鈦銅合金納米相生物相容性及其對成骨細胞功能影響：體內與體外研究.pdf

1、目的:
　　新材料生物相容性與抗感染能力對成骨有同樣的重要性。鈦金屬是一種比較惰性的生物材料，這種惰性特征導致其生物活性差，不能與骨組織發(fā)生牢固的結合等缺點。為了避免這些鈦金屬的缺陷，目前最有效的辦法就是對鈦金屬進行表面改性，如表面制備生物活性涂層和表面納米管形態(tài)改良。
　　光滑表面優(yōu)先誘導纖維組織生長，而不是骨組織的生長。而納米結構表面可以增強成骨細胞的功能從而降低成纖維細胞。
　　鈦金屬材料在植入人體前經(jīng)過嚴格的消

2、毒滅菌，但是并不能完全避免材料的感染發(fā)生。而抗感染和阻止生物被膜形成最好的辦法是防止細菌在植入物表面粘附。當前的相關研究傾向于在抗菌和促成骨之間尋找一種平衡，如制備鈦銅合金和鈦銀合金材料。
　　當生物材料植入物植入于人體后，生物材料表面與周圍骨和軟組織之間的相互作用對細胞分化和骨整合是十分關鍵的，而鈦納米管對成骨細胞行為和功能有良好的影響。多數(shù)體外研究顯示，獨特未添加成骨化學物質的納米結構材料能夠控制和提高成骨細胞分化和細胞粘附能

3、力。另外，銅金屬有良好的抗菌作用，但作為一種重金屬元素其生物相容性收到質疑，含有微量銅離子的鈦金屬是否具有良好的生物相容性是應用于臨床治療的前提。
　　納米技術領域的主要存在的而未確定的問題是其臨床應用安全問題。目前，納米材料對健康的影響是未知的。由于植入材料的能發(fā)生降解，納米顆?？梢噪S著時間推移被釋放到全身器官。此外，納米顆粒可能對那些被制造的或處理的骨科納米復合物植入物潛在危害性。納米顆粒的代謝涉及各器官系統(tǒng)，包括血液、肝臟和

4、腎臟，并可能導致炎癥和氧化應激反應。一些研究表明，納米顆粒組成的材料與增加腦和肺細胞毒性相關的。而其他人則認為，納米顆粒磨屑實際上可能促進骨和肺組織細胞活性。雖然仍處于起步階段，納米技術已經(jīng)在骨科基礎科學和臨床前期研究領域打牢基礎了?，F(xiàn)在我們在臨床試驗中看到的應用納米技術的早期積極的結果正在實現(xiàn)其巨大的潛力。大量的基礎科學的研究表明，許多納米技術理論在骨科中的應用有良好的前途。
　　為了使新材料能安全、有效地應用于臨床治療，除了考

5、察已知的理化性能外，還必須進行生物相容性的相關試驗。若能夠使用鈦銅合金納米管材料來替代常規(guī)的商業(yè)鈦內置物，將能在一定程度上減少內置物周圍的細菌感染性的發(fā)生同時促進成骨細胞功能。本研究將含1％銅金屬的新型鈦銅合金納米管(NT-TiCu)與鈦納米管(NT-Ti)進行生物相容性比較，并將商業(yè)鈦(Cp-Ti)作為陰性對照組同時進行研究。
　　方法:
　　采用陽極氧化技術制備鈦納米管及含1％銅金屬的鈦銅合金納米管。分別將陽極氧化技術制

6、備的鈦納米管、鈦銅合金納米管和商業(yè)鈦通過掃描電子顯微鏡觀察表面形貌;同時通過掃描電子顯微鏡上X射線能譜儀(EDX)分析鈦銅合金納米管的成分。將小鼠成骨細胞(MC-3T3-E1)在三種材料上培養(yǎng);用掃描電子顯微鏡觀察材料上的細胞粘附與形態(tài)。通過細胞活性MTT、堿性磷酸酶和細胞鈣含量檢測培養(yǎng)在材料表面上的成骨細胞活性和成骨功能。進行細胞骨架染色觀察成骨細胞在材料表面形態(tài)和粘附。通過吖啶橙溴化乙錠(AO/EB)染色觀察成骨細胞在材料表面凋亡。

7、體內實驗采用股骨髓腔內植入模型進行植入三種材料，采用蘇木精和伊紅(H&E)染色觀察新生骨形成。利用小鼠顱骨骨溶解模型觀察三種材料顆粒的影響，采用H&E染色和微CT進行觀察三種材料顆粒對顱骨骨溶解和炎性反應。
　　結果:
　　掃描電子顯微鏡顯示鈦銅合金納米管排列規(guī)則，納米管管徑約為100納米左右，掃描電子顯微鏡上X射線能譜儀(EXD)分析示納米管表面物質的化學成分。掃描電子顯微鏡顯示小鼠成骨細胞在鈦銅合金納米管表面形態(tài)良好，細

8、胞粘附優(yōu)于商業(yè)鈦。24小時的MTT結果顯示商業(yè)鈦與鈦納米管優(yōu)于鈦銅合金納米管(p＜0.05)，但在72小時的MTT結果鈦納米管與鈦銅合金納米管優(yōu)于商業(yè)鈦(p＜0.05)，而鈦納米管與鈦銅合金納米管無區(qū)別（p＞0.05）。堿性磷酸酶結果顯示不同材料試樣表面細胞的活性不同，尤其在120h，鈦銅合金納米管與鈦納米管活性優(yōu)于商業(yè)鈦(p＜0.05)。12天和17天時，細胞鈣沉積在鈦銅合金納米管與鈦納米管高于商業(yè)鈦(p＜0.05)，各組試樣表面鈣元

9、素含量的變化趨勢與其表面細胞的堿性磷酸酶活性變化趨勢相似。細胞形態(tài)及細胞骨架在鈦銅合金納米管與鈦納米管相比稍差，但仍然優(yōu)于商業(yè)鈦。鈦銅合金納米管，鈦納米管與商業(yè)鈦的細胞凋亡無區(qū)別（p＞0.05）。體內實驗股骨新生骨量在鈦銅合金納米管與鈦納米管無區(qū)別(p＞0.05)，而且納米管結構明顯高于商業(yè)鈦(p＜0.05)。商業(yè)鈦顆粒引起明顯的炎性反應和小鼠顱骨骨溶解，且鈦銅合金納米管顆粒與鈦納米管顆粒引起的炎性反應和骨溶解明顯小于商業(yè)鈦。微CT的鈦

10、銅合金納米管與鈦納米管骨體積分數(shù)高于商業(yè)鈦(p＜0.05)，鈦銅合金納米管與鈦納米管骨體積分數(shù)無區(qū)別（p＞0.05）。微CT的各組骨密度之間有顯著意義(p＜0.05）。
　　結論:
　　通過培養(yǎng)(MC-3T3-E1)細胞在鈦銅合金納米管表面上，進行評估鈦銅合金納米管細胞相容性，研究對成骨細胞多種早期行為的影響，細胞在材料表面顯示良好的活性、粘附、和生長能力。在體內股骨植入模型和小鼠顱骨骨溶解模型，評估鈦銅合金納米管生物相容性