銅是人體必需微量元素,研究表明適量的銅離子能有效促進骨組織再生和血管生成,且具有良好的抗菌性能,被廣泛用于生物材料改性。然而,正因為銅參與人體的多項生理功能,過量時會抑制細胞的生物學功能或者對細胞產(chǎn)生毒性;而銅含量過低又不能發(fā)揮良好的促成骨、成血管和抗菌性能。針對這一問題,本論文研究了銅離子濃度對不同細胞和細菌行為的影響;利用等離子浸沒離子注入技術(shù)(Plasma immersion ion implantation,PIII)和熱處理,在醫(yī)用鈦表面制備銅離子注入改性層和銅摻雜的二氧化鈦(TiO_2)層并探究其理化性能和生物學性能。論文的主要研究結(jié)果如下:1.利用不同濃度的銅離子溶液分別與人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)、小鼠成骨細胞(MC3T3-E1)、大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞(rBMSCs)、金黃色葡萄球菌(S.aureus)和大腸桿菌(E.coli)共培養(yǎng),研究銅離子濃度對細胞、細菌行為的影響。細胞實驗結(jié)果表明,不同細胞對銅離子的耐受能力大小依次是HUVECsMC3T3-E1rBMSCs。在安全濃度范圍內(nèi),升高銅離子溶液濃度,能夠促進HUVECs的遷移和體外成血管能力;當銅離子濃度達到一定值時,繼續(xù)升高銅離子濃度對HUVECs的促進作用減緩。此外,低濃度銅離子能夠促進rBMSCs早期的成骨分化和成骨相關(guān)基因的表達。細菌實驗結(jié)果表明,銅離子對兩種細菌的抗菌濃度存在閾值,當銅離子濃度低于臨界值,銅離子的抗菌性能較弱;當銅離子濃度高于臨界值,銅的抗菌性能顯著提高。上述結(jié)果揭示銅離子的成骨、血管再生和抗菌性能的相關(guān)濃度,可指導銅摻雜生物材料的研究,同時也為其他類似的研究提供一定的參考價值。2.利用PIII技術(shù)將銅引入到醫(yī)用鈦表面。改性鈦表面的耐腐蝕性能有所提高,銅離子能夠穩(wěn)定的釋放。鈦表面含銅較低的樣品對rBMSCs和HUVECs的增殖有促進作用,但對S.aureus和E.coli沒有抗菌能力;隨著離子注入時間的延長,鈦表面含銅量較高的樣品的抗菌能力顯著提高,同時也未產(chǎn)生明顯細胞毒性。因此,通過合理控制鈦表面的銅含量,可以獲得兼具良好抗菌性能和生物相容性的鈦植入材料。3.對銅離子注入改性的鈦進行熱處理得到銅摻雜的TiO_2層。熱處理后,鈦表面生成的金紅石相的TiO_2,提高熱處理溫度有利于TiO_2晶粒的生長。與純鈦相比,銅離子注入有利于表面TiO_2晶粒的生長。體外細菌試驗表明,在可見光照射下,銅摻雜的TiO_2具有光催化抗菌性能。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：R318.08
【部分圖文】：

圖 1.1 不同細菌體內(nèi)銅平衡模型[27]Fig 1.1 Model of copper homeostasis in various species of bacteria（二） 銅的促血管再生功能植入體植入人體后會不可避免地引起周圍機體組織和血管的損傷。血管對于傷口愈合以及植入體與基體組織的結(jié)合都具有重要作用，其可以運輸養(yǎng)分，抑制炎癥反應[28]。血管生成受到部分生長因子的調(diào)節(jié)，例如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、血小板衍生因子（PDGF）、血管生成素（angiogenin）、堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）、血小板來源的內(nèi)皮細胞生長因子（PD-ECGF）、白細胞介素-8（IL-8）和纖維母細胞生長因子（hFGF）等。其中，VEGF 是最重要的促進成血管因子，能夠直接刺激血管內(nèi)皮細胞遷移、增殖和分裂。hFGF-1 是一種多功能蛋白復合物，其 C2A 與銅離子具有良好的親和性。圖 1.2 為銅調(diào)節(jié)細胞成血管的示意圖。研究表明，銅能夠促進內(nèi)皮細胞的增殖和遷移，有利于血管生成。

圖 1.2 銅調(diào)節(jié)真核細胞成血管過程的示意圖[31]Fig 1.2 Scheme of angiogenesis regulation by copper in eukaryotic cells（三） 銅的促進骨組織再生功能銅對人體的骨組織再生具有重要作用。文獻報道[32]，銅離子能夠刺激骨髓間充質(zhì)干細胞分化為骨組織細胞，增強骨組織再生細胞的活性，同時提高破骨細胞的增殖能力，有利于新骨再生。鈦及其合金具有很好的機械性能、耐腐蝕能力和生物相容性被廣泛用作骨組織替換材料。然而，鈦及其合金屬于生物惰性材料，對植入體與骨組織之間的結(jié)合沒有促進作用。將一定量的銅摻入到鈦材料表面后，可賦予材料生物活性，促進與骨組織的結(jié)合和骨再生。研究表明銅能夠促進成骨細胞對 Runx2(Runt-related transcription factor 2)的表達。Runx2 是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，能夠促進配體蛋白質(zhì)（Wnt）和骨成型蛋白（BMP）信號通路表達，從而增強骨組織再生的能力。此外，銅也能促進骨髓間充質(zhì)干細胞的 BMP-2 因子

）陽極氧化法 陽極氧化工藝成熟，原理是通過電場作用，在材，得到的涂層與基體的結(jié)合較強[84]。鈦及其合金經(jīng)過陽極氧化鈦材料表面的生物活性、促進羥基磷灰石的形成[85-87]。）物理表面改性）常用的機械表面改性方法 包括切削、磨削、拋光和噴砂[88, 89后，可獲得清潔的表面、改變材料表面的形貌和粗糙度。）等離子體噴涂 等離子體噴涂技術(shù)廣泛用于陶瓷涂層的制備。涂技術(shù)包括大氣等離子體噴涂[90]、真空等離子體噴涂[91, 92]或[93, 94]。等離子體噴涂的技術(shù)原理如圖 1.3。通過調(diào)節(jié)等離子體度及噴涂距離，可以得到不同性能的涂層。利用等離子體噴涂O3[84, 95, 96]和ZrO2[97, 98]噴涂到鈦及其合金表面，從而提高其表面抗腐蝕性能；也可以將羥基磷灰石[99, 100]或 CaO-SiO2[101, 102]等表面，可以提高其表面的生物活性。
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本文編號：2857243