多孔化鈦合金骨修復(fù)材料的構(gòu)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(jī)械性能，抗腐蝕性和生物相容性，在臨床上被廣泛應(yīng)用于人體各個(gè)部位骨缺損的修復(fù)。然而，由于鈦的彈性模量與天然骨組織相差較大，實(shí)心鈦種植體在行使一段時(shí)間功能后容易引起周?chē)墙M織因?yàn)閼?yīng)力屏蔽導(dǎo)致吸收，最終引起種植體的松動(dòng)或脫落。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以構(gòu)建多孔樣的骨修復(fù)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(jié)構(gòu)還可以引導(dǎo)骨組織長(zhǎng)入形成更牢固的嵌合結(jié)構(gòu)。本課題擬從這一角度出發(fā)，結(jié)合3D打印

2、技術(shù)，探索構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的三維多孔樣Ti6Al4V植體，并通過(guò)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(fù)材料的構(gòu)建及表面改性
　?。勰康模?br>　　制備多孔Ti6Al4V骨修復(fù)材料并評(píng)價(jià)其機(jī)械學(xué)性能；在材料表面構(gòu)建納米管樣，載鍶納米管樣涂層。
　?。鄯椒ǎ?br>　　采用EBM制作多孔鈦合金支架；采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)支架的機(jī)械強(qiáng)度；采用Micro-CT掃描分析支架的幾何學(xué)參數(shù)；采用陽(yáng)極氧化在材

3、料表面形成納米管樣結(jié)構(gòu)；采用陽(yáng)極氧化結(jié)合水熱載鍶處理在材料表面形成載鍶納米管樣結(jié)構(gòu)；采用 FE-SEM觀察材料表面的形態(tài)；采用EDS檢測(cè)材料表面的元素分布；采用ICP-AES檢測(cè)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(cè)量裝置檢測(cè)多孔支架的親水性。
　?。劢Y(jié)果］
　　通過(guò)EBM成功制備出600μm，800μm兩種不同孔徑的多孔Ti6Al4V支架，其壓縮強(qiáng)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(shí)際幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)接近；FE-SEM顯示未處理材料表面無(wú)特殊結(jié)構(gòu)，粗糙平坦，陽(yáng)極氧化處理后形成均勻的納米級(jí)管陣列樣結(jié)構(gòu)，進(jìn)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T(mén)i,O,Al,V,納米管樣表面為T(mén)i,O,Al,V,F,載鍶納米管表面為T(mén)i,O,Al,V,F,Sr;ICP-AES顯示Sr可維持長(zhǎng)達(dá)30天的釋放，且600μm試樣Sr釋放量略高于800μm

5、組；親水性實(shí)驗(yàn)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(jìn)入多孔支架內(nèi)部。
　?。劢Y(jié)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(jī)械強(qiáng)度，且其彈性模量也與正常人體骨組織接近；通過(guò)陽(yáng)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(jié)構(gòu)，通過(guò)水熱處理方式可以進(jìn)一步形成載鍶納米管樣結(jié)構(gòu)；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(xué)功效的研究
　?。勰康模?br>　　研究多孔Ti6Al4V支架的細(xì)胞活性，促成骨分化能力。
　?。鄯椒ǎ?br>　　采用全骨髓貼壁法分離培養(yǎng)SD大鼠的BMMSCs用于體外評(píng)價(jià)，包括采用CCK-8檢測(cè)細(xì)胞增殖曲線，F(xiàn)E-SEM檢測(cè)材料表面細(xì)胞形態(tài)，試劑盒檢測(cè)ALP活性，qRT-PCR檢測(cè)成骨相關(guān)基因表達(dá)水平；采用綠色熒光蛋白標(biāo)記的rBMMSCs檢測(cè)細(xì)胞分布，材料表面細(xì)胞

7、的增殖行為。
　?。劢Y(jié)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(shí)驗(yàn)。對(duì)照組BMMSCs增殖能力最強(qiáng)，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(qiáng)；對(duì)照組表面BMMSCs形態(tài)呈鋪展?fàn)?，納米管組表面BMMSCs呈長(zhǎng)梭形，并伸出較長(zhǎng)的板狀偽足，載鍶納米管組表面BMMSCs呈圓餅樣，高倍鏡下見(jiàn)細(xì)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(qiáng)；成骨相關(guān)基因的表達(dá)水平檢測(cè)顯示載鍶納米管組活性較高，且600μm試樣比800μm試樣更高；細(xì)胞分布實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組細(xì)胞主要分布在材料表面，隨著深度的增加細(xì)胞數(shù)量遞減明顯，而納米管組和載鍶納米管組表層細(xì)胞數(shù)量低于對(duì)照組，但深層細(xì)胞遞減趨勢(shì)不明顯，與其他組底層相比，載鍶納米管組最底層細(xì)胞數(shù)量最多，且800μm試樣比600μm試樣細(xì)胞數(shù)量略多；材料表面的細(xì)胞增殖行為與增殖曲線的檢測(cè)結(jié)果類(lèi)似，隨

9、著時(shí)間的推移，細(xì)胞均可不斷增殖并覆蓋表層的孔洞。
　?。劢Y(jié)論］
　　各組多孔Ti6Al4V支架均無(wú)明顯的細(xì)胞毒性；納米管組和載鍶納米管組抑制了細(xì)胞的增殖，但促進(jìn)了細(xì)胞向成骨方向分化，尤其是載鍶納米管組；600μm試樣的細(xì)胞增殖，分化能力均高于800μm試樣，但試樣內(nèi)部細(xì)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(nèi)部的細(xì)胞定植能力。
　　第三部分多孔鈦合金材料的體內(nèi)生物學(xué)功效的研究
　?。勰康?/p>

10、］
　　研究不同孔徑，表面處理方式對(duì)多孔Ti6Al4V支架植入動(dòng)物體內(nèi)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(duì)象，在其股骨外髁部植入多孔Ti6Al4V支架，術(shù)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(biāo)記和組織學(xué)切片VG染色分析骨長(zhǎng)入情況。
　?。劢Y(jié)果］
　　載鍶納米管組在4周和12周都表現(xiàn)出最高的促骨組織再生能力，納米管組次之，對(duì)照組新生骨量最少，在

11、同樣表面處理?xiàng)l件下，600μm試樣新生骨量大于800μm試樣；序列熒光標(biāo)記顯示載鍶納米管組新生的骨組織形成時(shí)間要早于另兩組；組織學(xué)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(jié)論］
　　載鍶納米管涂層多孔Ti6Al4V支架具有更好的促骨組織長(zhǎng)入和再生能力，對(duì)不同孔徑而言，600μm骨組織再生能力更強(qiáng)，800μm骨組織長(zhǎng)入能力更強(qiáng)。
　　第四

12、部分載鍶納米管涂層影響細(xì)胞功能的機(jī)制初探
　　［目的］
　　探索材料表面理化形貌與細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的關(guān)系。
　?。鄯椒ǎ?br>　　在鈦片上接種BMMSCs，采用FE-SEM觀察細(xì)胞形態(tài)，透射電鏡觀察細(xì)胞器形態(tài)，共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞肌動(dòng)蛋白微絲形態(tài)，采用Western Blot法檢測(cè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)水平。
　?。劢Y(jié)果］
　　與對(duì)照組相比，納米管組和載鍶納米管組細(xì)胞厚度明顯增加，載鍶納米管組的細(xì)胞骨架染色