ROS响应性生物功能化钛基界面的构建及其促骨质疏松性骨折修复的研究

摘要

钛及钛合金具有良好的机械性能及生物相容性被广泛应用于骨修复等生物医学领域。然而，钛材的界面生物惰性使植入体与宿主的骨整合降低，引发植入体松动及手术失败。尤其对于骨质疏松患者而言，其骨的脆性高，骨量低，增加了钛基植入体松动和移位的风险。基于此，如何设计和优化钛基材料的表面性能，促进材料与宿主的骨整合性，尤其是对于改善骨质疏松性骨折的修复具有重要现实意义。　　本文基于骨质疏松特殊的微环境（高ROS水平），利用简单的化学合成、电化学沉积等方法在钛基材料上构建了具有ROS响应性的生物功能性表界面，旨在促进骨质疏松骨折的修复。主要研究内容和结果如下：　　1.ROS响应性功能化钛基界面的制备与表征。　　首先利用电化学沉积在钛材表面沉积羟基磷灰石（HA）涂层，并通过配位作用将磷酸基团修饰的OGP吸附到HA表面，最后利用NBC（4-硝基苯基-4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂环戊硼烷-2-基）苯基酯）小分子偶联Apt19S与OGP，获得具有ROS响应性生物功能性界面。并通过氢核磁共振、X射线光电子能谱仪、场发射扫描电镜、接触角测试对其表面特性进行表征。　　2.ROS响应性功能化钛基界面的优化。　　通过探究不同浓度OGP与Apt19S的负载效率、不同浓度Apt19S的累积释行为与Apt19S对细胞行为的影响，确定钛基界面适宜的OGP与Apt19S的负载量，赋予功能钛基界面最佳招募骨髓间充质干细胞（MSCs）及促进其分化的功能。　　3.ROS响应性功能化钛基界面对MSCs迁移及分化的影响。　　利用Transwell迁移检测、明胶酶谱法、伤口愈合检测以及蛋白水平上整合蛋白（Integrin）、黏着斑激酶（FAK）、波形蛋白（vimentin）的表达，探究了ROS响应性功能化钛基界面对H2O2环境中MSCs迁移的影响。利用四唑盐比色检测、碱性磷酸酶（ALP）染色、茜素红染色、细胞矿化钙生成量以及蛋白、mRNA水平上测定成骨相关蛋白表达，探究了ROS响应性功能化钛基界面对H2O2环境中MSCs的铺展、增殖及分化的影响。实验结果表明，该钛基响应性界面能够显著地促进MSCs的增殖、迁移及成骨分化。　　4.ROS响应性功能化钛基界面对骨质疏松性骨折修复的研究。　　为探究钛基响应性界面体内成骨的影响，将功能化钛棒植入骨质疏松模型动物体内，并利用X光片、CD29/CD90免疫组织化学染色及苏木精伊红组织学染色，评价该材料在体内对干细胞招募及促进新骨生成的能力。结果表明，ROS响应性功能化钛基界面有效地募集干细胞到植入体界面并促进植入体周围新骨的生成，并为骨疏松性骨折的修复提供新思路。

目录

主要缩略词

1 绪 论

1.1 问题提出

1.2 骨质疏松症

1.3 骨质疏松性骨折修复

1.3.1 骨髓间充质干细胞

1.3.2 招募因子

1.3.3 促成骨分化因子

1.4 钛材对骨质疏松性骨折的研究现状

1.5.1 本文的研究思路

1.5.2 本文的主要内容

1.6 本文的创新点

2 ROS响应性功能化钛基界面的制备及优化

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料与仪器设备

2.2.2 NBC-OGP的合成与表征

2.2.3 钛材表面电沉积羟基磷灰石涂层

2.2.4 ROS响应性功能化钛基界面的制备及表征

2.2.5 ROS响应性功能化钛基界面的体外释放

2.2.6 ROS响应性功能化钛基界面的优化

2.3.1 NBC的 1H NMR与NBC-OGPpp的荧光胺表征

2.3.2 ROS响应性功能化钛基界面的结构表征与Apt 19Sr的体外释放

2.3.3 ROS响应性功能化钛基界面的优化

2.4 本章小结

3 ROS响应性功能化钛基界面对MSCs行为的影响

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料与仪器设备

3.2.2 骨髓间充质干细胞MSCs的培养

3.2.3 ROS响应性功能化钛基界面对MSCs迁移行为的影响

3.2.4 ROS响应性功能化钛基界面对MSCs增殖与分化的影响

3.2.5 图片和统计分析

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 ROS响应性功能化钛基界面对MSCs迁移行为的影响

3.3.2 ROS响应性功能化钛基界面对MSCs增殖与分化的影响

3.4 本章小结

4 ROS响应性功能化钛基界面体内促成骨效应研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料与仪器设备

4.2.2 大鼠骨质疏松模型构建

4.2.3 功能化钛基材料植入

4.2.4 X-ray观察材料植入

4.2.5 组织学染色

4.2.6 免疫组织化学染色

4.3 实验结果

4.3.1 X-ray观察材料植入情况

4.3.2 组织学染色

4.3.3 免疫组织化学染色

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致 谢