發(fā)布時間：2020-06-08 19:12

【摘要】：鈦基骨科材料植入體內(nèi)后,面臨兩大臨床挑戰(zhàn):無菌性松動及細(xì)菌感染,直接決定了植入成敗及長期使用壽命。無菌性松動源于多種因素,包括生理載荷下植入體相對于骨的微移動、植入體生成的磨損顆粒誘發(fā)炎癥反應(yīng)和骨吸收、鈦基材料與骨組織之間力學(xué)性能不適配而引發(fā)的“應(yīng)力遮擋”,以及植入體和患者骨組織之間的骨整合性不足。此外,細(xì)菌感染是導(dǎo)致植入失敗和翻修手術(shù)的另一主要因素�；诖�,優(yōu)異的骨整合性和預(yù)防細(xì)菌感染是植入體植入成功所必需。因而,優(yōu)化植入體設(shè)計,賦予鈦及鈦合金多重生物功能至關(guān)重要。本論文從骨組織生長和重塑過程中骨形成與血管形成耦合的角度出發(fā),采用陽極氧化和層層自組裝(LBL)技術(shù)構(gòu)建了兼具抗菌性能的促成骨/成血管分化的藥械結(jié)合體系,提高骨生成能力。進(jìn)而,我們從仿生自然骨微納結(jié)構(gòu)角度出發(fā),采用3D打印技術(shù)制造了匹配自然骨組織力學(xué)性能的多孔Ti6Al4V支架,并采用冷凍干燥法制備了兼具抗菌、抗腫瘤和促骨生成能力的三相仿生復(fù)合支架。本論文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.層層自組裝修飾載藥鈦納米管促骨/血管生成研究利用陽極氧化制備二氧化鈦納米管(TNT)陣列作為藥物儲池,裝載去鐵胺(DFO)藥物,然后采用LBL技術(shù)在載藥納米管表面構(gòu)筑殼聚糖(Chi)和明膠(Gel)仿生多層膜結(jié)構(gòu),命名為TNT-DFO-LBL。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)和接觸角測量等手段對基材的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征,證實(shí)在TNT陣列上已成功構(gòu)建多層膜結(jié)構(gòu)。檢測顯示DFO以持續(xù)緩慢的方式釋放。該藥械結(jié)合基材能顯著改善骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)的粘附、增殖和成骨分化,并促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)的生長。此外,TNT-DFO-LBL通過激活MSCs細(xì)胞HIF-1α信號通路,上調(diào)成骨和成血管相關(guān)基因表達(dá),促進(jìn)體內(nèi)成骨生成能力。2.兼具促成骨和成血管化的酶響應(yīng)性抗菌鈦基植入體研究首先將慶大霉素(Gen)共價接枝到透明質(zhì)酸(HA)分子上獲得透明質(zhì)酸酶(HAase)敏感的HA-Gen偶合物。然后,采用LBL技術(shù)在裝載DFO藥物的TNT表面構(gòu)筑Chi/HA-Gen多層膜結(jié)構(gòu),稱為TNT/DFO/HA-Gen。利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和核磁共振氫譜(~1H NMR)對HA-Gen進(jìn)行表征。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)和接觸角測量對基材的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。在外源性HAase存在時,DFO快速釋放,這與HAase觸發(fā)的多層膜降解有關(guān)。TNT/DFO/HA-Gen基材對大腸桿菌(E.coli)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)有良好的抗細(xì)菌粘附和抗菌性能,但利于MSCs細(xì)胞粘附,而且能同時促進(jìn)MSCs成骨/成血管分化。3.3D打印不同孔徑的多孔Ti6Al4V植入體促骨生成研究為考察多孔Ti6Al4V支架孔徑尺寸大小對生物學(xué)性能的影響,我們設(shè)計并采用選區(qū)激光熔融(SLM)技術(shù)制造了不同孔徑的(500、700和900μm)多孔Ti6Al4V植入物,分別命名為p500、p700和p900。通過表征多孔Ti6Al4V支架形態(tài)特征,其實(shí)際孔徑分別為401±26μm、607±24μm和801±33μm。靜態(tài)力學(xué)性能結(jié)果顯示,多孔Ti6Al4V支架的力學(xué)性質(zhì)與骨組織相匹配。結(jié)果表明,3D打印技術(shù)能夠制備類似于人骨力學(xué)性能的多孔Ti6Al4V植入物。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)目讖匠叽缋诩?xì)胞粘附、增殖和早期分化。此外,將多孔Ti6Al4V支架植入兔股骨評價體內(nèi)促成骨能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明p700樣品利于骨組織長入孔內(nèi)和骨-植入體的穩(wěn)固性。綜上所述,p700組樣品(實(shí)際孔徑約為600μm)的生物學(xué)性能優(yōu)于其他兩組。以上結(jié)果為設(shè)計和制造具有特定幾何形狀的多孔Ti6Al4V支架材料提供科學(xué)依據(jù)。4.具有抗菌、抗腫瘤性能的骨修復(fù)仿生復(fù)合支架研究臨床治療由創(chuàng)傷、腫瘤切除及其他骨疾病導(dǎo)致的骨缺損仍是一個重大挑戰(zhàn),尤其是承重部位的骨缺損。為預(yù)防骨肉瘤手術(shù)切除后腫瘤復(fù)發(fā)和細(xì)菌感染,我們設(shè)計了仿生三相復(fù)合材料,由多孔Ti6Al4V支架、殼聚糖(Chi)和硒摻雜羥基磷灰石納米顆粒(HA-Se)組成,稱之為pTi/CS/HAP-Se。利用透射電子顯微鏡(TEM)對納米羥基磷灰石顆粒形貌特征進(jìn)行表征。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線衍射(XRD)分別對復(fù)合支架的形貌、化學(xué)和相組成進(jìn)行表征。細(xì)胞水平上,復(fù)合支架可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖,抑制腫瘤細(xì)胞(MDA-MB-231)的生長和細(xì)菌活性。仿生三相復(fù)合支架有類似于天然骨組織的多層級孔隙結(jié)構(gòu),在治療骨肉瘤切除手術(shù)后的骨缺損具有潛在應(yīng)用價值。
【圖文】：

