納米羥基磷灰石-絲素蛋白復(fù)合圖案化涂層的制備及生物相容性的研究.pdf

1、隨著社會(huì)人口老齡化加速，骨科內(nèi)植入物手術(shù)日益增多，2000年僅美國(guó)就有150000例全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，比1990年增加了30％，預(yù)計(jì)是2030年的一半左右。內(nèi)植入物市場(chǎng)快速擴(kuò)大，全世界預(yù)計(jì)每年費(fèi)用將超過30億美元。遺憾的是，并不是所有手術(shù)均成功的。1997年，美國(guó)在144400例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中將近有37000例是翻修手術(shù)。目前骨科常用的植入物材料壽命一般小于15年，植入物由于應(yīng)力遮擋、磨損產(chǎn)生碎屑導(dǎo)致關(guān)節(jié)部位松動(dòng)、與周圍骨組織相容性有限等

2、因素導(dǎo)致植入失敗。植入物失敗給病人、家庭及社會(huì)均帶來了沉重的負(fù)擔(dān)和壓力，翻修手術(shù)極大的增加了費(fèi)用以及患者的康復(fù)時(shí)間。如何改善植入物材料性能，延長(zhǎng)使用壽命，避免植入物失敗是近年來國(guó)際骨科學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)。內(nèi)植物置換術(shù)成功的先決條件是人工假體與周圍骨組織永久固定，內(nèi)植物與自體骨組織相容，兩者間無軟組織侵入，并快速刺激骨組織再生，使植入物與骨組織能夠緊密相連，整個(gè)過程稱之為骨整合(osteointegration)。所以了解有效新

3、骨生長(zhǎng)的分子機(jī)制尤為重要，由于骨組織自身就是一種納米復(fù)合物，納米復(fù)合材料被認(rèn)為是下一代骨科植入物材料。已有研究顯示納米化材料能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的成骨功能，而且材料的表面特性決定了材料的生物相容性，表面生化性能，改變納米結(jié)構(gòu)表面特性會(huì)導(dǎo)致臨近骨組織細(xì)胞行為的顯著變化。但是目前關(guān)于納米化結(jié)構(gòu)表面特性所產(chǎn)生的成骨細(xì)胞響應(yīng)認(rèn)識(shí)還不足，因此利用微納米圖案化和表面修飾技術(shù)改變植入物材料表面納米結(jié)構(gòu)，研究其導(dǎo)致的細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制，對(duì)于下一步設(shè)計(jì)更好的植入物

4、，延長(zhǎng)植入物使用壽命，減少翻修手術(shù)，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
　　 鈦及鈦合金金屬材料由于具有優(yōu)越的力學(xué)性能，優(yōu)良的加工性能，抗腐蝕性強(qiáng)，彈性模量低同時(shí)具有良好的生物學(xué)性能，作為骨科內(nèi)植入物在內(nèi)固定手術(shù)得到了極為廣泛的應(yīng)用。鈦金屬材料具有生物惰性，由于其表面長(zhǎng)期暴露于人體生理環(huán)境，在體液環(huán)境中容易導(dǎo)致金屬表面腐蝕，使金屬離子游離出來進(jìn)入機(jī)體組織產(chǎn)生肌體組織變質(zhì)，同時(shí)容易被軟組織侵入，與周圍骨組織分離從而發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)植入物失

5、敗。在骨替代材料中羥基磷灰石(HA)是另外一種常用的植入物材料，但是由于羥基磷灰石在體內(nèi)幾乎不能降解，同時(shí)斷裂韌性較低、脆性大且在生理環(huán)境中抗疲勞強(qiáng)度差，是一種典型的脆性材料；絲素蛋白(SF)具有良好的生物降解性，對(duì)與多種細(xì)胞相容，能夠支持細(xì)胞的黏附、增殖和分化；優(yōu)越的血液相容性，不僅對(duì)血凝過程沒有顯著影響，而且在體內(nèi)引起的異物反應(yīng)小，所以不會(huì)引起顯著的炎癥反應(yīng)。納米技術(shù)的應(yīng)用，使納米羥基磷灰石的表面積和三維結(jié)構(gòu)中的孔隙率大大增加，為成

6、骨細(xì)胞的粘附提供了更多空間。為了結(jié)合鈦金屬材料的強(qiáng)度和韌性等性能與羥基磷灰石、絲素蛋白的生物活性和相容性，改進(jìn)生物材料性能，發(fā)展了金屬材料表面生物活性納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合涂層。
　　 骨關(guān)節(jié)假體及內(nèi)固定材料面臨植入物與宿主骨界面的負(fù)荷承受及穩(wěn)定的問題。如果能使植入物與宿主骨之間形成骨融合，導(dǎo)致植入物手術(shù)失敗的界面松動(dòng)問題就將迎刃而解?；诖耍陉P(guān)節(jié)假體、內(nèi)固定材料表面做成納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合涂層材料使之與宿主骨融

7、合是一種期望之選。納米羥基磷灰石/絲素蛋白涂層材料在體內(nèi)與宿主骨結(jié)合后，可以被新生骨包裹形成類似“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”，可長(zhǎng)期存留體內(nèi)，不產(chǎn)生異物反應(yīng)，又能符合骨骼負(fù)重要求，具有良好的應(yīng)用前景。而作為涂層的材料表面與宿主骨界面的細(xì)胞生物學(xué)行為及其調(diào)控的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿。
　　 本實(shí)驗(yàn)擬通過共沉淀方法制備納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合涂層材料，實(shí)現(xiàn)該材料在結(jié)構(gòu)與組分上對(duì)天然骨的仿生，采用靜電霧化沉積技術(shù)，在不同參數(shù)調(diào)配下于鈦基

8、底表面噴涂不同圖案化涂層，通過MG63細(xì)胞評(píng)價(jià)圖案化涂層與全噴涂層成骨細(xì)胞生物活性，然后選取一種圖案的涂層觀察成骨細(xì)胞活性，基本探明納米羥基磷灰石/絲素蛋白涂層材料表面成骨細(xì)胞響應(yīng)規(guī)律，為將來達(dá)到智能化調(diào)控材料與宿主骨的快速融合、設(shè)計(jì)和制備理想的植入材料開拓新的思路和方法。
　　 實(shí)驗(yàn)第一部分：納米羥基磷灰石/絲素蛋白懸浮液的制備和檢測(cè)。將絲素經(jīng)過脫膠處理后得到絲素纖維，溶解于CaCl2-CH3CH2OH-H2O三元溶劑中，按照

9、鈣磷比1.67計(jì)量比加入(NH4)2HPO4，得到的沉淀即為n-HA/SF。通過FTIR，XRD分析、SEM、TEM、TGA等檢測(cè)顯示實(shí)驗(yàn)制得的復(fù)合涂層材料與天然骨組織中的晶體成分相似。
　　 實(shí)驗(yàn)第二部分：絲素蛋白含量在納米羥基磷灰石生物礦化過程中的作用及對(duì)生物相容性的研究。通過制備不同絲素蛋白含量的納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合涂層，通過MTT法和SEM電鏡觀察不同含量絲素蛋白對(duì)生物相容性的影響。絲素蛋白作為基質(zhì)可以調(diào)控納米羥