁椭圆形、多突起的细胞，单个分散排列于骨板内或骨板间，，其胞质嗜碱性[45]。破骨细胞来源于单核细胞，在体内行使骨吸收功能。在特异性信号蛋白和细胞因子作用下，单核细胞迁移至吸收部位，和其他单核细胞融合成多核巨噬细胞，然后分化成破骨细胞[46]。整个骨形态发生和生长阶段，就是破骨细胞不断进行骨基质吸收，以及成骨细胞不断进行骨生成的过程[47]。 因此，破骨细胞和成骨细胞这两种细胞功能的动态平衡，对于骨的生长、发育、塑形和重建都起着直接作用[48]。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08


本文编号：2703517