本文選題：成骨 + 二氧化鈦�。� 參考：《華南理工大學》2016年博士論文

【摘要】：骨組織與材料的界面處存在復(fù)雜的生理微環(huán)境,為提高植入體界面處的骨再生,大量研究利用硬度、微納米拓撲結(jié)構(gòu)以及表面官能團等材料的固有性能模擬細胞外基質(zhì)的微環(huán)境調(diào)控干細胞成骨分化和誘導(dǎo)骨組織再生,但模擬骨內(nèi)電生理微環(huán)境調(diào)控成骨分化的研究較少。骨內(nèi)電生理微環(huán)境源于膠原纖維的壓電響應(yīng)特性及其空間多級排列特性。因此,模擬骨的電生理微環(huán)境,對電活性生物材料進行微區(qū)功能設(shè)計,對調(diào)控成骨分化和骨再生具有重要的科研價值和臨床意義。本研究針對電活性生物材料仿生微區(qū)構(gòu)建開展如下工作:(1)利用二氧化鈦的半導(dǎo)體特性,在醫(yī)用鈦表面構(gòu)建周期性微區(qū)二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該微區(qū)異質(zhì)結(jié)構(gòu)由兩種具有不同載流子密度的n型二氧化鈦半導(dǎo)體周期性平行排列組成,可形成內(nèi)建周期性微區(qū)靜電場。體外細胞實驗證明二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)仿生微區(qū)靜電場樣品具有良好的生物相容性,且在不加入成骨誘導(dǎo)液的條件下就能通過微區(qū)電刺激促進骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化,體內(nèi)動物植入實驗進一步證實其具有誘導(dǎo)骨再生的作用。本研究對于開發(fā)新型仿生微區(qū)電特性生物材料具有啟發(fā)作用。(2)利用激光誘導(dǎo)微區(qū)相變技術(shù)構(gòu)建微區(qū)壓電響應(yīng)型鈮酸鉀鈉植入體,模擬骨內(nèi)膠原纖維的壓電響應(yīng)特性。由于微區(qū)壓電響應(yīng)型植入體的微區(qū)電性不同,將在其表面產(chǎn)生空間特異性微區(qū)電場,模擬骨內(nèi)電生理微環(huán)境。體外實驗表明微區(qū)壓電響應(yīng)型植入體具有良好的生物相容性,并顯著促進骨髓間充質(zhì)干細胞的鋪展。且在無成骨誘導(dǎo)液加入的條件下,植入體表面細胞堿性磷酸酶活性增加。動物體內(nèi)植入實驗也表明該微區(qū)壓電響應(yīng)型結(jié)構(gòu)可以成倍提高植入體界面的骨再生能力。本研究成功構(gòu)建仿生微區(qū)壓電響應(yīng)性植入體,該研究思想為植入體設(shè)計提供了新的思路。(3)本研究進一步提出利用微區(qū)壓電響應(yīng)型植入體材料表面形成的微區(qū)電場破壞細菌呼吸鏈,殺滅細菌的設(shè)想。首先通過調(diào)控極化參數(shù)實現(xiàn)對微區(qū)壓電響應(yīng)型植入體表面微區(qū)電場強度的有效調(diào)控。研究表明高微區(qū)電場強度的植入體可破壞細菌細胞膜,起到完全殺滅細菌的目的。實驗結(jié)果也表明微區(qū)電場未影響活性氧產(chǎn)生,但可以顯著促進巰基氧化。最終提出微區(qū)壓電響應(yīng)型植入體造成細菌定向遷移至質(zhì)子耗散區(qū)引起細菌內(nèi)質(zhì)子失衡的殺菌機理。構(gòu)建具有良好生物相容性且兼具抗菌性能的骨植入材料可實現(xiàn)成骨性和抗菌性的統(tǒng)一,具有重大臨床意義。(4)鈦表面空間可控的拓撲結(jié)構(gòu)信號可以提高骨再生的效率。本研究利用選區(qū)激光輻照在水熱處理納米針狀膜層表面構(gòu)建緩沖區(qū)。該微區(qū)功能結(jié)構(gòu)對類骨磷灰石沉積和蛋白吸附具有區(qū)域選擇性,且避免了納米針狀膜層對成骨細胞增殖造成的抑制作用。細胞實驗證實該微區(qū)功能結(jié)構(gòu)可加速成骨細胞體外分化和鈣結(jié)節(jié)沉積,且鈣結(jié)節(jié)成分更接近于骨磷灰石成分。體內(nèi)植入實驗證明該功能微區(qū)結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)骨再生。
[Abstract]:There is a complex physiological microenvironment at the interface of bone tissue and material. In order to improve the bone regeneration at the implant interface, a large number of studies have been made to simulate the osteogenesis of the stem cells and induce the regeneration of bone tissue by using the intrinsic properties of the material such as the hardness, the micro nano topology and the surface functional groups to simulate the osteogenesis of the stem cells and the induction of bone tissue regeneration. There are few studies on the regulation of osteogenic differentiation in the microenvironment. The electrophysiological microenvironment in bone originates from the piezoelectric response characteristics and the spatial multilevel arrangement of the collagen fibers. Therefore, the simulation of the electrophysiological microenvironment of the bone and the microfunctional design of the electroactive biomaterials have important scientific and clinical significance for the regulation of osteogenesis and bone regeneration. In this study, the following work is carried out for the biomimetic microarea construction of electroactive biomaterials: (1) using the semiconductor properties of titanium dioxide to construct a periodic microzone titanium dioxide heterostructure on the surface of medical titanium. The microstructure of the microregion is composed of two kinds of N type TiO 