承載生物活性離子的TiO2納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備及生物學評價.pdf

1、金屬植入體表面修飾以增強其與宿主骨的骨性鍵合（骨整合）是骨修復領(lǐng)域的重要課題。采用微納結(jié)構(gòu)和生物活性物質(zhì)構(gòu)建適合細胞/組織生長的表面微環(huán)境，是促進表面骨組織形成和骨整合的有效手段。然而，二者如何有效結(jié)合，共同發(fā)揮作用仍是一個挑戰(zhàn)。本論文以具有優(yōu)良細胞響應(yīng)性的 TiO2納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進一步優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)，承載生物活性元素 Mg或 Zn，在鉭金屬上構(gòu)建出具有高成骨效能的表面修飾層（薄膜），并對其在細胞粘附、增殖、分化和礦化等方面進行評價，探

2、討了微納結(jié)構(gòu)和活性元素對細胞成骨協(xié)同作用的機制。本文主要取得了如下3方面的研究結(jié)果：
　　1.含Mg的TiO2納米點薄膜。
　　采用溶膠-凝膠法直接將Mg元素摻入TiO2納米點中。通過在前驅(qū)體溶膠中控制 Mg加入量（0~0.1Mg/Ti，摩爾比），可形成納米點尺寸和分布相似的不同Mg含量的TiO2納米點薄膜。其納米點為多晶銳鈦礦，Mg在納米點表面層有一定的富集。薄膜的 Mg釋放量與其含量近似成正比，但累積總釋放量很低（0.1

3、Mg-TiO2的14天累計釋放為0.017μg/mL）。在薄膜吸附蛋白質(zhì)能力方面， Mg的摻入有一定的促進作用。前成骨細胞培養(yǎng)結(jié)果顯示，摻Mg后，TiO2納米點薄膜的1天的細胞粘附數(shù)量和7天的增殖數(shù)量方面分別提高17.5％和18.4%，表明了Mg摻入具有一定增強細胞相容性的作用。
　　2.以生物玻璃為載體的含Zn的TiO2納米棒薄膜。
　　采用溶膠-凝膠法將含 Zn生物玻璃嵌入 TiO2納米棒薄膜中。在制備中，改變了生物玻璃

4、前驅(qū)體溶膠的濃度（Si濃度0.160 mol/L~0.320 mol/L），Si濃度為0.213~0.256 mol/L時，嵌入薄膜厚度為200~270 nm。玻璃的嵌入不僅為Zn提供了載體，也進一步改善了 TiO2納米棒薄膜的微納結(jié)構(gòu)，提高了生物響應(yīng)性。在生物玻璃中引入TiO2組元，能有效抑制生物玻璃的過快降解，當Ti/Si=0.5（摩爾比）時嵌入的生物玻璃具有合適降解行為，可滿足刺激細胞的要求。用Zn替代部分Ca，結(jié)果顯示不影響生物

5、玻璃的嵌入厚度和降解行為，14天的Zn釋放總量低于0.1μg/mL。
　　在細胞培養(yǎng)方面，嵌入含Zn生物玻璃的TiO2納米棒薄膜（TiO2/Zn-BG）的生物響應(yīng)性明顯高于含Zn玻璃薄膜（Zn-BG）和嵌入不含Zn玻璃的TiO2薄膜（TiO2/BG），尤其在成骨分化的評價中，TiO2/Zn-BG薄膜上的細胞的7天ALP活性分別高于Zn-BG薄膜25.1%和TiO2/BG薄膜43.9%，14天的OCN分泌分別高出130.9%和104

6、1.0%，14天的Runx-2基因表達分別高出309.8%和505.6%，21天的細胞外基質(zhì)礦化水平分別高出176.9%和476.5%。在較低的Zn釋放濃度條件下，TiO2/Zn-BG薄膜能產(chǎn)生上述各個細胞階段的優(yōu)良成骨分化活性，反映出納米結(jié)構(gòu)與生物活性元素發(fā)揮了協(xié)同作用，其機制可理解為：TiO2納米棒結(jié)構(gòu)促進細胞初期粘附和鋪展，TiO2納米棒、含Zn生物玻璃和粘附于頂端的細胞三者一起構(gòu)建了一個半封閉的空間，這樣的微環(huán)境有利于Zn有效發(fā)

7、揮對細胞的刺激作用，從而使細胞具有高成骨分化效能。
　　3.以磷酸鈣為載體的含Zn的TiO2納米棒薄膜。
　　采用旋涂法將含Zn磷酸鈣（Zn-CaP）涂覆于TiO2納米棒薄膜上。在制備中，通過旋涂方法和轉(zhuǎn)速的改變，可獲得Zn-CaP的不同分布，Zn-CaP在薄膜表面的存在，不僅給薄膜賦予了活性成分 Zn，也為薄膜提供了微米尺度的結(jié)構(gòu)。在Zn-CaP密分布的薄膜（TiO2/D-ZCP）上，Zn-CaP厚度為314±20 nm，

8、覆蓋度為49.7%；在稀分布的薄膜（TiO2/S-ZCP）上，Zn-CaP厚度為204±37 nm，覆蓋度為37.6%。未覆蓋的TiO2納米棒區(qū)域的長寬尺寸在50~150μm，其與呈微米尺度分布的Zn-CaP覆蓋層共同構(gòu)建了特殊拓撲結(jié)構(gòu)的表面形貌。由于經(jīng)過500℃熱處理，Zn-CaP覆蓋層與TiO2納米棒薄膜結(jié)合牢固，且覆蓋層的Zn-CaP成分為結(jié)晶度較低的羥基磷灰石（HA），Zn的摻入沒有影響CaP的晶相。TiO2/D-ZCP和TiO

9、2/S-ZCP薄膜的Zn-CaP覆蓋層降解較快，且Zn累積釋放濃度（7天累計釋放分別為0.104μg/mL和0.087μg/mL）遠低于完全覆蓋的參照試樣（F-ZCP，0.200μg/mL）。
　　在細胞培養(yǎng)方面，與TiO2/D-ZCP薄膜和F-ZCP薄膜相比，培養(yǎng)在TiO2/S-ZCP薄膜上的 MC3T3-E1細胞有更強的成骨分化的能力，TiO2/S-ZCP薄膜上的細胞的14天的OCN活性分別高于TiO2/D-ZCP薄膜20.9

10、%和F-ZCP薄膜45.4%，14天的Runx-2基因表達分別高出188.0%和184.4%，21天的細胞外基質(zhì)礦化水平分別高出109.2%和108.2%。在較短周期的降解釋放后，TiO2/S-ZCP薄膜能產(chǎn)生上述細胞分化后期的優(yōu)良成骨活性，反映出其結(jié)構(gòu)與成分的組合作用，其促進機制可認為是：納米尺度的拓撲結(jié)構(gòu)促進了細胞的粘附和偽足伸展，微米尺度的拓撲結(jié)構(gòu)促進了細胞的增殖，Zn等活性元素釋放促進了分化。
　　本文 TiO2微納結(jié)構(gòu)與