【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)良力學性能,有望彌補目前生物醫(yī)用羥基磷灰石(HA)涂層和鈦(Ti)涂層的不足。但由于涂層降解過快,導(dǎo)致成骨不匹配,影響植入體的長效穩(wěn)定性,因而應(yīng)用受限。目前對Ca-Si基陶瓷涂層的改性,多采用網(wǎng)絡(luò)改性體替換,即采用金屬陽離子替換Ca�？紤]到此點,本文擬通過網(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)炎風險、誘導(dǎo)血管生成方面有著重要作用。特別是近年來,骨免疫學的興起,使得具有促成骨和抑炎性的B元素成為潛在的新興營養(yǎng)元素�；谝陨媳尘�,本文通過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,并對粉體和涂層的理化性能進行系統(tǒng)研究。然后考察了含硼硅酸鈣涂層對成骨分化、免疫響應(yīng)、成血管方面的影響,并探討其相關(guān)作用機制。此外,骨具有天然的微納多級結(jié)構(gòu),從仿生的角度出發(fā),可以通過在材料表面構(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,開發(fā)出新型骨植入材料,亦是本課題的研究重點。本研究取得的主要結(jié)果如下:1.采用高溫固相法,通過溫度優(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%,接近計量比中數(shù)值。通過等離子噴涂技術(shù)成功制備了含硼硅酸鈣涂層,該涂層表面粗糙、水潤濕性好,與Ti基體結(jié)合良好,結(jié)合強度高于HA涂層,能夠快速誘導(dǎo)HA生成,具有較好的化學穩(wěn)定性。噴涂過程中,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、長度約為10~50?m的細枝狀物。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)出良好的細胞相容性,能夠顯著促進成骨類細胞粘附、鋪展、增殖;此外,該涂層還能夠顯著促進骨髓間充質(zhì)干細胞(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,具有優(yōu)異的促成骨分化性能,能夠通過BMP2信號通路調(diào)節(jié)成骨分化作用。該涂層還能夠通過抑制TLR通路調(diào)控免疫細胞炎性響應(yīng),限制巨噬細胞向M1型極化,促使其向M2型轉(zhuǎn)化,促進抗炎性因子(IL-10、IL-1ra)及成骨基因(BMP2、VEGF)表達,抑制炎性因子(TNF-?、IL-1?、IL-6、OSM)、破骨因子(TRAP、RANK、MCSF、MMP9)表達,表現(xiàn)出抗炎性功能,能夠營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HUVECs遷移和誘導(dǎo)微管形成,有利于人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)表達更多的成血管基因(VEGF、KDR、bFGF、eNOS),能夠通過Akt通路調(diào)節(jié)eNOS表達,促進NO的產(chǎn)生,促進血管生成。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,可通過BMP2和粘著斑路徑調(diào)節(jié)成骨分化。此外,它還抑制巨噬細胞向M1極化,促進抗炎因子表達,阻礙炎性因子的表達,能通過抑制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。等離子噴涂技術(shù)和水熱工藝的結(jié)合,能夠設(shè)計制備出具有納米結(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)計及改性的方法。
【圖文】：

圖 1. 1 骨的組成成分及其多級結(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，，對細胞、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)需承載一定的機械載荷，料具有良好的機械性能。另外，為實現(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。上述要求，骨植入材料的研究與開發(fā)取得新的進展（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)
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4;R318.08

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊寧;張青松;趙義平;張桂芳;;材料的生物學性能教學的思考[J];山東化工;2018年18期

2 ;細胞工程[J];生物技術(shù)通報;1989年02期

3 孫皎;薛淼;沈一敏;孟愛英;錢云芳;;節(jié)育用硅橡膠材料的生物學性能測試研究[J];上海生物醫(yī)學工程;1993年03期

4 鄭學斌,丁傳賢;人體硬組織替代材料的力學及生物學性能研究(英文)[J];中國臨床康復(fù);2005年02期

5 陳德敏,施琥,薛淼,顧國珍,孟愛英,錢云芳;磷灰石骨水泥材料的生物學性能評價[J];中國口腔種植學雜志;1997年02期

6 王燕萍;曹靈;于金華;;牙髓干細胞生物學性能影響因素的研究進展[J];口腔生物醫(yī)學;2013年03期

7 徐廣濤;林天送;周新妹;于海寧;徐國文;吳曉薇;鄭漾;俞杭斌;陳士票;;絲素蛋白的相關(guān)生物學性能研究[J];天津醫(yī)藥;2010年09期

8 鄒麗劍;張滌生;王煒;朱昌;;不同純度純鈦的生物學性能研究[J];中華整形燒傷外科雜志;1997年06期

9 李亦文，薛淼，張彩霞，徐淑卿;醫(yī)用熱硫化硅橡膠的溶出物特性與生物學性能的相關(guān)性研究[J];中國生物醫(yī)學工程學報;1994年03期

10 徐啟明;周晟博;冒海蕾;王斌;;抗菌材料生物學性能的檢測方法[J];組織工程與重建外科雜志;2015年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 王晨;董利民;田杰謨;李兆新;昝青峰;;煅燒骨的制備及理化和生物學性能研究[A];第十三屆全國高技術(shù)陶瓷學術(shù)年會摘要集[C];2004年

