【摘要】：目前臨床上常用的骨植入體多為鈦合金等金屬植入體。為賦予金屬骨植入體優(yōu)異的生物性能,增強(qiáng)其與骨組織間的結(jié)合,需要在其表面制備生物活性涂層。采用等離子噴涂技術(shù)在鈦合金等表面制備的硅酸鈣基陶瓷涂層兼具良好生物活性和優(yōu)良力學(xué)性能,有望彌補(bǔ)目前生物醫(yī)用羥基磷灰石(HA)涂層和鈦(Ti)涂層的不足。但由于涂層降解過(guò)快,導(dǎo)致成骨不匹配,影響植入體的長(zhǎng)效穩(wěn)定性,因而應(yīng)用受限。目前對(duì)Ca-Si基陶瓷涂層的改性,多采用網(wǎng)絡(luò)改性體替換,即采用金屬陽(yáng)離子替換Ca�？紤]到此點(diǎn),本文擬通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成體的改變,采用非金屬元素B替換部分Si,以形成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜穩(wěn)定的化合物。B是人體必需的微量元素,生物安全性好,在降低骨質(zhì)疏松和關(guān)節(jié)炎風(fēng)險(xiǎn)、誘導(dǎo)血管生成方面有著重要作用。特別是近年來(lái),骨免疫學(xué)的興起,使得具有促成骨和抑炎性的B元素成為潛在的新興營(yíng)養(yǎng)元素。基于以上背景,本文通過(guò)高溫固相法制備含硼硅酸鈣粉體(Ca_(11)Si_4B_2O_(22),B-CS),以等離子噴涂工藝制備含硼硅酸鈣涂層,并對(duì)粉體和涂層的理化性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。然后考察了含硼硅酸鈣涂層對(duì)成骨分化、免疫響應(yīng)、成血管方面的影響,并探討其相關(guān)作用機(jī)制。此外,骨具有天然的微納多級(jí)結(jié)構(gòu),從仿生的角度出發(fā),可以通過(guò)在材料表面構(gòu)建不同尺度的微觀結(jié)構(gòu)以提高其生物活性。因此,如何將納米結(jié)構(gòu)、B元素結(jié)合于硅酸鈣涂層中,開(kāi)發(fā)出新型骨植入材料,亦是本課題的研究重點(diǎn)。本研究取得的主要結(jié)果如下:1.采用高溫固相法,通過(guò)溫度優(yōu)化制備出含硼硅酸鈣粉體,其主要物相為?-Ca_(11)Si_4B_2O_(22),其中B含量為2.36 wt%,接近計(jì)量比中數(shù)值。通過(guò)等離子噴涂技術(shù)成功制備了含硼硅酸鈣涂層,該涂層表面粗糙、水潤(rùn)濕性好,與Ti基體結(jié)合良好,結(jié)合強(qiáng)度高于HA涂層,能夠快速誘導(dǎo)HA生成,具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。噴涂過(guò)程中,材料發(fā)生由低溫?相到高溫?相的晶型轉(zhuǎn)變,涂層中以?-Ca_(11)Si_4B_2O_(22)相為主。涂層中存在非晶相成分,其中分散眾多粒徑小于500 nm的顆粒,還存在大量由厚度約為100 nm的薄層堆積而成的層狀結(jié)構(gòu)。熱處理之后,涂層內(nèi)部非晶區(qū)晶化,產(chǎn)生大量尺度在10~50?m的結(jié)晶區(qū),取向各異。晶區(qū)內(nèi)存在眾多寬度小于1?m、長(zhǎng)度約為10~50?m的細(xì)枝狀物。枝狀物是由與其延伸方向相垂直的、厚度約為100 nm的層狀物堆積而成。熱處理涂層斷口的表面為叢簇狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由直徑約為100 nm的柱狀物排列而成。2.B-CS涂層表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性,能夠顯著促進(jìn)成骨類細(xì)胞粘附、鋪展、增殖;此外,該涂層還能夠顯著促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)中Col I和ALP活性分泌、ECM礦化以及成骨基因(Runx2、Osterix、BSP、OPN、OCN、BMP2、VEGF)表達(dá),具有優(yōu)異的促成骨分化性能,能夠通過(guò)BMP2信號(hào)通路調(diào)節(jié)成骨分化作用。該涂層還能夠通過(guò)抑制TLR通路調(diào)控免疫細(xì)胞炎性響應(yīng),限制巨噬細(xì)胞向M1型極化,促使其向M2型轉(zhuǎn)化,促進(jìn)抗炎性因子(IL-10、IL-1ra)及成骨基因(BMP2、VEGF)表達(dá),抑制炎性因子(TNF-?、IL-1?、IL-6、OSM)、破骨因子(TRAP、RANK、MCSF、MMP9)表達(dá),表現(xiàn)出抗炎性功能,能夠營(yíng)造有利于成骨的微環(huán)境。另外,B-CS涂層浸提液具有明顯的成血管功能,能夠促進(jìn)HUVECs遷移和誘導(dǎo)微管形成,有利于人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)表達(dá)更多的成血管基因(VEGF、KDR、bFGF、eNOS),能夠通過(guò)Akt通路調(diào)節(jié)eNOS表達(dá),促進(jìn)NO的產(chǎn)生,促進(jìn)血管生成。B-CS涂層具有優(yōu)異的促成骨分化、免疫調(diào)節(jié)以及血管生成作用,是一種極具應(yīng)用前景的骨植入材料。3.結(jié)合等離子噴涂技術(shù)和水熱工藝,成功制備了具有納米結(jié)構(gòu)表面的含硼硅酸鈣涂層,納米結(jié)構(gòu)可為納米片、納米葉、板條狀等形態(tài),且B含量可調(diào)。噴涂涂層經(jīng)過(guò)水熱處理后,非晶相減少,涂層的抗降解性能得以提高。納米結(jié)構(gòu)表面B-CS涂層均具有較高的表面親水性以及可控的B離子釋放。其中,納米葉結(jié)構(gòu)B-CS涂層(S1)表現(xiàn)出良好的生物相容性,能夠增加總蛋白吸附量,促進(jìn)BMSCs骨架伸展及粘著斑的形成,增加Col I和ALP活性分泌、ECM礦化以及成骨基因表達(dá),可通過(guò)BMP2和粘著斑路徑調(diào)節(jié)成骨分化。此外,它還抑制巨噬細(xì)胞向M1極化,促進(jìn)抗炎因子表達(dá),阻礙炎性因子的表達(dá),能通過(guò)抑制TLR路徑呈現(xiàn)抗炎性功能。其涂層浸提液具有明顯的成血管功能,能夠促進(jìn)HUVECs遷移和誘導(dǎo)微管形成,上調(diào)HUVECs成血管基因(VEGF、bFGF、bFGFR、eNOS)表達(dá)。等離子噴涂技術(shù)和水熱工藝的結(jié)合,能夠設(shè)計(jì)制備出具有納米結(jié)構(gòu)和特定功能元素的材料,是一種有效的生物材料設(shè)計(jì)及改性的方法。
【圖文】：

