金屬植入體表面修飾以增強其骨整合能力是骨修復研究的重要領(lǐng)域之一。植入體表面拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建和組成修飾以營造適合細胞生長的表面微環(huán)境,是促進植入體表面形成快速有效骨整合的有效途徑。如何設(shè)計并構(gòu)建合適的表面拓撲結(jié)構(gòu)及表面組分,讓細胞產(chǎn)生最佳的生物學效應(yīng),仍然是一個有待深入研究的課題。本工作以微球作為拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建的基本單元,構(gòu)建了不同尺度、不同密度、不同表面組分及表面納米結(jié)構(gòu)化的拓撲結(jié)構(gòu),并對成骨細胞在這些拓撲結(jié)構(gòu)表面的粘附、增殖以及成骨分化能力進行了評價,探討了基于微球的拓撲結(jié)構(gòu)對細胞調(diào)控的作用機制。本文主要取得了以下3方面的研究成果:1.基于SiO2微球的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建、修飾及評價。以亞細胞尺度(140 nm～500 nm)的SiO2微球作為基本結(jié)構(gòu)單元,采用旋涂法構(gòu)建了相應(yīng)表面拓撲結(jié)構(gòu)。通過改變分散體系、旋涂轉(zhuǎn)速等參數(shù),形成均勻分散、密度可調(diào)的SiO2微球拓撲結(jié)構(gòu)。選取其中生物相容性最佳的拓撲結(jié)構(gòu)并在其表面進行了 TiO2、Al2O3及Au的組分修飾。不同組分修飾在前成骨細胞的不同生長階段體現(xiàn)了不同的促進作用。TiO2修飾能夠促進細胞的粘附,Al2O3修飾則在細胞增殖階段發(fā)揮促進作用,Au修飾的拓撲結(jié)構(gòu)在細胞的粘附與增殖階段都有較為明顯的促進作用。這種不同階段產(chǎn)生的促進作用很可能與組分修飾改變了材料表面的蛋白質(zhì)吸附能力及吸附取向有關(guān)。2.基于Ti微球的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建、修飾及評價。以超細胞尺度(10μm～53μn)的Ti微球及表面納米結(jié)構(gòu)化的Ti微球作為基本結(jié)構(gòu)單元,采用旋涂法構(gòu)建相應(yīng)表面拓撲結(jié)構(gòu)。通過改變分散體系、固含量以及旋涂轉(zhuǎn)速等制備參數(shù),分別構(gòu)建了低密度(～120個/mm2),中密度(～720個/mm2)和高密度(～2400個/mm2)的表面拓撲結(jié)構(gòu),并對其生物學性能進行了評價。Ti微球表面納米結(jié)構(gòu)化能很好地促進蛋白質(zhì)吸附和單細胞在微球上的粘附與鋪展,而由Ti微球形成的中密度表面拓撲結(jié)構(gòu)對細胞整體的粘附、增殖與分化卻表現(xiàn)出最為顯著的促進能力。針對這現(xiàn)象提出了可能的作用機理為:超細胞尺度的中密度表面拓撲結(jié)構(gòu)對細胞分布起到了一定的限域作用,促進了細胞團簇的形成,團簇形成后能夠促進細胞-細胞間的生物信號的有效傳遞,從而顯著促進細胞的增殖及成骨分化;納米結(jié)構(gòu)化的微球構(gòu)成的表面拓撲結(jié)構(gòu),雖對單細胞的粘附有明顯的促進作用,卻抑制了限域效應(yīng),細胞團簇無法形成,因而其生物效應(yīng)不如中密度表面拓撲結(jié)構(gòu)。3.基于TC4微球的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建及評價。以超細胞尺度(10 μm～53 μm)的TC4(Ti6Al4V)微球作為基本結(jié)構(gòu)單元,結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)建相應(yīng)表面拓撲結(jié)構(gòu)。通過增材和激光等參數(shù)的改變得到了3種典型的表面拓撲結(jié)構(gòu):條紋狀結(jié)構(gòu)型3D-S、分散微球型3D-D和兩者組合型3D-SD。3D打印工藝參數(shù)對條紋結(jié)構(gòu)的寬度和深度有著明顯的影響,而對分散微球型結(jié)構(gòu)影響不顯著。對3種拓撲結(jié)構(gòu)表面再進一步進行了納米結(jié)構(gòu)化修飾和相應(yīng)的生物學評價。細胞實驗顯示,微球分散型結(jié)構(gòu)能全面地對細胞行為起到調(diào)節(jié)與促進作用,這可能與微球分散拓撲結(jié)構(gòu)的限域效應(yīng)促使細胞團簇形成有關(guān)。條紋結(jié)構(gòu)的寬度及深度變化對成骨分化能力也有一定的調(diào)控作用,但僅具有條紋結(jié)構(gòu)的3D-S組并沒有表現(xiàn)出明顯的促成骨分化作用。同時具有條紋結(jié)構(gòu)和微球分散結(jié)構(gòu)的3D-SD表面表現(xiàn)出了最佳的促成骨分化能力。說明條紋結(jié)構(gòu)具有一定的促成骨分化的調(diào)控能力,但需要基于微球分散結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)出來,這可能與微球結(jié)構(gòu)化表面促進細胞團簇,而條紋結(jié)構(gòu)使得細胞團簇具有一定的取向性有關(guān)。納米結(jié)構(gòu)修飾同樣需要依托于合適的拓撲結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)出良好的細胞響應(yīng)性。3D-S型經(jīng)納米結(jié)構(gòu)修飾并沒有對細胞響應(yīng)行為有顯著的促進作用,而3D-SD型進行納米結(jié)構(gòu)修飾后,其細胞響應(yīng)能力顯著提升。一方面與納米結(jié)構(gòu)促進蛋白吸附從而提供了更多的細胞識別位點;另一方面,3D-SD的整體納米結(jié)構(gòu)化,并不會抑制細胞團簇形成,因而納米結(jié)構(gòu)修飾能發(fā)揮積極作用。本文對以微球為基本結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)建的表面拓撲結(jié)構(gòu)及其生物學效應(yīng)的研究,并對產(chǎn)生良好生物學效應(yīng)的作用機理進行了分析與驗證,為未來金屬植入體表面修飾的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型工藝選擇等提供了新的思路,對獲得具有表面高成骨響應(yīng)的植入體有著重要的意義。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;R318.08
【部分圖文】：

