生物醫(yī)用鈦基植入體材料表面納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其生物學(xué)性能研究.pdf

1、生物醫(yī)用材料，是用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。生物醫(yī)用材料與延長人類壽命和提高生活質(zhì)量息息相關(guān)，因而生物材料領(lǐng)域越來越受到重視。近年來，材料學(xué)和生物學(xué)的研究進(jìn)展為生物醫(yī)用材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而隨著全球人口老齡化進(jìn)程的加速、人類對健康和長壽的追求、運(yùn)動創(chuàng)傷的增多、疑難病患者的增加和需要替換組織的病人年齡降低等現(xiàn)象都對生物材料提出了非常大的需求。目前，不僅植入手術(shù)增加，植入后的修復(fù)手術(shù)也隨之增加。修復(fù)手術(shù)給患者造成了疼痛，并且造價

2、高成功率低，這就對生物材料提出了更高的要求。
　　 生物醫(yī)用鈦材料由于其良好的力學(xué)性能、低彈性模量、易加工性、抗腐蝕性和生物相容性被廣泛應(yīng)用作人工骨、人工關(guān)節(jié)、骨釘、牙種植體等硬組織替代材料和心臟瓣膜、血管支架等血管材料。但是，鈦及其合金本身存在著生物惰性的缺點(diǎn)，使其植入體內(nèi)與周圍組織的結(jié)合僅僅是簡單的機(jī)械鎖合，不能形成良好的鍵合作用。因而鈦植入體往往被纖維組織所包裹而與宿主組織隔離開來，長此以往會引起血栓從而導(dǎo)致植入體的失敗。

3、目前主要的解決方法是在植入體表面形成磷灰石，形成骨性結(jié)合。但這種方法也存在著致命的缺點(diǎn)就是與鈦基體的結(jié)合力弱，容易造成脫落。而其他物理方法包括離子注入，熱噴涂等方法也存在著造價昂貴的問題。另外，在外科手術(shù)中，細(xì)菌感染是臨床上面臨的棘手問題。全面的消毒和嚴(yán)格的無菌操作條例等措施下，術(shù)后感染經(jīng)常發(fā)生。嚴(yán)重的感染會延長住院時間、增加患者的病痛和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等一系列問題。臨床上主要的解決途徑是抗生素注射的方法，而抗生素抗菌具有特異性，需要長期注射而

4、且會引發(fā)抗藥細(xì)菌株。
　　 植入體表面微納米結(jié)構(gòu)通過對絡(luò)氨酸激酶活性，胞內(nèi)信號通路的調(diào)節(jié)來控制轉(zhuǎn)錄活性和基因表達(dá)影響細(xì)胞的貼壁、形態(tài)、排列、粘附、遷移、增殖、分化和骨架組裝;鈣鎂離子在骨代謝中扮演著重要角色;氧化石墨烯和還原氧化石墨烯對蛋白和生長因子的富集作用可以調(diào)控細(xì)胞分化;納米銀具備有效的抑制多種細(xì)菌、真菌和病毒的特性。
　　 基于以上問題，本論文提出在鈦表面原位構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)活化鈦表面;通過載入促進(jìn)細(xì)胞成骨分化的離子

5、Ca2+和Mg2+定向調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn);而氧化石墨烯和還原氧化石墨烯組裝在具有鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)的鈦表面構(gòu)建復(fù)合納米材料改善生物學(xué)功能;在鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)上載入Ag+并還原得到Ag納米顆粒原位制備兼?zhèn)湟志蜕锵嗳菪缘拟佒踩塍w材料，具體包括如下工作:
　　 1.鈦表面納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其生物學(xué)性能。
　　 利用堿-水熱的方法通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件在醫(yī)用金屬鈦表面原位構(gòu)建了納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米管結(jié)構(gòu)的單斜鈦酸鈉Na2Ti3O7;通過靜滴法測

6、量了超純水在三組樣品，包括拋光的純鈦片、鈦酸鈉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米管結(jié)構(gòu)上的接觸角，并對三組樣品表面的親疏水性能比較，探討了表面納米結(jié)構(gòu)對前成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）行為的影響;細(xì)胞增殖、細(xì)胞骨架染色和堿性磷酸酶活性測試得到的結(jié)果可以看出:鈦酸鈉納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)細(xì)胞的貼壁、鋪展、遷移和增殖，特別是在成骨誘導(dǎo)因子的協(xié)同作用下更加明顯。而納米管結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉與之相比，更能促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化;鈦酸鈉納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

