發(fā)布時間：2020-08-28 11:08

　　 第一部分表面載銅的鈦金屬材料的制備與表征檢測目的:利用多巴胺在弱堿性條件下自聚合形成的聚多巴胺涂層沉積于鈦金屬表面,將銅離子通過聚多巴胺的螯合作用沉積在純鈦(Titanium,Ti)金屬材料表面,制備出表面載銅的鈦金屬復(fù)合材料,并對其進(jìn)行檢測與表征。方法:將純鈦片依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗后,將上述材料避光浸泡在2mg/m L的多巴胺溶液中(10m M Tris-HCL溶液,PH=8.5)24小時,在純鈦片表面制備出聚多巴胺涂層(Ti-PDA),隨后將含有聚多巴胺涂層的純鈦片分別浸泡在0.02 mol/L、0.1 mol/L和0.5 mol/L的Cu Cl2溶液中1小時,制備出表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料(Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5)。涂層的形貌和化學(xué)元素構(gòu)成分別采用掃描電鏡和X射線光電子能譜儀予以分析,自動化接觸角測量儀測定各組涂層表面的水接觸角、對各組涂層的可濕性進(jìn)行分析,并檢測三組不同含量載銅涂層的銅離子釋放。結(jié)果:掃描電鏡觀察顯示聚多巴胺涂層和摻入的銅元素未顯著改變涂層的表面形貌。X射線光電子能譜分析顯示,三組不同含量載銅涂層中分別含有4.28 at%、6.01 at%和8.47 at%的銅元素。接觸角測試顯示經(jīng)過聚多巴胺涂層處理后各組材料表面的親水性明顯改善。銅離子釋放試驗證實三組不同含量載銅涂層均能夠向周圍溶液中持續(xù)釋放銅離子。結(jié)論:利用多巴胺的自聚合以及聚多巴胺的螯合作用,能夠在鈦金屬表面制備出不同含量的載銅涂層。聚多巴胺涂層和摻入的銅元素并未顯著改變涂層的表面形貌,但涂層的化學(xué)構(gòu)成發(fā)生改變,涂層的親水性顯著改善,不同含量載銅涂層均能夠向周圍溶液中持續(xù)釋放銅離子。第二部分表面載銅的鈦金屬材料的體外抗菌性能檢測目的:研究表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌的抗菌性能。方法:以Ti-PDA、Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5作為實驗組,將純Ti片作為對照組,以金黃色葡萄球菌菌株ATCC 25923和大腸桿菌菌株ATCC 25922為實驗菌株。分別將金黃色葡萄球菌菌株與大腸桿菌菌株接種于各組材料培養(yǎng)24小時,采用平板計數(shù)法進(jìn)行活菌計數(shù),觀察各組材料的抑菌效果,實驗重復(fù)三次計算其抑菌率并拍攝涂板照片。結(jié)果:平板計數(shù)法抑菌實驗結(jié)果提示:培養(yǎng)24小時以后,Ti-PDA-Cu 0.5和Ti-PDA-Cu 0.1組對金黃色葡萄球菌的平均抗菌率分別為99.4%和91.9%,顯著高于(p0.01)Ti-PDA-Cu 0.02及Ti-PDA組,其對金黃色葡萄球菌的平均抗菌率分別為41.5%和10.2%。對大腸桿菌的平均抗菌率也有相似的趨勢,Ti-PDA,Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5對革蘭氏陰性大腸桿菌的平均抗菌率分別為11.9%、46.2%、92.3%和98.3%。拍攝的涂板照片顯示,隨著銅含量的增加菌落數(shù)逐漸減少,在Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組,可見大量的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌菌落,而在Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組形成的細(xì)菌菌落明顯減少。結(jié)論:表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌均具有明顯的抑菌作用,隨著銅含量的增加其抑菌作用顯著增強(qiáng)。其中,Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組具有優(yōu)良的抑菌性能。第三部分表面載銅的鈦金屬材料的生物相容性檢測目的:研究表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料對MC3T3-E1成骨細(xì)胞粘附與增殖的影響。方法:以同樣的細(xì)胞量將MC3T3-E1成骨細(xì)胞種植在五組不同的材料表面,將Ti設(shè)為對照組,采用掃描電鏡于第24小時觀察成骨細(xì)胞在不同材料表面的鋪展情況;采用細(xì)胞計數(shù)CCK-8法分別在1、3、5、7天檢測粘附于各組涂層表面的細(xì)胞數(shù)目;于24小時終止培養(yǎng),對各組材料表面粘附的MC3T3-E1成骨細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞肌動蛋白張力纖維、細(xì)胞核雙重?zé)晒馊旧?觀察各組涂層表面的細(xì)胞骨架分布形態(tài)。結(jié)果:掃描電鏡觀察結(jié)果表明,在培養(yǎng)24小時后,MC3T3-E1成骨細(xì)胞在不同材料表面表現(xiàn)出不同的形態(tài)。