1 緒 論級都有不同的力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)性能。從宏觀層面上講，骨可分為密質(zhì)骨（cortical bone）和松質(zhì)骨（cancellous bone）[34]。密質(zhì)骨也稱皮質(zhì)骨，質(zhì)地致密而堅硬，由整齊排列的內(nèi)、外環(huán)骨板構(gòu)成。內(nèi)環(huán)骨板圍繞骨髓腔排列在內(nèi)部，外環(huán)骨板則排列在骨表面，在內(nèi)、外骨板之間有很多縱行的圓筒狀結(jié)構(gòu)，它們以同心圓的方式整齊排列，稱為哈弗斯系統(tǒng)（haversiansystem），其中心管叫哈弗斯管（haversian canal）。組成密質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)單元是骨單位（osteon），尺寸從 10-500 μm 不等，密質(zhì)骨占骨量的 80%，僅有約 3-5%的空間用于骨細(xì)胞、微管及血管生長。松質(zhì)骨呈海綿狀，由骨小梁（trabecula）相互交織排列而成，配布于骨的內(nèi)部，大約占骨量的 20%[35]。松質(zhì)骨有大量呈蜂窩狀的孔隙結(jié)構(gòu)，其中充滿骨髓、神經(jīng)和血管成分，孔隙率在 50-90%[36]。密質(zhì)骨耐壓性強(qiáng)，彈性模量較高，約為 14-20 GPa，為生理負(fù)荷提供足夠的力學(xué)支撐；而松質(zhì)骨彈性較大，彈性模量約為 1.5-4 GPa[37]。

（mesenchymal stem cells，MSCs）或其他類型的間質(zhì)細(xì)胞（mesenchymal stromalcells）等構(gòu)成[40]。當(dāng)骨內(nèi)部組織改建或骨折愈合以及其他形式損傷修復(fù)，骨原細(xì)胞活化、增殖并調(diào)整為成骨前體細(xì)胞、成骨細(xì)胞等[41]。MSCs 是多潛能性干細(xì)胞，在不同外界環(huán)境刺激下能成骨、成血管和成心肌等多向分化[42]。成骨細(xì)胞又稱為骨母細(xì)胞，由 MSCs 分化而來，具有合成和分泌骨基質(zhì)、參與骨鈣化、調(diào)節(jié)骨中鈣磷進(jìn)出量等多重生理作用，是形成骨組織的細(xì)胞[43]。成骨細(xì)胞常以單層排列方式分布于新生骨表面，可產(chǎn)生類骨質(zhì)填充于成骨細(xì)胞之間，逐漸將其包埋并轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞[44]。骨細(xì)胞位于骨質(zhì)內(nèi)，是扁橢圓形、多突起的細(xì)胞，單個分散排列于骨板內(nèi)或骨板間，，其胞質(zhì)嗜堿性[45]。破骨細(xì)胞來源于單核細(xì)胞，在體內(nèi)行使骨吸收功能。在特異性信號蛋白和細(xì)胞因子作用下，單核細(xì)胞遷移至吸收部位，和其他單核細(xì)胞融合成多核巨噬細(xì)胞，然后分化成破骨細(xì)胞[46]。整個骨形態(tài)發(fā)生和生長階段，就是破骨細(xì)胞不斷進(jìn)行骨基質(zhì)吸收，以及成骨細(xì)胞不斷進(jìn)行骨生成的過程[47]。 因此，破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞這兩種細(xì)胞功能的動態(tài)平衡，對于骨的生長、發(fā)育、塑形和重建都起著直接作用[48]。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.08


本文編號：2703517