本文選題：鈦植入體 + 表面改性�。� 參考：《山東大學》2013年博士論文

【摘要】：生物醫(yī)用材料,是用于取代、修復活組織的天然或人造材料。生物醫(yī)用材料與延長人類壽命和提高生活質(zhì)量息息相關,因而生物材料領域越來越受到重視。近年來,材料學和生物學的研究進展為生物醫(yī)用材料的發(fā)展奠定了基礎。而隨著全球人口老齡化進程的加速、人類對健康和長壽的追求、運動創(chuàng)傷的增多、疑難病患者的增加和需要替換組織的病人年齡降低等現(xiàn)象都對生物材料提出了非常大的需求。目前,不僅植入手術增加,植入后的修復手術也隨之增加。修復手術給患者造成了疼痛,并且造價高成功率低,這就對生物材料提出了更高的要求。 生物醫(yī)用鈦材料由于其良好的力學性能、低彈性模量、易加工性、抗腐蝕性和生物相容性被廣泛應用作人工骨、人工關節(jié)、骨釘、牙種植體等硬組織替代材料和心臟瓣膜、血管支架等血管材料。但是,鈦及其合金本身存在著生物惰性的缺點,使其植入體內(nèi)與周圍組織的結(jié)合僅僅是簡單的機械鎖合,不能形成良好的鍵合作用。因而鈦植入體往往被纖維組織所包裹而與宿主組織隔離開來,長此以往會引起血栓從而導致植入體的失敗。目前主要的解決方法是在植入體表面形成磷灰石,形成骨性結(jié)合。但這種方法也存在著致命的缺點就是與鈦基體的結(jié)合力弱,容易造成脫落。而其他物理方法包括離子注入,熱噴涂等方法也存在著造價昂貴的問題。另外,在外科手術中,細菌感染是臨床上面臨的棘手問題。全面的消毒和嚴格的無菌操作條例等措施下,術后感染經(jīng)常發(fā)生。嚴重的感染會延長住院時間、增加患者的病痛和經(jīng)濟負擔等一系列問題。臨床上主要的解決途徑是抗生素注射的方法,而抗生素抗菌具有特異性,需要長期注射而且會引發(fā)抗藥細菌株。 植入體表面微納米結(jié)構通過對絡氨酸激酶活性,胞內(nèi)信號通路的調(diào)節(jié)來控制轉(zhuǎn)錄活性和基因表達影響細胞的貼壁、形態(tài)、排列、粘附、遷移、增殖、分化和骨架組裝；鈣鎂離子在骨代謝中扮演著重要角色；氧化石墨烯和還原氧化石墨烯對蛋白和生長因子的富集作用可以調(diào)控細胞分化；納米銀具備有效的抑制多種細菌、真菌和病毒的特性。 基于以上問題,本論文提出在鈦表面原位構建納米結(jié)構活化鈦表面；通過載入促進細胞成骨分化的離子Ca2+和Mg2+定向調(diào)控干細胞命運；而氧化石墨烯和還原氧化石墨烯組裝在具有鈦酸鈉納米結(jié)構的鈦表面構建復合納米材料改善生物學功能；在鈦酸鈉納米結(jié)構上載入Ag+并還原得到Ag納米顆粒原位制備兼?zhèn)湟志蜕锵嗳菪缘拟佒踩塍w材料,具體包括如下工作： 1.鈦表面納米結(jié)構的構建及其生物學性能。 利用堿-水熱的方法通過調(diào)節(jié)反應條件在醫(yī)用金屬鈦表面原位構建了納米網(wǎng)絡結(jié)構和納米管結(jié)構的單斜鈦酸鈉Na2Ti307;通過靜滴法測量了超純水在三組樣品,包括拋光的純鈦片、鈦酸鈉網(wǎng)絡結(jié)構和納米管結(jié)構上的接觸角,并對三組樣品表面的親疏水性能比較,探討了表面納米結(jié)構對前成骨細胞(MC3T3-E1)行為的影響；細胞增殖、細胞骨架染色和堿性磷酸酶活性測試得到的結(jié)果可以看出：鈦酸鈉納米網(wǎng)絡結(jié)構能夠促進細胞的貼壁、鋪展、遷移和增殖,特別是在成骨誘導因子的協(xié)同作用下更加明顯。而納米管結(jié)構的鈦酸鈉與之相比,更能促進細胞的成骨分化；鈦酸鈉納米網(wǎng)絡結(jié)構的構建為后續(xù)工作奠定了基礎。 2.