【摘要】：研究背景可控的熱機(jī)械加工技術(shù)使得鈦合金擁有諸多優(yōu)良的機(jī)械性能如較低的彈性模量、抗腐蝕性、較高屈服強(qiáng)度等,被廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科如人工骨、人工關(guān)節(jié)、接骨板、螺釘、牙種植體等硬組織的替代材料。目前,使用最多的鈦基金屬植入物材料是α-β鈦合金Ti_6Al_4V,約占所有鈦合金制品的80%。鈦合金(Ti_6Al_4V)的彈性模量(110 GPa)比骨的彈性模量(10-30 GPa)高。但是,作為一種能植入人體的生物醫(yī)學(xué)材料,首先要考慮的是抗腐蝕性,其次才是機(jī)械性能。鈦合金極易被氧化,表面會(huì)形成一層致密堅(jiān)固的Ti O2薄膜,這種特性使得鈦合金基底具備了較好的抗腐蝕性,也讓鈦合金作為人體內(nèi)植入物具有一定的優(yōu)勢(shì)。植入成敗與否的關(guān)鍵因素除了植入材料自身機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外,還包括材料的表面特性,如生物相容性和抗腐蝕性等。這些表面特性能間接影響應(yīng)力遮擋、磨損碎片或疲勞損傷等機(jī)械性能。尤其對(duì)于用于人體的植入物來說,表面的生物相容性和生物活性起著至關(guān)重要的作用,因?yàn)楸砻娌攀侵踩胛锱c生物體直接接觸的部分。表面工程的目的不僅僅是避免植入材料對(duì)周圍組織造成負(fù)面影響,更重要的是增強(qiáng)內(nèi)植物與生物體之間的相互作用�；铙w組織有不斷自我恢復(fù)和更新的能力,植入材料通常缺乏這個(gè)能力。最好的情況是,植入材料的物理和化學(xué)特性與植入部位或被取代組織的特性一致。植入物材料和機(jī)體組織的界面反應(yīng)常常決定著植入成功與否。鈦合金形成的這層具有著生物惰性的Ti O2薄膜會(huì)形成纖維包裹阻礙植入物與機(jī)體組織的直接結(jié)合。植入骨組織后會(huì)造成早期骨形成效果差,遠(yuǎn)期骨整合不理想。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于保留植入材料機(jī)械性能的同時(shí)又能讓植入物的表面有類似基質(zhì)的功能充分誘導(dǎo)骨組織再生,使得植入物與骨組織之間形成牢固的骨結(jié)合。因?yàn)檫@個(gè)原因,近年來通過表面修飾來提高內(nèi)植物表面的生物活性,進(jìn)而促進(jìn)骨整合成為生物材料工程研究的熱點(diǎn)。其中最直接有效的方法是利用表面涂層技術(shù)在內(nèi)植物表面加載生物活性物質(zhì)或藥物,達(dá)到改善表面生物活性和生物相容性的目的。如通過特殊的金屬表面涂層技術(shù),將具有骨誘導(dǎo)活性的材料附著到鈦合金的表面。經(jīng)過表面改性的鈦合金植入體內(nèi)后,可增強(qiáng)成骨細(xì)胞功能,從而加速植入物周圍骨組織再生及骨形成,進(jìn)一步提高植入物-骨界面的結(jié)合強(qiáng)度,促進(jìn)鈦合金植入物與骨組織的整合程度。石墨烯是2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈?海姆團(tuán)隊(duì)采用簡單的機(jī)械剝離的方法從石墨中分離出來并能穩(wěn)定存在的物質(zhì)。作為碳元素的同素異形體,石墨烯是以SP2雜化軌道連接而成的一種單原子層厚的二維原子晶體,以長為0.142nm的碳-碳鍵共價(jià)結(jié)合。石墨烯是具有不同幾何形狀石墨材料的基本組成單位,包裹成球形結(jié)構(gòu)會(huì)形成零維的富勒烯;卷成桶狀結(jié)構(gòu)就形成了一維的碳納米管(CNTs);疊加成為板層狀結(jié)構(gòu)就形成了三維的石墨。石墨烯擁有眾多獨(dú)特的物理化學(xué)特性,包括高電子傳導(dǎo)能力(室溫下為:15,000 cm-1/V?s),優(yōu)良的導(dǎo)熱性(5000 W/m?K),高比表面積(2630 m Z/g)和優(yōu)秀的力學(xué)特性(彈性模量為:1 TPa),是已知材料中強(qiáng)度最大的物質(zhì)(130 GPa)等。