7、>　　 2.鈦表面構(gòu)建不同離子的鈦酸鹽納米結(jié)構(gòu)，調(diào)控干細(xì)胞的命運(yùn)。
　　 通過簡單的水熱技術(shù)和隨后的離子交換過程制備了Na+-鈦酸鹽，Mg2+-鈦酸鹽和Ca2+-鈦酸鹽等不同離子的鈦酸鹽納米結(jié)構(gòu)。鈦片浸沒在MgCl2和CaCl2溶液中后Na2Ti3O7納米結(jié)構(gòu)中的Na+被完全取代。這種方法改變了用于細(xì)胞培養(yǎng)的鈦植入體表面的化學(xué)環(huán)境，如鈦酸鹽納米結(jié)構(gòu)中無機(jī)陽離子的種類和數(shù)量，從而調(diào)控間充質(zhì)于細(xì)胞的命運(yùn)，包括貼壁，增殖和分化。與N

8、a+-鈦酸鹽的樣品相比，Mg2+-鈦酸鹽和Ca+-鈦酸鹽的鈦酸鹽納米結(jié)構(gòu)樣品均能促進(jìn)細(xì)胞的增殖和成骨分化。但是過量的離子會抑制細(xì)胞活動。Ca2+-鈦酸鹽比Mg2+-鈦酸鹽在促進(jìn)細(xì)胞分化方面更具有優(yōu)勢。
　　 3.在含鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)的鈦表面組裝氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)進(jìn)行表面改性并研究其生物學(xué)性能。
　　 構(gòu)建氧化石墨烯和還原氧化石墨烯功能化的鈦表面材料“GO-Ti”和“rGO-Ti”。具體方法是:首先

9、通過堿-水熱處理得到了利于細(xì)胞活動的鈦酸鈉的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);而結(jié)構(gòu)中所含的Ti-O可以與偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)結(jié)合，然后組裝GO得到“GO-Ti”;隨后通過聯(lián)氨原位還原“GO-Ti”表面的GO得到“rGO-Ti”。通過Raman，XPS和SEM確定了功能化的鈦表面成分分別為氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO);另外也證實(shí)了鈦表面組裝GO和rGO后改變了接觸角，從而影響了材料表面的生物學(xué)功能;蛋白吸附實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞實(shí)

10、驗(yàn)證實(shí)了GO和rGO的功能化使得鈦表面對蛋白分子和細(xì)胞生長因子具有明顯的富集作用，特別是GO中的含氧基團(tuán)的輔助作用，使其具備了調(diào)控鈦表面的生物學(xué)功能和細(xì)胞的增殖和分化能力;在鈦表面組裝石墨烯的工作具有開創(chuàng)性，而且有效的調(diào)控了細(xì)胞行為，包括貼壁、鋪展、增殖和分化等。
　　 4.鈦表面原位構(gòu)建具有抑菌性能和生物相容性的鈦酸/銀納米顆粒/鈦酸的三明治納米結(jié)構(gòu)。
　　 在Ti植入體表面成功原位構(gòu)建了鈦酸-銀納米顆粒-鈦酸的三明治

11、納米結(jié)構(gòu)。首先通過堿水熱反應(yīng)在Ti片表面合成鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu);接著在硝酸銀溶液中Ti片表面上鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)中的Na+離子被溶液中的Ag+離子取代;最后在葡萄糖溶液中Ag+被還原為Ag納米顆粒。三明治結(jié)構(gòu)上的銀納米顆粒鑲嵌在鈦酸鹽納米結(jié)構(gòu)的片層結(jié)構(gòu)之間，尺寸和含量隨著硝酸銀溶液和葡萄糖濃度的增加而增加。與未被葡萄糖還原的樣品中Ag+離子的爆發(fā)式釋放相比，還原后得到的三明治結(jié)構(gòu)中對Ag+的釋放起到了緩釋作用，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的持續(xù)釋放過程，因而提高