基于TiO2纳米棒表面微纳结构制备及其高生物学响应性评价

本项目依据TiO2既能促进骨组织生长又具抗感染的特性，基于纳米棒形态在空间上可组合更多与细胞作用点以及可嫁接更多生物因子等方面的特点，考量细胞感知区域呈微纳尺度的特征，结合本课题组晶种诱导水热生长法可对纳米棒尺寸、疏密分布可调和与基板结合力高的特长，针对如何在骨植入体构建出高生物学响应性、高结合强度的TiO2表面微纳结构关键科学技术问题，创新地提出在金属骨植入体表面定域诱导生长不同密度的TiO2纳米棒构成表面微纳结构的设计，结合表面生物学功能化修饰，实现可产生出高生物学响应性表面微环境的构建，使金属植入体具有早期快速骨整合效能。为此将开展水热生长不同密度的TiO2纳米棒构建表面微纳结构、RGD生物信号分子嫁接、材料学表征和细胞培养评价、动物实验等研究。探明TiO2纳米棒基表面微纳结构与细胞生长行为、骨整合能力等之间关系和变化规律。本项目可为植入体上创建出高生物学响应性提供新思路和理论指导。

本项目基于“构建表面与细胞多作用维数或点数”的学术思路，开展了采用晶种诱导水热生长法在金属骨植入体表面构建TiO2纳米棒为基表面微纳结构的可控制备研究，纳米棒结构的细胞响应性研究，表面纳米棒修饰的金属植入体动物实验评价研究，圆满地完成预定研究任务。取得了如下研究进展和成果：.（1）掌握了表面形成TiO2纳米棒可控生长技术:先由分相自组装法和500°C热处理在基板上形成锐钛矿TiO2纳米点晶种诱导层。具有这样晶种诱导层的基板通过水热方式可以生长出TiO2纳米棒，其纳米棒尺寸和密度，随钛源浓度和水热时间可调，TiO2纳米棒为金红石相，沿[001]方向生长。低密度纳米棒薄膜（DRC）形貌显示出纳米点和纳米棒高度差为100nm左右，为满足细胞及其伪足同时感受到2种纳米单元提供空间条件。.（2）揭示了TiO2纳米棒对细胞作用的特点:细胞生长行为显示，具有低密度TiO2纳米棒薄膜（DRC）表现出最佳的细胞粘附、增殖和分化等生物学响应性，其原因是细胞伪足易与纳米棒柱面作用，构建的表面微纳结构能够与细胞或伪足产生更多相互作用点，从而促进生物信号通道的建立，产生出优良的生物学响应性。.（3）发现了TiO2纳米棒表面完整性与蛋白吸附状态密切相关性:实验结果表明TiO2纳米棒对胎牛血清蛋白(FBS)有着强烈的吸附能力，浸泡0.5h后，蛋白就会均匀的包裹在整根纳米棒表面；通过热处理改变纳米棒表面原子排列的完整性或有序性，其纳米棒表面缺陷较多(未热处理)纳米棒利于蛋白的早期吸附, 但总体吸附蛋白含量不高；而纳米棒表面原子排列规则有序(热处理后)，则呈现出蛋白初始吸附低，吸附过程连续且吸附含量高的特点。另外，还显示TiO2纳米棒柱面对蛋白的吸附能力大于顶端。.（4）验证了TiO2纳米棒修饰的金属植入体具有强骨整合能力: 动物实验结果显示，4周时TiO2纳米棒表面修饰的Ti金属植入体（纳米棒组）与宿骨的接触率显著高于纯Ti金属植入体（Ti组），Ti组表面上仍有较多软组织（结缔组织等）。纳米棒组拔出最大牵拉力是Ti组的1.7倍。8周时，植入体与宿骨结合进一步得到加强，纳米棒组和Ti组拔出最大牵拉力与4周相比，分别提高了1.6倍和1.8倍，但纳米棒组仍高于Ti组1.6倍。这些说明经TiO2纳米棒修饰的金属植入体，可大大提高骨整合能力，为其临床应用提供理论指导和实践依据。