這些特性使石墨烯成為各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家們探索新型電子和復(fù)合材料道路上的一種“明星材料”,被廣泛應(yīng)用于包括量子物理,單分子氣體檢測(cè),透明導(dǎo)電電極,納米工程復(fù)合材料和儲(chǔ)能裝置如超級(jí)電容器和鋰離子電池等領(lǐng)域。自2008年來,石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和組織工程方面的研究日益廣泛。有大量的研究表明,石墨烯及其衍生物能賦予植入物和生物支架誘導(dǎo)BMSCs粘附、增殖和分化的能力。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中石墨烯也有廣泛的應(yīng)用前景,如癌癥治療、微生物檢測(cè)、疾病診斷、藥物/基因載體、抗菌材料、生物傳感器、生物成像等。因此,石墨烯可以作為一種生物相容性好的涂層材料應(yīng)用于表面工程及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本研究中,我們通過制備Ti_6Al_4V表面的石墨烯涂層,利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn),觀察并分析石墨烯對(duì)鈦合金Ti_6Al_4V表面活性和生物相容性的影響。探索石墨烯作為一種新型納米涂層材料,增強(qiáng)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的粘附、增殖和成骨分化,促進(jìn)植入物-骨界面的新骨形成和骨整合的可行性。研究目的1、制備石墨烯表面涂層,并對(duì)石墨烯涂層和無涂層的兩組Ti_6Al_4V支架進(jìn)行表征分析。2、利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn),研究石墨烯涂層和無涂層的兩組鈦合金Ti_6Al_4V支架對(duì)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化的影響,明確石墨烯涂層對(duì)鈦合金支架的生物活性的作用。3、建立新西蘭大白兔股骨髁部骨缺損模型,利用體內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)兩組鈦合金支架植入兔子體內(nèi)后對(duì)骨形成和骨整合的效果,明確石墨烯涂層對(duì)鈦合金支架生物相容性的作用。研究方法1、利用膜轉(zhuǎn)移法,將銅基底上石墨烯導(dǎo)電膜(石墨烯覆蓋率為100%)通過化學(xué)蝕刻、物理吸附等方法轉(zhuǎn)移至鈦合金Ti_6Al_4V的表面制備石墨烯涂層。選用鈦合金的規(guī)格為:Ti_6Al_4V片(Φ=10mm,δ=5mm)用于體外實(shí)驗(yàn)。Ti_6Al_4V棒(Φ=5mm,L=10mm)用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。利用掃描電鏡(SEM)觀察表面形態(tài)的改變;拉曼光譜儀驗(yàn)證是否有石墨烯特征性波峰的存在;光學(xué)接觸角測(cè)量儀、光學(xué)輪廓儀檢測(cè)支架表面親水性和粗糙度的改變;利用機(jī)械力學(xué)壓縮試驗(yàn)檢測(cè)石墨烯涂層對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響;利用超聲震蕩檢測(cè)涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度。2、體外實(shí)驗(yàn):選用SD大鼠的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs),采用全骨髓貼壁培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)胞的分離及培養(yǎng)并分別接種于兩組支架上(G-Ti_6Al_4V和Ti_6Al_4V)。