铜离子的量效关系及其对医用钛表面性能调控

发布时间：2020-10-26 16:44

　　 铜是人体必需微量元素,研究表明适量的铜离子能有效促进骨组织再生和血管生成,且具有良好的抗菌性能,被广泛用于生物材料改性。然而,正因为铜参与人体的多项生理功能,过量时会抑制细胞的生物学功能或者对细胞产生毒性;而铜含量过低又不能发挥良好的促成骨、成血管和抗菌性能。针对这一问题,本论文研究了铜离子浓度对不同细胞和细菌行为的影响;利用等离子浸没离子注入技术(Plasma immersion ion implantation,PIII)和热处理,在医用钛表面制备铜离子注入改性层和铜掺杂的二氧化钛(TiO_2)层并探究其理化性能和生物学性能。论文的主要研究结果如下:1.利用不同浓度的铜离子溶液分别与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)、小鼠成骨细胞(MC3T3-E1)、大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)共培养,研究铜离子浓度对细胞、细菌行为的影响。细胞实验结果表明,不同细胞对铜离子的耐受能力大小依次是HUVECsMC3T3-E1rBMSCs。在安全浓度范围内,升高铜离子溶液浓度,能够促进HUVECs的迁移和体外成血管能力;当铜离子浓度达到一定值时,继续升高铜离子浓度对HUVECs的促进作用减缓。此外,低浓度铜离子能够促进rBMSCs早期的成骨分化和成骨相关基因的表达。细菌实验结果表明,铜离子对两种细菌的抗菌浓度存在阈值,当铜离子浓度低于临界值,铜离子的抗菌性能较弱;当铜离子浓度高于临界值,铜的抗菌性能显著提高。上述结果揭示铜离子的成骨、血管再生和抗菌性能的相关浓度,可指导铜掺杂生物材料的研究,同时也为其他类似的研究提供一定的参考价值。2.利用PIII技术将铜引入到医用钛表面。改性钛表面的耐腐蚀性能有所提高,铜离子能够稳定的释放。钛表面含铜较低的样品对rBMSCs和HUVECs的增殖有促进作用,但对S.aureus和E.coli没有抗菌能力;随着离子注入时间的延长,钛表面含铜量较高的样品的抗菌能力显著提高,同时也未产生明显细胞毒性。因此,通过合理控制钛表面的铜含量,可以获得兼具良好抗菌性能和生物相容性的钛植入材料。3.对铜离子注入改性的钛进行热处理得到铜掺杂的TiO_2层。热处理后,钛表面生成的金红石相的TiO_2,提高热处理温度有利于TiO_2晶粒的生长。与纯钛相比,铜离子注入有利于表面TiO_2晶粒的生长。体外细菌试验表明,在可见光照射下,铜掺杂的TiO_2具有光催化抗菌性能。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R318.08
【部分图文】：

图 1.1 不同细菌体内铜平衡模型[27]Fig 1.1 Model of copper homeostasis in various species of bacteria（二） 铜的促血管再生功能植入体植入人体后会不可避免地引起周围机体组织和血管的损伤。血管对于伤口愈合以及植入体与基体组织的结合都具有重要作用，其可以运输养分，抑制炎症反应[28]。血管生成受到部分生长因子的调节，例如血管内皮生长因子（VEGF）、血小板衍生因子（PDGF）、血管生成素（angiogenin）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、血小板来源的内皮细胞生长因子（PD-ECGF）、白细胞介素-8（IL-8）和纤维母细胞生长因子（hFGF）等。其中，VEGF 是最重要的促进成血管因子，能够直接刺激血管内皮细胞迁移、增殖和分裂。hFGF-1 是一种多功能蛋白复合物，其 C2A 与铜离子具有良好的亲和性。图 1.2 为铜调节细胞成血管的示意图。研究表明，铜能够促进内皮细胞的增殖和迁移，有利于血管生成。

图 1.2 铜调节真核细胞成血管过程的示意图[31]Fig 1.2 Scheme of angiogenesis regulation by copper in eukaryotic cells（三） 铜的促进骨组织再生功能铜对人体的骨组织再生具有重要作用。文献报道[32]，铜离子能够刺激骨髓间充质干细胞分化为骨组织细胞，增强骨组织再生细胞的活性，同时提高破骨细胞的增殖能力，有利于新骨再生。钛及其合金具有很好的机械性能、耐腐蚀能力和生物相容性被广泛用作骨组织替换材料。然而，钛及其合金属于生物惰性材料，对植入体与骨组织之间的结合没有促进作用。将一定量的铜掺入到钛材料表面后，可赋予材料生物活性，促进与骨组织的结合和骨再生。研究表明铜能够促进成骨细胞对 Runx2(Runt-related transcription factor 2)的表达。Runx2 是一种重要的转录因子，能够促进配体蛋白质（Wnt）和骨成型蛋白（BMP）信号通路表达，从而增强骨组织再生的能力。此外，铜也能促进骨髓间充质干细胞的 BMP-2 因子