圖 1. 1 骨的組成成分及其多級(jí)結(jié)構(gòu)[1, 5]Figure 1.1 (a) Composition and (b) hierarchical structure of human bone表 1. 1 骨的力學(xué)性能[1]Table 1.1 Mechanical properties of human bone縱向（MPa） 橫向（MPa） 彈性模量（GPa）質(zhì)骨抗壓 131-224 106-133抗拉 78.8-151 51-5613.7剪切 53.1-70質(zhì)骨抗壓 3-30 < 5抗拉 3-20 < 51.5剪切 < 5 < 5

臨床上應(yīng)用的骨植入材料：腕關(guān)節(jié)固定；全髖關(guān)節(jié)置換；脊柱中的椎弓 1.2 Bone repair materials currently used in the clinical applications. (a) wrispparatus; (b) total hip joint replacements and (c) screws and rods in spine fus內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境對(duì)骨植入材料的性能提出了更高的要求[11]：需要具有生物相容性，，對(duì)細(xì)胞、人體組織的毒副作用低。其次硬組織，其具有特定形狀，在人體內(nèi)需承載一定的機(jī)械載荷，料具有良好的機(jī)械性能。另外，為實(shí)現(xiàn)骨植入材料與骨組織的良入體表面具有良好的骨傳導(dǎo)性，以便新生骨組織能夠在其生長(zhǎng)。上述要求，骨植入材料的研究與開(kāi)發(fā)取得新的進(jìn)展（圖 1.3）。料類別劃分金屬、玻璃、陶瓷與聚合物。從功能上，骨植入材階段[12, 13]。第一階段為生物惰性材料研究。這類材料植入體內(nèi)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4;R318.08

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本文編號(hào)：2608863