發(fā)布時間：2018-04-04 01:52

  本文選題：骨修復(fù)　切入點：鈦　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：骨缺損是臨床常見病例。通常,小范圍的骨缺損可以通過機體的自我修復(fù)機制愈合,但是當(dāng)骨缺損達(dá)到或超過臨界缺損時,則需要植入生物材料輔助治療。鈦是目前臨床應(yīng)用最廣泛的生物金屬材料,具有良好的生物相容性、高機械強度和耐腐蝕等優(yōu)點,經(jīng)常用于骨缺損修復(fù)、骨折固定和硬組織替換等領(lǐng)域。但是,由于鈦是生物惰性材料以及力學(xué)性能與機體高度不匹配,臨床上會出現(xiàn)鈦植入材料難以與骨組織形成緊密結(jié)合或者進(jìn)行性骨流失等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致鈦材料植入修復(fù)失敗。有大量研究報道,多種表面修飾策略能顯著改善鈦的骨結(jié)合性能,如增加粗糙度、改善親水性等。因此,本文,從仿生學(xué)的角度出發(fā),模擬體內(nèi)親水環(huán)境、骨力學(xué)性能和骨多級結(jié)構(gòu)特性,設(shè)計了三個方面的研究:(1)不同親疏水性鈦表面觀測其細(xì)菌生物膜形成和免疫反應(yīng)的調(diào)控作用,(2)低彈性模量和不同表面形貌的鈦合金材料對間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化和骨整合作用的綜合調(diào)控,(3)微/納米有序多級仿生結(jié)構(gòu)鈦表面對骨修復(fù)過程中免疫反應(yīng)的調(diào)控作用。金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S.aureus)是臨床常見條件致病菌,也是植入材料表面生物膜的主要菌群。本研究首先采用甘草素與金葡菌共培養(yǎng),評價了金葡菌毒力。然后通過雙氧水處理獲得具有親水性的鈦表面(Ti-H2O2)。掃描電鏡觀察和原子力學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果顯示,親水性鈦表面(Ti-H2O2)和相對疏水表面(Ti-polished)具有相近的粗糙度和表面形貌。XPS能譜分析結(jié)果證實了親水性基團的存在。金葡菌溶血活性和細(xì)胞損傷實驗結(jié)果表明,金葡菌溶血活性和細(xì)胞毒性能被甘草素以劑量依賴性方式抑制,實驗所用金葡菌具有一定毒力。細(xì)菌Live/dead染色和結(jié)晶紫染色結(jié)果表明,親水性鈦表面(Ti-H2O2)能有效抑制金葡菌粘附和生物膜形成。巨噬細(xì)胞增殖活性結(jié)果顯示,兩組均具有良好的生物相容性,Ti-H2O2組較Ti-polished組其細(xì)胞增殖活性提高,但細(xì)胞偽足較少,細(xì)胞形貌呈典型的M2型細(xì)長形狀態(tài),且未觀察到異物巨噬細(xì)胞形成。另外,ELISA檢測結(jié)果顯示,親水性鈦表面還能抑制促炎癥細(xì)胞因子(TNF-)表達(dá)和促進(jìn)抑炎癥細(xì)胞因子(IL-10)表達(dá),更有利于作為潛在的骨誘導(dǎo)修復(fù)材料表面。此外,Western-blot分析結(jié)果表明,親水性鈦表面細(xì)胞具有較低的NF-κB表達(dá)水平,說明該親水性表面可能是通過抑制NF-κB信號通路減弱巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。材料與組織的早期骨整合是決定骨植入材料修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。材料的力學(xué)性能和表面形貌被認(rèn)為是影響骨整合效果的重要因素。本研究通過微弧氧化(MAO)處理獲得不同表面形貌的純鈦Ti(Ti、Ti-MAO)和低彈性模量鈦合金TNZS(TNZS、TNZS-MAO),比較研究材料彈性模量和表面形貌對間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化和骨整合的綜合調(diào)控作用。