接種1、3、5、7天利用細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒(cell counting kit-8,CCK-8)評(píng)價(jià)細(xì)胞增殖;SEM觀察兩種支架上的細(xì)胞形態(tài)和生長狀態(tài);接種1、3、5天后進(jìn)行免疫熒光染色并利用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察并分析兩組支架上細(xì)胞粘附的情況;接種1、3、5、7天后利用活死細(xì)胞試劑盒評(píng)估兩種支架對(duì)細(xì)胞活性的影響;成骨誘導(dǎo)21天后,進(jìn)行茜素紅-S染色,定量分析礦化鈣結(jié)節(jié);成骨誘導(dǎo)7、14天利用ALP活性測(cè)定試劑盒定量分析兩組支架上ALP的活性,并利用實(shí)時(shí)定量RT-PCR和Western Blot檢測(cè)相關(guān)成骨基因的表達(dá)。3、體內(nèi)實(shí)驗(yàn):選用新西蘭大白兔并建立股骨髁部缺損的動(dòng)物模型,分別植入兩種支架(G-Ti_6Al_4V和Ti_6Al_4V)。選用4、12、24周作為觀察時(shí)間點(diǎn),利用Micro-CT,骨組織四環(huán)素-鈣黃綠素?zé)晒怆p標(biāo)、Van-Gieson染色評(píng)價(jià)兩組支架對(duì)于骨再生及整合的效果。研究結(jié)果1.SEM及拉曼光譜結(jié)果顯示鈦合金Ti_6Al_4V表面的石墨烯涂層制備成功,涂層穩(wěn)定;接觸角測(cè)定結(jié)果表明G-Ti_6Al_4V組的親水性明顯提高(P0.05);表面粗糙度結(jié)果顯示G-Ti_6Al_4V組的表面粗糙度明顯增高(P0.05);壓縮試驗(yàn)結(jié)果反映石墨烯涂層對(duì)鈦合金Ti_6Al_4V整體的力學(xué)性能無明顯影響(P0.05)。2.體外實(shí)驗(yàn)中,細(xì)胞計(jì)數(shù)CCK-8結(jié)果顯示:與Ti_6Al_4V支架比較,G-Ti_6Al_4V支架在細(xì)胞接種1、3、5、7天時(shí)促進(jìn)BMSCs增殖能力更強(qiáng)(P0.05);SEM觀察結(jié)果顯示:在細(xì)胞接種1、5天時(shí),G-Ti_6Al_4V支架上的細(xì)胞形態(tài)更好,細(xì)胞伸展程度更好而且細(xì)胞數(shù)目和絲狀偽足也更多;CLSM結(jié)果顯示:在細(xì)胞接種1、3、5天時(shí)G-Ti_6Al_4V支架上的細(xì)胞粘附斑蛋白(vinculin)較之Ti_6Al_4V組表達(dá)更強(qiáng),平均積分熒光強(qiáng)度(IOD)更高(P0.05);活死細(xì)胞染色結(jié)果表明:在細(xì)胞接種并培養(yǎng)至1、3、5、7天后,兩組支架上的活、死細(xì)胞數(shù)都隨時(shí)間延長而增多,但在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)G-Ti_6Al_4V組活細(xì)胞更多(P0.05);茜素紅-S染色及定量結(jié)果顯示:接種在G-Ti_6Al_4V支架上的BMSCs經(jīng)過21天的誘導(dǎo)成骨后,鈣結(jié)節(jié)生成量明顯高于Ti_6Al_4V組(P0.05);ALP活性定量檢測(cè)結(jié)果表明:在成骨誘導(dǎo)7、14天時(shí),G-Ti_6Al_4V組ALP染色更深,通過ALP定量試劑盒測(cè)出的OD值更高(P0.05);實(shí)時(shí)定量RT-PCR結(jié)果顯示:與Ti_6Al_4V組相比,G-Ti_6Al_4V組Runx2、ALP、Col-1、BMP-2的表達(dá)量在成骨誘導(dǎo)7、14天明顯增高(P0.05)。OCN的表達(dá)量在誘導(dǎo)第7天時(shí)兩組比較沒有明顯差異(P0.05),但在第14天時(shí)G-Ti_6Al_4V組的表達(dá)量明顯增高(P0.05)。Western Blot表現(xiàn)出與RT-PCR相類似的結(jié)果。3.