含鍶納米管涂層種植體在正常及骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)骨整合研究.pdf

1、使鈦種植體在正常骨環(huán)境下甚至異常骨環(huán)境下（如骨質(zhì)疏松等）均能發(fā)揮出卓越的骨整合能力是目前臨床的迫切需求。目前骨質(zhì)疏松仍被視為種植牙植入的相對禁忌癥。因此，研制一種適合于骨質(zhì)疏松患者使用的種植體，使其能夠調(diào)節(jié)種植體周圍骨的代謝，形成長期有效的骨整合，從而提高臨床植入成功率，延長種植體使用壽命，具有重要的臨床意義。
　　在純鈦表面形成微納米形貌能夠很好地模擬人體骨組織的細微結(jié)構(gòu)，從仿生學角度考慮此形貌可能具有更加優(yōu)良的細胞生物學效應(yīng)；

2、同時表面所形成的納米管樣結(jié)構(gòu)還具有藥物載體潛力。因此可以設(shè)想在TiO2納米管中載入合適的生物活性成分，通過納米形貌因素與緩釋活性成分的聯(lián)合作用有望獲得更為長期和強效的成骨誘導能力。鍶是人體內(nèi)含有的必需微量元素，與骨骼的形成密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)攝入合適劑量的鍶制劑不僅促進骨新生還同時抑制骨吸收，從而從兩個方面共同促進成骨。鍶制劑（如雷尼酸鍶）用于治療骨質(zhì)疏松時，顯示出可有效增加骨量，提高骨抗力的良好療效。學者們普遍認為，無論在正常還是骨質(zhì)疏

3、松條件下，鍶促進骨形成的作用在于其促進成骨細胞功能和抑制破骨細胞功能的雙向調(diào)節(jié)作用。一方面，鍶可促進成骨細胞增殖、表型成熟、一型膠原（Col-1）合成和礦化，另一方面，鍶通過多種機制抑制骨吸收。另有報道稱鍶具有劑量依賴性地誘導破骨細胞凋亡的作用。本課題組前期體外實驗發(fā)現(xiàn)將納米管與鍶這二者優(yōu)勢結(jié)合起來形成的純鈦表面含鍶納米管涂層（NT-Sr）能夠更有效促進新骨的生成與礦化。但將其應(yīng)用于動物體內(nèi)是否依然有效尚有待進一步驗證。
　　本次

4、研究采用酸蝕法結(jié)合電化學陽極氧化法，首先在純鈦試件表面形成仿生微納米形貌。再通過水熱處理的方法得到不同管徑和不同鍶含量的含鍶納米管涂層種植體。在對該涂層的微觀形貌、元素組成等進行初步觀察的基礎(chǔ)上，采用活體植入實驗考察 NT-Sr涂層鈦種植體的在正常大鼠及骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)骨整合過程，探討納米管和鍶的復合效應(yīng)對骨整合的影響規(guī)律與機制；比較不同鍶濃度、不同管徑納米管涂層成骨活性、骨整合的差異，為臨床篩選可應(yīng)用于骨質(zhì)疏松條件下的含鍶納米管涂層種

5、植體提供實驗依據(jù)。本研究結(jié)果為鈦植入材料表面鍶元素的修飾與加載提供了新的思路，在正常與骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)的研究結(jié)果為載鍶種植體的臨床應(yīng)用提供參考，尤其是針對臨床骨質(zhì)疏松患者，提供了有效提高種植體成功率的方法和思路。
　　第一部分含鍶納米管涂層種植體的制備
　　【目的】在有規(guī)則螺紋的純鈦種植體表面制備出不同管徑的納米管涂層和不同管徑不同鍶含量的含鍶納米管涂層，為進一步體內(nèi)研究含鍶納米管涂層對骨形成的影響打下基礎(chǔ)。
　　【方

6、法】首先采用氫氟酸溶液酸蝕種植體試件得到純鈦表面微米坑形貌，接著利用超聲清洗儀徹底清除表面雜質(zhì)，再采用穩(wěn)壓直流電源分別在10V和40V兩個電壓下對試件進行陽極氧化1小時和40分鐘，分別形成試件NT10和NT40，采用場發(fā)射掃描電鏡觀察試件表面形貌。之后將具有納米管表面形貌的試件NT10和 NT40在Sr(OH)2溶液中分別水熱處理1小時和3小時，形成試件NT10-Sr1、NT10-Sr3、NT40-Sr1和NT40-Sr3，得到含鍶納米