材料掃描電鏡觀察結(jié)果表明,MAO處理后,材料表面形成一層微米級疏松多孔氧化層。白光衍射、水接觸角和力學(xué)性能檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),Ti-MAO和TNZS-MAO的粗糙度顯著增加、親水性明顯提高以及彈性模量顯著下降。蛋白吸附和細(xì)胞粘附實驗結(jié)果顯示,MAOs層能促進(jìn)蛋白吸附和細(xì)胞粘附,而TNZS-MAO表面具有最高的蛋白吸附量和細(xì)胞粘附數(shù)目。大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(r BMSCs)細(xì)胞形貌觀察結(jié)果顯示,Ti和TNZS組表面細(xì)胞呈伸長的形狀且偽足較少,而Ti-MAO和TNZS-MAO兩組表面細(xì)胞呈多角成骨樣形狀且偽足較多,同時,TNZS-MAO組具有最大的細(xì)胞鋪展面積。黏著斑形成檢測結(jié)果表明,MAOs處理后,其細(xì)胞黏著斑形成數(shù)量也是顯著高于未處理組,而且低彈性模量TNZS-MAO組比Ti-MAO具有更多的黏著斑。成骨指標(biāo)檢測結(jié)果顯示,TNZS-MAO組具有最高的ALP活性、膠原分泌、成骨基因表達(dá)和礦化結(jié)節(jié)形成。大鼠股骨缺損修復(fù)結(jié)果顯示,TNZS-MAO組周圍新骨形成數(shù)量最多且骨結(jié)合最緊密。以上結(jié)果表明,鈦合金材料的彈性模量和表面微米多孔結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同促進(jìn)其成骨活性及早期骨整合,有效改善骨修復(fù)效果�；�于上述研究結(jié)果,本研究進(jìn)一步構(gòu)建了具有微米/亞微米/納米不同尺度的多級結(jié)構(gòu)鈦表面,分別有光滑表面的P組、微米/亞微米/納米線多級表面結(jié)構(gòu)的AO組和微米/亞微米/納米管多級表面結(jié)構(gòu)的AOF組等五組材料。巨噬細(xì)胞形貌觀察和異物巨噬細(xì)胞形成檢測結(jié)果表明,P組巨噬細(xì)胞具有很多纖細(xì)偽足,處于較活化狀態(tài)且有異物巨噬細(xì)胞形成;但是其他具有表面結(jié)構(gòu)的四組表面巨噬細(xì)胞偽足較少,處于相對靜止?fàn)顟B(tài)且?guī)缀鯚o異物巨噬細(xì)胞形成。細(xì)胞因子分泌和巨噬表型標(biāo)記基因表達(dá)結(jié)果顯示,各組材料的免疫反應(yīng)主要是由促炎M1型巨噬細(xì)胞介導(dǎo),EE-CE組具有最低的炎癥反應(yīng)和最低的M1型巨噬細(xì)胞分化趨勢。另外,與與r BMSCs細(xì)胞共培養(yǎng),EE-CE組呈現(xiàn)出最高的的ALP沉積。骨質(zhì)疏松大鼠股骨缺損實驗結(jié)果表明,EE-CE組可見有最多的新骨形成,該研究結(jié)果表明,鈦表面微米/亞微米多級結(jié)構(gòu)有效促進(jìn)骨質(zhì)疏松條件下鈦合金植入材料的骨修復(fù),為骨質(zhì)疏松患者鈦植入材料的表面設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)。以上研究結(jié)果表明,通過改善鈦材料表面親疏水性,增加材料表面粗糙度,降低材料力學(xué)強度,構(gòu)建不同尺度多級表面結(jié)構(gòu)等策略,可以有效調(diào)節(jié)材料在其骨修復(fù)過程中的免疫反應(yīng),改善材料植入修復(fù)效果,提高骨修復(fù)質(zhì)量,這將為今后骨修復(fù)研究及骨缺損的臨床治療提供切實的理論指導(dǎo)。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S857.16
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本文編號：1707850