體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,生物力學(xué)(推出試驗(yàn))檢測(cè)的結(jié)果顯示:在4、12、24周,G-Ti_6Al_4V組和Ti_6Al_4V組最大失效載荷(最大推出力)都隨植入時(shí)間的延長而增加,但在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)G-Ti_6Al_4V組所需要的最大失效載荷即最大推出力明顯高于Ti_6Al_4V組(P0.05);Micro-CT結(jié)果顯示,在4、12、24周,G-Ti_6Al_4V組的BV/TV、Tb Th和Tb N均明顯高于Ti_6Al_4V組(P0.05);4周時(shí),兩組的BS/BV結(jié)果無差異(P0.05),而在12周和24周時(shí)Ti_6Al_4V組的BS/BV則明顯高于G-Ti_6Al_4V組(P0.05)。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn),Ti_6Al_4V組的Tb Sp均高于G-Ti_6Al_4V組(P0.05);骨組織四環(huán)素和鈣黃綠素?zé)晒怆p標(biāo)結(jié)果顯示:G-Ti_6Al_4V組的骨礦化沉積率(MAR)更高(P0.05);VG組織學(xué)染色結(jié)果顯示與Micro-CT結(jié)果類似的趨勢(shì),隨著植入時(shí)間的延長,兩組的新生骨量都在增加,但是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)G-Ti_6Al_4V組的新生骨量和新生骨的密度明顯多于Ti_6Al_4V組,尤其在第24周G-Ti_6Al_4V組中,骨與植入物之間基本無空隙和纖維組織,骨整合效果更佳。研究結(jié)論1、鈦合金Ti_6Al_4V表面的石墨烯涂層制備成功,石墨烯涂層與鈦合金基底穩(wěn)定結(jié)合。石墨烯涂層增加了Ti_6Al_4V支架表面的親水性和表面粗糙度但沒有改變其力學(xué)性能。2、體外細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)表明Ti_6Al_4V支架經(jīng)石墨烯涂層后,其表面生物活性得到增強(qiáng),能明顯促進(jìn)BMSCs粘附、增殖及成骨分化。3、石墨烯修飾提高了Ti_6Al_4V支架的生物相容性,將其植入骨隧道后能夠促進(jìn)周圍新骨的生成以及新生骨與Ti_6Al_4V支架的結(jié)合,提高了Ti_6Al_4V支架表面的骨整合效果,促進(jìn)了術(shù)后骨缺損的修復(fù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R318.08;R68

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 張永濤;劉漢源;王昌;程軍;石瑾;王嵐;于振濤;;生物醫(yī)用金屬材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J];熱加工工藝;2017年04期

2 Ning Li;Yilin Cheng;Qin Song;Ziyun Jiang;Mingliang Tang;Guosheng Cheng;;Graphene meets biology[J];Chinese Science Bulletin;2014年13期

3 吳娟霞;徐華;張錦;;拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2014年03期

4 Lili Tan;Xiaoming Yu;Peng Wan;Ke Yang;;Biodegradable Materials for Bone Repairs:A Review[J];Journal of Materials Science & Technology;2013年06期

5 李寧;張琦;張慶慶;宋琴;齊琳;王龍;唐明亮;靳剛;程國勝;;雙親性氧化石墨烯的合成及生物相容性[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

6 劉九羊;黃少萌;高安秀;;生物醫(yī)學(xué)材料概論[J];科技風(fēng);2012年05期

，

本文編號(hào)：2308589