多孔化鈦合金骨修復材料的構建及其成骨功效的研究.pdf

1、鈦及其合金材料，因其良好的機械性能，抗腐蝕性和生物相容性，在臨床上被廣泛應用于人體各個部位骨缺損的修復。然而，由于鈦的彈性模量與天然骨組織相差較大，實心鈦種植體在行使一段時間功能后容易引起周圍骨組織因為應力屏蔽導致吸收，最終引起種植體的松動或脫落。為了避免這一現象的發(fā)生，我們可以構建多孔樣的骨修復材料，這樣一方面降低了材料整體的彈性模量，另一方面形成的孔洞結構還可以引導骨組織長入形成更牢固的嵌合結構。本課題擬從這一角度出發(fā)，結合3D打印

2、技術，探索構建不同結構的三維多孔樣Ti6Al4V植體，并通過表面改性的方式試圖優(yōu)化其成骨功效。
　　第一部分多孔化鈦合金骨修復材料的構建及表面改性
　?。勰康模?br>　　制備多孔Ti6Al4V骨修復材料并評價其機械學性能；在材料表面構建納米管樣，載鍶納米管樣涂層。
　　［方法］
　　采用EBM制作多孔鈦合金支架；采用萬能材料試驗機檢測支架的機械強度；采用Micro-CT掃描分析支架的幾何學參數；采用陽極氧化在材

3、料表面形成納米管樣結構；采用陽極氧化結合水熱載鍶處理在材料表面形成載鍶納米管樣結構；采用 FE-SEM觀察材料表面的形態(tài)；采用EDS檢測材料表面的元素分布；采用ICP-AES檢測載鍶納米管樣鈦合金支架的鍶元素釋放曲線；采用接觸角測量裝置檢測多孔支架的親水性。
　?。劢Y果］
　　通過EBM成功制備出600μm，800μm兩種不同孔徑的多孔Ti6Al4V支架，其壓縮強度分別為205.06 MPa和114.98 MPa，楊氏模量為

4、4.51 GPa和3.11 GPa；Micro-CT顯示其實際幾何參數與設計參數接近；FE-SEM顯示未處理材料表面無特殊結構，粗糙平坦，陽極氧化處理后形成均勻的納米級管陣列樣結構，進一步的水熱處理使得納米管壁明顯增厚； EDS顯示未處理表面元素為Ti,O,Al,V,納米管樣表面為Ti,O,Al,V,F,載鍶納米管表面為Ti,O,Al,V,F,Sr;ICP-AES顯示Sr可維持長達30天的釋放，且600μm試樣Sr釋放量略高于800μm

5、組；親水性實驗顯示未處理組疏水，液滴停留在材料表面，而納米管組和載鍶納米管組親水，液滴瞬間滲透進入多孔支架內部。
　?。劢Y論］
　　EBM可以制備出特定的多孔Ti6Al4V支架，具有良好的制作精度；兩種不同孔徑的Ti6Al4V支架材料均有一定的機械強度，且其彈性模量也與正常人體骨組織接近；通過陽極氧化的方式可以在多孔支架的表面形成均勻納米管陣列樣結構，通過水熱處理方式可以進一步形成載鍶納米管樣結構；表面改性極大的提高了多孔材

6、料的親水性。
　　第二部分多孔鈦合金材料的體外生物學功效的研究
　?。勰康模?br>　　研究多孔Ti6Al4V支架的細胞活性，促成骨分化能力。
　　［方法］
　　采用全骨髓貼壁法分離培養(yǎng)SD大鼠的BMMSCs用于體外評價，包括采用CCK-8檢測細胞增殖曲線，FE-SEM檢測材料表面細胞形態(tài)，試劑盒檢測ALP活性，qRT-PCR檢測成骨相關基因表達水平；采用綠色熒光蛋白標記的rBMMSCs檢測細胞分布，材料表面細胞

7、的增殖行為。
　?。劢Y果］
　　全骨髓貼壁法可成功分離培養(yǎng)SD大鼠BMMSCs并用于體外實驗。對照組BMMSCs增殖能力最強，納米管組次之，載鍶納米管組增殖能力最低，同樣表面形貌下600μm試樣比800μm試樣增殖能力強；對照組表面BMMSCs形態(tài)呈鋪展狀，納米管組表面BMMSCs呈長梭形，并伸出較長的板狀偽足，載鍶納米管組表面BMMSCs呈圓餅樣，高倍鏡下見細胞發(fā)出大量的絲狀偽足；ALP定量試劑盒顯示載鍶納米管組具有更高的

8、ALP活性，且600μm試樣比800μm試樣活性更強；成骨相關基因的表達水平檢測顯示載鍶納米管組活性較高，且600μm試樣比800μm試樣更高；細胞分布實驗，對照組細胞主要分布在材料表面，隨著深度的增加細胞數量遞減明顯，而納米管組和載鍶納米管組表層細胞數量低于對照組，但深層細胞遞減趨勢不明顯，與其他組底層相比，載鍶納米管組最底層細胞數量最多，且800μm試樣比600μm試樣細胞數量略多；材料表面的細胞增殖行為與增殖曲線的檢測結果類似，隨

9、著時間的推移，細胞均可不斷增殖并覆蓋表層的孔洞。
　　［結論］
　　各組多孔Ti6Al4V支架均無明顯的細胞毒性；納米管組和載鍶納米管組抑制了細胞的增殖，但促進了細胞向成骨方向分化，尤其是載鍶納米管組；600μm試樣的細胞增殖，分化能力均高于800μm試樣，但試樣內部細胞定植深度要遜于800μm試樣。納米管組和載鍶納米管組提高了支架內部的細胞定植能力。
　　第三部分多孔鈦合金材料的體內生物學功效的研究
　?。勰康?/p>

10、］
　　研究不同孔徑，表面處理方式對多孔Ti6Al4V支架植入動物體內后促骨組織再生能力的影響。
　?。鄯椒ǎ?br>　　選取成年新西蘭兔為研究對象，在其股骨外髁部植入多孔Ti6Al4V支架，術后4周和12周取材，分別采用Micro-CT分析骨再生情況，序列熒光標記和組織學切片VG染色分析骨長入情況。
　?。劢Y果］
　　載鍶納米管組在4周和12周都表現出最高的促骨組織再生能力，納米管組次之，對照組新生骨量最少，在

11、同樣表面處理條件下，600μm試樣新生骨量大于800μm試樣；序列熒光標記顯示載鍶納米管組新生的骨組織形成時間要早于另兩組；組織學切片VG染色顯示載鍶納米管組新生骨組織分布更深入多孔材料中心，而800μm試樣中心的新生骨組織要高于600μm試樣。
　?。劢Y論］
　　載鍶納米管涂層多孔Ti6Al4V支架具有更好的促骨組織長入和再生能力，對不同孔徑而言，600μm骨組織再生能力更強，800μm骨組織長入能力更強。
　　第四

12、部分載鍶納米管涂層影響細胞功能的機制初探
　　［目的］
　　探索材料表面理化形貌與細胞內質網應激的關系。
　?。鄯椒ǎ?br>　　在鈦片上接種BMMSCs，采用FE-SEM觀察細胞形態(tài)，透射電鏡觀察細胞器形態(tài)，共聚焦顯微鏡觀察細胞肌動蛋白微絲形態(tài)，采用Western Blot法檢測內質網應激相關蛋白表達水平。
　　［結果］
　　與對照組相比，納米管組和載鍶納米管組細胞厚度明顯增加，載鍶納米管組的細胞骨架染色