构建种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料抗菌性能及生物活性研究

摘要

钛及钛合金因其良好的材料学性能和生物学性能被广泛应用于牙科领域，但因其上部结构暴露在口腔环境中，种植体－软组织结合较薄弱部位容易受细菌侵袭；术中淤血及受损种植位点为细菌繁殖提供理想环境；植体下段表面粗糙程度不仅易于形成骨结合，也方便细菌黏附和定植；钛及钛合金的生物惰性性质，这些因素均会诱导种植体周围炎的发生。因此，如何使种植体材料表面修饰具有生物活性和抗菌性能以提高种植成功率是众多学者一直研究的重点和难点。本研究拟采用电镀法和紫外还原法使纯钛表面获得膜状和颗粒状改性，以口腔常见菌为研究对象，就改性后纯钛表面抗菌性能进行研究，并对其生物活性进行初步评价，从抗菌和生物活性角度优化种植体材料表面修饰。
　　第一部分、种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的构建及性能分析
　　目的：在纯钛(Titanium,Ti)表面构建不同浓度的氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)膜和银(Silver,Ag)颗粒，并对其材料学性能进行分析。
　　方法：通过正交实验设计设计工艺参数；电压为20V，时间为5min，浓度分别为20μg/ml、50μg/ml、80μg/ml、100μg/ml条件下通过电镀法对Ti进行修饰；采用紫外还原法在浓度为1mol/L的硝酸银溶液中对Ti－GO进行加载；利用场发射扫描电子显微镜对表面形貌进行观察；使用拉曼光仪对GO的性状进行分析；通过X射线光电子能谱对Ag进行表征；采用原子力显微镜对材料表面轮廓和粗糙度进行研究；利用接触角测试仪对材料表面亲水性进行研究；使用纳米压痕和纳米划痕对材料表面弹性模量和摩擦力进行探讨；通过电感耦合等离子体质谱仪对Ag离子释放进行研究。
　　结果：正交实验优化的工艺参数：电压：20V，时间：5min；Ti表面经过改性以后表面有类膜物质和类颗粒状物质，经分析可知膜状物质为GO，且浓度不同，GO在Ti表面的形貌和量也不一样；颗粒状物质为Ag单质，与GO的浓度成正比；表面轮廓高低起伏，粗糙度与浓度成正比；Ti－GO与浓度成反比，Ti－GO－Ag与浓度成反比；弹性模量与维氏硬度随GO浓度升高而升高，摩擦力与浓度没有正反比关系；各组在第四天Ag离子释放量出现相似情况。
　　结论：正交实验设计可以优化实验过程，并使Ti表面获得修饰；改性后的Ti，其表面形貌、轮廓、粗糙度、亲水性能、弹性模量、维氏硬度、摩擦力等均与改性前有所不同，使Ti表面获得生物涂层（如抗菌涂层）；四组实验组Ag离子释放总体规律趋向于降低，指导抗菌过程。
　　第二部分、种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的抗菌性能研究
　　目的：研究不同浓度的GO和Ag涂层表面对三种口腔常见菌的抗菌作用。
　　方法：以金黄色葡萄球菌、变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌为研究对象，评价20μg/ml、50μg/ml、80μg/ml、100μg/ml四种不同浓度Ti-GO-Ag涂层表面形成细菌生物膜的能力，并对细菌表面形貌进行观察；使用激光共聚焦显微镜对细菌胞膜完整性进行检测，并用Image J软件对荧光强度值和涂层表面细菌三维形貌进行研究；利用流式细胞仪对细菌凋亡情况进行评价；采用透射电子显微镜对细菌内部结构进行观察；通过时实定量荧光PCR技术检测细菌相对基因表达情况；对改性后Ti的抗菌机理进行初步探讨。
　　结果：20μg/ml、50μg/ml、80μg/ml、100μg/ml四种不同浓度Ti-GO-Ag涂层表面对金黄色葡萄球菌、变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌的抗菌效果均达到或超过89％，明显优于对照组；三种细菌表面形貌发生明显改变；涂层表面细菌胞膜完整性受损，红色荧光强度值高于绿色荧光强度值，细菌活性均低于对照组，细菌的三维形貌也比对照组量少、薄和松；细菌凋亡情况明显不同于对照组；通过内部结构观察可发现细菌破坏主要是银离子接触并穿过胞膜进入到胞内而使细菌结构破坏；三种细菌的相对基因表达量均低于对照组。
　　结论：不同浓度的GO和Ag涂层对三种口腔常见菌均有抗菌作用，且对革兰氏阴性菌的效果优于革兰氏阳性菌，其抗菌机制是银离子接触攻击细菌胞膜，使胞膜结构穿孔，胞质外泄，从而使细菌裂解死亡。
　　第三部分、种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的生物活性评价
　　目的：评价不同浓度的GO和Ag涂层表面生物活性。
　　方法：通过人体模拟液浸泡实验研究不同浓度的GO和Ag涂层表面钙磷沉积情况；利用CCK-8实验评价不同浓度的GO和Ag涂层表面鼠骨髓间充质干细胞活性情况。
　　结果：不同浓度的GO和Ag涂层表面均可沉积钙磷等元素，沉积效果较好的是对照组、G20组和G80组，其中对照组和G20组、G20组和G80组之间无统计学差异；四种不同浓度的GO和Ag涂层表面对鼠骨髓间充质干细胞的存活状况较对照组差，G20和G50组优于G80和G100组。
　　结论：四种不同浓度的GO和Ag涂层表面拥有不同程度的生物矿化能力，且对鼠骨髓间充质干细胞的存活状况均有影响。

目录

声明

缩略语表

前言

文献回顾

1．钛种植体表面改性方法

2. 种植体周感染

3. 钛涂层表面加载不同抗菌物

4. 种植体表面化学特征

5. 钛表面涂层－生物体结合力

6. 氧化石墨烯在口腔种植中的应用前景

7. 银的抗菌效应

8. 种植体表面抗菌－生物活性双向改性

第一部分 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的构建及性能分析

实验一 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料制备

实验二 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的性能分析

第二部分 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的抗菌性能研究

实验一 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料对金黄色葡萄球菌的实验研究

实验二 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料对变形链球菌的实验研究

实验三 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料对牙龈卟啉单胞菌的实验研究

第三部分 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的部分生物活性评价

实验一 种植体表面Ti-GO-Ag多相复合材料的矿化及细胞活力评价

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