）阳极氧化法 阳极氧化工艺成熟，原理是通过电场作用，在材，得到的涂层与基体的结合较强[84]。钛及其合金经过阳极氧化钛材料表面的生物活性、促进羟基磷灰石的形成[85-87]。）物理表面改性）常用的机械表面改性方法 包括切削、磨削、抛光和喷砂[88, 89后，可获得清洁的表面、改变材料表面的形貌和粗糙度。）等离子体喷涂 等离子体喷涂技术广泛用于陶瓷涂层的制备。涂技术包括大气等离子体喷涂[90]、真空等离子体喷涂[91, 92]或[93, 94]。等离子体喷涂的技术原理如图 1.3。通过调节等离子体度及喷涂距离，可以得到不同性能的涂层。利用等离子体喷涂O3[84, 95, 96]和ZrO2[97, 98]喷涂到钛及其合金表面，从而提高其表面抗腐蚀性能；也可以将羟基磷灰石[99, 100]或 CaO-SiO2[101, 102]等表面，可以提高其表面的生物活性。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 肖东琴;谭震;翁杰;匙峰;冯刚;;钛表面微纳结构制备及原位沉积磷酸钙[J];西部医学;2016年08期

2 段珍珍;罗梦;朱松;邱小明;;钛表面处理对增强钛/瓷结合强度的影响[J];吉林大学学报(工学版);2012年S1期

3 屈乃琴;高耐磨钛表面层[J];钛工业进展;2000年04期

4 庞骏德;蔺增;赵宝红;;钛表面等离子体氧化及其对细胞粘附增殖的影响[J];真空科学与技术学报;2015年02期

5 李争显;刘瑞斌;华云峰;潘晓龙;王少鹏;王彦峰;黄春良;;钛表面薄膜技术的应用现状及发展[J];钛工业进展;2014年01期

6 马勍;张溪;张旭;孙迎春;高平;;钛表面人工肽抑制格登链球菌生长的实验研究[J];天津医药;2016年06期

7 李敏;邱憬;;钛表面微形貌影响成骨细胞行为及其分子机制的研究进展[J];口腔医学;2015年07期

8 钟星华;徐淑兰;周敏;杨烁;姚中雄;王朝;;钛表面载钙磷/银复合膜层的特征及对成骨细胞黏附的影响[J];广东医学;2012年08期

9 张祖太;丁宁;任蕾;;钛表面修饰抗菌特性的研究进展[J];北京口腔医学;2012年04期

10 李全辉;徐祝军;李全利;沈军;张维波;;胶原-肝素自组装多层膜修饰钛表面[J];中国组织工程研究与临床康复;2010年51期

相关博士学位论文 前10条

1 黄千里;医用钛合金的选择性激光熔化成型与钛表面电化学改性[D];清华大学;2017年

2 王加兴;钛表面含银抗菌涂层的优化及其生物学研究[D];上海交通大学;2017年

3 吴靖漪;紫外光处理对纳米化钛表面理化性能及生物学活动影响的机制探究[D];南方医科大学;2017年

4 冯彦博;仿生活性粗化钛表面的构建及其评价[D];浙江大学;2007年

5 刘慧颖;氟离子注入钛表面对骨细胞相容性和抗菌性能的影响[D];中国医科大学;2008年

6 冯波;表面氧化钛膜、含钙和含磷的钛表面表征与钛生物活性[D];四川大学;2002年

7 王菁;低强度脉冲电磁场对成骨细胞在不同形貌钛表面生物学行为的影响[D];第四军医大学;2014年

8 乔士冲;银注入SLA钛表面构建多级微纳结构的实验研究[D];上海交通大学;2015年

9 钟雪;在溶菌酶相转化产物改性的钛表面构建载银自组装抗菌涂层的研究[D];天津医科大学;2016年

10 陈练;含纳米硅钛表面促进骨整合及其机理的实验研究[D];苏州大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 胡蓬辉;TAZ在微米沟槽/纳米网孔分级形貌钛表面调控干细胞分化中的作用及其活化机制研究[D];天津医科大学;2019年

2 路欣;载锶相转变溶菌酶涂层修饰的钛表面促进骨生成及骨免疫调节的研究[D];天津医科大学;2019年

3 张文馨;利用相转变溶菌酶在钛表面构建加载阿司匹林涂层及其通过骨免疫调节炎症性能和促进骨形成的研究[D];天津医科大学;2019年

4 朱钰;钛表面银注入纳米化及其生物学性能的研究[D];上海交通大学;2016年

5 李昆强;铜离子的量效关系及其对医用钛表面性能调控[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2019年

6 吴云峰;钛表面交联淀粉水凝胶抗感染药物缓释系统的构建及生物学性能研究[D];中国人民解放军医学院;2018年

7 薛北京;钛表面激光氮化与熔覆梯度生物涂层[D];中国矿业大学;2019年

8 祁星颖;3D打印连通多孔钛表面的制备及性能表征[D];天津医科大学;2018年

9 闵阳;医用钛表面的微纳结构制备及性能表征[D];河北工业大学;2016年

10 曹亚洲;钛表面形成的RGD多肽/仿生磷酸钙复合涂层对MC3T3-E1细胞黏附、增殖、分化的影响[D];南京大学;2017年

本文编号：2857243