2 高燕;張富強;鄭學斌;;不同載體摻雜CeO_2的生物涂層的結(jié)構(gòu)特征和生物學性能[A];第六次全國口腔修復(fù)學學術(shù)會議論文摘要匯編[C];2009年

3 竇宏儀;羅蘭;張順;徐士清;;介入治療水凝膠微球栓塞劑的實驗研究及生物學性能評價[A];中國生物醫(yī)學工程學會第六次會員代表大會暨學術(shù)會議論文摘要匯編[C];2004年

4 雷勇;馬麗莉;何佳恒;鄧候富;;新型放射性骨治療劑~(117)m錫—三乙撐四胺六甲撐膦酸(~(117m)Sn-TTHMP)生物學性能的研究[A];第三屆全國核素治療學術(shù)交流會議論文摘要匯編[C];2003年

5 許媛媛;武繼民;李志宏;汪鵬飛;;改性膠原海綿支架理化性能和生物學性能研究[A];天津市生物醫(yī)學工程學會2008年年會暨首屆生物醫(yī)學工程與臨床論壇論文集[C];2008年

6 馬遠征;李力韜;馬云龍;;鈦表面PDA-PEG-PLGA-INH抗結(jié)核控釋涂層的構(gòu)建及生物學性能研究[A];第四屆骨關(guān)節(jié)結(jié)核臨床診斷與治療進展及其規(guī)范化專題研討會資料匯編[C];2016年

7 劉明賢;羅丙紅;容建華;周長忍;;埃洛石納米管復(fù)合殼聚糖材料的制備及其生物學性能[A];2011年全國高分子學術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2011年

8 岳進;雷德林;毛天球;郭大剛;;梯度含鍶磷酸鈣骨水泥的仿生合成及其體外生物學性能檢測[A];第五次全國口腔頜面—頭頸腫瘤學術(shù)研討會論文匯編[C];2006年

9 黃丹;黃品;馬克娜;蔡新杰;王貽寧;蔣滔;;鍶/銀/殼聚糖明膠復(fù)合涂層的構(gòu)建及其生物學性能研究[A];第十一次全國口腔修復(fù)學學術(shù)會議論文匯編[C];2017年

10 張晶;劉麗;;微量元素修飾純鈦表面的生物學性能評價[A];第八屆全國口腔材料學術(shù)交流會暨中華口腔醫(yī)學會口腔材料專業(yè)委員會2013年會論文集[C];2013年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 丁玎;骨植入體表面鉭基涂層的制備和生物學性能研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

2 陸翔;含硼硅酸鈣基陶瓷涂層的生物學性能及其促成骨分化機制研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

3 白艷潔;緩釋PGE2對成骨細胞生物學性能及相關(guān)成骨基因表達的影響[D];中國醫(yī)科大學;2018年

4 劉堯;PD-1維持人牙髓間充質(zhì)干細胞生物學性能及相關(guān)調(diào)控機制的研究[D];中國醫(yī)科大學;2018年

5 孫達;一種新型含銅不銹鋼的生物學性能研究[D];重慶大學;2016年

6 羅巧潔;鈦生物學性能的表面拓撲結(jié)構(gòu)依賴性研究[D];浙江大學;2015年

7 王敏;二氧化鋯基臺材料的生物學性能研究[D];武漢大學;2013年

8 周睿;純鈦微弧氧化陶瓷涂層結(jié)構(gòu)調(diào)控及生物學性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

9 劉冰;鈦及鈦合金表面生物活性磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的制備與表征[D];山東大學;2017年

10 張鑫明;醫(yī)用鈦合金表面生物功能化改性及生物學性能研究[D];天津大學;2014年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 龔哲妮;鈦酸鹽納米網(wǎng)格的制備及其生物學性能的研究[D];華中師范大學;2017年

2 李彥集;基于伐普肽自組裝納米貴金屬材料及其生物學性能的研究[D];燕山大學;2017年

3 郭曉恒;元素摻雜復(fù)合磷酸鈣支架的三維打印及其生物學性能研究[D];華南理工大學;2017年

4 王寶娟;海洋防污涂料及其主要成分的生物學性能研究[D];中國海洋大學;2007年

5 王冉;新型鈦鈮鋯錫合金生物學性能研究[D];第四軍醫(yī)大學;2007年

6 田斌;海洋防污涂層生物學性能的研究[D];中國海洋大學;2005年

7 張茜;GG純鈦體瓷材料力學性能及生物學性能的研究[D];第四軍醫(yī)大學;2009年

8 敖梅英;應(yīng)用于生豬飼養(yǎng)的益生微生物的篩選及其生物學性能評價[D];南昌大學;2011年

9 劉玉昆;負載無機活性粒子的多孔陽極氧化鋁薄膜制備及生物學性能研究[D];東華大學;2017年

10 李賓斌;BMMSCs生物學性能及與脊髓修復(fù)材料的生物作用[D];武漢理工大學;2012年

本文編號：2608863