細(xì)胞在純Ti片組表現(xiàn)為相對圓的形狀,而細(xì)胞Ti-PDA、Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5組表現(xiàn)為更加平坦和不規(guī)則的形狀。CCK-8檢測結(jié)果表明:各組材料表面的細(xì)胞在不同檢測時間點(diǎn)均可以良好的增值。第1、3、5天時,純Ti片組的細(xì)胞增殖優(yōu)于Ti-PDA、Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5組,而在培養(yǎng)到第7天時,五組材料表面的細(xì)胞數(shù)量沒有顯著性差異。熒光染色結(jié)果顯示:MC3T3-E1成骨細(xì)胞可以很好地粘附于各組材料表面,細(xì)胞在純Ti片組因細(xì)胞骨架分布未充分鋪展而表現(xiàn)為相對圓的形態(tài),而在Ti-PDA、Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5組細(xì)胞骨架充分鋪展從而表現(xiàn)出明顯的扁平和不規(guī)則的形態(tài)。結(jié)論:通過將表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料與MC3T3-E1成骨細(xì)胞共培養(yǎng)觀察,研究結(jié)果顯示不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料不僅具有良好的生物相容性,而且有助于MC3T3-E1成骨細(xì)胞的細(xì)胞粘附和鋪展。第四部分表面載銅的鈦金屬材料體內(nèi)抑菌性能和促進(jìn)骨整合的動物實驗研究目的:研究表面具有不同含量載銅涂層的鈦金屬復(fù)合材料的體內(nèi)抑菌性能及促進(jìn)骨假體整合的生物學(xué)作用。方法:通過建立一種內(nèi)植物感染相關(guān)的骨髓炎動物模型來模擬假體周圍感染。以Ti-PDA、Ti-PDA-Cu 0.02、Ti-PDA-Cu 0.1、Ti-PDA-Cu 0.5作為實驗組,將Ti金屬作為對照組。實驗使用了40只雄性SD大鼠并隨機(jī)分為五組,采用微型電鉆在左側(cè)脛骨近端髓腔開孔并接種20μL濃度為104 CFU/m L的金黃色葡萄球菌懸液,隨后植入長度為1厘米,直徑為1.2毫米的定制型鈦棒。我們通過Micro-CT與組織學(xué)切片及免疫組化染色系統(tǒng)研究了各組材料在體內(nèi)的抗菌作用和促進(jìn)骨整合的生物學(xué)作用。結(jié)果:HE染色顯示術(shù)后2周Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組內(nèi)植物周圍的骨組織中可見大量的中性粒細(xì)胞、術(shù)后4周可見許多慢性炎性細(xì)胞浸潤,而在Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組未見明顯感染跡象。Masson染色提示在術(shù)后2周,Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組骨組織/內(nèi)植物界面有纖維組織形成,術(shù)后4周時骨組織/內(nèi)植物界面可見纖維組織減少并伴有編織骨形成。而Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組的骨組織/內(nèi)植物界面未見新骨形成。TRAP染色結(jié)果顯示術(shù)后2周Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組內(nèi)植物周圍的骨組織中可見典型的破骨細(xì)胞活性增高的骨吸收征象、術(shù)后4周時破骨細(xì)胞數(shù)減少。而在Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組未見明顯的骨吸收征象。免疫組化染色顯示術(shù)后2周,在Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組內(nèi)植物周圍的骨組織中可見大量的金黃色葡萄球菌、Ti-PDA-Cu0.1組可見微量的活菌、Ti-PDA-Cu 0.5組則未見明顯的活菌存在征象。術(shù)后4周,Ti、Ti-PDA和Ti-PDA-Cu 0.02組均有明顯細(xì)菌感染,而在Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組未檢測到活菌存在。此外,術(shù)后4周Micro-CT掃描后的3D重建圖像和定量分析進(jìn)一步驗證了組織學(xué)觀察的結(jié)果。3D重建圖像和新骨形成的定量分析(BV/TV)均顯示在Ti、Ti-PDA組的骨組織/內(nèi)植物界面有微量的新骨形成,Ti-PDA-Cu 0.02組的新骨形成優(yōu)于Ti和Ti-PDA組,Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組骨組織/內(nèi)植物界面的新骨形成最多。結(jié)論:假體周圍感染的動物模型表明Ti-PDA-Cu 0.1和Ti-PDA-Cu 0.5組具有優(yōu)良的抗菌性能和促進(jìn)骨整合的作用,因此有助于預(yù)防假體周圍感染的相關(guān)并發(fā)癥。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R318.08;R68
【部分圖文】：