7、管表面結(jié)構(gòu)，采用場發(fā)射掃描電鏡觀察試件表面形貌；各組試件表面成分通過能量色散X射線光譜法分析檢測鍶元素含量。
　　【結(jié)果】在純鈦試件表面形成了微米坑復合不同管徑TiO2納米管的微納米復合表面形貌。納米管管徑大小與陽極氧化電壓成正相關(guān)，10V和40V兩種電壓下分別形成管徑約為30nm和80nm的規(guī)則排列的納米管陣列。水熱處理載鍶后，電鏡下觀察可見規(guī)則的納米管陣列，伴隨著納米管化學成分由 TiO2轉(zhuǎn)化成 SrTiO3，納米管口發(fā)生卷曲

8、膨脹導致管壁增厚管徑縮小，隨著水熱處理時間的延長這種趨勢更加明顯。試件表面的TiO2不斷地溶解并與溶液中的Sr(OH)2發(fā)生化學反應(yīng)在表面沉積生成SrTiO3，不斷的溶解-沉積過程使得試件表面變得更加光滑。通過能量色散X射線光譜法分析檢測可知，水熱處理3小時比1小時組含鍶量高，80nm管徑的納米管涂層比30nm管徑的載鍶量高。
　　【結(jié)論】通過酸蝕和陽極氧化相結(jié)合的方法能夠在純鈦試件表面形成微米坑復合納米級別的TiO2納米管的微納

9、米形貌；繼續(xù)應(yīng)用水熱處理的方法可以將鍶載入納米管，得到不同管徑不同鍶含量的表面含鍶納米管涂層。
　　第二部分含鍶納米管涂層種植體在正常大鼠體內(nèi)的骨整合研究
　　【目的】將不同管徑的納米管涂層和不同管徑不同鍶含量的含鍶納米管涂層種植體植入動物體內(nèi)，評價各種涂層在正常大鼠體內(nèi)的骨整合效果，篩選出具有最佳骨整合效果的表面涂層設(shè)計，為下一步的臨床應(yīng)用提供實驗依據(jù)。
　　【方法】將7組具有不同表面結(jié)構(gòu)的種植體（Ti：光滑對照組；

10、NT10：陽極氧化電壓10V組；NT10-Sr1：陽極氧化電壓10V并水熱處理1h組；NT10-Sr3：陽極氧化電壓10V并水熱處理3h組；NT40：陽極氧化電壓40V組；NT40-Sr1：陽極氧化電壓40V并水熱處理1h組；NT40-Sr3：陽極氧化電壓40V并水熱處理3h組）分別植入3月齡雌性SD大鼠的股骨和脛骨內(nèi)，分別于植入手術(shù)4周和12周后，采集含有種植體的骨標本。首先采用Micro-CT掃描分析，通過圖形重建觀察種植體周圍RO

11、I的促成骨效果，通過測量骨量和骨小梁參數(shù)對比研究各組涂層材料的骨整合能力；接著將標本進行硬組織切片，通過序列免疫熒光染色和 VG染色的方法進行組織形態(tài)學檢測，利用計算機軟件進行組織形態(tài)測量學分析，觀察涂層材料對骨代謝的影響，并計算骨-種植體結(jié)合率（BIC）和骨礦化沉積率（MAR）；將含有種植體的脛骨標本進行生物力學檢測（Pull-out test），檢測各組涂層材料的骨整合質(zhì)量。
　　【結(jié)果】 Micro-CT掃描分析和序列免疫熒

12、光染色的結(jié)果顯示NT10-Sr3組含鍶納米管涂層種植體顯著提高了其周圍 ROI新生骨量，VG染色和生物力學檢測的結(jié)果顯示NT10-Sr3組含鍶納米管涂層種植體顯著提高了種植體與骨的結(jié)合質(zhì)量，并且長期有效。
　　【結(jié)論】在正常大鼠體內(nèi)，NT10-Sr3組含鍶納米管涂層具有良好的組織相容性和骨整合能力。作為一種藥物緩釋系統(tǒng)，納米管可有效載鍶并在局部長期緩釋鍶，起到快速成骨和增強種植體與周圍骨連接的作用，這為將含鍶納米管涂層種植體應(yīng)用于