？二??圖１．１陽極氧化法獲得的不同管徑的Ｔｉ０２納米管陣列［１８１??Ｆｉｇ．?１．１?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｔｉ０２?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｃａｌｅｓ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ｂｙ?ａｎｏｄｉｚｉｎｇ?ｔｉｔａｎｉｕｍ??ｓｈｅｅｔｓ．??

?利用化學方法對納米管底部的鈦進行腐蝕，最后去除表面的摸板，從而在鈥基板??表面構(gòu)建出了納米點結(jié)構(gòu)，如圖１．３ａ，通過調(diào)節(jié)模板的孔徑可以調(diào)控納米點的大??小及密度。Ｌｕｏ［２ｌ］等則通過分相自姐裝的方法，同祥在鈦材表面制備了納米點薄??膜，通過控制分相劑的濃度與旋涂轉(zhuǎn)速同樣可以調(diào)控納米點的尺寸與密度，如圖??１．３ｂ。??國??圖１．３不同方法制備的Ｔｉ０２納米點：（ａ）模板法［２Ｄ］；?（ｂ）分相自組裝法［２｜］??Ｆｉｇ．?１．３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｔｉ〇２?ｎａｎｏｄｏｔｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍｅｔｈｏｄ：?（ａ）?ｔｅｍｐｌａｔｅ?ｍｅｔｈｏｄ；?（ｂ）??ｐｈａｓｅ－ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ?ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ．??￣Ｔｌ??二ｚｙ??—??圖１．４ＮＩＨ３Ｔ３細胞偽足在納米點上的選擇性吸附［２２］??Ｆｉｇ．?１．４?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ?３Ｔ３－ｆｉｂｒｏｂｌａｓｔ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ?ａｄｈｅｒｉｎｇ?ｔｏ?ｎａｎｏｄｏｔ?ｐａｔｔｅｒｎｓ．??Ｇｋａｒｄｌ２２］等在基板表面構(gòu)建了島狀的納米點結(jié)構(gòu)（圖１．４），實驗發(fā)現(xiàn)，細胞??４??

重要的意義。??三種被廣泛研究的典型微米級圖案化結(jié)構(gòu)，微米槽、微米柱陣列和微米丼陣??列如圖１．７所示。圖案化結(jié)構(gòu)作用相當廣泛，幾乎影響到所有類型的細胞行為。??不同基板、不同的圖案化結(jié)構(gòu)對不同的細胞系有不同的誘導能力。而細胞與圖案??化結(jié)構(gòu)間的相互作用方式也會隨著所使用的的細胞系種類、圖案化結(jié)構(gòu)尺寸等因??素改變而產(chǎn)生變化［３３＿３６］。??ａ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｂ）?ＳＥＭ??ｒ識關(guān)??＿＿??＜?醒墨矗編??？ＳＬＵＬｌｉＵｉＦ?Ｘ５）??圖１．７典型微米圖案化結(jié)構(gòu)的示意圖（ａ）和ＳＥＭ圖片（ｂ）：微米溝槽（比例尺為５ｍｍ）、??微米柱陣列（比例尺為５ｍｍ）和微米井陣列（比例尺為１?ｍｍ）?１２８１??Ｆｉｇ．?１．７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｅｐｉｃｔｉｏｎｓ?（ａ）?ａｎｄ?ＳＢＭ?ｉｍａｇｅｓ?（ｂ）?ｏｆ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ?ｍｉｃｒｏ－ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ??ｐａｔｔｅｒｎｓ．?Ｔｈｒｅｅ?ｂａｓｉｃ?ｎａｎｏｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ?ｉｎｃｌｕｄｅ?ｍｉｃｒｏ－ｇｒｏｏｖｅｓ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?５?ｍｍ），??ｍｉｃｒｏ－ｐｉｌｌａｒｓ?ａｒｒａｙ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?５?ｍｍ），?ａｎｄ?ｍｉｃｒｏ－ｗｅｌｌｓ?ａｒｒａｙ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?＝?１?ｍｍ）．??１．２．２．１微米溝槽??由于細胞尺寸的影響，細胞與微米溝槽的相互作用于納米溝槽截然不同。在??納米溝槽表面，通常能夠跨越多級多組條紋結(jié)構(gòu)，如圖１．８Ａ所示［３７］。細胞在納??米結(jié)構(gòu)上黏附遷移，當納米溝槽足夠狹窄時，細胞偽足也無法進入溝槽底部。但??在微米溝槽表面
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本文編號：2845746