1 . 不同活性金屬離子對骨組織的生物學(xué)作用及其在組織工程領(lǐng)域應(yīng)用的示意圖[32]于以上研究成果，目前認(rèn)為將銅（Cu）、銀（Ag）等具有抑菌性能的金屬元素?fù)饺氲结t(yī)表面可有效預(yù)防內(nèi)植物相關(guān)感染，近年來研究者們在應(yīng)用活性金屬離子對醫(yī)用材料改行了深入的研究并取得了良好的結(jié)果。例如，Wang 等[49]通過等離子體浸沒離子注入含有銀納米粒子的抗菌涂層，研究結(jié)果證實了銀納米粒子的抗菌作用取決于底物的導(dǎo)了電子轉(zhuǎn)移在抗菌過程中的重要性。此外，銀納米顆粒與鈦基體之間的電子轉(zhuǎn)移可在

多巴胺的應(yīng)用原理示意圖[69]

圖 4 . 聚多巴胺修飾鈦金屬表面載銅涂層材料的制備流程圖參考文獻(xiàn)1.Galia CR, Diesel CV, Guimar es MR, et al. Total hip arthroplasty: a still evolving technique.Rev Ortop. 2017 Sep 14;52(5):521-527.2.Daigle ME, Weinstein AM, Katz JN, et al. The cost-effectiveness of total joint arthroplastsystematic review of published literature.Best Pract Res Clin Rheumatol. 2012 Oct;26(5):649-63.Kapadia BH, Berg RA, Daley JA, et al. Periprosthetic joint infection. Lancet. 2016 23;387(10016):386-394.4.Kurtz S, Ong K, Lau E, et al. Projections of primary and revision hip and knee arthroplastthe United States from 2005 to 2030. J Bone Joint Surg Am. 2007Apr;89(4):780-785.5.Mcgrory BJ, Etkin CD, Lewallen DG. Comparing contemporary revision burden among hip and joint replacement registries. Arthroplast Today. 2016 May 27;2(2):83-86.

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 Dong Joon Lee;Henry C Tseng;Sing Wai Wong;Zhengyan Wang;Meng Deng;Ching-Chang Ko;;Dopaminergic effects on in vitro osteogenesis[J];Bone Research;2015年03期

本文編號：2807506