13、骨質(zhì)疏松患者提供了可能。
　　第三部分含鍶納米管涂層種植體在骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)的骨整合研究
　　實驗一骨質(zhì)疏松動物模型的建立
　　【目的】為研究含鍶納米管涂層種植體在骨質(zhì)疏松條件下的骨整合作用提供合適的動物模型。
　　【方法】切除3月齡雌性SD大鼠雙側(cè)卵巢，術(shù)后給予致骨質(zhì)疏松飲食飼養(yǎng)12周；而假手術(shù)組不切除卵巢而是切除與卵巢同等體積的脂肪，術(shù)后給予常規(guī)飲食飼養(yǎng)12周。然后處死動物收集股骨標本，應(yīng)用Micro-CT掃

14、描分析和HE染色組織學觀察對結(jié)果進行評估。
　　【結(jié)果】 Micro-CT掃描結(jié)果可見切除雙側(cè)卵巢12周后的大鼠股骨，無論是骨皮質(zhì)還是骨松質(zhì)均比假手術(shù)組更加菲薄，骨小梁更加稀疏；量化分析顯示感興趣區(qū)的骨體積分數(shù)（BV/TV）和骨小梁厚度（Tb.Th）減小，說明去卵巢后造成骨量減少，骨小梁厚度變得菲??；而骨體積與的骨表面積比值（BS/BV），骨小梁數(shù)目（Tb.N）和骨小梁間隙（Tb.Sp）則變大，說明骨結(jié)構(gòu)變得空心化，骨質(zhì)疏松。HE

15、染色組織學觀察可見切除卵巢組大鼠股骨髓腔感興趣區(qū)的骨小梁分布比較稀疏，骨量明顯減少，微結(jié)構(gòu)退化。
　　【結(jié)論】通過切除大鼠雙側(cè)卵巢的方法可以建立骨質(zhì)疏松動物模型。
　　實驗二含鍶納米管涂層種植體在骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)的骨整合研究
　　【目的】評價含鍶納米管涂層種植體在骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)的骨整合效果，篩選出具有最佳骨整合效果的設(shè)計，為下一步的臨床應(yīng)用提供實驗依據(jù)。
　　【方法】將5組具有不同表面結(jié)構(gòu)的種植體（Ti、NT1

16、0、NT10-Sr3、NT40和NT40-Sr3）分別植入切除卵巢3個月后的雌性SD大鼠的股骨和脛骨內(nèi)，分別于植入手術(shù)4周和12周后，采集含有種植體的骨標本。首先采用Micro-CT掃描分析，通過圖形重建觀察種植體周圍ROI的促成骨效果，通過測量骨量和骨小梁參數(shù)對比研究各組涂層材料的骨整合能力。接著將標本進行硬組織切片，通過序列免疫熒光染色和VG染色的方法進行組織形態(tài)學檢測，并利用計算機軟件進行組織形態(tài)測量學分析，觀察涂層材料對骨代謝的

17、影響，并計算骨-種植體結(jié)合率（BIC）和骨礦化沉積率（MAR）。將含有種植體的脛骨標本進行生物力學檢測（Pull-out test），檢測各組涂層材料的骨整合質(zhì)量。
　　【結(jié)果】骨質(zhì)疏松條件下， Micro-CT掃描分析和序列免疫熒光染色的結(jié)果顯示NT10-Sr3組含鍶納米管涂層種植體顯著提高了其周圍ROI新生骨量，改善了骨質(zhì)量；VG染色和生物力學檢測的結(jié)果顯示NT10-Sr3組含鍶納米管涂層種植體顯著提高了種植體與骨的結(jié)合質(zhì)量。

18、
　　【結(jié)論】在骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)，NT10-Sr3組含鍶納米管涂層具有良好的組織相容性和骨整合能力。含鍶納米管涂層作為一種藥物緩釋系統(tǒng)能起到長效增強骨質(zhì)的作用。
　　本課題創(chuàng)新點：
　　1.首次將不同管徑不同鍶含量的含鍶納米管涂層植入動物體內(nèi)進行評估。證實管徑30nm的納米管載合適劑量的鍶后制備的含鍶納米管NT10-Sr3具有優(yōu)越的骨整合能力。
　　2.首次進行含鍶納米管在骨質(zhì)疏松條件下的應(yīng)用評價。證實在骨質(zhì)疏松