纯钛表面梯度涂层或塑性变形纳米化对生物相容性的影响

摘要

目的: 医用生物材料表面修饰可提高材料的生物相容性。纯钛是目前临床最常用的医用生物材料之一，但生物相容性不足；通过表面修饰提高纯钛的生物相容性是目前研究的热点之一。本研究目的是在应用新型的塑性变形和低温烧结技术，使纯钛表面产生纳米化结构基础上，观察表面纳米化纯钛生物相容性的变化，从而为新型医用内植材料研制、开发以及应用提供理论支持和实验依据。 材料和方法: 1、纯钛表面纳米梯度涂层的制备、表征和生物相容性的检测： 应用低温烧结技术在纯钛表面制备羟基磷灰石/生物玻璃梯度涂层，再经过模拟体液的浸泡，最后产生纳米化的涂层表面。应用扫描电镜、X射线衍射仪对梯度涂层材料表面进行检测，用抗拉试验测试梯度涂层与钛基底之间的结合强度。体外观察人成骨样细胞系(Saos-2)在涂层表面的黏附、增殖。将上述材料制备的种植钉24枚分别植入12只新西兰兔股骨髁，用同型号未处理的纯钛钉作为对照。分别于术后1mon、3mon、6mon行X线摄片，处死动物切取标本；硬组织切片和磨片，通过观察四环素荧光标记，确定种植钉周围新生骨的多少。行硬组织切片的苦味酸-品红染色，观察界面愈合、骨沉积和种植体-骨界面骨结合情况。 2、纯钛表面塑性变形纳米化结构的制备、表征及其生物相容性的研究： 10 mm×10 mm×1 mm大小规格的医用钛板，应用SNC-I金属材料表面纳米化试验机，在一定条件下，分别进行不同时间的处理。 根据塑形变形处理时间不同分为：30 min组(n=6)、60min组(n=6)和90 min组(n=6)，另设未处理纯钛为对照组(n=6)；应用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电镜、激光共聚焦显微镜、动态力学测试仪等对塑性变形材料进行表征。以人成骨样细胞系(Saos-2)细胞为对象，应用激光共聚焦显微镜和荧光显微镜进行细胞黏附、细胞骨架蛋白和形态的观察和检测；四唑溴盐(MTT)法检测细胞增殖状况；RT-PCR法检测细胞骨分化相关基因BMP-4的表达。SAS6.0软件对数据进行单因素方差分析。 结果: 1、低温烧结制备的纳米羟基磷灰石/生物玻璃梯度涂层为多孔粗糙结构，涂层表面羟基磷灰石晶体为不规则的短柱状，尺寸为100 nm以下。涂层基底部与钛形成致密结合，无微细裂纹，抗拉试验显示梯度涂层与钛结合强度达到35.5±3.5 Mpa。人成骨样细胞系（Saos-2）在涂层表面黏附、增殖明显优于对照组。动物体内实验示梯度涂层种植钉与周围骨形成良好的骨整合，周围新生骨明显增多。 2、钛板在钢球弹丸直径8 mm、振动频率50 Hz、真空和室温条件下，分别进行30 min、60 min和90 min的处理，得到试验所用材料。纯钛表面塑性变形处理30～90 min时，粗糙度为10～100 μm，在大孔内有粒径30～100 nm的小孔和晶体颗粒，粒径范围约30～100 nm。塑性变形纳米化纯钛的X射线衍射峰强度降低，衍射峰宽化，弹性模量下降了20％左右。塑性变形60 min和90 min能在纯钛表面获得良好的表面纳米化结构。纳米化纯钛表面结构显著促进细胞黏附(P<0.05)，60 min组材料的细胞铺展要优于其它组；处理组材料表面细胞肌动蛋白丝规律性沿着细胞的长轴方向分布,塑性变形60 min纯钛表面细胞较为典型。60min组和90min组细胞的BMP-4表达高于对照组(P<0.05)。 结论: 纯钛表面通过梯度涂层和塑性变形能形成纳米化结构；该类结构能明显提高成骨样细胞在其表面的黏附、增殖等。梯度涂层纳米化表面修饰能促进种植钉的骨整合能力。 表明纳米化结构有较好的组织相容性，可能为一种有希望的钛表面处理技术。