用于骨质疏松的系列直径氧化钛纳米管涂层骨整合活性和机理研究

The incidence of implant loosening in osteoporosis people is higher than the others. The clinical challenge of implant loosening is related with the bone formation and resorption in the interface between implant and bone tissue. The titania nanotube(TiO2-NT) coating with good biological activities can promote the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells(MSCs) to be benefit for osteointegration. In our study, we found that the osteoclast differentiation was inhibited and the osteogenic differentiation of MSCs was enhanced with the enlargement of TiO2-NT dimensions. This project will obtain TiO2-NT coatings of series dimensions from anodic oxidation in order to study osteoclast differentiation, bone formation of MSCs and evaluate osteointegration in the osteoporosis animal model. Further more, the molecular mechanisms will be researched from Integrin, RANKL pathway and Wnt/β-catenin pathway. This research will study the effect of series dimensions of TiO2-NT on implant osteointegration and the molecular mechanisms and lay the foundation of prevention of implant loosening for the osteoporosis patients in clinical applications.

骨质疏松人群接受假体植入后其内植物松动发生的风险更高。内植物松动这一临床挑战和假体组织界面骨形成和骨吸收活动息息相关。氧化钛纳米管（TiO2-NT）涂层具有良好的生物活性，能促进间充质干细胞(MSCs)的成骨分化从而有利于骨整合。在我们的研究中发现随着TiO2-NT直径增大，破骨前体细胞在TiO2-NT涂层上向破骨细胞分化的活性降低，而间充质干细胞(MSCs)成骨分化增强。本项目将通过阳极氧化方法制备系列直径TiO2-NT涂层；研究破骨细胞形成和活性及间充质干细胞在其表面成骨分化的活性；并将其植入骨质疏松动物模型体内评价骨整合情况；从整合素分子、RANKL通路和Wnt/β-catenin 通路分别探讨TiO2-NT涂层影响骨吸收和骨形成活动的分子机制。该课题研究系列直径TiO2-NT涂层对骨整合的作用及分子机制，为临床应用中预防骨质疏松患者内植物松动提供研究基础。

氧化钛纳米管（TiO2-NT）涂层具有良好的生物活性，在骨科内植物表面改性上具有广阔的应用前景，但目前对其参与骨整合的具体机制尚缺乏研究，前期实验表明TiO2-NT涂层参与了骨代谢并可能影响了骨整合相关通路，由此本项目进行了进一步研究。.本课题通过主要研究：阳极氧化法制备系列直经TiO2-NT涂层工艺；系列直径TiO2-NT涂层对破骨前体细胞（BMMs）破骨分化能力和功能影响，对骨髓间充干细胞（BMSCs ）成骨分化能力及功能影响；TiO2-NT在骨质疏松大鼠模型骨整合情况；TiO2-NT 参与骨代谢可能的分子机制，从而得到了一定的研究结果。目前已经掌握了该涂层直径可控化制备工艺，实现了30nm-90nm的制备，通过元素分析和电镜等证明了该涂层直径可控、纯度高、纳米管分布均匀，工艺稳定性保证了材料可以用于实验研究。体外实验表明随着TiO2-NT直径增大，BMMs破骨分化能力下降，破骨细胞活性相关分子表达下降，90nm直径时抑制效应最明显，而BMSCs成骨能力与直径有正相关关系，30nm和60nm直径时对成骨的效应微弱，但是90nm时促进成骨能力最强。动物实验表明，90nm直径的TiO2-NT比纯钛棒要更好地促进骨整合。进一步的实验证明系列直径的TiO2-NT对BMMs细胞的粘附能力相近，对BMSCs细胞的粘附能力强于纯钛，整合素通路主要分子表达水平和TiO2-NT直径大小具有部分负相关性，相对于纯钛，90nm直径的TiO2-NT可以抑制BMMs细胞的粘附蛋白和整合素通路，并且可以上调BMSCs细胞相关成骨基因表达。.本课题研究系列直径TiO2-NT涂层对骨代谢的影响，揭示了其对BMMs破骨分化能力和功能影响、对BMSCs成骨分化和功能的影响，并探究了Nf-κB通路、粘附蛋白、整合素通路以及β-catenin通路在其中扮演的作用，为TiO2-NT涂层的实际应用提供了一定的理论依据。