2 semiconductors with different carrier density. In vitro cell experiments have proved that the bionic microzone electrostatic field samples of titanium dioxide heterostructure have good biocompatibility, and the bone marrow mesenchymal stem cells can be divided into bone by micro area electrical stimulation without the inclusion of osteogenic inducer, and the animal implantation experiments in vivo further confirm that This study has an enlightening effect on the development of a new biomimetic biomimetic biomimetic biomaterial. (2) the piezoelectric response type of potassium niobate implant was constructed by laser induced microphase transition technology to simulate the piezoelectric response characteristics of the collagen fibers in the bone. In the same way, the space specific microelectric field will be produced on the surface to simulate the electrophysiological microenvironment in the bone. In vitro experiments show that the micropiezoelectric responsive implants have good biocompatibility and significantly promote the spread of bone marrow mesenchymal stem cells. And the alkaline phosphatase activity of the implant surface cells under the non osteogenic inducer added. In vivo implantation experiments in animal body also show that the piezoelectric responsive structure of the microregion can double the bone regeneration ability of the implant interface. This study successfully constructed a biomimetic micro piezoelectric responsive implant, which provides a new idea for the design of the implant. (3) this study further proposed the use of micropiezoelectric responsive implants. The microelectric field formed by the surface of the material destroys the bacterial respiration chain and destroys the bacteria. First, the effective control of the micro area electric field intensity of the microzone piezoelectric responsive implant is realized by controlling the polarization parameters. The research shows that the implanted body of the high micro electric field strength can destroy the bacterial cell membrane, and the aim of killing bacteria completely is the experimental junction. The results also show that the micro area electric field does not affect the production of reactive oxygen species, but it can significantly promote the oxidation of sulfhydryl groups. Finally, it is suggested that the micropiezoelectric responsive implants cause the bactericidal mechanism of bacterial endoplasmic disequilibrium caused by the directional migration of bacteria to the proton dissipative region. The unity of sexual and antibacterial properties is of great clinical significance. (4) the spatial controllable topological structure signal of the titanium surface can improve the efficiency of bone regeneration. The inhibitory effect of the nanoscale membrane on osteoblast proliferation was avoided. Cell experiments confirmed that the functional structure of the microregion could accelerate the differentiation of osteoblasts and the deposition of calcium nodules, and the calcium nodule composition was closer to the bone apatite. In vivo implantation experiments proved that the functional microstructure could induce bone regeneration.
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R68;R318.08

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本文編號：1982606