鈦表面構建不同離子的鈦酸鹽納米結(jié)構,調(diào)控干細胞的命運。 通過簡單的水熱技術和隨后的離子交換過程制備了Na+-鈦酸鹽,Mg2+-鈦酸鹽和Ca2+-鈦酸鹽等不同離子的鈦酸鹽納米結(jié)構。鈦片浸沒在MgCl2和CaCl2溶液中后NazTi3O7納米結(jié)構中的Na+被完全取代。這種方法改變了用于細胞培養(yǎng)的鈦植入體表面的化學環(huán)境,如鈦酸鹽納米結(jié)構中無機陽離子的種類和數(shù)量,從而調(diào)控間充質(zhì)干細胞的命運,包括貼壁,增殖和分化。與Na+-鈦酸鹽的樣品相比,Mg2+-鈦酸鹽和Ca2+-鈦酸鹽的鈦酸鹽納米結(jié)構樣品均能促進細胞的增殖和成骨分化。但是過量的離子會抑制細胞活動。Ca2+-鈦酸鹽比Mg2+-鈦酸鹽在促進細胞分化方面更具有優(yōu)勢。 3.在含鈦酸鈉納米結(jié)構的鈦表面組裝氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)進行表面改性并研究其生物學性能。 構建氧化石墨烯和還原氧化石墨烯功能化的鈦表面材料"GO-Ti"和'rGO-Ti"。具體方法是：首先通過堿-水熱處理得到了利于細胞活動的鈦酸鈉的納米網(wǎng)絡結(jié)構；而結(jié)構中所含的Ti-O可以與偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)結(jié)合，，然后組裝GO得到'GO-Ti";隨后通過聯(lián)氨原位還原"GO-Ti"表面的GO得到"rGO-Ti"。通過Raman, XPS和SEM確定了功能化的鈦表面成分分別為氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)；另外也證實了鈦表面組裝GO和rGO后改變了接觸角,從而影響了材料表面的生物學功能；蛋白吸附實驗和細胞實驗證實了GO和rGO的功能化使得鈦表面對蛋白分子和細胞生長因子具有明顯的富集作用,特別是GO中的含氧基團的輔助作用,使其具備了調(diào)控鈦表面的生物學功能和細胞的增殖和分化能力；在鈦表面組裝石墨烯的工作具有開創(chuàng)性,而且有效的調(diào)控了細胞行為,包括貼壁、鋪展、增殖和分化等。 4.鈦表面原位構建具有抑菌性能和生物相容性的鈦酸／銀納米顆粒／鈦酸的三明治納米結(jié)構。 在Ti植入體表面成功原位構建了鈦酸-銀納米顆粒-鈦酸的三明治納米結(jié)構。首先通過堿水熱反應在Ti片表面合成鈦酸鈉納米結(jié)構；接著在硝酸銀溶液中Ti片表面上鈦酸鈉納米結(jié)構中的Na+離子被溶液中的Ag+離子取代；最后在葡萄糖溶液中Ag+被還原為Ag納米顆粒。三明治結(jié)構上的銀納米顆粒鑲嵌在鈦酸鹽納米結(jié)構的片層結(jié)構之間,尺寸和含量隨著硝酸銀溶液和葡萄糖濃度的增加而增加。與未被葡萄糖還原的樣品中Ag+離子的爆發(fā)式釋放相比,還原后得到的三明治結(jié)構中對Ag+的釋放起到了緩釋作用,實現(xiàn)了穩(wěn)定的持續(xù)釋放過程,因而提高了抑菌效果。確定了在0.01mmol/L的硝酸銀溶液中離子交換的樣品為最優(yōu)選擇具有高達99.99%的抑菌率和良好的生物相容性。目前的研究工作證實了鈦酸-銀納米顆粒-鈦酸的三明治納米結(jié)構具有抑菌性能和細胞相容性的雙重功能。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TB383.1;R318.08

【參考文獻】

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本文編號：1752866